СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Российский патент 1998 года по МПК G01B11/14 G01B11/00 G01B11/02 G01B21/00 G01B21/02 G01B21/16 

Изобретение относится к волоконно-оптическим системам передачи в измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещений объекта.

Известен универсальный способ, позволяющий измерить различные физические величины, в частности величину перемещения объекта [1], при котором измеряемая величина воздействует на взаимное расположение торцов приемного и передающего волоконно-оптических каналов либо изменяет условия распространения излучения между неподвижными торцами приемного и передающего волоконно-оптических каналов. Для этого монохроматическое излучение посредством передающего волоконно-оптического канала подводят в зону измерения, где формируют поток излучения, заключенный в конусе апертуры световода. Часть потока излучения освещает входной торец приемного волоконно-оптического канала, выводится им из зоны измерений и подводится к фотоприемнику, где излучение преобразуют в пропорциональный электрический сигнал, который используют для определения измеряемой физической величины. Физическую основу работы такого способа измерения составляет изменение интенсивности излучения под действием измеряемого параметра, которое проходит с торца передающего волоконно-оптического канала на торец приемного волоконно-оптического канала в соответствии с диаграммой направленности, светопропусканием волоконно-оптических каналов, влиянием измеряемой величины и различных помех.

Однако такой способ измерения перемещений имеет тот недостаток, что в процессе измерения не обеспечивает компенсацию мультипликативных помех, что существенно снижает точность измерений.

Известна работа [2], где представлен способ, позволяющий измерить, например, перемещение объекта с использованием интерферометра Фабри-Перо, заключающийся в том, что формируют монохроматическое излучение, при помощи передающего волоконно-оптического канала подводят его в зону измерения, далее при помощи принимающего волоконно-оптического канала подводят излучение к фотоприемнику, где преобразуют его в пропорциональный электрический сигнал. Здесь используются гомодинные методы измерения различных физических величин, изменяющихся по гармоническому закону, в основу которых заложено исследование гармонических составляющих сигнала на выходе гомодинной системы с дальнейшей дешифровкой и анализом его огибающей. Так, для реализации одного из описанных методов используют разложение сигнала, снимаемого с выхода измерительной системы, в спектр. Устанавливают величину разности фаз θ таким образом, чтобы sin θ = 1. Затем из состояния покоя плавно возбуждают колебания и находят первое максимальное значение амплитуды гармонической составляющей на основной частоте колебаний исследуемого объекта ω₁ . Затем измеряют неизвестную амплитуду колебаний: вновь устанавливают величину θ = π/2 + πk , k= 1,2, . . . , раскладывают сигнал, снимаемый с выхода измерительной системы в спектр, и определяют амплитуду гармонической составляющей на частоте ω₁ . Далее по формулам находят неизвестную величину.

Основными недостатками описанного в работе [2] способа являются необходимость вычисления аргументов функции Бесселя и установок величин разности фаз θ в измерительной системе, ограничение, накладываемое на диапазон измерений, связанное с областью однозначности функций Бесселя, а также предположение, что при необходимых двух установках величины разности фаз θ остаются постоянными характеристики лазерного излучения (стабильность частоты, интенсивность лазерного излучения, уровень шумов) и параметры окружающей среды. Реализовать эти условия на практике чрезвычайно трудно.

Наиболее близким к изобретению по своей технической сущности является способ измерения перемещений [3]. Этот способ, выбранный в качестве прототипа, заключается в том, что формируют монохроматическое излучение, модулируют его интенсивность и длину волны на частоте ω₁ по гармоническому закону и освещают при помощи передающего волоконно-оптического канала поверхность объекта на измеряемом расстоянии, где возникают интерференционные явления, следствием которых являются нелинейные искажения, происходящие в оптической системе. Далее с использованием приемного волоконно-оптического канала световые колебания подводятся к устройству, которое выделяет сигнал второй гармоники частоты модуляции ω₁ и по величине его амплитуды определяется искомое расстояние. В данном случае реализация способа основана на следующем физическом явлении: мощность и длина волны излучения полупроводникового лазера зависят от его тока накачки [4].

Недостатками способа являются относительно невысокая точность измерения перемещений, помехоустойчивость и достаточно сложная реализация. Это объясняется тем, что, во-первых, не производится учет мультипликативных помех, во-вторых, хотя вторая гармоника и является периодической функцией разности фаз, ее амплитуда нелинейно изменяется на периоде. Поэтому определение неизвестной величины на основе амплитуды второй гармоники является неточным ввиду нелинейности последней. Рассмотрим подробнее возникновение помех, которые, как известно, подразделяются на мультипликативные и аддитивные. С их учетом мощность излучения в оптическом канале P может быть выражена следующим образом [4]:
P = f(t,z)•P₀ + A(t,z), (1)
где
f(t,z) - выражение для мультипликативной помехи;
P₀ - исходная оптическая мощность;
A(t,z) - выражение для аддитивной помехи;
t - время;
z - внешнее воздействие.

Аддитивные помехи возникают, например, из-за нежелательного попадания внешнего света в волоконно-оптические каналы, в зону измерений или на фотоприемник. Их подавить относительно несложно: проводить более тщательную защиту чувствительных элементов от внешнего излучения. Мультипликативные помехи обусловлены следующими факторами: нестабильность источников излучения; неоднородности прозрачной среды волоконно-оптического тракта, связанные со старением волокна, его микроизгибами, температурой. Для компенсации мультипликативных помех требуется принципиальное изменение конструкции прибора, способа определения искомой величины.

К недостаткам также относится ограничение, накладываемое на диапазон измерений, связанное с областью однозначности функции на периоде.

Задача изобретения - устранение названных недостатков, т.е. повышение надежности и точности измерения перемещения объекта.

Поставленная задача достигается способом измерения перемещений, заключающимся в том, что формируют монохроматическое излучение, модулируют его интенсивность и длину волны на частоте ω₁ по гармоническому закону, посредством передающего волоконно-оптического канала модулированное излучение подводят в зону измерений, освещают входной торец приемного волоконно-оптического канала, находящегося на расстоянии от выходного торца передающего волоконно-оптического канала, далее с использованием приемного волоконно-оптического канала излучение подводят к фотоприемнику и устройству, выделяющему сигнал второй гармоники частоты модуляции ω₁ , который отличается от известного тем, что излучение модулируют также и на более низкой частоте ω₂ , причем ω₁>>ω₂ , выделяют сигнал первой гармоники частоты модуляции ω₁ , затем сигналы первой и второй гармоник подают на блок сравнения, где осуществляют сравнение последних, выходной сигнал блока сравнения подают на вход компаратора, где его сравнивают с опорным напряжением, выходной сигнал компаратора подают на вход управления устройства выборки и хранения (УВХ), при этом на вход УВХ подают сигнал модуляции с частотой ω₂ , а измеряемую величину взаимного перемещения торцов волоконно-оптических каналов определяют по выходному сигналу УХВ.

Основными признаками, отличающими предлагаемый способ от известного, являются дополнительная модуляция излучения на более низкой частоте ω₂ , дальнейшее выделение первой гармоники частоты модуляции ω₁ с последующим сравнением сигналов первой и второй гармоник, чем определяется новизна. Из вышеизложенного следует, что предложенный способ соответствует критерию "изобретательский уровень".

Это дает преимущество перед известными решениями в отношении компенсации влияния мультипликативных помех, кроме того, увеличивается точность измерений за счет усовершенствования обработки сигнала.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг.2 - график зависимости отношения амплитуд второй гармоники к первой сигнала частоты модуляции ω₁ от измеряемого расстояния δ между торцами приемного и передающего волоконно-оптических каналов; на фиг.3 - схема обработки сигнала для случая сравнения путем деления; на фиг.4 - схема обработки сигнала для случая сравнения путем вычитания; на фиг.5 - график глубины модуляции сигнала на частоте ω₂ в зависимости от базы интерферометра Фабри - Перо (ИФП).

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит излучатель 1, выполненный в виде полупроводникового лазера, являющийся источником монохроматического излучения, устройство модуляции излучения 2 на частоте ω₂ , устройство модуляции излучения 3 на частоте ω₁ , устройство формирования постоянного тока 4, соединенные с излучателем 1 последовательно, передающий волоконно-оптический канал 5, входной торец которого оптически связан с излучателем 1, а выходной торец расположен в зоне измерения, приемный волоконно-оптический канал 6, входной торец которого расположен в зоне измерения соосно с выходным торцом передающего волоконно-оптического канала 5, выходной торец приемного волоконно-оптического канала 6 оптически связан с фотоприемником 7 и далее с устройствами, выделяющими сигнал первой гармоники 8 и второй гармоники 9 частоты модуляции ω₁ , блоком сравнения 10, где осуществляется сравнение сигналов, поступающих с устройств 8 и 9, далее с компаратором 11, соединенным также с блоком опорного напряжения 12, выход компаратора 11 соединен с входом управления устройства выборки и хранения 13, вход которого соединен и с устройством модуляции излучения 2.

Устройство формирования постоянного тока 4 выводит излучатель 1 в рабочую точку, устройства модуляции 2 и 3 изменяют ток накачки излучателя 1, что в свою очередь влияет на интенсивность и спектральный состав излучения последнего [4]. В данном случае устройство 3 модулирует излучение по гармоническому закону на высокой частоте ω₁ (1 - 10 МГц), устройство 2 модулирует излучение на более низкой частоте ω₂ (1 - 1000 кГц). Для простоты будем считать, что модуляция на частоте ω₂ происходит по пилообразному закону - медленное линейное увеличение сигнала до определенного уровня последнего, затем быстрый его спад до первоначального уровня. Значение частоты ω₁ выбирается наибольшим для данной аппаратной реализации схем 7 - 10, а значение частоты ω₂ - из условия, что время отклика τ схем устройств 7 - 10 будет намного меньше τ₀= 1/ω₂ . Подробнее остановимся на выборе амплитуд модуляции излучения на частотах ω₂ и ω₁ . Модуляция тока накачки устройством 3 приводит к модуляции излучения, а именно кроме постоянной составляющей длины волны λ₀ появляется дополнительная величина Δλ₁ , аналогично устройство 2 обеспечивает добавку к длине волны λ₀ на величину Δλ₂ . Значение Δλ₁ выбирается из условия, что модуляция излучения на частоте ω₁ не приведет к появлению следующего порядка интерференции, т. е.

где
m - порядок интерференции.

Модуляция излучения на частоте Ω, напротив, должна приводить к смещению порядка интерференции на единицу, что должно соответствовать

Следовательно, амплитуда модуляции излучения по пилообразному закону i₀ вычисляется исходя из значения Δλ₁ , которое в свою очередь непосредственно определяется для каждого конкретно изготовленного ИФП. Амплитуда модуляции излучения по гармоническому закону i должна быть много меньше значения i₀, т. е. 1 < i₀. Таким образом, сформированное излучение поступает по передающему волоконно-оптическому каналу 5 в зону измерения. Выходной торец передающего 5 и входной торец приемного 6 волоконно-оптических каналов представляют собой зеркала ИФП. Известно, что передаточная характеристика ИФП является функцией расстояния между его зеркалами, т. е. величины разности хода лучей δ . Кроме того, она зависит от параметров самого ИФП и подаваемого излучения. Под действием измеряемого физического параметра, в частности при перемещении исследуемого объекта, происходит изменение величины разности хода лучей δ в ИФП, которая линейно зависит от расстояния между зеркалами [4]

где l_опт - расстояние h между зеркалами ИФП с учетом показателя преломления n и угла падения лучей, l_опт = h•n;
λ - длина волны излучения.

Ток накачки излучателя 1 модулирован следующим образом на одном периоде "пилы":
I = I₀+ i₀·t + i·cos(ω₁t), (5)
где
I₀ - постоянная составляющая тока накачки;
i₀ - малая величина по сравнению с I₀, представляющая собой ток модуляции по пилообразному закону с частотой ω₂ ;
i - малая величина по сравнению с I₀, представляющая собой ток модуляции по гармоническому закону с частотой ω₁ ;
ω₁ - частота модуляции;
t - время.

Тогда мощность излучения лазера будет определяться в первом приближении [4]
P₀ = a•I + b,
где
a - постоянная величина порядка 7,5•10^-2 Вт/А [4];
b - постоянная величина порядка - 2,5•10^-3 Вт [4].

или с учетом (2) следующим образом:
P₀= a·(I₀+ i₀·t) + a·i·cos(ω₁t) + b, (7)
Передаточная характеристика классического ИФП имеет следующий вид [4]:

где
P₀ - мощность излучения на входе ИФП;
ρ - коэффициент отражения зеркал ИФП.

Но в результате модуляции тока накачки длина волны излучения является переменной величиной и может быть выражена следующим образом [4]:
λ = λ₀+ k·I, (9)
где
λ₀ - длина волны излучения при постоянном токе накачки I₀;
k - параметр d λ /dI ≈ 6•10^-9 м/А [4],
или с учетом (2) длина волны будет представлена
λ = λ₀+ k·i₀·t + k·i·cos(ω₁t). (10)
Мощность оптического излучения, прошедшего ИФП (т. е. попадающего во входной торец передающего волоконно-оптического канала 5 и затем на фотоприемник 6), с учетом (4) и (7) может быть представлена в виде

Выражение (11) описывает передаточную характеристику ИФП как функцию времени и частоты ω₁ модуляции тока накачки. График этой функции в координатах мощность (P_ИФП)) и время( ω₁ t) представляет собой кривую, содержащую ряд экстремумов. Их количество и форма зависят от величины модуляции тока накачки i, параметров интерферометра и излучателя (a, b, k, ρ ) и главное - от базы ИФП, т. е. расстояния между зеркалами h. Так, при изменении h (все остальные параметры фиксированы) форма передаточной характеристики ИФП меняется: по мере изменения h два импульса приближаются, затем сливаются в один, который уменьшается по мере зарождения двух следующих импульсов с краев (рассматриваем на периоде), и далее процесс повторяется.

Кривая (11) - периодическая, правомерно судить о ее разложении в ряд Фурье по гармоникам. В данном случае интересуют амплитуды первой и второй гармоник по частоте ω₁ . Для этого сигнал с фотоприемника 7 поступает на вход устройств, выделяющих сигнал первой гармоники 8 и второй гармоники 9 частоты модуляции ω₁ , выходные сигналы устройств 8 и 9 поступают на вход блока сравнения 10. Блок сравнения 10 работает следующим образом: электронным образом делит амплитуду второй гармоники на амплитуду первой гармоники либо подстраивает сигналы первой и второй гармоник на один уровень и затем их вычитает один из другого. Оба варианта дают возможность избавиться от мультипликативной помехи и поэтому представляют технический интерес. Рассмотрим по порядку первый вариант обработки сигналов. В этом случае сигнал на выходе блока 10 имеет вид
S = I₂/I₁, (12)
где
I_i - амплитуда i-й гармоники по частоте ω₁ разложения сигнала (11).

График функции S от расстояния δ между зеркалами ИФП имеет периодический характер, причем на периоде имеется слабо выраженный минимум и ярко выраженный максимум (фиг.2). В прототипе искомая величина определяется по амплитуде второй гармоники, что явным образом содержит в себе источники погрешностей. Во-первых, мультипликативные помехи, которые накладываются на излучение на выходе ИФП, в той же мере влияют на величину второй его гармоники. Поэтому использование последней в качестве информативного параметра заведомо приводит к искажению искомого перемещения на величину помех. Во-вторых, амплитуда второй гармоники нелинейно изменяется на периоде, поэтому определение искомой величины по амплитуде второй гармоники является неточным.

В данном способе предлагается использовать пик отношения второй к первой гармонике как сигнал, управляющий компаратором 11. Последний сравнивает выходной сигнал блока 10 с опорным U_оп, который обеспечивается блоком 12, т. е. электронным образом можно настраиваться на определенный заранее выбранный режим работы устройства. С этим может быть связана, например, шкала датчика, что позволит избежать ограничения диапазона измерений. Кроме того, электронное деление приводит к подавлению мультипликативных помех, содержащихся как в самом сигнале, так и в его гармониках.

Рассмотрим, например, линейное возрастание величины δ в ИФП (измеряемое перемещение) (фиг. 3, а). Компаратор 11 срабатывает по соответствию уровня приходящего сигнала I₂/I₁ с блока 10 с опорным U_оп (фиг. 3, б и в). Выходной сигнал компаратора 11, точнее его передний фронт, является управляющим для устройства выборки и хранения 13, на который также поступает пилообразный сигнал частоты ω₂ от устройства 2 (фиг.3, г). При этом устройство 13 формирует сигнал в соответствии с измеряемым параметром U (δ) и хранит его до следующего управляющего импульса с компаратора 11 (фиг.3, д). Опорное напряжение U_оп выбирается таким образом, чтобы компаратор 11 срабатывал в области, где выходной сигнал блока сравнения 10 имеет наибольшую крутизну.

Во втором случае блок сравнения 10 вычитает сигналы один из другого, например из амплитуды первого сигнала вычитаем амплитуду второго сигнала при предварительной их подстройке до пересечения. Это возможно с использованием электронного усилителя, коэффициент усиления которого k_ус выбирается следующим образом: сигналы амплитуд первой и второй гармоник становятся таковыми, что график их разности пересекает ноль (ось времени) в своем наиболее крутом участке. Выходной сигнал блока 10 имеет вид
S = I₂ - I₁,
причем на каждом периоде график функции S пересекает ноль дважды (фиг.4, б и в). Это также позволяет задавать режим срабатывания компаратора с использованием нулевого опорного напряжения U_оп = 0. Дальнейшая обработка сигнала аналогична обработке при делении (фиг.4, г, д и е). Вычитание (10) позволяет также избавиться от мультипликативной помехи за счет того, что хотя сами выражения I₂, I₁ и подвержены влиянию последней, но их разность уже не содержит помех в точке, где обращается в ноль. Кроме того, в случае вычитания аппаратная схема устройства проще по отношению к случаю деления. Электронное деление требует применения цифровой техники, что усложняет реализацию способа. При аналоговом делении точность деления не превышает 0,5 - 1%.

Конкретно способ может быть реализован следующим образом.

Проведем расчет амплитуд токов накачки для полупроводникового GaAs-лазера. Воспользуемся численными данными, приведенными в [4].

Устройство формирования постоянного тока 4 выводит излучатель 1 в рабочую точку, формируя постоянный ток I₀ = 100 мА. Для простоты будем считать, что модуляция тока накачки устройством 2 на частоте ω₂ происходит по пилообразному закону, обеспечивая добавку к длине волны λ₀ на величину Δλ₂ . При этом модуляция излучения на частоте ω₂ должна приводить к смещению порядка интерференции на единицу, что должно соответствовать (3) или

где
m - порядок интерференции.

Определим амплитуду модуляции излучения по пилообразному закону i₀. Величина разности хода лучей δ определяет порядок интерференции m следующим образом:

где
n - показатель преломления среды между зеркалами ИФП;
h - расстояние между зеркалами ИФП (база ИФП);
λ - длина волны излучения.

Формулы (14) и (15) приводят к следующему выражению:

Длину волны излучения с учетом (2) можно представить

отсюда определяем

Для расчета примем k = 6•10^-9 м/А, λ₀ = 8•10^-7 M, n = 1. Выражение (18) приводит к следующим результатам: для того чтобы измерить изменения h базы ИФП, составляющей порядка нескольких миллиметров, целесообразнее всего устанавливать значение i₀ около 10 мА. График зависимости глубины модуляции сигнала на частоте ω₂ от расстояния между зеркалами ИФП h приведен на фиг.5. При этом глубина модуляции остается порядка 10%.

Амплитуда модуляции i тока накачки устройством 3 должна быть меньше величины i₀ на порядок и более для того, чтобы обеспечить выполнение условия (2). В данном случае можно принять i = 1 мА.

Таким образом, в отличие от прототипа предложенный способ позволяет устранить влияние мультипликативных помех за счет подавления их при электронном сравнении сигналов. Кроме того, способ позволяет более точно проводить измерения перемещений благодаря тому, что информативный сигнал пропорционален измеряемому параметру.

Источники информации
1. Зак Е.А. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией. - М.: Энергоатомиздат, 1989, с. 5-8.

2. Оптические гомодинные методы измерений. - Журнал "Зарубежная радиоэлектроника", 1995, N6, с. 43 - 48.

3. Авторское свидетельство N 1516775 СССР, кл. G 01 B 11/14, 1989 (прототип).

4. Бутусов М. М. Волоконная оптика и приборостроение. М.: Машиностроение, 1987, 330 с.

Способ измерения перемещений относится к волоконно-оптическим системам передачи в измерительной технике и предназначен для измерения перемещений объекта. Подведенное в зону измерений модулированное излучение на частоте ω₁ модулируют и на более низкой, чем ω₁ частоте ω₂, причем ω₁≫ ω₂. Выделяют сигнал первой гармоники частоты модуляции ω₁. Затем сигналы первой гармоники и второй гармоники подают на блок сравнения, где осуществляют сравнение последних. Выходной сигнал блока сравнения подают на вход компаратора, где его сравнивают с опорным напряжением. Выходной сигнал компаратора подают на вход управления устройства выборки и хранения, на который подают также сигнал модуляции с частотой ω₂, а измеряемую величину взаимного перемещения торцов волоконно-оптических каналов определяют по выходному сигналу устройства выборки и хранения. Изобретение позволяет устранить влияние мультипликативных помех и повысить точность измерений. 5 ил.

Способ измерения перемещений, заключающийся в том, что формируют монохроматическое излучение, модулируют его интенсивность и длину волны на частоте ω₁ по гармоническому закону, посредством передающего волоконно-оптического канала модулированное излучение подводят в зону измерений, освещают входной торец приемного волоконно-оптического канала, находящегося на расстоянии от выходного торца передающего волоконно-оптического канала, далее с использованием приемного волоконно-оптического канала излучение подводят к фотоприемнику и устройству, выделяющему сигнал второй гармоники частоты модуляции ω₁, отличающийся тем, что излучение модулируют также и на более низкой частоте ω₂, причем ω₁ ≫ ω₂, выделяют сигнал первой гармоники частоты модуляции ω₁, затем сигналы первой и второй гармоники подают на блок сравнения, где осуществляют сравнение последних, выходной сигнал блока сравнения подают на вход компаратора, где его сравнивают с опорным сигналом, выходной сигнал компаратора подают на вход управления устройства выборки и хранения, при этом на вход устройства выборки и хранения подают сигнал модуляции с частотой ω₂, а измеряемую величину взаимного перемещения торцов волоконно-оптических каналов определяют по выходному сигналу устройства выборки и хранения.