Волоконно-оптический датчик перемещений

 

Изобретение относится к измерительной технике, более конкретно к устройствам для определения параметров движения и положения объектов с помощью оптического излучения. Известные волоконно-оптические датчики не обеспечивают возможности измерения положения объекта, находящегося на большом расстоянии от регистрирующей аппаратуры. Один из концов отрезка волоконного световода через светоделительное зеркало и линзу оптически связан с источником оптического излучения и фотоприемником. Чувствительный элемент выполняют в виде волоконного лазера, оптически связанного с вторым концом отрезка волоконного световода и образованного отрезком одномодового на длине волны генерации активированного волоконного световода и двумя плоскими зеркалами, одно из которых - дихроичное - расположено на торце активированного волоконного световода, связанном с отрезком волоконного световода, а другое - у второго торца активированного волоконного световода и оптически связано с последним через линзу. При этом зеркало установлено перпендикулярно оптической оси активированного волоконного световода с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль оптической оси, что дает возможность определять положение объекта, находящегося на большом расстоянии (более 100 м) от регистрирующей аппаратуры. 2 ил.

Изобретение относится к технической физике, более конкретно к устройствам для определения параметров движения и положения объектов с помощью оптического излучения.

Известен волоконно-оптический датчик перемещений, состоящий из отрезка одномодового волоконного световода, один торец которого через светоделительное зеркало и линзу оптически связан с источником оптического излучения и фотоприемником, и чувствительного элемента, который выполнен в виде интерферометра Фабри-Перо, образованного вторым торцом волоконного световода и сферическим зеркалом, закрепленным на вибрирующей диафрагме, причем торец волоконного световода находится в фокусе сферического зеркала, на вибрирующей диафрагме закреплен грузик, а вибрирующая диафрагма закреплена на корпусе чувствительного элемента [1] Недостатки этого волоконно-оптического датчика перемещений является невозможность определять с его помощью положение объекта.

Наиболее близким к предлагаемому является волоконно-оптический датчик перемещений, состоящий из источника накачки, регистрирующего устройства и волоконного лазера, содержащего среду с оптическим усилием, отрезок волоконного световода известной длины, зеркало и отражающее приспособление, зеркало установлено на поверхности среды с оптическим усилением, а противоположная поверхность среды с оптическим усилением связана с одним торцом отрезка волоконного световода, вблизи другого торца установлено отражающее приспособление с возможностью возвратно-поступательного перемещения, регистрирующее устройство оптически связано с волоконным лазером через зеркало, а источник накачки связан со средой с оптическим усилением [2] Этот датчик работает следующим образом. Усиливающая среда, зеркало, волоконный световод и отражающее приспособление формируют две различные продольные моды, которые образуют разностную частоту. Расстояние между отражающим приспособлением и торцом волоконного световода изменяется при перемещении отражающего приспособления, что приводит к изменению разностной частоты, регистрирующее устройство вырабатывает электрический сигнал, меняющийся пропорционально изменениям в разностной частоте.

Недостатком этого датчика является отсутствие возможности определения положения объекта, находящегося на большом расстоянии от регистрирующей аппаратуры. Это обусловлено тем, что волоконный световод, входящий в конструкцию устройства, является частью резонатора волоконного лазера, так что длина волоконного световода не может быть велика, поскольку увеличение его длины ведет к уменьшению точности определения положения объекта.

Задача изобретения состоит в обеспечении возможности определения положения объекта, находящегося на большом расстоянии (более 100 м) от регистрирующей аппаратуры.

Для этого волоконно-оптический датчик перемещений, содержащий источник оптического излучения, фотоприемник и оптически связанный с ними волоконный лазер, образованный отрезком одномодового на длине волны генерации активированного волоконного световода и двумя плоскими зеркалами, одно из которых расположено на торце активированного волоконного световода, а другое у другого торца активированного волоконного световода и оптически связано с последним через линзу, причем это зеркало установлено перпендикулярно оптической оси активированного волоконного световода с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль оптической оси, снабжен отрезком волоконного световода, один торец которого оптически связан с волоконным лазером через зеркало, расположенное на торце активированного волоконного световода, а другой торец оптически связан с источником оптического излучения и фотоприемником, например, с помощью светоделительного зеркала, а зеркало, расположенное на торце активированного волоконного световода, выполнено дихроичным.

Волоконно-оптический датчик перемещений должен быть снабжен отрезком волоконного световода, так как это позволяет расположить волоконный лазер на большом расстоянии, определяемом длиной отрезка волоконного световода, от источника оптического излучения и фотоприемника, так что волоконный лазер будет находиться в непосредственном контакте с объектом, положение которого необходимо определить, а источник оптического излучения и фотоприемник, содержащие электрические элементы, будут удалены на большое расстояние от объекта.

Один торец оптического волоконного световода должен быть оптически связан с волоконным лазером, а другой с источником оптического излучения и фотоприемником, так как это обеспечивает оптическую связь когерентного источника электромагнитной энергии с источником излучения накачки и регистрирующим устройством через отрезок волоконного световода.

Оптическая связь отрезка волоконного световода с волоконным лазером должна осуществляться через дихроичное зеркало, расположенное на торце активированного волоконного световода, так как это обеспечивает прохождение без отражения излучения накачки к активированному волоконному световоду, а на длине волны генерации волоконного лазера при этом имеет место отражение, что является условием работы последнего.

Светоделительное зеркало обеспечивает оптическую связь источника оптического излучения и фотоприемника с одним торцом отрезка волоконного световода.

Таким образом, каждый из признаков необходим, а все вместе они достаточны для обеспечения возможности определения положения объекта, находящегося на большом расстоянии (более 100 м) от регистрирующей аппаратуры.

На фиг.1 показана схема предлагаемого волоконно-оптического датчика перемещений; на фиг.2 схема прототипа.

Предлагаемый волоконно-оптический датчик содержит отрезок волоконного световода 1, источник 2 оптического излучения, фотоприемник 3, светоделительное зеркало 4, линзу 5, неподвижное зеркало 6, отрезок активированного волоконного световода 7, линзу 8, подвижное зеркало 9.

Устройство-прототип (фиг.2) содержит источник 1 накачки, регистрирующее устройство 2, среду 3 с оптическим усилением, отрезок волоконного световода 4, зеркало 5, отражающее приспособление 6.

Волоконно-оптический датчик перемещений работает следующим образом.

Излучение накачки от источника 2 оптического излучения, пройдя через светоделительное зеркало 4, с помощью линзы 5 вводится в сердцевину волоконного световода 1. Пройдя по волоконному световоду и через дихроичное зеркало 6, излучение накачки попадает в сердцевину активированного волоконного световода, в которой поглощается, осуществляя накачку волокна. В результате происходит генерация в волоконном лазере, образованном зеркалами 6 и 9 и отрезком активированного волоконного световода. Генерируемое излучение проходит через дихроичное зеркало 6, отрезок волоконного световода 1, линзу 5 и, отразившись от светоделительного зеркала 4, попадает на фотоприемник 3.

Спектр излучения, генерируемого волоконным лазером, состоит из набора продольных мод, частоты которых отстоят на величину Δf c/(2˙L_опт), где с скорость света в вакууме; L_опт n˙L_В + L оптическая длина резонатора волоконного лазера; L_B длина активированного волоконного световода; L расстояние между свободным торцом активированного волоконного световода и подвижным зеркалом; n показатель преломления сердцевины активированного волоконного световода. Между продольными модами генерируемого излучения происходят биения, что приводит к появлению в сигнале фотоприемника составляющей с частотой Δf, измеряя эту частоту, можно определить величину L и тем самым определить положение объекта, связанного с подвижным зеркалом.

П р и м е р. В волоконно-оптическом датчике перемещения использованы волоконный световод, активированный ионами Nd³⁺, длиной L_B 30 см и отрезок волоконного световода длиной 1 км. В качестве источника оптического излучения использован одномодовый лазерный диод с мощностью излучения Р_Н 40 мВт на длине волны λ_н= 815 нм. В качестве фотоприемника используется стандартный кремниевый фотодиод. Светоделительное зеркало имеет следующие параметры: коэффициент пропускания на длине волны λ_н 95% коэффициент отражения на длине волны генерации λ_c= 1,088 мкм 100% Подвижное зеркало имеет коэффициент отражения 100% на длине волны λ_c, а дихроичное зеркало на торце активированного волоконного световода пропускает 95% излучения на длине волны λ_н и отражает 80% излучения на длине волны λ_c Потери в волоконном световоде на длине волны λ_н составляют 2 дБ/км, а на длине волны λ_c 1 дБ/км.

Коэффициент связи отрезка волоконного световода с активированным волоконным световодом 90% Коэффициент связи подвижного зеркала с сердцевиной активированного волоконного световода составляет 70% При этих условиях генерируемая мощность составляет 7,5 мВт, а на фотоприемник падает излучение мощностью 6 мВт. Фотоприемник вырабатывает электрический сигнал межмодовых биений, спектральная ширина которого составляет δ f20 кГц.

Расстояние между торцом активированного волоконного световода и подвижным зеркалом L может изменяться в пределах от L_min 0,5 см до L_max 5,5 см, что соответствует изменению частоты межмодовых биений f в диапазоне 329,67 300 МГц, т. е. учитывая спектральную ширину регистрируемого сигнала, можно разрешить около 1500 положений подвижного зеркала и определить положение этого зеркала в пределах участка длиной 4,5 см с точностью 30 мкм. Таким образом, положение объекта определено на большом расстоянии (1 км) от регистрирующей аппаратуры, что не могло быть выполнено устройством-прототипом.

Предлагаемый волоконно-оптический датчик можно усовершенствовать, если использовать активированный волоконный световод, сохраняющий поляризацию. Тогда, поместив после линзы, находящейся у свободного торца активированного волоконного световода, поляризационный делитель (например, призму Глана), который обеспечивает пространственное разделение оптического излучения с поляризациями, соответствующими главным осям активированного волоконного световода и, использовав для их отражения разные зеркала для одного подвижное, а для другого неподвижное, получим генерацию излучения с ортогональными поляризациями и различными частотами межмодовых биений. В этом случае в сигнале фотоприемника можно выделить составляющую с частотой, равной разнице частот межмодовых биений ортогонально поляризованных излучений. Эта разница частот определяется положением подвижного зеркала и позволяет определить положение объекта, связанного с подвижным зеркалом, но при этом подлежащая измерению частота существенно меньше, что упрощает ее измерение.

Все параметры элементов датчика такие же, как в предыдущем примере, а разница оптических длин резонатора волоконного лазера для ортогонально поляризованных лучей при перемещении подвижного зеркала меняется в пределах от 0 до 2 см, соответствующее изменение частоты регистрируемого сигнала лежит в пределах от 0 до 14,5 МГц, что позволяет определять положение подвижного зеркала в интервале 2 см с точностью 30 мкм.

Таким образом, поставленная задача решена положение объекта определено на большом расстоянии (1 км) от регистрирующей аппаратуры, что не могло быть выполнено устройством-прототипом.

Дополнительным преимуществом предлагаемого волоконно-оптического датчика является то, что на его основе можно создавать датчики различных физических величин, например давления или температуры, если обеспечить перемещение подвижного зеркала в соответствии со значением измеряемой величины. Кроме того, оптическую длину резонатора можно менять и другими способами, например заполняя часть длины резонатора волоконного лазера веществом с большим показателем преломления.

Формула изобретения

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащий последовательно размещенные источник излучения, первое плоское зеркало, отрезок активированного волоконного световода, одномодового на длине волны генерации, линзу и второе плоское зеркало, установленное у торца световода перпендикулярно к его оптической оси с возможностью перемещения вдоль нее, и фотоприемник, отличающийся тем, что он снабжен последовательно размещенными между источником излучения и первым зеркалом второй линзой и отрезком волоконного световода, вторая линза оптически связана с фотоприемником через, например, светоделитель, а первое зеркало выполнено дихроичным.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2