ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
FIBRE-OPTIC DISPLACEMENT SENSOR

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к волоконно-оптическим преобразователям перемещений, и может быть использовано при измерении ускорения, вибрации и давления.
Известен датчик перемещений [1], содержащий источник света, светопровод, выполненный в виде пакетов подводящих и отводящих гибких светопроводов, фотоэлектронный умножитель и регистрирующий прибор.
Недостатком известного устройства является низкая точность преобразования перемещения объекта в модуляцию оптического сигнала, обусловленная зависимостью коэффициента преобразования от оптической мощности, излучаемой источником света, и коэффициента отражения поверхности объекта.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является оптический датчик перемещений [2] (прототип), содержащий источник света, светопровод, выполненный в виде пакетов подводящих и отводящего гибких светопроводов, фотоэлектронный умножитель и регистрирующий прибор, снабжен блоком регулировки света, выполненным в виде оптически связанных светопровода, фотоприемника и подключенного к последнему регулятора источника света, а второй конец светопровода объединен в один пакет с первыми двумя светопроводами. Выход пакета светопроводов смотрит на отражающий элемент, которым является сам перемещающейся объект.
В данном устройстве осуществлено повышение точности измерения перемещения объекта путем уменьшения зависимости результата измерения перемещения объекта от мощности источника излучения за счет регулировки мощности источника излучения электрическим сигналом, пропорциональным оптической мощности, отраженной от перемещаемого объекта.
Недостатком предложенного оптического датчика перемещений является недостаточная точность измерения перемещения объекта, обусловленная тем, что мощность источника света регулируется внешним электрическим сигналом, которая не является однозначной из-за тепловых флуктуации.
Техническим результатом является повышение точности измерения перемещения объекта.
Технический результат достигается тем, что волоконно-оптический датчик перемещений, содержащий источник оптического излучения, выход которого подключен к входу подводящего волоконно-оптического световода, первый и второй отводящие волоконно-оптические световоды, выходы которых подключены к входам соответственно первого и второго фотоприемников, содержит отражающий элемент, прикрепленный к перемещающемуся объекту, на который направлены входы первого и второго волоконных световодов оптической связи, оптический разветвитель, электронный блок обработки сигналов, выполненный с возможностью вычисления перемещения Δs по формуле:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>s</mi><mo>=</mo><mi>k</mi><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>U</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
1
2
где k - коэффициент преобразования; U, U - сигналы с первого и второго фотоприемников соответственно, причем выходы первого и второго волоконных световодов связи подключены через оптический разветвитель к выходу подводящего волоконного световода и к входам соответствующих первого и второго отводящих волоконных световодов, выходы первого и второго фотоприемников подключены к соответствующим входам электронного блока обработки сигналов, выход которого является выходом всего волоконно-оптического датчика перемещений.
Технический результат также достигается тем, что отражающий элемент выполнен в виде прямоугольника из отражающего свет материала, расположенного на неотражающей поверхности таким образом, чтобы проекции световых пятен из входов первого и второго световодов оптической связи при отсутствии перемещений объекта делятся пополам.
Технический результат также достигается тем, что отражающий элемент выполнен в виде двух примыкающих друг к другу прямоугольных полос, каждая из которых разделена на отражающую и неотражающую области, причем отражающая область первой полосы примыкает к неотражающей области второй полосы, а неотражающая область первой полосы примыкает к отражающей области второй полосы таким образом, чтобы границы отражающих областей обеих полос делят пополам проекции световых пятен из входов первого и второго световодов оптической связи при отсутствии перемещений объекта.
На Фиг.1 приведена схема устройства.
На Фиг.2 приведен отражающий элемент в виде прямоугольника из материала, отражающего свет, помещенного на неотражающей поверхности, с указанием проекций входов первого и второго световодов связи на отражающий элемент.
На Фиг.3 приведен отражающий элемент в виде двух примыкающих друг к другу прямоугольных областей с указанием проекций входов первого и второго световодов связи на отражающий элемент.
Принятые обозначения:
1 - отражающий элемент;
1,2
2 - первый и второй волоконные световоды оптической связи;
3 - оптический разветвитель;
1,2
4 - первый и второй отводящие волоконные световоды,
5 - подводящий световод,
6 - источник оптического излучения,
1,2
7 - первый и второй фотоприемники,
8 - электронный блок обработки сигналов.
1, 2
1,2
1,2
Устройство состоит из отражающего элемента 1, первого и второго волоконных световодов оптической связи 2, оптического разветвителя 3, первого и второго отводящих волоконных световодов 4, подводящего световода 5, источника оптического излучения 6, первого и второго фотоприемников 7, электронного блока обработки сигналов 8.
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
Отражающий элемент 1 прикреплен к перемещающемуся объекту. Он оптически связан с первым и вторым волоконными световодами оптической связи 2 таким образом, что проекции световых пятен из входов световотов 2 при отсутствии перемещений объекта делятся пополам, как показано на Фиг.2 или Фиг.3. Выходы световодов 2 через оптический разветвитель 3 подключены к выходу подводящего световода 5 и входам отводящих световодов 4. Вход подводящего световода 5 подключен к источнику оптического излучения 6. Выходы световодов 4 через соответствующие фотоприемники 7 подключены к входам электронного блока обработки сигналов 8. Выход электронного блока обработки сигналов 8 является выходом всего волоконно-оптического датчика перемещений.
Волоконно-оптический датчик перемещения работает следующим образом.
0
1
2
1,2
После включения датчика источник оптического излучения 6 излучает световой пучок постоянной мощности Р, который по подводящему световоду 5 передается на оптический разветвитель 3, на котором разделяется на два пучка половинной мощности P, P в первый и второй световоды 2 соответственно:
1
a
0
2
a
0
P=kP/2, P=kP/2,
a
где k - потери мощности в подводящем световоде 5 и в оптическом разветвителе 3.
1
2
1,2
1,2
<mrow><msubsup><mi>P</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>P</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
Эти два пучка P, P по световодам оптической связи 2 передаются на отражающий элемент 1, от которого отражаются в виде
,
и вводятся обратно в световоды 2, в соответствии с формулами:
,
,
R
где k - коэффициент отражения отражающего элемента 1;
1,2
R, S - радиус и площадь проекции торца каждого из световодов 2 на плоскость отражающего элемента 1;
Δs - искомое перемещение.
1,2
1,2
1,2
1
2
<mrow><msubsup><mi>P</mi><mn>1</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>P</mi><mn>2</mn><mo>'</mo></msubsup></mrow>
По световодам 2 через оптический разветвитель 3 световые сигналы
,
поступают в отводящие световоды 4, по которым передаются на оптические входы фотоприемников 7, где оптические мощности световых пучков преобразуются в электрические аналоги U, U
,
,
ph
1,2
где S - коэффициент преобразования фотоприемников 7 оптической мощности в электрический сигнал.
Эти аналоги поступают на электронный блок обработки сигналов 8, где проводится вычисление выходного сигнала датчика Δs по формуле:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>s</mi><mo>=</mo><mi>k</mi><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>U</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где k - коэффициент преобразования электронного блока обработки сигналов
<mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>S</mi><mrow><mn>2</mn><mi>R</mi></mrow></mfrac></mrow>
.
Отражающий элемент 1 может быть выполнен путем нанесения алюминиевого или серебряного покрытия на поверхность перемещаемого объекта.
1,2
1,2
В качестве световодов 2, 4, 5 и оптического разветвителя 3 могут быть использованы волоконно-оптические компоненты, применяемые в волоконно-оптических линиях связи.
В качестве источника оптического излучения 6 можно использовать светодиод L10762 фирмы HAMAMATSU PHOTONICS.
В качестве фотоприемников 712 можно использовать фотодиоды с предусилителем S8745-01 фирмы HAMAMATSU PHOTONICS.
1,2
В качестве электронного блока обработки сигналов 8 можно использовать микроконвертер ADuC841 фирмы Analog Devices, включающий в себя аналого-цифровые преобразователи входных сигналов от фотоприемников 7, микропроцессор для выполнения вычислений по формуле (1) и цифроаналоговый преобразователь выходного сигнала.
Таким образом, на выходе датчика получается сигнал, пропорциональный перемещению перемещающегося объекта, который не зависит от колебаний мощности источника излучения 6, как в прототипе.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №225464, кл. G01B 11/02, 1968 г.
2. Авторское свидетельство СССР №938029, кл. G01H 1/00, 1982 г.