Волоконно-оптический измерительный преобразователь Советский патент 1991 года по МПК G01L1/24 

11

Изобретение относится к измерениям усилий, давления, температуры и других физических величин и предназначено для использования в измерительно-информационных и управляющих системах.

Делью изобретения является расширение диапазона измерений и повышение точности.

На фиг. 1 показана блок-схема волоконно-оптического измерительного преобразователя} на фиг.2 - сечение А-А на фиг. 1} на фиг. 3 - узел 1 на фиг. 1.

Преобразователь содержит попарно соединенные основные излучатель 1 и передающий световод,2, приемный световод 3 н фотодетектор 4, дополнительные излучатель 5 и передающий световод 6j приемный световод 7 И фотодетектор 8. CotjcHo с плотно уложенными выходными концами передающи и входными концами .приемных световодов по направлению излучения расположены последовательно дополнитель- ный отражатель 9, фокусйрукяцая система 10 и основной отражатель 11, Ось вращения основного отражателя параллельна плоскости .торцов световодов и перпендикулярна линииj coe-t дийяющей центры приемньтх световодов Основной и дополнительный фотодетекторы соединены с регулируемыми уси- лителями 12. Выходы регулируемых услителей соединены с входами блока 1 вьзделения сигнала йсновного излучателя и блока 14 выделения сигнала разбаланса приемньгх основного и дополнительного каналов. ВыходЬ блока выделения сигнала основного излучателя соединены с входами вычислительного устройства 15, а его выход является выходом преобразоват еля, Выходы блока выделения сигнала разбаланса приемных каналов соединены управляющими входами регулируемых усилителей.

Преобразователь работает следуюарш образом.

Излучение основного иэлучател 1 проходит по основному передающему световоду 2, через фокусирующую систему 10, отражается бт отражателя 1 и падает на торцы основного 3 и до- полнитепьяоГо 7 niAieMHbix световодов проходит по ним и детектируется основным 4 и дополнительным 8 фото- детекторами. Сигналы последних уси

ливаются регулируемыми усилителями 12 и подаются на блок 13 выделения сигнала основного излучателя. Выделенные сигналы основного излучателя, прошедшие соответственно через основ ной и дополнительный приемные каналы, поступают далее в вычислительное устройство 15. Исходное положение основного отражателя 11 и пространственное расположение приемных световодов определяют фазовые соотношения сигналов основного и дополнительного приемных каналов. Так, например, сигналы могут быть дефференциальными (сдвиг фаз 180) или квадратурными (сдвиг фаз 90°). При воздействии физической величины обеспечивается пропорциональное изменение угла наклона поверхности отражателя, что приводит к соответствующему перемещению по терцам приемных световодов светового пятна излучения основного излучателя и, следовательно, модуляции вводимого излучения. При этом ось вращения основного отражателя параллельна плоскости торцов световодов и перпендикулярна линии, соединяющей центры приемных световодов. Вычислительное устройство 15 обрабатывает

сагналы основного О,, и вспомагательного Ug ритмам:

и о - и .

каналов по следующим алго35

в +

для дифференциальных сигналов.

и

в

arc tg - - для квадратурных

сигналов. При обработке сигналов по указанным

0 для примера алгоритмам отсутствует влияние на результат измерения изменений мощности излучателя, затухания передающего световода, одинаковых по величине и знаку затуханий прием

5 ных световодов и чувствйтельностей фотодетекторов. Для компенсации различных по величине и знаку коэффициентов передачи основного и дополнительного приемных каналов в схему

0 преобразователя введены дополнительные, излучатель 5, передающий свето- воД 6 и отражатель 9. Причем допол- отражатель 9 установлен между выходным торцом дополнительно5 го передающего световода 6 и основ- ньм отр ателем 11, не перекрывая или перекрывая только частично входные айертуры приемных световодов так, чтобы обеспечить одновременно

максимум ввода в приемные световоды излучений основного и дополнительного излучателей. Излучение дополни - тельного излучателя 5, пройдя по до- поЛнительному световоду 6, отражается от дополнительного отражателя 9 и направляется на выходные торцы приемных световодов 3 и 7, распространяется по ним и детектируется фото- детекторами 4 и 8. Сигналы фотоДе- текторов усиливаются регулируе ыми усилителями 12 и подаются в блок 14 вьщеления разбаланса приемных основного и дополнительного каналов. В этом -блоке из суммарного сигнала .основного и дополнительного излучателей выделяются сигналы дополнительного излучателя, прошедшие соответственно через основной и дополнитель- ньй каналы. Их разностный сигнал является управляющим сигналом для регулируемых усилителей, изменяя их усиления до величины, когда разностный сигнал становится равным,нулю. Это процесс восстановления баланса или равенства коэффициентов передачи обоих приемных каналов. Разделение сигналов основного 1 и дополнительного 5 излучателей соответственно в блоках 13 и .14 обеспечивается различным законом модуляции излучателей Модулирующие сигналы могут отличаться, например,, по фазе или частоте.

Из фиг. 2 следует, что О,- центр основного передающего световода, Oj - центр приемного световода, А - точка соприкосновения торцов приемных световодов, В-оптическая ось фокусирукщей системы.

Если отрезки линий, соединянлцих , равны, т.е. соблюдается равенство 0,В ВА, то изображение торца основного передающего световода будет иметь центр в точке А (на фиг. 2 изображение этого торца обозначено пунктиром). В этом случае при перемещении изображения под воздействием измеряемой физической величины вдоль линии, соединяющей цент- ры приемных световодов, обеспечивается максимальная крутизна градуированной характеристики и ее линейность сохраняется в большем диапазоне. Кроме того, в этом случае мини- мальны потери энергии, а следовательно, вьщ1е отношение сигнал/шум. Из геометрических соображений следует, что в прямпугольном треугольнике

0 АО гипотенуза равна двум радиусам световода 2 г,катет -радиусу, а катет О.,А равен величине УЗ Г. Достижение поставленной цели требует, как показано выше, выполнения условия 0,В ВА, из чего сле /3

дует, что О,В г - Введение в оптическую систему фоксирующей системы сводит к минимуму потери, обусловленные расходимостью излучения. Кроме того, при смещении светового пятна по торцам приемных светбводов выходной сигнал пропорционален величине изменения угла наклона основного отражателя, умноженной на величину расстояния между фокусирующей системой и торцами световодов

Формула изобретения

Волоконно-оптический измерительный преобразователь, содержащий со- (единенные последовательно основные излучатель, передающей световод, отражатель, приемный световод и фотодетектор, образующие основной измерительный канал, отлйчанэщий с я тем, что, с целью расширения диапазона и повышения точности измерения, ось вращения основного отражателя расположена параллельно плоскости торцов световодов и перпендикулярно линии, соединяющей центры приемных световодов, в преобразователь введены последовательно соединенные дополнительный излучат зль, передающий световод, образующие дополнительный передающий канал, дополнительный приемный световод и оптически сопряженный с ним фотодетектор, а также два регулируемых усилителя, блок вьще-пения сигналов основного излучателя, блок выделения сигнала разбаланса приемных основного и дополнительного каналов и вычислительное устройство, причем входы регулируемых усилителей соединены с выходами фотоприемников, а выходы регулируемых усилителей соединены с двумя входами блока выделения сигналов основного излучателя и с двумя входйни блока вьщеления сигнала разбаланса приемных основного и дополнительного каналов, каждый из двух выходов которого подключен к входу управления соответствующего регулируемого усилителя, два входа вычислительного устройства соединены с

51

соответствующими двумя выходами блока выделения сигналов основного излучателя, выход которого является вы- Лсдом измерительного преобразователя при этом между основным отражателем и торцами световодов введены дополнительный отражатель и фокусирующая система, оптическая ось которой параллельна оптическим осям торцов световодов, обращенных к отражателю, и проходит через линию, соединяющую центры выходных торцов передающих основного и дополнительного световодов в точке, отстоящей от центра выходного Торца основного передающе- го.световода на расстоянии, равном

V3

г-2-,

где г - радиус световода, причем торцы приемных и передающих световодов основного и дополнительного каналов, обращенные к отражателям, выполнены цилиндрическими и установлены с возможностью механического контакта между собой так, что боковые поверхности приемных световодов основного и дополнительного каналов касаются друг друга, а боковые поверхности каждого из передающих световодов соприкасаются одновременно с обеими боковьми поверхностями приемных световодов основного ивспомогательного каналов

Изобретение предназначено для использования в измерительно-информационных и управляющих системах. Цель изобретения - расширение диапазона измерений и повьппение точности. Устр-во содержит излучатели 1 и 5, световоды 2,3 и 6,7, фотодетекторы 4 и 8, отражатели 9 и 11, фокусирующую систему 10, регулируемые усилители 12, блок 13 вьщеления сигнала основного излучателя, блок 14 выделения сигнала разбаланса приемных каналов, и вычислительное устройство 15. Введение иовых элементов и образование новых связей между элементами устройства сводит к минимуму потери, обусловленные расходимостью излучения. При смещении светового пятна по торцам световодов 3 и 7 выходной сигнал пропорционален величине изменения угла наклона отражателя 11, умноженной на величину расстояния между фокусирующей системой 10 и торцами световодов 2 и 6. 3 ил. (Л со а to к ю 00

4ЛЛ

А

Редактор М.Кузнецова Заказ 3128

Составитель В.Курбатова

Техред М.Ходанич Корректор А.Тяско

Тираж 352 Под|шсное

ВНКИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений я от1$ры йй 113035,-Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

I I

I I

I II

.3