Волоконно-оптический тензодатчик Советский патент 1988 года по МПК G01B11/16 

I

7,1.

I I

J- I I hфиг. 1

/

со

СО О5

СО

Изобретение относится к измерению деформаций в конструкциях оптичесли- ми методами.

Цель изобретения - повышение чув- ствительности и точности измерений посредством повышения дифракционных решеток с различающейся шириной щели.

На фиг. 1 приведена схема воло- конно-оптического тензодатчика; на фиг. 2 - схема дифракционной решетки на фиг. 3 - зависимость интенсивност света I от взаимного смещения Л решеток.

Волоконно-оптический тензодатчик (фиг.1) содержит расположенные вдоль хода излучения первое оптическое волокно 1, первую градиентную линзу 2, две амплитудные дифракционные решет- ки 3 и 4, установленные с возможностью взаимного перемещения, вторую градиентную линзу 5 и второе оптическое волокно 6.

Используя формулу Геймгольца-Кирх- гофа, или формулу Рзлея- Зоммерфель- да, можно записать поле U(x,z) одной дифракционной решетки в точке Po(x.z) (Фиг.2)

. -ггЦ|г - 1о-1.)

av

где dV - граница области, охватывающей точку Р,.

G(9) функция для уравнения Гейм- гольца и условие Кирхгофа U/. тадифракционной ре

ково, что если бы шетки не было,то

ikr е

Го-.

01

G(x,z)

в теории Геймгольца-Кирхгофа или iki,

G(x,z)

01 в теории Рэлея - Зоммерфельда.

Если на решетку падает плоская волна, то согласно теории Геймгольца Кирхгофа

и(х,г) i|-A. 4 exElikro,,

01

Xtl+cos (n f в,) dS, a Рэлея-Зоммерфельда

(2)

ikA f ,J

U(x,z) i-и

Го,

-cos (fi f,)dS(3)

В случае распределения поля в дальней зоне второй дифракционной решетки

сое (п f oi)1;

z

(

Кроме того, z 7 D NA.

Тогда интеграл по плоскости распадается на сумму интегралов по каждой апертуре (щели) в дифракционной решетке. Пусть - координата точки в центре дифракционной решетки, тогда X х + f , где xj - координата края щели. Тогда легко показать, что

и(х z) 2EElilS2J:ikx V2zJ ,

Д. Л Z 2а sin C(pa)hN(pA), -iNP

где Р kx/zi - hN(y) т-

И

ein(Ny/2) г ./п/., .4 1 -SiSt - P - /2(N-l)y .

Рассмотрим дифракцию на двух ре- шетках, когда вторая дифракционная решетка находится в ближней зоне первой дифракционной решетки (фиг.2). Поле в точке Р определяется вновь через интеграл (1) или (3), но задать и на плоскости г 1можно, если знать и в ближней зоне первой дифракционной Фешетки, расположенной в плоскости . Можно воспользоваться следующим

представлением U(x);

U(x)

(6)

где Fe(x) - функция,определяющая, как фронт плоской волны оказался про- модулированным первой дифракционной .решеткой.

Вид функции (6) общий и не зависит от величины 1, но проще всего Fe(x) определить в пределах 1- О и 1- 00 (или другими словами, 1--Л и 1 7 Д ). Рассмотрим дифракционные решетки, расположенные в ближней зоне друг друга, т.е. 1 1 2аЬ/Л,

где b т- (Л -2а).

Б таком случае легко показать,что

1

2а

где а J - ширина щели второй дифракционной решетки при условии равенства их периода.

а где а 1

C(x,z) (j) Pj, 1

.ae(0)

24

того, предложенная конструкция увеличивает отношение сигнал/шум.

J Формула изобретения

Изобретение относится к измерению деформаций в конструкциях оптическими методами. Цель изобретения -. повьшение чувствительности и точности измерений посредством вьшолнения дифракционных решеток с различающейся шириной щели. Волоконно-оптический тензодатчик содержит два оптических волокна 1,6, расположенные между ними две градиентные линзы 2, 5 и расположенные с возможностью взаимного перемещения между градиентными линзами 2,5 две дифракционные решетки 3,4. Причем первая дифракционная решетка выполнена с шириной щели а d/2 - 1 A/2d, а вторая - с шириной щели а d/2 и расположена на расстоянии 1 от первой, где d - период решеток; Л - длина волны излучения. 3 ил. ю

т.е. зависимость I от смещения и имеет вид представленный на фиг.З. Таким образом, диапазон регистрируемых устройством смещений есть в значительной мере функция расстояния между дифракционными решетками. Диапазон регистрируемых смещений можно расширить практически до величины А второй решетки при условии правильного выбора ее параметров. При этом регистрация смещений будет безлюфто- вой.

Использование изобретения позволяет получить безлюфтовый датчик смещения, что особенно необходимо для работы датчика при регистрации малых начальных деформаций. Кроме

0

,

0

Волоконно-оптический тензодатчик, содержащий расположенные вдоль хода излучения первое оптическое волокно, первую градиентную линзу, две амплитудные дифракционные решетки, установленные с возможностью взаимного перемещения, вторую градиентную линзу и второе оптическое волокно, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности измерения деформаций, первая дифракционная решетка выполнена с шириной щели аg а - 1 А/2а, а вторая с шириной щели а d/2 и рас- положена на расстоянии 1 от первой, где d - период решеток, Д - длина волны излучения.

f.

(DU2.i

Предложен ь/а (7/77w 3eecf7 H6fi

dC7/77W/(

A.

A

H-Ya

Фиг.З