Волоконно-оптический датчик расстояния

 

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано для измерения расстояния до неподвижного или движущегося объекта. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет устранения зависимости результатов измерения от отражающих свойств объекта - достигается выбором оптимального соотношения между радиусами оптических волокон. Оптическое излучение, промодулированное модулятором 1, вводится в направленный ответвитель 3, который осуществляет возбуждение света в приемопередающих волокнах 8, 9 разной длины. Свет, отразившись от поверхности 10, расстояние до которой необходимо измерить, через оптические волокна 8, 9 и направленньй ответвитель 3 попадает в фотоприемник 11. В результате суперпозиции двух отраженных световых потоков возникает сигнал , промодулированный по амплитуде. Причем глубина модуляции является функцией расстояния до поверхности 10 и для различных значений радиусов оптических волокон не зависит от коэффициента отражения поверхности . Результат измерений регистрируется с помощью анализатора 12 спектра. 5 ил. в iO с W U со эо эо ,s ;Nu2

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1 (19) (И) (51) 4 G О1 В 21/02

: C4r

i !

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCKolVIV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТаЕННЫй КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4158105/24-28 (22) 17.12.86 (46) 15.04.88. Бюл. М 14 (71) Институт радиотехники и электроники АН СССР (72) В.В.Моисеев и В.Т. Потапов (53) 531.717 (088.8) (56) Trcins. I ust Electron and

Commun En8. Japan, 1981, С64, Р 10, р. 704-705. (54) ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК РАССТОЯНИЯ (57) Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано для измерения расстояния до неподвижного или движущегося объекта.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей эа счет устранения зависимости результатов измерения от отражающих свойств объекта— достигается выбором оптимального соотношения между радиусами оптических волокон. Оптическое излучение, промодулированное модулятором 1, вводится в направленный ответвитель 3, который осуществляет возбуждение света в приемопередающих волокнах 8, 9 разной длины. Свет, отразившись от поверхности 10, расстояние до которой необходимо измерить, через оптические волокна 8, 9 и направленный ответвитель 3 попадает в фотоприемник 11. В результате суперпозиции двух отраженных световых потоков возникает сигнал, промодулированный по амплитуде.

Причем глубина модуляции является функцией расстояния до поверхности

10 и для различных значений ради" усов оптических волокон не зависит от коэффициента отражения поверхности. Результат измерений регистрируется с помощью анализатора 12 спектра.

5 ил.

1388723

Изобретение относится к оптоэлектронике и может быть использовано для измерения расстояния до неподвижного или движущегося объекта, а также для измерения вибраций, ускорения и давления.

Цель изобретения г расширение функциональных возможностей за счет устранения зависимости результатов 10. измерения от отражающих свойств поверхности объекта — достигается выбором оптимального соотношения между радиусами оптических волокон.

На фиг.1 изображена блок-схема волоконно-оптического датчика (ВОД) расстояния; на фиг.2 — семейство зависимостей от расстояния Е коэффициента ввода оптического излучения ,обратно в волокно после отражения от 2О поверхности, удаленной на Z от торца волокна; на фиг.3 — семейство зависимостей t)(Z); на фиг.4 — расположение выходных торцов волокон у отражающей поверхности исследуемого 25 объекта; на фиг.5 — кривые чувствительности предлагаемого датчика (сплошные линии) и прототипа) (пунктирная линия) в зависимости от расстояния Z для разных значений пара- 3р метра W. (ВОД) содержит модулятор 1 и источник 2 оптического излучения (ИОИ), четырехплечный направленный ответвитель (НО) 3, плечи 4-7 направленного

35 ответвителя, приемопередающие оптические волокна 8 и 9. На схеме обоз" начено: 10 — отражающая поверхность исследуемого объекта; 11 — фотоприемиик; 12 — анализатор спектра.

Устройство работает следующим образом.

Оптическбе излучение мощностью P промодулированное модулятором 1 по интенсивности гармоническим сигналом, 45 частота f которое меняется во времени по линейному закону, вводится от

ИОИ 2 через модулятор 1 в плечо 4

НО 3. Излучение, проходя через НО 3 делится на две части и из плеч 5 и 6 попадает соответственно в волокна 8 и 9, подсоединенные к плечам 5 и 6.

Обозначим коэффициент передачи НО 3 из плеча 4 в плечо 5 в виде К,, а иэ плеча 4 в плечо б — К4 . Пройдя по волокну 8, оптическое излучение из каждого торца волокна 8 и отражается от поверхности 10 объекта. Часть отраженного оптического излучения вво-2 Ë÷

К4 К57 y4 e RP sin(2» Еt) =

А sin(2«fс) (1) где — погонные потери в волокне 8 длиной J.

R — - коэффициент отражения поверхности 10.

Аналогичным образом оптическое излучение, ответвленное НО 3 в волокно 9, отражается от поверхности 10.

Часть отраженного излучения вводится обратно в волокно с коэффициентом ввода, равным . Далее излучение проходит в обратном направлении по волокну 9, достигает НО 3, где оно делится на две части, и доля излучения, равная К 7, достигает фотоприемника 11. Мощность этого излучения равна

«з1п(2«Еt + 4« f-)=А sin(2)(ft +

1 у

+ 4« f-), (2) где М< — погонные потери в волокне

9 длиной Т. ;

1 — разность длин волокон 9 и 8;

v. — — скорость распространения оптического излучения в волокне.

Таким образом, на фотодиоде фотоприемника 11 происходит сложение двух оптических сигналов (1) и (2), т.е. на выходе фотоприемника 11 имеется электрический сигнал, равный

$(С) k(P,(t) + Рд(t))

= V(t) sin 2))Еt + агсс1 (-- — )

К4рК 7 2, е

К4 К6 2 е (" где k — коэффициент преобразования фотоприемника 11, а дится обратно в волокно 8. Коэффициент ввода отраженного оптического излучения в волокно 8 обозначим (Пройдя волокно 8 в обратном направлении, излучение достигает НО 3, откуда доля излучения, равная К, попадает в плечо 7. Таким образом, на вход фотоприемника 11, подключенного к плечу 7, поступает оптическое излучение мощностью

1388723 (4) с

t<,f = ——

4п1

20 — Kae Ke< Р / (5) К К Р е-2&L1 "г

4& 67

30

40

Яю = «(a» +А + za,a, °

1 1

Поскольку частота f модуляции оптического излучения меняется во времени по линейному закону, то амплитуда U(t) сигнала, определяемого формулой (3), на выходе фотоприемника

11 меняется во времени по закону (4).

При некоторых значениях частоты f (mv)/(21) модуляции (где m = О, 1, 2,. ° .) амплитуда V(f) принимает максимальное значение, равное V „ = 15

= k(A, + A2). При значениях частоты

f = (?m + 1)v/(41) модуляции амплитуда V(f) принимает минимальное значение, равное U<„;Ä = k(A < — Аг) . При

2<4, Г-

А,— A i IK4s.Ks< 2, е

А,+ А2 К49К9 < е- "

Из (5) видно, что отношение р не зависит от отражающих свойств поверхности объекта (в (5) не входит коэффициент К отражения поверхности), а определяется лишь свойствами ис.пользуемого НО 3 и параметрами используемых волокон. Коэффициенты < и ввода зависят от величины рас2 стояния Z от торцов волокон 8 и 9 до поверхности 10 исследуемого объекта.

Рассчитаем, как зависит р от Z.

Для этого воспользуемся следующим выражением:

2<422 (NA)2 1 р (Z) =1 — (- — — — — -arcs in (ZNA) +

«(47. .(NA) 2

272 (NA) г+1

+ ----- — --- 1-Z2 (NA) г

4ZNA

Э которое описывает зависимость эффективности ввода излучения в волокно после его отражения от зеркальной поверхности в зависимости от расстояния Z до поверхности. Приведенное выражение с точностью 207 удовлетворяет экспериментальным результатам.

На фиг.2 приведены рассчитанные кривые <<(2) для волокон с разными значениями апертуры NA r световедущей.жилы: а) r = 25 мкм, NA = 0,4 (r/NA = 62,5); б) r = 25 мкм, NA=0,2 (r/NA = 1.25); в) r = 25 мкм, NA=0,1 (r/NA = 250); г) г = 100 мкм, NA=0,2 (r/NA = 500); д) r = 100 мкм, NA =

= 0,1 (r/NA = 1000). этом V „ и Ч<„;„ разнесени в частотной области на величину tt,f, определяемую разностью длин волокон 8 и 9 и равную где с — скорость света в вакууме; п — показатель преломления свето". ведущей жилы волокна, Таким образом, на экране анализатора 17 спектра, включенного на выходе фотоприемника 11, возникает периодическая картина с явно выраженными максимумами.и минимумами. Контраст

;< /Ч а< этой KBpTHHbl связан с параметрами элементов ВОД следующим образом: .

Из. фиг.2 видно, что в качестве параметра для кривых можно считать отношение r/NA. Когда г/NA одинаковы для пары волокон, то кривая y,(Z)= (Z), даже если у волокон разные радиус световедущей жилы и апертура. (ВОД) расстояний имеет волокна с разными параметрами r/NA, следовательно, для рассчета зависимости

$(Z) по формуле (5) надо воспользоваться двумя разными зависимостями

g(Z).

На фиг.3 сплошными линиями показаны расчетные зависимости p(Z) для следующих пар волокон: а) г< /<1А< — 25/0,4 и г /NAà = 25/02; б) r

= 25/0,2 и r2 /NÀ = 25/0,1; в)г,/NA,*

= 25/02, и г2/КА = 100/0,2; г) г,/NA, = 25/0,4 и г /НА2 = 25/0,3.

При рассчетах были взяты типичные значения коэффициентов деления НО:

K49 = K5> =0,42; К4& = 0,45; К &г

= 0,41; 9с, = 10 дБ/км; «<2 12 дБ/км;

=53м; Lq=5M.

Пунктирной линией на фиг.4 показана зависимость t<(z) для прототипа.

Таким образом, измерив на экране анализатора 12 спектра амплитуды

V ;„ и Ч„ и вычислив отношение

= Ч„„„ /ч„<а„, с помощью фиг.3 найдем расстояние до исследуемого объекта.

Для того, чтобы оптическое излучение не могло попасть из одного во1388723 локна в другое после отражения от поверхности объекта, оси волокон разнесены на расстояние

На фиг.4 показано взаимное распо5 ложение выходных торцов волокон 8 и

9 и отражающей поверхности 10.

Пусть радиус световедущей жилы волокна 8 равен r,, числовая апертура — NA, а у волокна 9 соответственно r и НА,, Расстояние от плоскости ОО торцов волокон 8 и 9 до поверхности 10 равно Z. Луч, вышедший из точки М на торце волокна 8 под максимально возможным углом ot, — arcsin(NA,) к оси волокна, после отражения от поверхности 10 придет в

I I точку M, лежащую на оси ОО на расстоянии d, от оси волокна 8 (точка

О), причем d, = г, + 2Е„ tgeL,. 20

Для того, чтобы рассматриваемый луч не попал на торец волокна 9, необходимо, чтобы ось волокна 9 (точка О ) находилась от оси волокна 8, как это следует из фиг.4, на расстоянии, определяемом неравенством

2Z„P К где Z„ — верхнее предельное значение диапазона измеряемых расстояний.

Аналогично, рассматривая луч, вышедший с поверхности торца волокна 9, можно найти условие, выполнение кото35 рого не позволит этому лучу попасть в волокно 8. Это условие следующее:

W = (4 — 16); — (4-1 6) г, rг

NA < NA

Фо р мул а и з о б р е т е н и я

50

1! и г, +r +2Z„ptgoC„ где et = ar sin(NA ) .

Таким образом, для того, чтобы исключить попадание оптического излучения из одного волокна в другое после отражения от поверхности объекта, необходимо разнести оси волокон на расстояние, определяемое неравенством

d r, + г + 2ZÄ tp(arcsinNA), где NA — наибольшая числовая апертура из двух значений NA „ и NA<.

На фиг.5 сплошными линиями показаны кривые d p = f (Z) чувствительности ВОД расстояния в зависимости от расстояния Z до поверхности исследуемого объекта для разных параметров W = (r„NA ) /(r NA,) . Пунктирной линией показана кривая чувствительности в зависимости от Z для прототипа (коэффициент отражения опорной поверхности равен R „ = 1, а W = 1). Видно, что с ростом 1 У кривая для предлагаемого датчика все больше приближается к кривой для прототипа, При W -4 правые ветви кривых, характеризующие прототип.и предлагаемый датчик, совпадают с высокой точностью (10K), при этом, как видно из фиг,5, диапазон измеряемых расстояний становится одинаковым для обоих датчиков. При W = 16 обе кривые практически одинаковы, дальнейшее повышение W не вызывает заметного изменения формы кривой dp = f(Z). Поэтому повышать W сверх 16 не имеет смысла, так как с одной стороны это не приводит к заметному улучшению свойств (чувствительности и диапазона измеряемых расстояний) ВОД, а с другой стороны М 16 трудно реализовать технологически. Так, уже при W = 16, если одно волокно имеет r = 25 мкм и

МА = 0,4, то второе волокно должно быть с r, = 100 мкм и NA< = 0,1. A при Ч)16 второе волокно должно иметь еще больший радиус световедущей жилы и еще меньшую числовую апертуру.

Следовательно, для сохранения диапазона измеряемых расстояний

Волоконно-оптический датчик расстояния, состоящий из модулятора, источника оптического излучения, четырехплечного направленного ответвителя, фотоприемника, анализатора спектра, двух приемопередающих оптических волокон разной длины, модулятор подключен к управляющему входу источника оптического излучения, который оптически связан с одним из плеч направленного ответвителя, к двум противоположным плечам которого присоединены оптические волокна, четвертое плечо направленного ответвителя под,ключено к фотоприемнику, выход которого соединен с входом анализатора спектра, отличающийся

13887 (4 — 16) г

NA< где NA

02 тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет устранения зависимости результатов измерения от отражающих свойств поверхности объекта, волокна выполнены с соотношением между радиусом r световедущей жилы и числовой апертурой NA в соответствии с выражением где r, и r — радиусы световедущей жилы соответственно первого и BTopoFo Во 15 локна;

23 8

NA < и МА — числовые апертуры соответственно первого и второго волокна.

Выходные торцы волокон устанавливают на одинаковом расстоянии от плоскости исследуемого объекта, а оптические оси волокон разнесены на расстояние

d r,+ r,, + 2ZÄ tg(ar<. sinNA), наибольшая величина из

КА< и МА максимальное значение измеряемого .расстояния.

1388723

ЮО ran n0 160 МО 200 z ивнм

1388723

ЮО ЛР РЖ 140 ЛУ E лают

Qua 5 ,Редактор А.Ревин

Заказ 1571/43 Тираж 680 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1 13035, Москва, Ж-35, .Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

4

Составитель В.Чулков

Техред М.Ходанич Корректор Г.Решетник