ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ВЕКТОРНЫЙ ДАТЧИК ИЗГИБА

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использовано в научном, технологическом и медицинском приборостроении в качестве точного измерителя величины и направления изгиба различных деталей.
Известен датчик изгиба [1], состоящий из волокна с несколькими сердцевинами, достаточно разделенными в поперечном сечении, чувствительной секции, устройства связи для передачи излучения в первую и во вторую сердцевину, устройства отражения, причем указанные устройство отражения и устройство связи расположены так, чтобы задать первый оптический путь, соответствующий излучению, распространяющемуся в первой сердцевине, и второй оптический путь, соответствующий излучению, распространяющемуся во второй сердцевине, устройства анализа для анализа излучения, выходящего из волокна, устройства обработки и спектрального разделения интерферограмм, сформированных излучением, распространяющимся в первом и втором оптическом пути, и определения изгиба волокна из фазовых вариаций указанных интерферограмм.
Устройство обладает недостаточной точностью, поскольку измеряемая величина определяется из интерферограмм, так как на них могут оказывать влияние и другие физические факторы.
Наиболее близким по технической сущности является волоконно-оптический датчик изгиба [2], включающий оптическое волокно, имеющее рабочую секцию, указанное волокно включает множество одномодовых сердцевин, указанные сердцевины расположены близко друг к другу, чтобы иметь перекрестную связь между собой, указанная перекрестная связь изменяется при изгибах указанной среды, широкополосный источник для последовательного облучения указанных сердцевин, устройство для измерения спектральных интенсивностей, включая величину световых сигналов на различных частотах всех сердцевин в момент, когда сердцевина освещена, и устройства, чувствительного к указанным спектральным интенсивностям для определения положения указанных изогнутых секций.
Устройство обладает недостаточным быстродействием, поскольку облучение сердцевин волокна происходит последовательно, и последовательно определяется каждая проекция изгиба.
Технической задачей полезной модели является увеличение быстродействия измерений изгиба различных деталей за счет одновременного измерения спектральных интенсивностей в одномодовых светопроводящих трактах.
Поставленная техническая задача решается тем, что волоконно-оптический векторный датчик изгиба, включающий оптически связанные широкополосный источник излучения, входные оптические волокна, выходные оптические волокна, соответствующие выходным каналам широкополосного источника излучения, блок фотоприемников электрически связанный с измеряющим устройством, содержит микроструктурированное волокно, вход и выход которого связаны, соответственно, через входные оптические волокна с соответствующими выходами широкополосного источника излучения, а через выходные оптические волокна с соответствующими входами управляемого спектрального фильтра, каждый вход которого является входом соответствующего Y-образного разветвителя, первый выход которого оптически связан с соответствующей волоконно-оптической брэгговской решеткой, максимальный коэффициент отражения которой соответствует краю спектрального диапазона широкополосного источника излучения, а второй выход, являющийся соответствующим выходом управляемого спектрального фильтра, с соответствующим фотоприемником блока фотоприемников, причем волоконно-оптические брэгговские решетки электрически связанны с блоком управляющего напряжения.
Совокупность указанных признаков позволяет увеличить быстродействие измерений изгиба различных деталей за счет одновременного измерения спектральных интенсивностей в одномодовых светопроводящих трактах с использованием элементной базы волоконной оптики.
Сущность полезной модели поясняется на фигуре, где
1 - широкополосный источник излучения;
2 - первое подводящее оптическое волокно;
3 - второе подводящее оптическое волокно;
4 - третье подводящее оптическое волокно;
5 - четвертое подводящее оптическое волокно;
6 - микроструктурированное волокно;
7 - первое выводящее оптическое волокно;
8 - второе выводящее оптическое волокно;
9 - третье выводящее оптическое волокно;
10 - четвертое выводящее оптическое волокно;
11 - управляемый спектральный фильтр;
12 - первый Y-образный разветвитель;
13 - второй Y-образный разветвитель;
14 - третий Y-образный разветвитель;
15 - четвертый Y-образный разветвитель;
16 - первая волоконно-оптическая брэгговская решетка;
17 - вторая волоконно-оптическая брэгговская решетка;
18 - третья волоконно-оптическая брэгговская решетка;
19 - четвертая волоконно-оптическая брэгговская решетка;
20 - блок управляющего напряжения;
21 - блок фотоприемников;
22 - первый фотоприемник;
23 - второй фотоприемник;
24 - третий фотоприемник;
25 - четвертый фотоприемник;
26 - измеряющее устройство.
Широкополосный источник излучения 1, первый, второй, третий, четвертый выходы которого оптически связаны через первое 2, второе 3, третье 4 и четвертое 5 подводящие оптические волокна с входами первой, второй, третьей и четвертой сердцевиной микроструктурированного волокна 6, выходы которых оптически связаны через первое 7, второе 8, третье 9 и четвертое 10 выводящие оптические волокна с соответствующими входами управляемого спектрального фильтра 11, которые являются входами соответственно первого 12, второго 13, третьего 14 и четвертого 15 Y-образных разветвителей, первые выходы которых оптически связаны соответственно с первой 16, второй 17, третьей 18 и четвертой 19 волоконно-оптическими брэгговскими решетками, электрически связанными с блоком управляющего напряжения 20, а вторые выходы являются соответственно первым, вторым, третьим и четвертым выходами управляемого спектрального фильтра 11, которые оптически связаны соответственно с первым 22, вторым 23, третьим 24 и четвертым фотоприемниками блока фотоприемников 21, выходы которых электрически связаны с измеряющим устройством 26.
Широкополосный источник излучения 1 выполнен в виде матрицы 2×2 светодиода.
Первое 2, второе 3, третье 4 и четвертое 5 подводящее волокна выполнены в виде стандартных одномодовых волокон с оболочкой из плавленого кварца и сердцевиной из плавленого кварца, легированного германием, причем радиус сердцевины волокон равен 3,2 мкм, а концентрация легирующих примесей такова, что обеспечивает одномодовый режим работы волокон с выбранным радиусом сердцевины для излучения спектрального диапазона соответствующего условиям возбуждения мод в сердцевинах микроструктурированного волокна 6.
2
Микроструктурированное волокно выполнено в виде оптической структуры с четырьмя сердцевинами из диэлектрического материала (в частности, плавленого кварца SiO), прозрачного для выбранной длины волны излучения, с периодическим набором воздушных отверстий по длине волокна. Дефекты в структуре (отсутствие одного или нескольких отверстий) образуют сердцевины волокна, в которых локализуется оптическое излучение, оставшаяся часть периодической структуры образует оболочку. Расстояние между сердцевинами выбрано одинаковым и равными 4÷8 периодов структуры Λ. Соотношение между диаметром отверстий d к расстоянию между отверстиями Λ выбрано из условия существования одномодового режима в широком спектральном диапазоне: для плавленого кварца d/Λ≤0,15. Расстояние между отверстиями (период структуры) Λ=3,2 мкм.
Первое 7, второе 8, третье 9 и четвертое 10 выводящее волокна выполнены в виде стандартных одномодовых волокон с оболочкой из плавленого кварца и сердцевиной из плавленого кварца, легированного германием, причем радиус сердцевины волокон равен 3,2 мкм, а концентрация легирующих примесей такова, что обеспечивает одномодовый режим работы волокон с выбранным радиусом сердцевины для излучения спектрального диапазона соответствующего условиям возбуждения мод в сердцевинах микроструктурированного волокна 6.
Первый 12, второй 13, третий 14 и четвертый 15 Y-образные разветвители выполнены в виде двух отрезков оптического волокна, имеющих оптический контакт как в[3].
Первая 16, вторая 17, третья 18 и четвертая 19 волоконно-оптические брэгговские решетки выполнены в виде отрезков электрооптического волокна с брэгговской решеткой в сердцевине и наружными управляющими электродами.
Блок управляющего напряжения 20 выполнен из тактового генератора МСК155АГ3, счетчика МСК155ИЕ5 и преобразователя код-напряжение МСКР572ПА2, собранных по стандартной схеме цифрового генератора пилообразного напряжения на микросхемах.
Первый 22, второй 23, третий 24 и четвертый 25 фотоприемники выполнены на базе фотодиодов ФД21КП.
Измеряющее устройство 26 выполнено на основе частотомера 43-54, работающего в режиме измерения длительностей импульсных сигналов, усилителя 1416УД1, тригеров КР1531ТМ2, коммутатора КР1010КТ1, схемы запуска частотомера, сброса тригеров и управления коммутатором, собранной на ИС К155 АГ.
Волоконно-оптический векторный датчик изгиба работает следующим образом.
В исходном состоянии свет от широкополосного источника излучения 1 одновременно поступает через первое 2, второе 3, третье 4 и четвертое 5 подводящие оптические волокна на соответствующие входы сердцевин микроструктурированного волокна 6. В волокне с несколькими одинаковыми сердцевинами с симметричной структурой излучение распространяется равномерно по всем сердцевинам. С выходов сердцевин микроструктурированного волокна 6 свет одновременно поступает через первое 7, второе 8, третье 9 и четвертое 10 выводящие оптические волокна на соответствующие входы управляемого спектрального фильтра 11, которые являются одновременно входами соответственно первого 12, второго 13, третьего 14 и четвертого 15 Y-образных разветвителей. С первых выходов первого 12, второго 13, третьего 14 и четвертого 15 Y-образных разветвителей свет поступает, соответственно, на первую 16, вторую 17, третью 18 и четвертую 19 волоконно-оптические брэгговские решетки. Вследствие того, что их максимальный коэффициент отражения соответствует краю спектрального диапазона широкополосного источника излучения, свет проходит первую 16, вторую 17, третью 18 и четвертую 19 волоконно-оптические брэгговские решетки не отражаясь, и излучение на первый 22, второй 23, третий 24 и четвертый фотоприемники блока фотоприемников 21 не поступает.
В режиме измерения, при подаче на управляющие электроды первой 16, второй 17, третьей 18 и четвертой 19 волоконно-оптических брэгговских решеток управляющего напряжения происходит изменение показателя преломления в электрооптическом материале, что приводит к изменению длины световой волны λ, при которой отражение от первой 16, второй 17, третьей 18 и четвертой 19 волоконно-оптических брэгговских решеток максимально. Свет от широкополосного источника излучения 1 одновременно поступает через первое 2, второе 3, третье 4 и четвертое 5 подводящие оптические волокна на соответствующие входы сердцевин микроструктурированного волокна 6. Изгиб микроструктурированного волокна 6 приводит к перераспределению оптической мощности световых мод между сердцевинами [4]. Мощность одной из мод концентрируется в сердцевине, внутренней относительно изгиба, а амплитуда во внешней сердцевине уменьшается. Разность между амплитудами мод во внутренней и внешней сердцевинах относительно изгиба возрастает с уменьшением радиуса изгиба.
Таким образом, сравнивая измеренную мощность в сердцевинах микроструктурированного волокна, можно определить величину радиуса изгиба волокна. Изменение направления изгиба приводит к противоположному распределению полей мод. Направление изгиба определяется по соотношению амплитуд излучения отдельных диапазонов длин волн в сердцевинах микроструктурированного волокна. С выходов сердцевин микроструктурированного волокна 6 свет одновременно поступает через первое 7, второе 8, третье 9 и четвертое 10 выводящие оптические волокна на соответствующие входы управляемого спектрального фильтра 11, которые являются одновременно входами соответственно первого 12, второго 13, третьего 14 и четвертого 15 Y-образных разветвителей. С первых выходов первого 12, второго 13, третьего 14 и четвертого 15 Y-образных разветвителей свет поступает, соответственно, на первую 16, вторую 17, третью 18 и четвертую 19 волоконно-оптические брэгговские решетки, которые одновременно отражают излучение с одной и той же длиной волны в обратном направлении. Отраженное излучение, пройдя одновременно соответственно первый 12, второй 13, третий 14 и четвертый 15 Y-образные разветвители, поступает соответственно на первый 22, второй 23, третий 24 и четвертый 25 фотоприемники блока фотоприемников 21, где и регистрируются. Электрические сигналы пропорциональные амплитудам световых мод с выхода первого 22, второго 23, третьего 24 и четвертого 25 фотоприемника блока фотоприемников 21 поступает одновременно в измеряющее устройство 26 для определения необходимых параметров.
Литература
1. Патент США №6389187
2. Патент США №6888623
3. Булушев А.Г. и др. Волоконная оптика // Труды ИОФАН, - М.: Наука, Т.23. 1990, с.159.
4. И.А.Гончаренко. Излучение и потери на изгибе в микроструктурированных волокнах с несколькими сердцевинами. Вестник Фонда фундаментальных исследований. 2006, №3. С.91-98.