ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ

Область техники
Полезная модель относится к средствам дистанционного измерения, использующим изменение передающей способности оптического волокна.
Уровень техники.
Примером традиционной схемы ВОД является устройство, используемое для дистанционного измерения физических величин в способе дистанционного измерения, раскрытом в SU 1411587, выбранного в качестве ближайшего аналога. Сложность традиционной волоконно-оптической схемы датчика вытекает из использования источников и приемников оптического излучения, способных выполнять только одну функцию: источника либо приемника света.
Светофотодиоды, способные излучать и принимать свет, известны, например, из схемы средства телеуправления SU 359685, однако в измерительных устройствах до настоящего времени они не применялись.
Раскрытие
Полезная модель направлена на повышение надежности волоконно-оптических датчиков (ВОД) и точности измерений благодаря упрощению волоконно-оптической схемы датчика по сравнению с традиционными схемами ВОД, основанными на использовании источников и приемников оптического излучения, способных выполнять только одну функцию: источника либо приемника света.
Указанные технические результаты обеспечиваются устройством для дистанционного измерения, содержащим, по меньшей мере, один измерительный элемент, способный изменять интенсивность света в зависимости от воздействия на измерительный элемент, и устройство измерения интенсивности выходного света от измерительного элемента. Излучение входного света на измерительный элемент обеспечено посредством обратимого светофотодиода, который имеет скорость
переключения, обеспечивающую прием светофотодиодом выходного света от измерительного элемента.
Переключение светофотодиода в режим излучения для обеспечения излучения входного света на измерительный элемент может быть осуществлено, например, посредством электронного ключа обратимого светофотодиода, при этом между светофотодиодом и измерительным элементом обеспечена задержка света достаточная для переключения светофотодиода в состояние приема света для обеспечения измерения интенсивности выходного света. Задержка света обеспечивается длиной волоконного световода.
3
3
Между светофотодиодом и измерительным элементом обеспечивается частичное отражение выходного света посредством полупрозрачного элемента, например, в виде полупрозрачной пластинки или торца световода. Этот отражательный элемент размещен на конце световода, противоположном концу световода, подводящему свет к измерительному элементу. Входной свет имеет переменную частоту импульсов, которая может включать два режима следования периодических импульсов - первый режим имеет период следования Т намного больший, чем время задержки τ оптического импульса, а второй режим имеет период следования Т во основном равный времени задержки τ оптического импульса. Устройство управления электронным ключом светофотодиода также обеспечивает переключение электронного ключа синхронного детектора для поступления сигналов соответствующих первому и второму режиму на разные входы синхронного детектора. Вычислительное устройство, связанное с синхронным детектором, обеспечивает возможность следующих действий: из величины интенсивности выходного света, соответствующей второму режиму следования периодических импульсов, обеспечивается вычитание величины интенсивности выходного света, соответствующей первому режиму следования периодических импульсов, а для полученной разности величин осуществляет деление на величину интенсивности выходного света, соответствующую второму режиму следования периодических импульсов.
В данном устройстве можно использовать любые виды оптических измерительных элементов, например, элемент чувствительный к воздействующей на
него через толкатели величине деформации контролируемого элемента или измерительный элемент чувствительный к воздействующему на него изменению давления или измерительный элемент чувствительный к воздействующему на него изменению температуры или измерительный элемент чувствительный к воздействующему на него изменению магнитного или электрического поля.
Краткое описание чертежей.
На фиг.1 изображена принципиальная схема ВОД.
0
На фиг.2 изображена временная диаграмма оптических импульсов в принципиальной схеме ВОД, где Р - вывод, Р - ввод.
На фиг.3 изображена схема ВОД, обеспечивающая устранение влияния дестабилизирующих факторов.
На фиг.4 изображена временная диаграмма оптических сигналов в первом режиме работы схемы, изображенной на фиг.3.
На фиг.5 изображена временная диаграмма оптических сигналов во втором режиме работы схемы, изображенной на фиг.3.
Осуществление
Простота волоконно-оптической схемы ВОД (фиг.1) достигается благодаря использованию в схеме датчика основных элементов, каждый из которых способен выполнять несколько функций.
Во-первых, используется источник света, например - светодиод (СИД) с импульсным режимом работы, характеризующийся также значительной фоточувствительностью к излучению источника света, и, таким образом, способный выполнять роль фотодиода (ФД).
Во-вторых, волоконный световод (ВС) наряду с функцией среды передачи оптического излучения выполняет также роль линии задержки оптических импульсов. Для большей задержки оптических импульсов можно использовать часть линии световода, намотанную на катушку, в случае незначительного расстояния от чувствительного элемента до светофотодиода.
В третьих, чувствительный элемент (ЧЭ) датчика выполняет также роль отражателя оптического излучения с коэффициентом отражения, зависящим от
измеряемого воздействия, например, температуры, давления, механических деформаций и т.п.
Благодаря указанным особенностям предлагаемой схемы можно реализовать такой режим работы, при котором за время полного пробега световым импульсом от источника света к чувствительному элементу (ЧЭ) датчика и обратно, светофотодиод с помощью ключа с электронным управлением (коммутатора) (К) переключается от схемы генератора импульсного питания (Г) к схеме фотоприемного устройства (ФПУ), осуществляющего преобразование оптической мощности на входе светофотодиода в электрический сигнал, например - напряжение U. В режиме линейного преобразования ФПУ (U=k×Р) для рассматриваемой схемы имеем:
0
2
U=k×P×T×R, где:
k - коэффициент преобразования фотоприемного устройства (ФПУ),
0
Р - оптическая мощность, вводимая в световод (при наличии полупрозрачного отражателя - оптическая мощность, вводимая в световод на выходе полупрозрачного отражателя);
Т - коэффициент пропускания световода;
R - коэффициент отражения чувствительного элемента, изменяющийся в зависимости от изменения параметра воздействия на чувствительный элемент, например - при изменении температуры, давления, магнитного поля или т.п.
Временные диаграммы оптических импульсов на и входе/выходе светофотодиода показаны на фиг.2.
3
3
При длине волоконного световода L полное время пробега оптического импульса, распространяющегося в световоде в прямом и обратном направлениях (время задержки τ) составляет τ=2L/c, где с - скорость света в волоконном световоде.
К
К
3
3
3
-6
-6
Для регистрации оптических импульсов без искажений необходимо обеспечить достаточное быстродействие электронного ключа и фотоприемного устройства. Длительность оптических импульсов τ и время переключения коммутатора τ должны удовлетворять условию τ≪τ-τ. Например, при длине волоконного световода L≥100 м, время задержки τ≥10 сек. Следовательно, для импульсов с длительностью τ, равных, например, τ=τ/2=0,5×10 сек необходимо
К
обеспечить время переключения электронного ключа τ≈100÷200 нсек и ширину полосы фотоприемного устройства Δf≈1/5τ≈5 МГц, практическая реализация которых в настоящее время не вызывает затруднений.
3
3
3
Вследствие воздействия различных дестабилизирующих факторов на светофотодиод, его характеристики могут испытывать заметные изменения с течением времени, что ухудшает точность измерения рассматриваемого датчика. С целью повышения точности измерения предлагается использовать импульсно-периодический режим работы схемы с переменным периодом импульсов, при котором на входе светофотодиода может происходить наложение оптических импульсов, сформированных ранее, с временами задержки τ; 2τ; 3τ и т.д.
Это достигается тем, что, во-первых, в схему датчика вводится полупрозрачная пластинка (ПП), выполняющая одновременно также роль отражателя света обратно в световод с коэффициентом отражения r (со стороны чувствительного элемента) и коэффициентом пропускания П (эти коэффициенты будут использованы ниже в выражениях (2) и (3)), расположенную между светофотодиодом и входным торцом световода, как показано на фиг.3. В этом случае оптический импульс в световоде совершает многократный пробег в прямом и обратном направлениях вследствие последовательных многократных отражений от ЧЭ и ПП. Отметим, что роль такого отражателя может выполнять, например, плоская торцевая поверхность световода, нормальная к его оси, поскольку граница раздела световод-воздух характеризуется коэффициентом отражения r≈4% (для световода из кварцевого стекла). Чувствительный элемент может иметь отражающий слой, изменяющий коэффициент отражения в зависимости от величины воздействия на него.
2
Во-вторых, в электронную схему ВОД вводится дополнительный ключ К с электронным управлением, который позволяет осуществлять регистрацию сигналов на выходе ФПУ в двух режимах работы:
1) в отсутствие наложения оптических импульсов (режим I),
2) полного наложения импульсов (режим II).
Обеспечение указанных режимов работы осуществляется с помощью генератора импульсов (Г), который формирует периодические импульсы питания светофотодиода двух видов:
3
1) с периодом следования Т≫τ (режим I);
3
2) с периодом следования Т≈τ (режим II).
1
2
2
Кроме того, генератор импульсов формирует также сигналы управления электронными ключами К и К с необходимыми частотно-импульсными характеристиками. Предпочтительно, чтобы многофункциональный генератор импульсов входил в состав средства управления электронным ключом, которое может быть выполнено в виде микропроцессора. Такое устройство управления электронным ключом светофотодиода обеспечивает переключение электронного ключа (коммутатора) К синхронного детектора, подключенного к электронному блоком обработки сигналов (БО), для поступления сигналов соответствующих первому и второму режиму на разные входы синхронного детектора блока обработки сигналов (БО). Такая схема подключения обеспечивает точность обработки сигналов.
Временные диаграммы сигналов в рассматриваемой схеме ВОД (фиг.3) для указанных режимов приведены на фиг.4-5.
3
3
В первом режиме работы (Т≫τ) наложение импульсов на входе фотодиода практически отсутствует, при этом мощность оптического импульса, имеющего временную задержку τ по отношению к возбуждающему сигналу, составляет
3
2
Для второго режима (Т=τ) имеет место существенное наложение оптических импульсов. В этом случае Р определяется как сумма членов геометрической прогрессии:
1
1
2
2
Для указанных режимов работы соответствующие выходные электрические сигналы ФПУ составляют U=k×P и U=k×Р.
вых
2
Следовательно, используя преобразование сигналов в соответствии с формулой , осуществляемое электронным блоком обработки сигналов (БО), получим, что U=r×T×R.
Таким образом, выходной сигнал рассматриваемого устройства устойчив против воздействия различных факторов, дестабилизирующих характеристики
светофотодиода и фотоприемного устройства, а определяется лишь коэффициентом пропускания Т участка световода и коэффициентом отражения чувствительного элемента датчика (предполагаем, что оптические характеристики полупрозрачной пластинки являются постоянными). Рассматриваемая схема может лежать в основе работы ВОД, использующих зависимость коэффициента пропускания световода от внешних воздействий (например, зависимость потерь при макро- или микроизгибах световодов), и/или зависимость коэффициента отражения R чувствительного элемента от внешних условий (температуры, давления, электрических или магнитных полей и т.д.).
Помимо устранения дестабилизирующих факторов применение данного способа измерения позволяет унифицировать номенклатуру средств измерения, поскольку не зависит от вида измерительного элемента. Одно и то же измерительное устройство может быть использовано для измерения различных величин путем подключения подходящих измерительных элементов к схеме ВОД и соответствующего перепрограммирования средств измерения на индикацию измеряемой величины.