Волоконно-оптическая измерительная система (варианты)



Волоконно-оптическая измерительная система (варианты)
Волоконно-оптическая измерительная система (варианты)

 


Владельцы патента RU 2520963:

Общество с ограниченной ответственностью "Оптические измерительные системы" (RU)

Изобретение относится к волоконно-оптической измерительной технике. Система содержит широкополосный источник излучения, оптический разветвитель на несколько каналов, циркулятор, оптический приемник, оптоволоконный датчик, блок управления и обработки и перестраиваемый элемент. Перестраиваемый элемент согласно первому варианту устройства выполнен на основе электрооптического модулятора, построенного по схеме несбалансированного интерферометра Маха-Цендера. Перестраиваемый элемент согласно второму варианту содержит циркулятор и электрооптический перестраиваемый фильтр. Перестраиваемые элементы выполнены на основе электрооптического кристалла типа ниобата лития или танталата лития. Технический результат - повышение надежности и скорости измерения, упрощение устройства за счет исключения механически двигающихся частей. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к волоконно-оптической измерительной технике, в частности к волоконно-оптическим измерительным системам измерения давления, температуры, деформации, на основе широкополосной интерферометрии и волоконно-оптическим датчикам на основе интерферометра Фабри-Перо и решеток Брегга.

Известно изобретение «Волоконно-оптическая измерительная система (варианты)» (№2334965; МПК: G01D 5/26, G01J 9/02; дата публикации 2008-09-27), содержащая, широкополосный источник излучения, интерферометр Фабри-Перо, фокусирующую систему, регистрирующий интерферометр и фоторегистрирующее средство, оптический Y-образный ответвитель, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорное устройство. Широкополосный источник излучения выполнен с оптоволоконным выходом, соединенным с оптическим Y-образным ответвителем. Ответвитель соединен с интерферометром Фабри-Перо и с фокусирующей системой. Регистрирующий интерферометр выполнен в виде поляризационного интерферометра. Система может представлять собой многоканальные версии измерительной системы с пространственным и временным разделением каналов. Технический результат - уменьшение трудоемкости сборки, увеличение соотношения сигнал/шум.

Недостатком данного изобрения является наличие распределенной в пространстве элементов в составе спектрометрического блока, что уменьшает надежность схемы за счет наличия вибрации, температурных градиентов и прочих воздействий.

Известно изобретение «Устройство для измерения параметров физических полей» (№102256, МПК: G01K 11/32, дата публикации 2011-02-20), которое содержит последовательно соединенные источник двухчастотного лазерного излучения 1, оптический разветвитель 2, первый волоконно-оптический кабель 3, оптический датчик 4, второй волоконно-оптический кабель 5, первый фотоприемник 8, второй фотоприемник 7, соединенный через третий волоконно-оптический кабель 6 со вторым выходом оптического ответвителя 2, а также контроллер 11 определения параметра физического поля. В него введены фазовый детектор 9, при этом выходы первого 8 и второго 7 фотоприемников подключены соответственно к первому и второму входам фазового детектора 9, а выход фазового детектора 9 к первому входу контроллера 11 определения параметра физического поля, и измеритель коэффициента модуляции 10, при этом выход первого фотоприемника 8 также подключен ко входу измерителя коэффициента модуляции 10, а выход измерителя коэффициента модуляции 10 подключен ко второму входу контроллера 11 определения параметра физического поля.

Устройство может быть выполнено с использованием источника двухчастотного лазерного излучения 1 на основе двухчастотного лазерного излучателя, а также с использованием источника двухчастотного лазерного излучения 1 на основе опорного одночастотного лазерного излучателя и электрооптического модулятора типа интерферометра Маха-Цендера, рабочая точка модуляционной характеристики которого задана таким образом, чтобы сдвиг фаз на выходе был равен π. Устройство может быть выполнено с использованием оптического датчика 4 на основе волоконной решетки Брэгга, интерферометра Фабри-Перо, тонкопленочного фильтра. В некоторых случаях устройство может быть выполнено так, что длина третьего волоконно-оптического кабеля 6 равна сумме длин первого 3 и второго 5 волоконно-оптических кабелей.

Недостатком данного изобретения является использование двухчастотной схемы измерения и следовательно невозможности снятия полного спектра получаемого с датчиков. Таким образом, невозможно мультиплексировать несколько датчиков на одном волокне.

Известно изобретение «Метод и аппарат для высокочастотного оптического датчика передачи сигнала» (WO 2008028138 (А2), МПК: G01B 9/02, дата публикации 2008-03-06), в котором описаны способы измерения с помощью оптического датчика, в соответствии с которыми изменение длины волны в оптическом датчике преобразуется в измеримое изменение силы света, датчик может калиброваться и использоваться для измерения изменения оптической длины волны, а также изменений окружающей среды, например, для измерения температуры или деформации, которые влияют на длину волны датчика. В настоящем изобретении применяются настраиваемые оптофильтры Фабри-Перо в качестве избирательного мультиплексора длины волны для преобразования длины волны в силу света. Оптический широкополосный источник (BBS, 5), такой как источник ASE или SLED, испускает широкий спектр оптического сигнала. Этот сигнал разделяется между несколькими (N) параллельными каналами измерения (например, 3а) с 1×N спектрально плоским оптическим ответвителем (4). Результирующий оптический сигнал на каждом канале измерения (3а, 3б, 3в, 3 … 3N) идентичен оригинальным BBS спектральной формы, только с уменьшенной амплитудой, соизмеримой с разделением ответвителя. Помимо оптического пути каждого измерительного канала, спектры BBS связаны в единый входной порт (7) оптического циркулятора (6). Двунаправленного распространения оптический циркулятор (8) связан с оптическим датчиком, который включает волоконные решетки Брэгга (11а) в качестве чувствительного элемента. Принимаются меры с FBG датчика, чтобы отражение широкополосного сигнала от слоя (торцы, разъемы, соединители, и т.п.) сводятся к минимуму. Узкий спектр отражения группы от датчика FBG (центр или отражение волны) возвращается в порт (8) через оптический циркулятор (6) и выходит через один выходной порт (9). Часть света, отраженная BBS FBG датчиком через оптический ответвитель (12) передается на выход (13) ответвителя, который напрямую связан с опорным каналом (14), содержащим фотодетектор (17), например фотодиод. Другой выход (15) ответвителя соединяется с активным каналом (16), который включает в себя перестраиваемый фильтр Фабри-Перо (20), и затем фотоприемник (19), например фотодиод. Измерения выполняются как фотодиодами, и в результате соотношение измеренных сигналов между двумя каналами откалиброваны и интерпретируется как динамическое изменение длины волны датчика (или ВБР). Как правило, данные рассматриваются как изменения длины волны сигнала в зависимости от времени. Одним или несколькими оптическими датчиками этой системы можно обнаружить изменение температуры или напряжения. В предпочтительном варианте устройство на фиг.1 измеряет динамические напряжения.

Изобретение обеспечивает высокую измерительную чувствительность к небольшим амплитудам, высокочастотную модуляцию длины волны центра волоконного датчика и позволяет использовать либо частотный режим, либо переменную разрешающую способность по времени сеансов модуляции.

Недостатком данного изобретения является использование в качестве анализатора спектра перестраиваемого фильтра Фабри-Перо. Перестройка идет за счет электромеханических пьезоэлектрических устройств. Наличие механических перемещений снижает надежность во время длительной эксплуатации и скорость измерения.

Данное изобретение является ближайшим аналогом заявляемого изобретения, т.е. прототипом.

Задачей данного изобретения является повышение надежности и скорости измерения, упрощение устройства.

Данная задача решается созданием по варианту 1 волоконно-оптической измерительной системы, содержащей широполосный источник излучения, оптический разветвитель на несколько каналов, циркулятор, оптический приемник, оптоволоконный датчик, блок управления и обработки, перестраиваемый элемент, при этом выход широкополосного источника излучения соединен с оптическим ответвителем, один из выходов которого соединен с первым входом циркулятора, второй выход которого соединен с оптоволоконным датчиком, а третий выход соединен с перестраиваемым элементом, который в свою очередь соединен с оптическим приемником, подключенным к блоку управления и обработки, а управляющие выходы с процессорного блока соединены с перестраиваемым элементом, отличающейся тем, что перестраиваемый элемент выполнен на основе электрооптического модулятора, построенного по схеме несбалансированного интерферометра Маха-Цендера.

Также эта задача решается созданием по варианту 2 волоконно-оптической измерительной системы, содержащей широполосный источник излучения, оптический разветвитель на несколько каналов, циркулятор, оптический приемник, оптоволоконный датчик, блок управления и обработки, перестраиваемый элемент, при этом выход широкополосного источника излучения соединен с оптическим ответвителем, один из выходов которого соединен с первым входом циркулятора, второй выход которого соединен с оптоволоконным датчиком, а третий выход соединен с перестраиваемым элементом, который в свою очередь соединен с оптическим приемником, подключенным к блоку управления и обработки, а управляющие выходы с процессорного блока соединены с перестраиваемым элементом, отличающейся тем, что перестраиваемый элемент содержит циркулятор и электрооптический перестраиваемый фильтр, причем второй вход циркулятора соединен с входом электрооптического перестраиваемого фильтра.

На фиг.1 представлена схема волоконно-оптической измерительной системы по варианту 1.

На фиг.2 представлена схема перестраиваемого элемента по варианту 2.

Волоконно-оптическая измерительная система по варианту 1 (фиг.1) содержит широполосный источник излучения 1, оптический разветвитель на несколько каналов 2, циркулятор 3, оптический приемник 5, оптоволоконный датчик 4, блок управления и обработки 6, перестраиваемый элемент 7, при этом выход широкополосного источника излучения 1 соединен с оптическим ответвителем 2, один из выходов которого соединен с первым входом циркулятора 3, второй выход которого соединен с оптоволоконным датчиком 4, а третий выход соединен с перестраиваемым элементом 7, который в свою очередь соединен с оптическим приемником 5, подключенным к блоку управления и обработки 6, а управляющие выходы с процессорного блока 6 соединены с перестраиваемым элементом 7, при этом перестраиваемый элемент 7 выполнен на основе электрооптического модулятора 8, построенного по схеме несбалансированного интерферометра Маха-Цендера.

Волоконно-оптическая измерительная система по варианту 2 (фиг.2) отличается тем, что перестраиваемый элемент содержит циркулятор 9 и электрооптический перестраиваемый фильтр 10, причем второй вход циркулятора 9 соединен с входом электрооптического перестраиваемого фильтра 10.

Устройство по варианту 1 и 2 работает следующим образом.

Широполосный источник излучения 1 соединен с ответвителем 2, который направляет световую энергию по разным каналам, каждый канал соединен с циркулятором 3, куда излучение попадает на первый вход и выходит на втором выходе, соединенным с одним или несколькими датчиками Фабри-Перо и/или решетками Брегга 4. Излучение, отразившись от датчиков и изменив свой спектр, попадает на второй выход циркулятора 3, выходит на третьем выходе и попадает на перестраиваемый элемент 7, который представляет собой по варианту 1 несбалансированный интерферометр Маха-Цендера 8, изготовленный на электрооптическом кристалле типа ниобата лития, а по варианту 2 из циркулятора 9 и электрооптического перестраиваемого фильтра 10. При подаче с блока управления и обработки 6 на перестраиваемый элемент 7, например, линейно нарастающее напряжение пропорционально изменяется разность фазы между плечами интерферометра 8 и таким образом производится сканирование спектра. Излучение, проходя по плечам электрооптического модулятора 8, интерферирует на его выходе и попадает на оптический приемник 5, электрический сигнал с которого принимается блоком управления и обработки сигнала 6.

По варианту 2 излучение с выхода циркулятора 3 попадает на перестраиваемый элемент 7, который состоит из циркулятора 9 и электрооптического перестраиваемого фильтра на основе брегговской решетке 10. Излучение, попадая на первый вход циркулятора 9, проходит на второй его вход и попадает на электрооптический перестраиваемый фильтр 10, отражаясь от которого, снова проходит через циркулятор 7 и выход на третьем выходе. При подаче от блока управления и обработки напряжения, например, пилообразной формы, происходит изменение спектра отражения фильтра 9 и таким образом, производится сканирование спектра излучения, отраженного от датчиков 4.

Поскольку отсутствуют механические перемещения, то возрастает надежность устройства, а также скорость измерения.

Широкополосным источником излучения может быть стандартный суперлюминесцентный светоизлучающий диод, работающий на центральной длине волны 1.55 мкм.

Все компоненты: ответвитель, циркулятор, оптический приемник, являются стандартными для телекоммуникационных применений.

Блок управления и обработки может быть выполнен с использование стандартной микропроцессорной техники или на программируемых логических матрицах.

Перестраиваемый элемент по варианту 1 на основе несбалансированного электрооптического интерферометра Маха-Цендера может быть выполнен на электрооптическом кристалле типа ниобата лития или танталата лития стандартным методом получения интегрально-оптических схем.

Перестраиваемый элемент по варианту 2 может быть выполнен на основе электрооптического перестраиваемого фильтра типа Брегговской решетки на электрооптическом кристалле, например на ниобате лития или танталате лития, стандартным методом получения интегрально-оптических схем.

Технический результат достигается за счет использования в качестве перестраиваемого элемента на оптоэлектронных интегрально-оптические схемы на электрооптических кристаллах, что дает возможность создания компактного спектрометра, который не имеет распределенных в пространстве элементов и не имеет механически двигающихся частей, тем самым повышается надежность схемы, увеличивается скорость измерения, а также происходит упрощение устройства.

1. Волоконно-оптическая измерительная система, содержащая широполосный источник излучения, оптический разветвитель на несколько каналов, циркулятор, оптический приемник, цепочку оптоволоконных датчиков, блок управления и обработки, перестраиваемый элемент, при этом выход широкополосного источника излучения соединен с оптическим ответвителем, один из выходов которого соединен с первым входом циркулятора, второй выход которого соединен с цепочкой оптоволоконных датчиков, а третий выход соединен с перестраиваемым элементом, который в свою очередь соединен с оптическим приемником, подключенным к блоку управления и обработки, а управляющие выходы с процессорного блока соединены с перестраиваемым элементом, отличающаяся тем, что перестраиваемый элемент выполнен на основе электрооптического модулятора, построенного по схеме несбалансированного интерферометра Маха-Цендера.

2. Волоконно-оптическая измерительная система, содержащая широполосный источник излучения, оптический разветвитель на несколько каналов, циркулятор, оптический приемник, цепочку оптоволоконных датчиков, блок управления и обработки, перестраиваемый элемент, при этом выход широкополосного источника излучения соединен с оптическим ответвителем, один из выходов которого соединен с первым входом циркулятора, второй выход которого соединен с цепочкой оптоволоконных датчиков, а третий выход соединен с перестраиваемым элементом, который в свою очередь соединен с оптическим приемником, подключенным к блоку управления и обработки, а управляющие выходы с процессорного блока соединены с перестраиваемым элементом, отличающаяся тем, что перестраиваемый элемент содержит циркулятор и электрооптический перестраиваемый фильтр, причем первый и третий вход циркулятора являются соответвенно входом и выходом перестраиваемого элемента, а второй вход циркулятора соединен с входом электрооптического перестраиваемого фильтра.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к волоконно-оптическим преобразователям перемещений. .

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение для измерения физических параметров (температуры, давления и т.п.) преимущественно в условиях, характеризующихся повышенными требованиями к помехозащищенности канала передачи информации, а также необходимостью гальванической изоляции источника и приемника информации.

Изобретение относится к волоконно-оптическим преобразователям физических величин (температуры, давления, ускорения и др.) с использованием микромеханических резонаторов, возбуждаемых светом.

Изобретение относится к волоконно-оптическим преобразователям физических величин и может быть использовано в качестве чувствительного элемента в гравиметрах, сейсмоприемниках, а также в акселерометрах, вибропреобразователях.

Изобретение относится к волоконно-оптическим автоколебательным системам на основе микромеханического резонатора с частотным кодированием выходного сигнала и может быть использовано в системах измерения различных физических величин: линейных и угловых перемещений, силы, давления и др.

Изобретение относится к волоконно-оптическим автоколебательным системам на основе микромеханического резонатора с частотным кодированием выходного сигнала и может быть использовано в системах измерения различных физических величин (температуры, давления, линейных и угловых перемещений и др.).

Изобретение относится к волоконно-оптическим автоколебательным системам на основе микромеханического резонатора, возбуждаемого светом, и может быть использовано в системах измерения различных физических величин, например, концентрации газов, температуры, давления и др.

Интерферометр содержит монохроматический источник света и последовательно установленные афокальную систему для формирования расширенного параллельного пучка световых лучей, разделительную плоскопараллельную пластину, ориентированную под углом к параллельному пучку световых лучей, первое плоское зеркало с отражающим покрытием, обращенным к разделительной плоскопараллельной пластине, и установленное с возможностью изменения угла наклона к параллельному пучку световых лучей, прошедшему разделительную плоскопараллельную пластину, второе плоское зеркало, установленное с возможностью изменения угла наклона, и блок регистрации, установленный в пучке световых лучей, отраженном последовательно от первого плоского зеркала и разделительной плоскопараллельной пластины, и содержащий фокусирующий объектив и фотоприемное устройство.

Сканирующее интерференционное устройство содержит подложки с зеркальным покрытием с регулированием положения при помощи пьезоэлемента, подключенного к источнику переменного напряжения.

Изобретение может быть использовано для быстрой перестройки или сканирования спектра пропускания или отражения излучения в сенсорных и спектральных системах. Интерферометр содержит корпус, выполненный в виде двух установленных перпендикулярно к оптической оси фланцев с осевыми сквозными отверстиями, и двухзеркальный резонатор, расположенный в отверстиях фланцев, каждое зеркало которого закреплено на соответствующем фланце с помощью пьезоэлектрического элемента.

Светофильтр содержит плоскую прозрачную пластину с тонкопленочным прозрачным покрытием одной ее поверхности. В первом варианте светофильтр содержит также оптическую призму ввода излучения, закрепленную плоской гранью на тонкопленочном покрытии вблизи конца пластины.

Устройство содержит закрепленное на основании (1) устройство (2) для регулировки и фиксации его положения относительно поверхности (12) объекта (13), соединенный с ним цилиндрический корпус (4), во внутренней полости (5) которого установлены источник (6) когерентного оптического излучения и фокусирующая излучение (31) на поверхность (12) объекта (13) оптическая система (8) с устройствами для регулировки и фиксации их положения (7) и (9), опорную балку (14), выполненную составной из однотипных цилиндрических элементов (28), светонепроницаемый защитный корпус (19) с окном (20), установленный с возможностью перемещения вдоль опорной балки (14), во внутренней полости (21) которого установлены светоделитель (22) и отражатель (23), жестко скрепленные между собой, и экран с устройствами для регулировки и фиксации их положения (24) и (26).

Изобретение относится к измерителям скорости интерферометрическим методом по доплеровскому смещению длины волны света, отраженного от исследуемого объекта, с использованием интерферометра Фабри-Перо и может быть использовано для увеличения яркости интерференционной картины на щелевой диафрагме на выходе оптической системы в 2-10 раз при малом увеличении габаритов.

Изобретение относится к области радиотехники и касается акустооптического интерферометра. Акустооптический интерферометр состоит из антенной решетки, источника когерентного излучения, коллиматора, акустооптического модулятора с четырьмя пьезопреобразователями, фурье-линзы, матричного фотоприемника и цифрового процессора.

Изобретение относится к формированию изображения с использованием оптической когерентной томографии в Фурье-области. Устройство содержит первый переключающий блок 17, осуществляющий переключение между первым состоянием, в котором обратный луч 12 объединяется с опорным лучом (состояние, в котором обратный луч 12 проводится к объединяющему блоку 22), и вторым состоянием, отличающимся от первого состояния (состоянием, в котором путь луча для обратного луча 12 блокируется или изменяется).

Изображающий микроэллипсометр состоит из источника когерентного освещения 1, пространственного фильтра 2, управляемой полуволновой пластинки 3, коллиматора 4, неполяризующего светоделителя 5, по крайней мере, одной ловушки-поглотителя 6, микрообъектива 7 с фронтальной линзой 8, расположенного под микрообъективом предметного столика 9 с размещенным на нем объектом 10, интерференционного блока 11 формирования изображения.

Способ реализуют посредством двухлучевого интерферометра с оптической системой для формирования опорного и объектного пучков, системой зеркал, установленных вдоль опорной и объектной ветвей, рабочей зоной, проекционным объективом и узлом регистрации голограммы.

Изобретение относится к оптической когерентной томографии. В устройстве система (20) формирования линейного пучка света содержит полуцилиндрическую линзу (21), собирающую линзу (22) и щель (23) для реализации спектральной оптической когерентной томографии. Параллельный световой пучок от источника света падает на поверхность полуцилиндрической линзы (21), а фокальная линия полуцилиндрической линзы (21) расположена перед собирающей линзой (22). Собирающая линза (22) имеет короткий фокус, в котором сходится параллельная световая составляющая, и длинный фокус, в котором сходится расходящаяся световая составляющая. Щель (23) расположена между точкой короткого фокуса и точкой длинного фокуса. Технический результат заключается в обеспечении возможности получения двумерного изображения с высококачественным разрешением за короткий промежуток времени, без воздействия каких бы то ни было механических перемещений. 3 н.и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.
Наверх