Światłowodowe Sensory interferencyjne: zasady pracy i konfiguracje

Transkrypt

1 Światłowodowe Sensory interferencyjne: zasady pracy i konfiguracje

2 Sensory interferencyjne Modulacja fazy: Int. Mach-Zehndera Int. Sagnacą Int. Michelsona RF włókna odniesienia SF włókno sygnałowe Int. Fabry-Perot

3 Interferometr Michelsona Interferometr klasyczny Int. światłowodowy Pokrycie metaliczne lub 4% odbicia Elementy: sprzęgacz kierunkowy, konieczny izolator (50dB tłumienia)

4 Koncepcja konstrukcji czujnika w konfiguracji zrównoważonej Koncepcja zastosowania konfiguracji sprzężonych interferometrów jako czujnika monitorowania strefy ochronnej 2 interferometry Michelsona + 1 Sagnaca

5 Koncepcja konstrukcji czujnika w konfiguracji zrównoważonej Na rysunku poniżej przedstawiono układ sprzężonych zrównoważonych interferometrów tworzący światłowodowy czujnik z lokalizacją strefową miejsca zaburzenia Koncepcja sprzężonych interferometrów Michelsona i Sagnaca z jednostronnym dostępem

6 Interferometr Mach-Zehndera Konfiguracje pomiarowe: - push : S + R - push-pull : S-S - push-push S+S Zalety w porównaniu z Int. Michelsona: 1. Mały sygnał powrotny 2. 2 wyjścia w antyfazie 3. Często stosowany sprzęgacz 3x3 do detekcji met. homodyby pasywnej Budowa: - Dwa sprzęgacze kierunkowe - modulacji sygnału na wyjściu -często w gałęzi odniesienia modulator PZT do: - modulacji fazy na wyjściu - controli fazy względem gałęzi odniesienia

7 Interferometr Fabry- Perot Int. klasyczny Int. światłowodowy Czujniki w konfiguracji A. Wewnętrznej mody: w transmisji i odbiciu B. Zewnętrznej

8 Interferometr Fabry-Perot - przypomnienie rekombinacja wielu wiązek Współczynnik wyostrzenia prążków r F 2r = 1 r F 2 2 f = π F 2 i d= mm

9 etalon Fabry-Perot FSR (Free Spectral Range) różnica długości fal, dla których n-ty rząd prążka λ 1 nakłada się z (n+1) rzędem prążka dla λ 2 n λ 1 = (n+1) λ 2 CRP (Chromatic Resolving Power) stosunek długości fali padającej do min. rozdzielczości spektralnej (Δλ i ) min CPR = λi / 2n (Δλi)min ~ c d f λ i

10 Prążki na wyjściu interferometru F-P Im wieksze odbicie zwierciadeł tym węższe prążki

11 Zasada działania F-P δ = 2π λ i ( OPD) δ = 4π n λ i c dcosθ t

12 Realizacja światłowodowa F-P Dwa mody operacji: ze zwierciadłami na FO w TRANSMISJI Niski kontrast

13 Realizacja światłowodowa F-P bez zwierciadeł (powietrze / szkło) w ODBICIU Wysoki kontrast

14 Zastosowania int. sensorów F-P - zewnętrznych Adaptacyjny wąskotorowy filtr spektralny (analizator spektralny) F-P wielomodowy

15 Budowa czujnika F-P zewnętrznego

16 Budowa czujnika na interferometrze F-P (wewnętrznego)

17 Wielomodowe sensory Zastosowania int. sensorów F-P ciśnienia temperatury współczynnika załamania n Jednomodowe sensory temperatury ΔT Końcówka FO M odbijająca złączka Nie wymagają: FO odniesienia lub kontroli wydłużenia FO specjalne techniki analizy wyników

18 Sensory obrotu i przyspieszenia Interferometr Sagnaca Interferometr pierścieniowy Wielkości charakterystyczne: współczynnik żyroskopowy : Ω = KV całkowy współczynnik żyroskopowy θ(t 0 ) = Ωdt Im dłuższy czas całkowania tym większa czułość Np.. Przy wolnych skrętach w lotnictwie 1s czasu całkowania, przy stabilizacji platformy 0.01 s Wymagania : lotnictwo: 1deg/s, satelity, wojskowe samoloty, pociski sterowane: deg./s

19 Interferometr Sagnaca - zasada cw A pole pow. Ω (rad -1 ) ccw R konstrukcja złożona z N pętli int. stacjonarny: czas przelotu fotonów czas przelotu w kier.: +Ω -Ω ' 1 τ = 2 c '' 1 τ = 2π R + Ω c ( π R Ω R) τ cw ( R) τ ccw τ = 2π R dla n=1 c Kier. Zgodny z kier obrotu Kier. Niezgodny z kier obrotu c 2 R cw ccw 2 c 2 ( ΩR) τ = τ = τ Δτ = Ωτ Δτ = 4ΩA 2 c N

20 Zasady pracy sensora obrotów Optyczne rezonatory warunek całkowitej liczby λ w pierścieniu czujnika Interferometry z otwartą pętlą informacja o obrocie uzyskana bezpośrednio z sygnału napięciowego na wyjściu Interferometry z zamkniętą pętlą informacja o przesunięciu fazy uzyskiwana w pętli sprzęrzenia zwrotnego poprzez zerowanie sygnału fazowego

21 Zasady pracy

22 Architecture of open loop IFOG

23 Architecture of closed loop IFOG

24 Światłowodowy rezonator pierścieniowy nie wymaga zwierciadeł na FO wymaga sprzęgacza kierunkowego E 3 = (1-γ) 1/2 [(1-K) 1/2 E 1 -ike 2 ] γ - straty na sprzęgaczu K współczynnik sprzęgania E 4 = (1-γ) 1/2 [ik 1/2 E 1 +(1-K) 1/2 E 2 ] Sprzęgacz działa jak światłodzielenie z δ=π/2 n - przebiegów Rezonans długości rezonatora pierścieniowego gdy: całkowite przesunięcie fazowe po L n2π (rad) tzn. (E 4 /E 1 ) 2 = E Funkcja przenoszenia czujnika 4 ( ) ( 1 K ) = 1 γ E 2 2 2π n 1 ( 1 K ) 4K sin λ π 4

25 Funkcja przenoszenia w rezonatorze pierścieniowym Zastosowania: wzmacniacze optyczne giroskopy zmiana drogi optycznej przy obrocie d( OP) AΩ = ± 2 nc OP droga optyczna A obszar w pierścieniu Ω prędkość kołowa n współczynnik załamania FO c prędkość światła w konsekwencji długość fali światła ( ν) zmienia się d ν = ν d( OP) OP

26 Resonant fiber-optic gyro scheme

27 Scheme of fully integrated resonant ring gyro

28 T ~5 rad K -1 (100 rad K -1 m -1 ) ε 10 5 rad m -1 (10 7 rad K -1 m -1 ) Włókna: York Bow-tie 633 Sensory polarymetryczne

29 Dobieranie konfiguracji sensoru światłowodowego do kuponu kompozytowego

30 Wprowadzanie światłowodu do panela kompozytowego

31 Rozłożenie sieci sensorów w panelu kompozytowym

32 Rozłożenie czujników z siatkami Bragga w skrzydle samolotu

33 Detekcja sygnału z sensora na siatkach Bragga

34 Wzbudzanie sensora falą akustyczną