Światłowodowe Sensory interferencyjne: zasady pracy i konfiguracje

Światłowodowe Sensory interferencyjne: zasady pracy i konfiguracje

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

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

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

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

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

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

Interferometr Fabry-Perot - przypomnienie rekombinacja wielu wiązek Współczynnik wyostrzenia prążków r F 2r = 1 r F 2 2 f = π F 2 i d=0.1 500 mm

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

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

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

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

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

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

Budowa czujnika F-P zewnętrznego

Budowa czujnika na interferometrze F-P (wewnętrznego)

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

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: 0.01-0.001deg./s

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

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

Zasady pracy

Architecture of open loop IFOG

Architecture of closed loop IFOG

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 = 0 2 2 E Funkcja przenoszenia czujnika 4 ( ) ( 1 K ) = 1 γ E 2 2 2π n 1 ( 1 K ) 4K sin λ π 4

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

Resonant fiber-optic gyro scheme

Scheme of fully integrated resonant ring gyro

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

Dobieranie konfiguracji sensoru światłowodowego do kuponu kompozytowego

Wprowadzanie światłowodu do panela kompozytowego

Rozłożenie sieci sensorów w panelu kompozytowym

Rozłożenie czujników z siatkami Bragga w skrzydle samolotu

Detekcja sygnału z sensora na siatkach Bragga

Wzbudzanie sensora falą akustyczną