Волоконно-оптический датчик

 

Использование: измерители микроперемещений давления, скоростей потока жидких и газообразных сред и уровнемеры. Волоконно-оптический датчик микроперемещений содержит опорную и информационную отражающие поверхности, напротив которых размещены соответственно торцы опорного и информационного световодов, оптически связанные в каждом канале с несимметричными плечами V-образных волоконно-оптических делителей, симметричные плечи каждого из которых оптически связаны с излучателями и фотоприемниками, преобразующими оптические сигналы в электрические, которые обрабатываются и измеряются. Опорная и информационная поверхности выполнены в виде двух отражающих поверхностей, которые жестко закреплены на контролируемом объекте и ориентированы в противоположные стороны параллельно друг другу, причем торцы опорного и информационного световодов расположены на одинаковом расстоянии от соответственно опорной и информационной поверхностей и также ориентированы противоположно друг другу, а выходной электрический сигнал получают путем взаимного аналогового вычитания электрических сигналов опорного и информационного каналов. 3 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к области волоконно-оптических средств измерений. Изобретение может быть использовано для контроля перемещений материальных объектов окружающей среды.

Известен одноканальный ВОД линейных перемещений отражательного типа, состоящий из излучателя, фотоприемника, информационного световода, состыкованного с плечом оптического делителя, в качестве которого может быть использован волоконно-оптический V-образный делитель (в дальнейшем - "делитель"), имеющий два симметричных плеча и одно несимметричное [1] В процессе измерений торец информационного световода располагается напротив поверхности, величина перемещения которой измеряется (информационная поверхность). Расходящийся световой поток с торца информационного световода излучается в направлении информационной поверхности и отражается от нее. Часть отраженного светового потока P₁=P₀η_ин(x) через тот же торец возвращается в информационный световод и, распространяясь по нему в обратном направлении, через делитель попадает на фотоприемник. Величина электрического сигнала на выходе фотоприемника равна: U_вых=q·k²·k_c·k_н·α·F₀·η(x) (1) где q коэффициент преобразования светового потока в электрический сигнал; k² коэффициент потерь в информационном световоде и несимметричном плече делителя (разветвителя) с учетом двухкратного прохождения светового потока в прямом и обратном (при отражении) направлениях; α - коэффициент отражения контролируемой поверхности; k_с и K_н - коэффициенты потерь в симметричных плечах делителя; h_ин(x) эффективность ввода отраженного светового потока через торец информационного световода, определяемая как отношение величины светового потока, пришедшего через торец в информационный световод P₁, к величине светового потока, излученного с торца P₀: η(x)=P₁/P₀, 0<η(x)≅ 1 (2) безразмерная функция, зависящая только от расстояния x торца световода до контролируемой поверхности. Коэффициенты q, k, α и P₀ в [2] не зависят от величины перемещения x и определяют постоянную амплитуду выходного сигнала U_вых,о в соотношении (1) так, что U_вых=U_вых,0·η(x). Если известно начальное расстояние x₀ между торцем информационного световода и контролируемой поверхностью и явный вид функции η(x) то известна исходная величина выходного сигнала, от которой впоследствии измеряется выходной сигнал: U_вых(x₀)=U_вых,0·η(x₀). Любое линейное перемещение контролируемой поверхности относительно торца на величину Δx приведет к изменению выходного сигнала на величину ΔU, которое можно представить в виде разложения по степеням Δx: Недостатками этой схемы являются зависимость результатов измерений от флуктуаций, возникающих в элементах оптического тракта (световодах, разветвителях) под влиянием изменяющихся параметров внешней среды (таких как давление, температура, механические воздействия), зависимость их от отражающих свойств поверхности, а также нелинейная зависимость выходного сигнала от величины перемещения контролируемой поверхности.

Влияние изменяющихся параметров среды может быть значительно уменьшено путем введения в схему измерений второго (опорного) канала [2] включающего в себя в общем случае опорный световод, неподвижную (опорную) поверхность, излучатель и фотоприемник. Расстояние между торцом опорного световода и опорной поверхностью фиксировано в процессе измерений. Составляющие сигналов в опорном и информационном каналах, обусловленные внешними воздействиями, пропорциональны. Влияние внешних воздействий на результаты измерений затем может быть исключено путем сопоставления величин опорного и информационного сигналов.

При фиксированном положении опорной поверхности относительно торца опорного световода эффективность ввода отраженного пучка постоянна с точностью до флуктуаций, обусловленных внешними воздействиями, поэтому постоянен и выходной сигнал в опорном канале. Соответственно сохраняется и нелинейная зависимость выходного сигнала от величины линейных перемещений информационной поверхности. Кроме того, в этой схеме сохраняется зависимость выходного сигнала от отражающих свойств контролируемой поверхности.

Наиболее близким аналогом к изобретению по технической сущности является волоконно-оптический датчик, содержащий первую отражающую поверхность, первый и второй волоконные световоды, первый волоконно-оптический делитель, несимметричное плечо которого сопряжено с торцем первого волоконного световода, первый излучатель и фотоприемник, оптически сопряженные с симметричными плечами волоконно-оптического делителя, модулятор, блок обработки и изменения сигналов [3] Выходной сигнал, нелинейно зависящий от величины перемещения контролируемого объекта, получают в этой схеме путем аналоговой обработки сигналов первого и второго волоконных световодов.

Недостатком этой схемы является влияние на величину сигналов отражающих свойств различных частей поверхности контролируемого объекта вследствие их различия при отсутствии специальной обработки (шлифовка, полировка т.п.). Кроме того, в этой схеме сигналы в первом и втором волоконных световодах изменяются синфазно, что не способствует уменьшению нелинейности выходного сигнала.

Нелинейная зависимость выходного сигнала от величины перемещения контролируемого объекта и влияние на его величину отражающих свойств частей поверхности снижают точность измерений и сужают функциональные возможности этого датчика.

Задачей изобретения является повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей датчика.

Указанный технический результат достигается тем, что в волоконно-оптический датчик микроперемещений, содержащий первую отражающую поверхность, первый и второй волоконные световоды, первый волоконно-оптический делитель, несимметричное плечо которого сопряжено с торцем первого волоконного световода, первые излучатель и фотоприемник, оптически сопряженные с симметричными плечами волоконно-оптического делителя, модулятор, блок обработки и измерения сигналов, введены дифференциальный усилитель, второй волоконно-оптический делитель, вторые излучатель и фотоприемник, оптически сопряженные с симметричными плечами второго волоконно-оптического делителя, несимметричное плечо которого оптически сопряжено с торцем второго волоконного световода, рефлектор, установленный с возможностью жесткого крепления на контролируемом объекте и выполненный с первой отражающей поверхностью на одной его стороне и со второй отражающей поверхностью на стороне противоположной первой, при этом поверхности выполнены идентичными и параллельными, торец второго волоконного световода оптически сопряжен со второй отражающей поверхностью, торцы волоконных световодов расположены на одинаковом расстоянии от соответствующих отражающих поверхностей.

Отличиями изобретения являются выполнение первой и второй отражающих поверхностей в виде двухстороннего рефлектора, противоположно ориентированные отражающие поверхности которого подвергнуты одинаковой обработке с целью выравнивания их отражающих характеристик, а также жесткая связь между ними в процессе измерений. Эти отличия приводят в тому, что при перемещении контролируемого световода изменения величин сигналов в первом и втором волоконных световодах происходят в противофазе, что позволяет путем взаимного их вычитания существенно линеаризовать характеристики датчика. Следует отметить, что поскольку первый и второй каналы идентичны, различие между ними является условным и на фиг.1, на которой представлена схема реализации датчика, нумерация позиций для первого канала принята нечетной ("нечетный" канал), а для второго канала -четной ("четный" канал).

На схеме фиг.1 приняты следующие обозначения: 1 контролируемый объект; 2 рефлектор; 3,4 торцы первого /3/ и второго /4/ световодов 5 и 6 соответственно; 7 и 8 оптические соединители (ОС) несимметричных плечей разветвителей; 9, 10, 11, 12 симметричные плечи разветвителей; 13, 14 -фотоприемники; 15, 16 излучатели; 17 дифференциальный усилитель; 18 - модулятор.

В четном канале световой поток 16 от излучателя 16 через симметричное плечо 12, несимметричное плечо с оптическим соединителем 8 попадает на торец 4 световода 6. С торца 4 расходящийся световой поток распространяется в направлении поверхности 2 и отражается от нее назад в направлении торца 4. Часть отраженного светового потока попадает обратно в торец 4 и через световод 6, симметричное плечо разветвителя с оптическим соединителем 8 и второе симметричное плечо 10 разветвителя попадает на фотоприемник 14. Другая часть отраженного потока через симметричное плечо 12 проходит обратно на излучатель и теряется. Аналогично для нечетного канала.

Величина сигналов на выходе фотоприемников в четном и нечетном каналах равны соответственно:
где q₁₄ и q₁₃ коэффициенты фотоэлектрического преобразования (чувствительности) фотоприемников в четном и нечетном каналах соответственно; k₅, k₆, k₇, k₈, k₉, k₁₀, k₁₁, k₁₂ потери в световодах 5, 6 и плечах 7, 8, 9, 10, 11 и 12 разветвителей; η_ч и η_н эффективности ввода отраженных световых потоков через торцы 4 и 3 соответственно, определяемых как в /2/; P₁₅ и P₁₆ световые потоки на выходе излучателей 15 и 16.

По аналогии с одноканальным датчиком /3/ можно представить соотношения (5) для каждого канала в упрощенном виде:

С учетом того, что фазы изменений сигналов на входе дифференциального усилителя при перемещении контролируемого объекта на величину дельта X противоположны, можно получить их выражения для четного U(X_ч) и нечетного U(X_н) каналов соответственно:

Сигнал на выходе дифференциального усилителя равен разности сигналов на выходах каналов.

В конкретном случае были использованы световоды со ступенчатым профилем показателя сердцевины преломления диаметром 50 мкм; апертура световодов NA 0,23. Поэтому с погрешностью менее 0,1% n_ч(x)=η_н(x)=η(x). На фиг.2 представлена зависимость η(x) в графической форме, взятая из работы [4] и пересчитанная применительно к случаю сопряжения зеркальной поверхности с торцем световода с вышеуказанными параметрами. Чтобы определить характер зависимости величины выходного сигнала U_рез от величины линейного перемещения Δx контролируемой поверхности необходимо задать определенное исходное положение торцев световодов 3 и 4 (фиг.2), которые в предлагаемом устройстве выбраны одинаковыми: x_н,0= x_ч,0= x₀. Регулируя независимо токи накачки излучателей, можно получить равные сигналы на дифференциальных входах ДУ таким образом, что U_ч,0=U_н,0=U₀. Тогда в исходном положении, при x x₀ сигнал на выходе ДУ в соответствии с выражениями (6) и (7) равен нулю сигналы на выходе ДУ вычитаются.

При перемещении контролируемого объекта на величину Δx сигнал выходе ДУ становится равным U_рез=U₀[ηʹ(x₀)Δx·ηʺʹ(x₀)(Δx)³/3+ ...] и в первом приближении линеен относительно Δx.

На практике, однако, в соотношениях (6) и (7) для повышения точности необходимо учитывать слагаемые более высокого порядка. Это приводит к тому, что линейная зависимость выходного сигнала имеет место в ограниченном диапазоне линейных перемещений.

На фиг. 2 представлены расчетные графики зависимости нормированной величины выходного сигнала U_рез/U₀[η(x) для одноканального датчика, кривая 1 и Δη для двухканального, кривые 2 5] от расстояния между торцем левого световода (фиг.2) и контролируемого объекта (x x₀ + Dx) для различных значений x₀, рассчитанные путем численного интерполирования с использованием результатов работы [4] Кривые 2, 3, 4, 5 построены прототип (соответствующая зависимость /1/); 2 x₀ 175 мкм; 3 для x₀ 125 мкм, 4 для x₀ 100 мкм, 5 для x₀= 175 мкм.

Расчеты выполнены в предположении равномерного распределения излучения на торцах световодов со ступенчатым профилем показателя преломления /4/. Из фиг. 2 видно, что в районе x₀ 100 мкм зависимость выходного сигнала практически линейно зависит от величины перемещения контролируемого объекта во всем диапазоне допустимых перемещений (0 200 мкм), т.е. чувствительность предлагаемого устройства постоянна в этом диапазоне.

На фиг.3 представлены кривые зависимости чувствительности от x для различных значений x₀ в окрестности x₀ 100 мкм. Из рисунка видно, что в диапазоне x₀ от 110 до 120 мкм относительное изменение величины чувствительности не превышает 5%
Следует отметить, что максимальные величины нормированных выходных сигналов в предлагаемом устройстве всегда меньше по абсолютной величине выходного сигнала в одноканальном датчике.

В предлагаемом устройстве могут быть использованы световоды с другими параметрами в зависимости от предъявляемых к устройству требований, однако в любом случае необходимо знание зависимости η(x).

Формула изобретения

Волоконно-оптический датчик микроперемещений, содержащий первую отражающую поверхность, первый и второй волоконные световоды, первый волоконно-оптический делитель, несимметричное плечо которого сопряжено с торцом первого волоконного световода, первые излучатель и фотоприемник, оптически сопряженные с симметричными плечами первого волоконно-оптического делителя, модулятор, блок обработки и измерения сигналов, отличающийся тем, что в него введены дифференциальный усилитель, второй волоконно-оптический делитель, вторые излучатель и фотоприемник, оптически сопряженные с симметричными плечами второго волоконно-оптического делителя, несимметричное плечо которого сопряжено с торцом второго волоконного световода, рефлектор, установленный с возможностью жесткого крепления на контролируемом объекте и выполненный с первой отражающей поверхностью на одной его стороне и с второй отражающей поверхностью на стороне, противоположной первой, при этом поверхности выполнены идентичными и параллельными, торец второго волоконного световода оптически сопряжен с второй отражающей поверхностью, торцы волоконных световодов расположены на одинаковом расстоянии от соответствующих отражающих поверхностей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3