ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК

Предложенное техническое решение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в волоконно-оптических измерительных системах для бесконтактных измерений различных физических величин, например, давления, температуры, линейных перемещений и др.
Наиболее близким техническим решением является волоконно-оптический датчик перемещений, содержащий источник оптического излучения, выход которого подключен ко входу подводящего волоконно-оптического световода, первый и второй отводящие волоконно-оптические световоды, выходы которых подключены ко входам соответственно первого и второго фотоприемников, отражающий элемент, прикрепленный к перемещающемуся объекту, на который направлены входы первого и второго волоконных световодов оптической связи, оптический разветвитель, электронный блок обработки сигналов, причем отражающий элемент выполнен в виде двух примыкающих друг к другу прямоугольных полос, каждая из которых разделена на отражающую и неотражающую области (см. патент РФ №2489679 от 03.04.2012 г.).
К недостаткам аналога следует отнести следующее:
- при отражении света от отражающего элемента на торцы первого и второго волоконных световодов оптической связи теряется половина мощности излучения источника излучения в силу того, что отражающий элемент выполнен в виде двух примыкающих друг к другу прямоугольных полос, каждая из которых разделена на отражающую и неотражающую области, что снижает чувствительность датчика и глубину модуляции выходного сигнала;
- мощность отраженного от отражающего элемента излучения, направляемая по отводящим оптическим световодам к приемникам излучения, зависитот изменения взаимного расстояния между отражающим элементом и входными торцами волокна оптической связи, что приводит к изменению площади проекции торца каждого из подводящих волоконно-оптических световодов на плоскость отражающего элемента и снижению точности измерений;
- датчик содержит три разветвителя, каждый из которых вносит дополнительные потери и снижает его эксплуатационные характеристики.
0
Цель настоящего технического решения заключается в повышении точности измерений. Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в волоконно-оптическом датчике линейных перемещений, содержащем источник оптического излучения, выход которого 1 подключен ко входу подводящего волоконно-оптического световода, отводящие волоконно-оптические световоды, выходы которых подключены ко входам соответстующих фотоприемников, отражающий элемент, прикрепленный к перемещающемуся объекту, электронный блок обработки сигналов, ко входу которого подведены выходы фотоприемников, к выходу источника оптического излучения входными торцами подведен жгут подводящих волоконно-оптических световодов, разделенных на три канала, из которых один - центральный является опорным, а два других - измерительными, при этом отводящие волоконно-оптические световоды, сопряженные в каждом канале с подводящими волоконно-оптическими световодами, выходными торцами подключены ко входам соответствующих фотоприемников, а выходные торцы подводящих волоконно-оптических световодов и входные торцы отводящих волоконно-оптических световодов в каждом канале, обращенные к отражающему элементу, выполненому в виде прямоугольной пластинки из отражающего свет материала, находятся в соотношении 3:4 и отстоят от отражающего элемента на заданном расстоянии Х, при котором обеспечивается максимальная освещенность входных торцов отводящих волоконно-оптических световодов и максимальный ток фотоприемника.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема волоконно-оптического датчика линейных перемещений.
ф
На фиг. 2 представлена функция преобразования датчика, а именно, зависимость фототока от расстояния X между отражающим элементом и входными торцами отводящих волоконно-оптических световодов J=f(Х).
На фиг. 3 показана схема взаимного расположения торцов подводящих волоконно-оптических световодов (ПВОС) и отводящих волоконно-оптических световодов (ОВОС) в зоне измерений в каждом канале, определяющая конструкцию и метрологические характеристики датчика.
На фиг. 4а, б схематично представлена динамика измерительного процесса волоконно-оптического датчика линейных перемещений.
На фиг. 4а показано смещение отражающего элемента при перемещении подвижного объекта относительно выходных торцов ПВОС.
На фиг. 4б приведены функции преобразования датчика для двух измерительных каналов.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Устройство состоит из отражающего элемента 1, выполненного в виде прямоугольной пластинки из отражающего свет материала, ПВОС 2, 2, 2, ОВОС 3, 3, 3, источника оптического излучения 4, фотоприемников 5, 5, 5, электронного блока обработки сигналов 6.
2
2
1
Канал, образованный ПВОС 2 и ОВОС 3 - центральный, является опорным каналом. Два других канала, образованные ПВОС2 и ОВОС
1
3
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
3 и ПВОС2 и ОВОС 3 - измерительные каналы. Входы ПВОС 2, 2, 2 подключены к одному источнику излучения 4. Выходы ОВОС 3, 3, 3 подключены ковходам фотоприемников 5, 5, 5 соответственно. Выходы фотоприемников 5, 5, 5 подключены ко входу электронного блока обработки сигналов 6, выход которого является выходом волоконно-оптического датчика линейных перемещений.
0
1
2
3
Большое практическое значение имеет обоснованный выбор начального расстояния Х между отражающим элементом 1 и входными торцами ОВОС3, 3, 3.
1
2
3
Оно определяется следующим образом. Поток оптического излучения от источника излучения 4, заключенный в конусе апертуры ПВОС(в каждом канале), падает на отражающий элемент 1. По сути эта освещенная площадка становится источником вторичного светового потока, который освещает входные торцы ОВОС 3, 3, 3.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
0
ф
1
2
3
При этом, если торцы ОВОС 3, 3, 3 контактируют с отражающим элементом 1, Х=0, то отраженный световой поток на входные торцы ОВОС 3, 3, 3 не попадает. При Х>0 световой поток от источника излучения 4 освещает большую площадь отражающего элемента 1, отражается от нее и попадает на входныеторцы ОВОС3, 3, 3. С ростом Хнаблюдается резкий рост принимаемого светового потока Ф=Фƒ(X) и фототока J с фотоприемников 5, 5, 5.
0
1
2
3
ф
0
0
0
0
0
l
2
3
0
1
2
3
При этом существует заданное расстояние Х между отражающим элементом 1 и входными торцами ОВОС3, 3, 3, при котором потери минимизируются: мощности отраженного светового потока Ф и фототока J достигают max, и вблизи Х практически не зависят от изменения Х. Оно определяется мощностью источника излучения 4, Ф, потерями в оптических световодах и отражающими свойствами отражающего элемента 1. Отсюда следует, что для того, чтобы поведение функции преобразования Ф=Ф f(X) было прогнозируемо и позволяло однозначно определять ее значения, отражающий элемент 1 должен быть расположен на заданном расстоянии Х от входных торцов OBOC3, 3, 3, которое определяется на основе математической модели распределения передаваемой мощности излучения в зависимости от Х внешнего радиуса «пятна» освещенной зоны входных торцов ОВОС 3, 3, 3, см. фиг. 2.
Максимальная чувствительность и глубина модуляции выходного сигнала волоконно-оптического датчика линейных перемещений достигаются только при определенном взаимном расположении выходных торцов ПВОС и входных торцов ОВОС в зоне измерений в каждом канале.
Рассмотрение различных возможных вариантов размещения выходных торцов ПВОС и входных торцов ОВОС (1:6, 4:3, 3:4 и др.) показало, что предлагаемое расположение световодов в каждом канале, а именно 3:4, обеспечивает максимальную выходную мощность оптического сигнала, так как только в этом случае каждый из излучающих световодов вносит максимальный вклад в оптическую мощность светового потока на входе фотоприемника, см. фиг. 3, где 1, 2, 3 - выходные торцы ПВОС, 4, 5, 6, 7 - входные торцы ОВОС.
1
2
3
1
2
3
Кроме того, минимизируются потери при сопряжении источника излучения 4 и входных торцов ПВОС2, 2, 2, облегчается настройка по уровню выходного сигнала при угловом рассогласовании диаграммы направленности источника излучения 4 с входными торцами ПВОС2, 2, 2.
Волоконно-оптический датчик линейных перемещений работает следующим образом.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Световой поток от источника излучения 4 через входные торцы ПВОС2, 2, 2 попадает на отражающий элемент 1. Отраженный свет попадает на входные торцы ОВОС 3, 3, 3, выходные торцы которых соединены с фотоприемниками 5, 5, 5 соответственно.
2
2
0
В начале измерений при У=0 с помощью центрального канала (являющегося опорным), образованного ПВОС2 и ОВОС3, осуществляется юстировка датчика по параметру X = X = const.
1
2
3
Выполнение этого условия в процессе измерений исключает дрейф радиуса светового «пятна» R на отражающем элементе 1 и, следовательно, неинформативное изменение отраженного светового потока Ф на входные торцы OBOC3, 3, 3.
1
l
3
3
Каналы, образованные ПВОС2 и OBOC3, а также ПВОС 2 и ОВОС 3 являются измерительными.
Функция преобразования для каждого измерительного канала имеет вид:
1
1
2
3
где К - коэффициент передачи при сопряжении источника излучения 4 с входными торцами UBOC2, 2, 2;
2
1
2
3
1
2
3
К - коэффициент передачи при сопряжении выходных торцов ОВОС 3, 3, 3 с фотоприемниками 555;
1
2
3
1
2
3
К(У)- коэффициент преобразования в зоне измерений: «отводящие торцы ПВОС 2, 2, 2 - отражающий элемент 1-входные торцы ОВОС 3, 3, 3».
1
3
Коэффициент преобразования К(У) определяется индивидуально для каждого управляющего элемента с помощью положений геометрической и волновой оптики с учетом функции распределения светового потока на входных торцах ОВОС 3, 3.
Применительно к данной схеме:
где ρ - коэффициент отражения отражающего элемента 1;
1,3
1
3
ΣS - суммарная освещенная площадь входных торцов ОВОС3 и 3 соответственно;
S - площадь освещенной зоны входных торцов первого и третьего каналов в зоне измерений.
1,3
1,3
1
3
1,3
1
3
Таким образом, функция преобразования определяется двумя параметрами ΣS и S при этом ΣS определяется конструкцией датчика, a S - его оптической системой. Очевидно, что при заданных значениях исходных данных, основным параметром, определяющим изменение интенсивности светового потока на выходе ОВОС3, 3 в процессе измерений, является площадь ΣS входных торцов ОВОС 33, освещенных отраженным от отражающего элемента 1 световым потоком.
0
1
2
3
1
2
3
ф
1,2,3
1
2
3
mах1,2,3
В начале измерений, т.е. при отсутствии перемещений Х=Х, У=0, (см. фиг. .4) отражающий элемент 1 освещен ПВОС2, 2, 2. Отраженное излучение в виде «пятен» попадает на входные торцы ОВОС3, 3, 3. Фототоки J 5 с фотоприемников 5, 5, 5 достигают своих максимальных значений J.
1
1
1
1
ф5,1
1
max1
min1
Далее (см. фиг. 4а и 4б) по мере перемещений подвижного объекта по оси + У отражающий элемент 1 смещается, часть светового потока ПВОС 2 попадает на неотражающую поверхность подвижного объекта, уменьшается доля отраженного светового потока. Площадь освещенных торцов ОВОС3, сопряженных с фотоприемником 5, уменьшается до нуля, ΣS=0, фототок J с фотоприемника 5 убывает от J до J.
2
3
mаx2,3
2
3
При этом фототоки с фотиприемников 5, 5 не изменяются(сохраняются их максимальные значения J) т.к. условия отражения световых потоков, формируемых ПВОС 2, 2, сохраняются.
При изменении направления перемещения подвижного объекта
3
3
3
3
3
maх3
min3
1
2
1
2
фmax1,2
max2
2
(по оси - У), по аналогии, часть светового потока от ПВОС2 попадает на неотражающую поверхность подвижного объекта. Уменьшается площадь освещенных входных торцов ОВОС3, сопряженных с фотоприемником 5. В процессе измерений она убывает до нуля, ΣS=0, убывает и фототок с фотоприемника 5 от J до J. Фототоки с фотоприемников 5 и 5 не изменяются, т.к. условия отражения световых потоков, формируемых ПВОС 2, 2, сохраняются, (то есть сохраняются их максимальные значения и максимальные значения фототоков J). Таким образом, при перемещении подвижного объекта по осям ±У фототок J с фотоприемника 5 все время остается const, что позволяет контролировать и исключать возможные перемещения подвижного объекта по осям ±Х.
На фиг. 4а, б схематично представлена динамика измерительного процесса предложенного датчика линейных перемещений.
1
2
3
На фиг. 4а показаны три ориентации отражающего элемента 1, обусловленные перемещениями подвижного объекта. Круглые «пятна» - области отражающего элемента 1, освещенные выходными торцами ПВОС2, 2, 2.
ф51
1
1
max1
min1
1
ф53
3
mах3
min3
Заштрихованные области «пятен» - области подвижного объекта, поглощающего свет. Отсюда следует, что при перемещении подвижного объекта по оси +У, фототок J с фотоприемника 5, с которым соединены выходные торцы ОВОС 3 будет убывать от J до J, т.к. убывают области отражающего элемента 1, освещаемые ПВОС 2. При перемещении по оси - У уменьшается аналогично фототок J с фотоприемника 5 от J до J.
2
max52
0
Постоянно остается стабильным фототок с фотоприемника 5, J=const, используемый для контроля параметра Х=Х.
1
1
На фиг. 4б. приведены функции преобразования двух измерительных каналов (фототоков), образованных ПВОС2 и ОВОС3.
ф51
J=f(+У)
3
3
и ПВОС 2 и ОВОС 3
ф53
J=f(-У),
2
2
а также - функция преобразования (фототока) опорного канала, образованного ПВОС 2 и ОВОС 3
ф52
J=const
ф51,3
Таким образом, предложенное трехканальное устройство - волоконно-оптический датчик линейных перемещений однозначно определяет поведение функции преобразования (фототок) волоконно-оптического датчика линейных перемещений J=f(±У), обеспечивает ее надежное прогнозирование и обоснованную достоверность.
0
При этом возможность размещения модулирующего устройства (зеркально-отражающей поверхности) в зоне измерений на заданном расстоянии Х, где достигается минимизация энергетических потерь, повышает точность измерений и расширяет диапазон измерений входных воздействий.
В устройстве реализуются условия конструктивной унификации датчиков данного типа по их основным параметрам, а также по числу и взаимному расположению подводящих волоконно-оптического световодов и отводящих волоконно-оптического световодов.