ПОЛЯРИЗАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТА

Предложенное техническое решение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в волоконно-оптических измерительных системах для бесконтактных измерений различных физических величин, например, усилий, давления, линейных и угловых перемещений и других.
Наиболее близким техническим решением является поляризационный волоконно-оптический датчик с индуцированным двулучепреломлением, обусловленным внешним воздействием (см. В.И.Бусурин, Ю.Р.Носов «Волоконно-оптические датчики: физические основы, вопросы расчета и применения», М. Энергоатомиздат, 1990 г., стр.91-93).
Известный датчик содержит источник излучения, чувствительный элемент в виде волоконного световода, сопряженного с источником излучения, анализатор, расположенный за волоконным световодом, фотоприемник, регистрирующий излучение, проходящее через анализатор.
Принцип действия известного аналога заключается в следующем.
Поперечное внешнее воздействие, приложенное к световоду длинною L (например, механическое напряжение в заданном направлении), приводит к индуцированному двулучепреломлению световода, что обуславливает разность хода двух взаимно перпендикулярных поляризаций, равную
⊥
II
ΔL=(n-n)L,
⊥
II
где n, n - показатели преломления для излучения, поляризованного перепендикулярно и параллельно фронту внешнего воздействия.
Для определенной схемы приложения воздействия оптическая мощность на выходе анализатора Рвых определяется как:
где:
Рвх - мощность входного излучения, вводимого в световод;
τ - коэффициент светопропускания.
Таким образом, процесс измерения внешних воздействий в ближайшем аналоге следует рассматривать в следующей последовательности:
1. направленное воздействие на световод внешних возмущений, приводящее к индуцированному двулучепреломлению световода;
2. поворот плоскости поляризации, обусловленный индуцированным двулучепреломлением;
3. измерение мощности светового потока, прошедшего анализатор, как функции внешних возмущений.
Недостатком известного устройства является то, что индуцированное внешним воздействием двулучепреломление волоконного световода зависит от нестабильности его оптических параметров в процессе измерений, а динамический диапазон зависит также от его механической прочности.
Кроме того, чувствительность приборов этого класса ограничена минимально детектируемой величиной угла поворота плоскости поляризации детектируемого излучения.
Цель настоящего технического решения - улучшение технических характеристик, а именно увеличение точности, диапазона измерений и повышение чувствительности устройства.
λ/2
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в поляризационном устройстве измерения угловых перемещений объектов, содержащем источник излучения, чувствительный элемент в виде волоконного световода, сопряженный с источником излучения, анализатор расположенный за чувствительным элементом, фотоприемник, регистрирующий излучение, прошедшее через анализатор, в качестве чувствительного элемента используется одномодовый волоконный световод, выполненный в виде петли заданного радиуса R где λ - длина волны источника излучения, а в качестве источника излучения использован гелий-неоновый (Не-Nе) лазер.
На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства.
λ/2
Устройство содержит: 1 - источник излучения - He-Ne лазер; 2 - одномодовый световод; 3 - чувствительный элемент, выполненный в виде петли заданного радиуса R; 4 - торцевые грани световода, перпендикулярные оптической оси световода 2, сопряженные с источником излучения 1 и анализатором 5, пропускающим выходное излучение с выходного торца 4 световода 2; 6 - фотоприемник, регистрирующий излучение, 7 - измеритель сигнала, 8 - основание, на котором жестко крепится петля 3, OXYZ-заданная система координат.
Входной и выходной торцы 4 световода 2 неподвижно закреплены в точках сопряжения с источником излучения 1 и анализатором 5.
Суть предлагаемого технического решения заключается в следующем.
При изгибе волоконного световода (ВС) из-за механических повреждений изменяется распределение показателей преломления в поперечном сечении световода.
Это изменение пропорционально величине напряжений, а коэффициент пропорциональности называется упругооптической постоянной.
Возникающее при изгибе двулучепреломление характеризуется величиной:
Расчет напряжений в структуре ВС, изогнутого с радиусом R, приводит к выражению:
11
12
11
12
где r - радиус световода; v - коэффициент Пуассона (v=0,17 для кварцевого стекла); ρ и ρ - компоненты упругооптического тензора материала ВС (ρ-ρ=-0,15 для кварца); n - показатель преломления (n=1,46).
Например, для длины волны He-Ne лазера 0,63 мкм имеем:
В предлагаемом устройстве радиус кривизны петли выбирается таким, чтобы изогнутый световод выполнял роль полуволновый пластинки, т.е. чтобы плоско-поляризованный луч, проходя через петлю, испытал двулучепреломление с разностью фаз π. Это условие можно записать в следующем виде:
λ/2
Отсюда получаем выражение для R
Основание 8 с петлей 3 может поворачиваться относительно оси 0Z в системе координат 0XYZ, где 0Z - направление распространения излучения, 0X, 0Y- оси наведенного эллипсоида поляризации.
Устройство работает следующим образом:
В исходном положении основание 8 с петлей 3 поворачивается относительно оси 0Z таким образом, чтобы сигнал, снимаемый с фотоприемника 6, имел максимальное значение. Это означает, что вектор поляризации плоско-поляризованного света за петлей 3, и вектор пропускания анализатора 5 совпадают. Тогда при повороте основания 8 (петли 3) на угол а вокруг оси 0Z угол между вектором поляризации излучения на входе анализатора 5 и вектором пропускания этого анализатора составит 2α. Это означает, что мощность излучения за поляризатором определяется как
Таким образом, в предлагаемом устройстве процесс индуцированного двулучепреломления, как функция внешних воздействий, отсутствует, что упрощает конструкцию и, следовательно, схему приложения воздействия. Наведенное двулучепреломление - наперед заданный параметр, обусловленный изгибом световода в виде петли заданного радиуса. Входное воздействие (угловое перемещение), вращающее петлю, приводит непосредственно к повороту плоскости поляризации света, прошедшего петлю 3, что измеряется по изменению мощности светового потока за анализатором 5 с помощью фотоприемника 6 и блока 7.
При этом, согласно вышеизложенному, если величина угла поворота петли 3 (основания 8) равна α, то мощность за анализатором 5 пропорциональна 2α, что увеличивает чувствительность устройства.
В результате предложенное техническое решение повышает точность измерений, увеличивает динамический диапазон и чувствительность устройства при измерении угловых перемещений объектов.