Інтерферометр на полімерному оптичному волокні як перетворювач для вимірювання механічних величин

Abstract

Дисертація присвячена розробленню теоретичних і практичних засад побудови функціональних схем волоконно-оптичних вимірювальних перетворювачів механічних величин на базі інтерферометра на полімерному оптичному волокні. Проведено теоретичне узагальнення основних фізичних властивостей спекл-структур, які формуються на виході багатомодових полімерних оптичних волокон внаслідок міжмодової інтерференції, з точки зору їх можливого використання в якості інформативного параметру для метрологічних застосувань. На основі результатів досліджень запропоновано новий підхід до розроблення волоконно-оптичних сенсорів та вимірювальних перетворювачів механічних величин на базі багатомодових полімерних оптичних волокон. Розроблений метод опрацювання сигналів інтерферометра на полімерному оптичному волокні, який базується на прямому кореляційному порівнянні розподілів інтенсивності опорного та поточного спекл-зображень, дозволяє проводити автоматизований контроль параметрів деформації технічних об’єктів. В результаті досліджень механізму модуляції інтенсивності випромінювання в багатомодових полімерних волокнах при селективному збудженні мод запропоновано метод для вимірювання частоти механічних коливань та вібрації, який дозволяє підвищити ефективність перетворення модуляції фази в модуляцію інтенсивності випромінювання на виході волокна. Проведені в роботі дослідження щодо опрацювання та інтерпретації сигналів вимірювальних перетворювачів на багатомодових полімерних волокнах можуть слугувати основою для створення контрольно-вимірювальних приладів, призначених для дослідження різних фізичних полів, а також контролю та діагностики напружено-деформованого стану технічних об’єктів. Враховуючи механічні властивості чутливих елементів вимірювальних перетворювачів на основі полімерних оптичних волокон, їх здатність до мультиплексування та створення протяжних каналів для передачі інформативного сигналу, можуть бути реалізовані розподілені волоконно-оптичні вимірювальні системи. Диссертация посвящена разработке теоретических и практических основ построения функциональных схем волоконно-оптических измерительных преобразователей механических величин на базе интерферометра на полимерном оптическом волокне. Проведено теоретическое обобщение основных физических свойств спекл-структур, которые формируются на выходе многомодовых полимерных оптических волокон в результате межмодовой интерференции, с точки зрения их возможного использования в качестве информативного параметра для метрологических приложений. На основе результатов исследований предложен новый подход к разработке волоконно-оптических сенсоров и измерительных преобразователей механических величин на базе многомодовых полимерных оптических волокон. Разработанный метод обработки сигналов интерферометра на полимерном оптическом волокне, основанный на прямом корреляционном сравнению распределений интенсивности опорного и текущего спекл-изображений, позволяет проводить автоматизированный контроль параметров деформации технических объектов. В результате исследований механизма модуляции интенсивности излучения в многомодовых полимерных волокнах при селективном возбуждении мод предложен метод для измерения частоты механических колебаний и вибрации, который позволяет повысить эффективность преобразования модуляции фазы в модуляцию интенсивности излучения на выходе волокна. Проведенные в работе исследования по разработке и интерпретации сигналов измерительных преобразователей на многомодовых полимерных волокнах могут служить основой для создания контрольно измерительных приборов, предназначенных для исследования различных физических полей, а также контроля и диагностики напряженно-деформированного состояния технических объектов. Учитывая механические свойства чувствительных элементов измерительных преобразователей на основе полимерных оптических волокон, их способность к мультиплексирования и создания протяженных каналов для передачи информативного сигнала, могут быть реализованы распределенные волоконнооптические измерительные системы. The thesis is devoted to the development of theoretical and practical principles of construction functional schemes of fiber optic measuring transducers of mechanical values based on polymer optical fiber interferometer. Theoretical generalization of the main physical properties of speckle structures formed at the output of multimode polymer optical fibers due to intermodal interference for their possible use as an informative parameter for metrological applications was conducted. Based on the research results, a new approach to the development of fiber-optic sensors and measuring transducers of mechanical values based on multimode polymer optical fibers is proposed. The developed method for processing signals of polymer optical fiber interferometer which is based on a direct correlation comparison of the intensity distributions between the reference and current speckle images allows to carry out automated control of the deformation parameters of technical objects. As a result of studies of the mechanism of radiation intensity modulation in multimode polymer fibers with selective excitation of modes, a method for measuring the frequency of mechanical oscillations and vibrations is proposed, which allows increasing the efficiency of phase modulation conversion into the modulation of radiation intensity. Researches in the processing and interpretation of measuring transducers on multimode polymer fibers can be used as a basis for the creation of control and measuring devices designed to study different physical fields, as well as for control and diagnosis of stress-strain state of technical objects. Given the mechanical properties of the sensitive elements of measuring transducers based on polymer optical fibers as well as their ability for multiplexing and creating long channels for information signal transmission, distributed fiber-optic measuring systems can be implemented.