Устройство для измерения длины волоконного световода

 

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повышение надежности за счет исключения оптических и оптико-механических элементов с высоким значением интенсивности отказов . Измерительное устройство содержит волоконно-оптические элементы 7, 10, 11, 12, устройство позволяет реализовать компенсацию фазового сдвига, вносимого измеряемым волоконным световодом 9. Изменение компенсирующего фазового сдвига осуществляется изменением частоты синтезатора 4 частоты.2 ил.

союз соВетских социАлистических

РЕСПУБЛИК (sI)s G 01 В 21/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ л

«

; (Л C:

1 зА.1

«

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4788101/29 (22) 31,01.90 . (46) 15.12.92. Бюл, N. 46 (71) Науч Io-ïðoèçâîäñòîåí ное объединение

"Исари" (72) Ю.С.Манукян, А.Г,Данелян, В.Н.Аниси»" мова, А.Л.Кэвэлов, Г.IO.Ìàíóêÿí и

С.А.Мкртычян (56) Барноски M,K., Персоник С.Д. Измерения в волоконной технике. ТИИЭР, 1978, т.

66, % 4, стр, 75 — 89.

Введение в технику измерений оптикофизических параметров световодных систем. / Под ред. проф. А.Б,Котюкэ. Радио и связь. M.: 1987, с, 30 — 33, Патент ФРГ

N 3207248, кл. G 01 В 11/02, 1969.

Авторское свидетельство СССР

М 1423914, кп. G 01 В 21/00, 1971.

1 1 И fi

„„ ДД„, 1781539 А1

2 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИНЫ ВОЛОКОННОГО СВЕТОВОДА (57) Изобретенйе относится к измерительной технике. Целью изобретения является повышение надежности за счет исключения оптических и оптико-механических элементов с высоким значением интенсивности отказов. Измерительное устройство содержит волоконно-оптические элементы 7, 10, 11, 12,. устройство позволяет реализовать компенсацию фазового сдвига, вносимого из- меряемым волоконным световодом 9 .

Изменение компенсирующего фазового сдвига осуществляется изменением частоты синтезатора 4 частоты. 2 ил.

1781539 первым светоделителем, полупрозрачное

5 зеркало сопряжено также через волоконный световод с четвертым отражающим зер15

25

30 частоты, формирователем разностной час35 тоты и узкополосным фильтром, выход кото40

55 устройства, где приняты следующие обозИзобретение относится к измерениям характеристик BofloKOHHblx световодов и может быть использовано при производстве волоконных световодов, волоконно-оптических кабелей, в измерительной технике при создании и калибровке задержек на основе волоконных световодов, а также при создании, исследовании и калибровке волоконнооптических датчиков разных физических величин, 1

Известйы устройства для измерения оптических длин волоконный световодов на .основе метода оЪратного рассеяния. В известных источйиках описаны оптические рефлектометры, в которых минимальная абсолютная погрешность измерения длины волоконного световода оценивается значением порядка 1 — 2 м при длине световода порядка 10 м, что для ряда практических случаев является грубой величиной.

Известно устройство для измерения длины волоконного световода, содержащее передающую и приемные части, выполненные на базе генератора псевдослучайной последовательности, преобразователь электрического напряжения в световой поток, волоконный световод, длина которого . измеряется, преобразователь светового потока в электрическое напряжение и вычислительный блок, Названное устройство позволяет измерять длину волоконного световода с повышенной протя>кенностью. Однако, при большой сложности процесса измерения, точность измерения длины световода низка.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для измерения длины волоконного световода, содержащее генератор гармонических электрических колебаний, выход которого подключен ко входу преобразователя электрического напряжения в световой поток, у выхода которого установлен первый светоделитель, с которым сопряжена переменная оптическая задержка, в состав которой вхо- 4 дит подвижный элемент из призм, который связан с интерферометрическим измерителем перемещений, например, выполненного в виде интерферометра Майкельсона,. состоящего из первого и второго отражающих зеркал, оптически сопряженных со вторым светоделителем, источником когерентного оптического излучения и с счетчиком интерференционных полос, причем первое отражающее зеркало жестко связано с подвижным элементом переменной оптической задержки, которая сопряжена с одним из входов нуль-органа, другой вход которого сопряжен с полупрозрачным зеркалом, которое сопряжено с оптически последовательно сопряженными третьим отражающим зеркалом, поворотной призмой, четвертым отра>кающим зеркалом и с калом.

Данное устройство обладает минимум йа два порядка более высокой точностью, по сравнению с измерителями, указанными выше.

Недостатком данного устройства является сложность и низкая надежность из-за наличия оптических и оптико-механических элементов с высоким значением интенсивности отказов: переменной оптической задер>кки, интерферометрического измерителя перемещений, массивного виброгасящего основания и т,д.

Цель изобретения — повышение надежности устройства за счет исключения оптических и оптико-механических элементов с высоким значением интенсивности отказов, Указанная цегь достигается тем, что устройство для измерения длины волоконного световода, содержащее генератор гармонических электрических колебаний, преобразователь электрического напряжения в световой поток и компаратор фазы, снабжено синтезатором частоты, вход которого соединен с выходом генератора, а выход — с входом преобразователя; последовательно соединенными формирователем суммарной рого соединен с одним из входов компаратора фазы, другой вход которого объединен с одним из входов формирователя суммарной частоты и соединен с выходом генератора; световодным ответвителем, вход которого оптически сопряжен с выходом преобразователя; двумя световодными соединителями для подключения измеряемого световода, вход первого из которых оптически сопряжен с первым выходом ответвителя; и первым и вторым фотоприемниками, входы которых . оптически сОпряжены, соответственно, с вторым выходом ответвителя и с выходом второго соединителя, а выходы соединены, соответственно, с другими входами формирователя суммарной частоты и формирователя разностной частоты.

На фиг, 1 приведена структурная схема начения; 1 — генератор гармонических электрических колебаний стабильной частоты (кварцевый генератор), 2 — компаратор фазы, 3 — формирователь суммарной частоты (смеситель, двух гармонических электриче1781539

h,ð = N2zc+p>, (2) 55 ских сигналов, выделяющий сигнал суммарной частоты), 4 — синтезатор частот, 5— уз капо locH ы и избирател ьный фильтр, .6— формирователь разностной частоты (смеситель двух гармонических электрических сиг. налов, выделяющий сигнал разностной частоты), 7 — первый фотаприемник, 8- первый световодный соединитель, 9 — измеряемый световод, 10 — второй световодный соединитель, 11 — ответвитель световодный (делящий входной световой поток на два выходных, равных по интенсивности), 12— преобразователь электрического напряжения в световой поток, 13 — второй фотоприемник.

Предлагаемое устройство для измерения длины волоконного световода содержит генератор 1 гармонических электрических колебаний, выход которого параллельно соединен с одним из входов компаратора фазы 2, с одним из входов формирователя суммарной частоты 3 и со входом синтезатора частоты 4. Другой вход компаратора фазы 2 через узкополосный избирательный фильтр 5 подключен к выходу формирователя разностной частоты 6, один вхоД которого соединен с выходом первого фотоприемника 7, вход которого через первый световодный соединитель 8, рторой световодный соединитель 10 и один из выводов светаводного ответвителя 11 оптически сопряжен с выходом преобразователя

12 электрического напряжения в световой поток, вход которого соединен с выходом .синтезатора частоты 4. Другой вход формирователя разностной частоты 6 саедйнен с выходом формирователя суммарной частоты 3, другой вход которого соединен с выходом второго фотоприемника 13, вход которого через другой вывод светаводного ответвителя 11 оптически сопрлжен с выходом преобразователя 12 электрического напряжения в световой поток.

Работа устройства основана на линейной зависимоСти разности фаз Лр на кон- цах пассивного оптического элемента (в нашем случае волоконного световода) от частоты модулирующего сигнала f где L — геометрическая длина оптического элемента;

n — показатель преломления среды оптического элемента, в которой распространяется модулированное оптическое излучение; с — скарос-ь распространения электромагнитных волн (скорость света).

Геометрическая длина 1 оптического элемента в выражении (1) определяет угол наклона линии зависимости разности фаз

Ь р от частоты f.

На фиг. 2 приведены измеренные зависимости Ар от f для многомодового волоконного световода типа кварц-кварц 50х125 мкм с градиентным профилем показателя преломления для разных длин L световода.

10 Из фиг, 2 видно, что при больших длинах световода с повышением частоты f сдвиг по фазе Л р, вносимый световодом,может намного превышать 360О, т.е. может быть равным

15 где N = 1, 2, 3 ... целые числа.

B то же время для измерения разностей

20 фаз электрических сигналов применяются электронные фазометры разного типа, но все ани могут измерять лишь сдвиги фаз в пределах от 0 до 360 . Если обратиться к; выражению (2), та иными словами эти фазо-

25 метры могут измерять и индицировать лишь: значение разности фаз ф в. пределах 0 -

-360, не учитывая число 2й к; которым необходимо дополнить значение р1 для пол- учения значения А<р. Это обстоятельство вызывает неоднозначное определение значения Л р и соответственно может вызвать неоднозначное определение искомого значения .

Исключить эту неоднозначность можно

35 следующим образом. Предварительно производитсл исходная установка устройства, Длл этого левые части световодных соединителей 8 и 10 соединлются между собой.

Устройство устанавливаетсл без измеряе40 мого световода.

Гармонический сигнал от генератора 1 (высакостабильный по частоте опорный генератор) с частотой fp и начальной фазой

, поступает параллельно на один из входов компаратара фазы 2, на синхронизирующий вход синтезатора частоты 4 (вход подключения внешнего генератора), а также на один из входов формирователя суммарной частоты 3 (аднаполосный смеситель 3 выделяет сигнал лишь суммарной частоты поступающих на него тарманических сигналов), Син-, . тезатор частоты 4 генерирует гармонические электрические колебания и частота его колебаний может устанавливаться с высокой стабильностыа и точностью. в широком диапазоне частот. Пусть синтезатор частот 4 генерирует колебания с частотой fc«и начальной фазой рс«Этот сигнал поступает на вход преобразователя

1781539

1, независимо от частоты f«выходного сигнала синтезатора частот 4.

Сигнал с выхода формирователя, 6, пройдя узкополосный избирательный

5 фильтр 5, настроенный на частоту fo. поступает на второй вход компаратора 2. В таком . случае обеспечивается возможность осуществить резонансный компаратор фазы 2, работающий на частоте fo генератора 1. При

10 этом на входы компаратора 2 поступаютсигналы с фазами р, и ро + p1 — pz. Т.е. компаратор фазы; измеряя разность фаз поступающих на него сйгналов факти-. чески в этом случае измеряет разность фаэ

15 p> — р, определяемую прохождением сигналов синтезатора 4 через оптические каналы устройства и фотоприемники 13 и 7.

Компарзтор фазы 2 может регистрировать с высокой точностью "нулевые" значе20 ния разностей фаз поступающих на его входы сигналов, даже если разность фаз этих сигналов равна pi — ф2= 2 и К, где К=О, 1, 2, 3, ...n. Практически, так работают все компараторы фазы.

25 Поскольку из выражения {1) разность фаз (p< — pz ) определяется частотой f (т.е. частотой сигналов f«синтезатора 4) и разностью длин Л L оптических каналов устройства, то, если даже в первый момент

30 включения при предварительной исходной установке компаратор 2 показал не "нулевое" значение, изменяя частоту f«сигналов синтезатора 4 (например, увеличивая ее) можно найти некоторое значение f« = f<, 35 при котором компаратор фазы 2 зафиксирует первое "нулевое" значение.Т.е. при предварительной установке устройства находится первое значение частоты f>, соответствующее какому-то

Лp> =p> — ф2 =2ИК=2л f> (3) 45

50 (4) электрического напряжения в световой поток 12, который является линейным электрооптическим преобразователем (в последние годы наиболее распространенными преобразователями такого типа являются лазерные диоды и светодиоды). Выходное оптическое излучение преобразователя 12, модулированное по интенсивности сигналом синтезатора 4 (т.е. с частотой модуляции f«) вводится в световодный ответвитель

11. Один из выводов ответвителя 11, представляющий собой отрезок световода какой-то определенной длины, оптически сопрягает световодный ответвитель 11 (т.е. и преобразователь 12) с фотоприемником

13, представляющим собой линейный оптико-электрический преобразователь световаго потока в электрический. Т.е. на выходе фотоприемника 13 наблюдается гармонический электрический сигнал с частотой f«и .фазой р1, определяемой суммой фаз составляющих описанной выше цепи. И этот сигнал поступает на второй вход формирователя суммарной частоты 3 (однополосного смесителя 3).

На выходе формирователя 3 выделяется гармонический электрический сигнал с частотой (fo + f«), и. как известно, фаза этого сйгнала будет определяться суммой (po+

+ p<). Этот сигнал поступает на один из входов формирователя разностной частоты

6 (однополосного смесителя, выделяющего сигнал разностной частоты сигналов, поступающих на его входы). На другой вход формирователя разностной частоты 6 поступает гармонический электрический сигнал после фотоприемника 7 (фотоприемники 7 и 13 идентичны). Этот сигнал образован тем же сигналом синтезатора 4, модулирующем интенсивность оптического излучения преобразователя 12, Ко в этом случае оптический вход фотоприемника 7 оптически сопряжен с преобразователем 12 через второй вывод световодного ответвителя 11, представляющий собой отрезок световода определенной . длины с установленным на его конце световодным соединителем 10, который при предварительной установке устройства непосредственно соединен со световодным соединителем 8 на входе фотоприемника 7.

Поэтому на второй вход формирователя 6 поступает электрический гармонический сйгнал с частотой 1«и фазой ф . определяемой суммой фаз составляющих этой цепи.

Ка выходе формирователя 6 будет выде- 5 ляться сигнал разностной частоты (fo + f«)—

- « = fo и с фазой (po +p> -«щ ). Т.е. на выходе формирователя 6 выделяется сигнал той же стабильной частоты, что и генератора

Продолжая плавное изменение частоты

f«, s этом же направлении можно найти следующее (соседнее) значение частоты f«-=

= fz, соответствующее уже значению

ЛР =Р1" — Р " — — г Л(К+1) =

=2ЛК+2Л =2Л . f2 с

Используя выражения (3) и (4), можно определить разность Л р = Л уц — Л р1 .

hp=2 лК+2л — 2лК= (5) 1781539

Выражение (5) позволяет определить эквивалентную разность длин оптических каналов устройства <8 при предварительной его установке через измерение частоты f> и

1г. Действительно: 5

2л=2гг кв(г- 1) А из выражений(7) и(10) искомая оптическая (б) 10 длина измеРЯемого световода 1 св.опт Равна

Ы.вкв — — с, п f2 — f>

А эквивалентная оптическая разность длин каналов устройства равна -опт.экв = и ALaкв — -у- (7) с г т6 1

После описанной выше предварительной установки устройства производится из- 20 мерение длины исследуемого отрезка световода следующим образом. Разъединяются световодные соединители 10 и 8. и (как это показано на фиг. 1) между ними включается через свои соединители исследуемый 25 отрезок световода 9. Т.е, разность длин оптических каналов устройства увеличивается на длину измеряемого световода.

В этом положении изменением (например увеличением) частоты f«синтезатора 30 частоты 4 находится какое-то новое значение частоты fz, которое соответствует какому-то "нулевому" показанию компаратора фазы 2. Т.е. иэ (1) имеем следующее соотношение 35 (8) где m = О, 1, 2, 3, 4 ... (целые числа), Leg — искомая измеряемая длина световода.

Отметим при этом, что в общем случае 45

f3 Ф f1 и возможны случаи, когда f3 < f$, или

1з > 11. В частности может быть |з = 11.

Продолжая плавно изменять в этом же направлении частоту f«синтезатора 4, находится следующее (соседнее) значение ча- 50 стоты f« = f4, соответствующее "нулевому" отсчету компаратора фазы 2

h =(р -pz =2m(m+1) =

= 2 ж т + 2 ж = 2 ш — —:-"- — — - . f4 с (9)

Совершенно аналогично сказанному выше, эквивалентная оптическая разность длин

Лр! =у31 — p2 =2лщ =

2 п(ЛЬ +L-., =2 и†з с! каналов устройства Л-опт.экв. при дополнительном включении измеряемого световода (т,е. с учетом оптической длины измеряемо го световода) равна

Ыопт.экв — П Л 1.вкв — к — тт - (10)

4 3

I -св.опт = Ь Loпт.экв Ы-опт.экв

А геометрическая длина измеряемого световода равна бсв = — (— ) (12) 1 1

П f4 — тз тг — f

Выражения (11) и (12). являются расчетными для определения искомых значений геометрической и оптической длин исследуемого световода, Несколько слов о технической реализу- . емости устройства.

В качестве синтезатора частот может быть применен серийный генератор типа

Г3-119, обеспечивающий в диапазоне частот 20 Гц — 20 МГц воспроизведение гармонических сигналов с шагом дискретности 1

Гц и нестабильностью частоты 10, а в качестве компаратора фазы может быть применен, например, разработанный в НПО

ВНИИМ им. Д.И.Менделеева компаратор фазы КФ-1 на 1 МГц с погрешностью по фазе не превышающей 0,001 .

Учитывая возможность. фиксации "нулевых" значений фазы с погрешностью 0,001 и значений частот f>, fg, Гз, f4 с погрешностью порядка 10, и кроме того, учитывая, что фундаментальная константа с (скорость света) в настоящее время известна с относительной погрешностью лучше чем 10, анализ реализуемой выражением (11) точности дает значение абсолютной погрешности измерения оптической длины рассмотренным устройством, не превышающего

5 10 м, При этом введение новых логических связей и элементов позволяет получить искомый положительный эффект — повысить надежность устройства за счет исключения оптических и прецизионных оптико-механических элементов с высоким значением ин- тенсивности отказов.1781539

f.0

Составитель A.Äàíåëëí

Техред M.Моргентал Корректор Л.Филь

Редактор В.Трубченко

Заказ 4268 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Формула изобретения

Устройство для иэмеренйя длины волоконного световода, содержащее генератор гармонических электрических колебаний, преобразователь электрического напряжения в световой поток и компаратор фазы, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности устройства за счет исключения, оптических и оптико-механических элементов с высоким значением интенсивности отказов, оно снабжено синтезатором частоты, вход которого соединен с выходом генератора, а выход — с входом преобразователя, последовательно соединенными формирователем суммарной частоты, формирователем раэностной частоты и узкополосным фильтром, выход которого соединен с одним из входов компаратора фазы, другой вход которого объединен с одним из входов формирователя суммарной частоты и соединен с выходом генератора, 5 световодным ответвителем, вход которого оптически сопряжен с выходом преобразователя, двумя световодными соединителями для подключения измеряемого световода, вход первого иэ которых оптически сопряжен с

10 первым выходом ответвителя, и первым и вторым фотоприемниками, входы которых оптически сопряжены, соответственно, с вторым выходом ответвителя и с выходом второго соединителя, а выходы соединены соответст15 венно, с другими входами формирователя суммарной частоты и формирователя разностной частоты.