ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ МЕХАНИЧЕСКИХ РЕЗОНАТОРОВ ПРИ ПОМОЩИ
НИЗКОДОБРОТНОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА ФАБРИ-ПЕРО.


[домой] [схема установки] [интерферометр]
  [фотоприёмник] [лазер] [разветвитель] [кабель] [чувствительный элемент] [dc-dc конвертер]

ПРИНИМАЕМ ЗАКАЗЫ НА ИЗГОТОВЛЕНИЕ. ИМЕЕТСЯ ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ ОБРАЗЕЦ.

Введение

В настоящей работе рассмотрены возможности волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо для исследования свойств механических резонаторов. В качестве резонатора выбран миниатюрный электромагнитный генератор звука HC0905F, частично отражающий диффузор которого служит одним из зеркал низкодобротного интерферометра Фабри-Перо. Другим отражателем является плоская поверхность скола волокна. Звуковые колебания диффузора электромагнитного динамика возбуждается от генератора переменного напряжения через сопротивление 39 ом. Клеммы чувствительного элемента служат для постоянного смещения диффузора путём подачи на них напряжения от регулируемого блока питания. Волокно съюстировано относительно динамика при помощи 3-х координатной микроподвижки. Излучение лазерного модуля подаётся на интерферометр через одномодовый ответвитель, который также направляет часть оптического сигнала, отражённого от динамика, на фотоприёмник. Выход фотоприёмника подаётся на вход осциллографа. Вся схема питается от сетевого адаптера через DC-DC конвертер. Также прилагается волоконно-оптический соединительный шнур для измерения параметров установки.

 Схема установки.

1. Исследование параметров интерферометра.

1.1. Измерение мощности излучения лазерного модуля.

Для измерения мощности излучения лазерного модуля необходимо при помощи соединительного шнура подать сигнал с оптического выхода лазерного модуля на вход фотоприёмника. При помощи осциллографа (или подключённого параллельно к нему вольтметра) измерить напряжение на выходе фотоприёмника Uлаз. Используя данные для чувствительности фотоприёмника рассчитать уровень оптической мощности в волокне.

1.2. Определение коэффициента обратного отражения коннектора.

Граница раздела между стеклом и воздухом является отражателем для света. Это и было использовано в интерферометре, где роль одного из зеркал играет перпендикулярный скол волокна. Такая же поверхность имеется и в волоконно-оптическом коннектере, состоящем из керамического капилляра, в который помещено оптическое волокно. Торец капилляра и волокна отполированы с высокой точностью для того чтобы обеспечить минимальные потери при оптических соединениях. Для определения коэффициента обратного отражения коннектора подключим к лазерному модулю и фотоприёмнику волоконно-оптический ответвитель, как показано на схеме. Часть света, отражённого от свободного коннектора ответвителя, поступает на фотоприёмник. Измерим мощность этого излучения. При 100% отражении торца волокна на фотоприёмник поступило бы 25% мощности лазерного модуля. Сравнивая сигнал фотоприёмника с тем, что был получен в п.1.1., находим коэффициент отражения от торца волокна. 

Френелевский коэффициент отражения для границы стекло-воздух составляет около 4%. При измерении коэффициента отражения от торца волокна мы получим чуть меньшее число: 3-4%, что связанно с возможным загрязнением торца коннектора и механическими дефектами, возникающими при его эксплуатации. Для скола оголённого волокна (без полировки) отличие может быть связано с отклонением плоскости скола от перпендикулярного к оси волокна.

1.3. Определение коэффициента отражения интерферометра и видности интерференционной картины.

Собрать установку, как показано на схеме. К клеммам чувствительного элемента подключить регулируемый источник напряжения. Измерить, при каких значениях напряжения на фотоприёмнике достигается максимальный и минимальный сигнал. Рассчитать видность (контрастность) интерференционной картины по формуле: V=(Umax-Umin)/(Umax+Umin). В нашем случае видность составила около 15%.

Половина суммы максимального и минимального сигнала соответствует сумме мощностей, отражённых от торца волокна и зеркала. Сравнивая это значение с мощностью излучения лазерного модуля на входе чувствительного элемента мы можем оценить суммарный коэффициент отражения подвижного зеркала интерферометра и торца волокна. В нашем случае оно составляет

R = 2(Umax+Umin)/Uлаз = 34%

Существенно меньшее число может свидетельствовать о разъюстировке интерферометра.

 2. Чувствительность электромагнитного преобразователя.

При подаче постоянного тока на катушку динамика диффузор смешается на величину, определяемую его чувствительностью. Определим смещение диффузора динамика как функцию тока, текущего через его катушку. Для этого подключим к клеммам чувствительного элемента (ЧЭ) регулируемый блок питания. Изменяя напряжение, подаваемое на ЧЭ, будем записывать значения напряжения при которых сигнал фотоприёмника достигаем максимумов и минимумов. Смещение диффузора на четверть длины волны света вызывает изменение напряжения фотоприёмника от минимума к максимуму или наоборот. Пересчитав напряжение на ЧЭ в ток, текущий по катушке, а номер интерференционной полосы в смещение диффузора, построим график, как показано на рисунке ниже.

Зависимость смещения диффузора динамика от величины тока, текущего через его катушку (более детальный график здесь).

Из графика находим наклон кривой вблизи нуля, что соответствует начальной чувствительности динамика к току 0,16 мкм/мА. Изгиб кривой при токах меньше 80 мА определяется магнитомеханическими свойствами самого динамика, а при больших токах начинает играть роль стабилитронный ограничитель напряжения (при этом катушка динамика интенсивно греется). Нас будет интересовать в первую очередь чувствительность динамика при токах, меньших, чем предельно допустимая величина 80 мА. В этой области кривая хорошо аппроксимируется полиномом второй степени Dx = -0,0003I2 + 0,152I + 0,382, а нелинейность динамика составляет величину порядка 10%.

 

3. Измерение частотных свойств излучателя.

Заключительная часть работы посвящена измерению частотных свойств электромагнитного излучателя звука. Для этих целей потребуется:
- осциллограф, подключённые к выходу фотоприёмника
- вольтметр переменного напряжения, подключённый к выходу фотоприёмника
- генератор с 50-омным выходом, подключённый ко входу чувствительного элемента,
- блок питания, обеспечивающий плавную регулировку напряжения в диапазоне 0-1 В.

Вначале подадим на чувствительный элемент переменное напряжение ~ 20 мВ. Изменяя частоту генератора найдём резонанс динамика (на осциллографе при этом наблюдается резкое возрастание амплитуды сигнала). С помощью регулируемого блока питания подстроим рабочую точку интерферомера, добившись симметричной картинки, как показано на рисунке. Для обеспечения линейности выходного сигнала интерферометра уменьшим амплитуду сигнала в 2 раза. Изменяя частоту генератора от 0 до 10 кГц и записывая значения переменного напряжения на выходе фотоприёмника, построим амплитудно-частотную характеристику динамика. При этом точки вблизи резонанса (3-4 кГц) должны быть сняты с максимальной точностью (около 20 точек). Далее найдём добротность резонанса как отношение резонансной частоты к ширине резонансной кривой на уровне 0,707 от максимального сигнала. В нашем случае она получилась равной около 16. Скомпенсировав постоянную составляющую на выходе фотоприёмника, можно убедиться, что отношение амплитуды резонансного сигнала к амплитуде сигнала на низких частотах (меньших 100 Гц) равно примерно величине добротности. Точную частоту резонанса удобно определять, подстроив амплитуду колебаний резонатора, равной четверти длины волны. При этом мы наблюдаем на экране осциллографа, как показано на рисунке. В этом случае нет необходимости подстраивать рабочую точку интерферометра.

 

Зависимость амплитуды колебания диффузора электромагнитного излучателя звука от частоты приложенного напряжения (резонансная кривая), измеренная при помощи волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо. Резонансная частота - 3,43 кГц. Добротность резонанса - 16. Более детальная кривая здесь.

 

 

 

Амплитудно-частотная характеристика электромагнитного излучателя звука HC09F, измеренная при помощи микрофона, который был расположен на удалении 10 см от динамика (по данным производителя). На динамик был подан прямоугольный сигнал 50% скважности с напряжением 1.5В. Резонансная частота - 3.2 кГц. Техническая информация по HC09F.

 

 

 

4. Заключение.

В настоящей работе описана методика измерения параметров механических резонаторов на примере электромагнитного излучателя HC09F. Однако, это методика может успешно применяться для исследования разнообразных микромеханических структур, изготовленных из кварца, пьезокерамики, а также в кремнии. В случае, когда резонатор не может возбуждаться ни током, ни магнитным или электростатическими полями и т.д., он может быть возбуждён акустически близкорасположенным динамиком. Чувствительность интерференционного съёма информации оказывается достаточной для работы с амплитудами колебаний менее нанометра.


Партнёры:

Rambler's Top100