Subject of Research. This paper presents the results of an experimental study on the possibility of applying single fiber Bragg gratings as sensitive elements for detecting ultrasonic impacts in gaseous or liquid media and at placing fiber Bragg gratings into various materials and structures for their status monitoring. Method. During the experiment, an ultrasonic impact with a fundamental frequency of 65 kHz was alternately turned on two sensitive elements based on two fiber Bragg gratings with different parameters: the physical grating length, reflection coefficient, and slope of the linear part of spectral characteristics. Comparative analysis of the obtained data with data from the reference piezoelectric ultrasonic sensor was performed. The results were evaluated in the frequency domain, at the range up to 200 kHz. The three first harmonics of the signal were studied: 65, 130 and 195 kHz. The signal-to-noise ratio for each sensor element and the ratio of signal values obtained from various sensor elements were evaluated. Main Results. The measurement setup was created on the basis of a small-sized tunable VCSEL and FPGA. It is shown that single fiber Bragg gratings are suitable for creation of sensitive elements for ultrasonic sensors and have values of sensitivity and dynamic range comparable to piezoelectric sensors. The range of detected frequencies was theoretically estimated and the assessment of the FBG parameters effect on the sensor sensitivity to ultrasonic action was performed. The ratios of the signals measured by the Bragg grating with a slope of the spectral characteristics equal to 142 1/nm and a reflection coefficient equal to 100%, to the signals from the grating with a slope of 44 1/nm and a reflection of 40% are equal to 5.8, 3.8, 7.1 for 65, 130 and 195 kHz, respectively. The ratios of the signals measured by the reference piezoelectric sensor to the signals measured by Bragg grating with a slope of the spectral characteristics equal to 142 1/nm and a reflection coefficient of 100% are 3.8, 6.2, 7.7 for 65, 130 and 195 kHz, respectively. Practical Relevance. The results of this study show the possibility of applying fiber Bragg gratings as the sensitive elements of threshold and measuring ultrasonic sensors for the placement in the volume and on the surface of the materials under study. The features and advantages of fiber-optic measuring systems provide the ease of installation for the arrays of sensors in the material or structure under research during production, insensitivity to external electromagnetic interference and the possibility of multiplexing a large number of sensitive elements on a single optical fiber.

Предмет исследования. Представлены результаты экспериментального исследования зависимости уровня собственных шумов массива волоконно-оптических интерферометрических датчиков от коэффициентов усиления операционных усилителей, расположенных на плате обработки интерференционных сигналов и объединенных последовательно в единый каскад. Метод. Массив волоконно-оптических датчиков построен на двухлучевых волоконных интерферометрах Майкельсона, объединенных в массив с мультиплексированием по времени. Каскад операционных усилителей состоит из усилителя с токовой обратной связью (трансимпедансный усилитель), который преобразует фототок с фотоприемника в напряжение, и программируемого операционного усилителя. В процессе работы схемы сигнал с фотоприемного устройства попадает на трансимпедансный усилитель, который работает в двух режимах с коэффициентами усиления 0 и 6 дБ, и затем на программируемый операционный усилитель, который дополнительно усиливает приходящий электрический сигнал в диапазоне 0-40 дБ. Далее усиленные сигналы с каскада подаются на аналого-цифровой преобразователь, после чего демодулируются. В ходе эксперимента исследуемый массив волоконно-оптических датчиков был изолирован от внешних виброакустических воздействий. Сигналы с четырех волоконно-оптических датчиков после демодуляции при различных значениях коэффициентов усиления каскада операционных усилителей записывались в файлы данных, после чего оценивался уровень собственных шумов датчиков с помощью метода модифицированных периодограмм в зависимости от коэффициентов усиления каскада операционных усилителей. Основные результаты. Минимальные средние значения уровня собственных шумов волоконно-оптических интерферометрических датчиков в режиме с усилением 6 дБ операционного усилителя с токовой обратной связью и усилением 12 дБ программируемого операционного усилителя составили 65 мкрад/Гц 0,5 на частоте 1000 Гц, а в режиме с усилением 0 дБ (без усиления) операционного усилителя с токовой обратной связью и усилением программируемого операционного усилителя-20 дБ 80 мкрад/Гц 0,5 на частоте 1000 Гц. Практическая значимость. Было продемонстрировано наличие оптимальной рабочей области в режиме с усилением 6 дБ трансимпедансного усилителя в диапазоне коэффициентов усилений 5-20 дБ программируемого операционного усилителя, при которой наблюдаются наименьшие средние значения уровней собственных шумов исследуемого массива волоконно-оптических датчиков на уровне 65-70 мкрад/Гц 0,5. Данный метод с использованием операционных усилителей можно применять в массиве волоконно-оптических интерферометрических датчиков для усиления оптических импульсов, приходящих на фотоприемник, без существенного ухудшения их шумовых характеристик при условии выбора оптимальной рабочей области. Ключевые слова волоконно-оптический датчик, операционный усилитель, коэффициент усиления, уровень собственных шумов Благодарности Работа выполнена в Университете ИТМО при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (проект № 03.G25.31.0245).