Волоконно-оптический датчик расстояния Советский патент 1988 года по МПК G01B21/02 

Изобретение относится к оптоэлект ронике и может быть использовано для измерения расстояния до неподвижного или движущегося объекта, а также для измерения вибраций, ускорения и давления.

Цель изобретения г расширение функциональных возможностей за счет устранения зависимости результатов измерения от отражающих свойств поверхности объекта - достигается выбором оптимального соотношения между радиусами оптических волокон.

На фиг.1 изображена блок-схема волоконно-оптического датчика (ВОД) расстояния; на фиг.2 - семейство зависимостей от расстояния Z коэффициента Ij ввода оптического излучения .обратно в волокно после отражения от поверхности, удаленной на Z от торца волокна; на фиг.З - семейство зависимостей 1р (Z) ; на фиг.4 - расположение выходных торцов волокон у от- ражакмцей поверхности исследуемого объекта; на фиг.З - кривые чувствительности предлагаемого датчика (сплошные линии) и прототипа) (пунктирная линия) в зависимости от расстояния Z для разных значений параметра W.

« (ВОД) содержит модулятор 1 и источник 2 оптического излучения (ИОИ) четырехплечный направленный ответви- тель (НО) 3, плечи 4-7 направленного ответвителя, приемопередающие оптические волокна 8 и 9. На схеме обозначено: 10 - отражающая поверхность исследуемого объекта; 11 - фотоприемник; 12 - анализатор спектра.

Устройство работает следующим образом.

Оптическое излучение мощностью Р промодулированное модулятором 1 по интенсивности гармоническим сигналом частота f которое меняется во времени по линейному закону, вводится от ИОИ 2 через модулятор 1 в плечо А НО 3. Излучение,проходя через НО 3 делится на две части и из плеч 5 и 6 попадает соответственно в волокна 8 и 9, подсоединенные к плечам 5 и 6. Обозначим коэффициент передачи НО 3 из плеча 4 в плечо 5 в виде К, а из плеча Д в плечо 6 - К . Пройдя по волокну 8, оптическое излучение из каждого торца волокна 8 и отражается от поверхности 10 объекта. Часть отраженного оптического излучения вво

дится обратно в волокно В. Коэффициент ввода отраженного оптического излучения в волокно 8 обозначим Пройдя волокйо 8 в обратном направлении, излучение достигает НО 3, откуда доля излучения, равная К, попадает в плечо 7. Таким образом, на вход фотоприемника 11, подключенного к плечу 7, поступает оптическое излучение мощностью

P.(t) A,sin(2Tft),

-2et L , e RP sin(2 «ft)

(1)

где е6 - погонные потери в волокне 8

длиной L,;

R - коэффициент отражения поверхности 10.

Аналогичным образом оптическое излучение, ответвленнре НО 3 в волокно 9, отражается от поверхности 10. Часть отраженного излучения вводится обратно в волокно с коэффициентом ввода, равным 2 Далее излучение проходит в обратном направлении по волокну 9, достигает НО 3, где оно делится на две части, и доля излучения, равная KJY достигает фотоприемника 11. Мощность этого излучения равна .

P(t),

-глгЬ,

35

Ч81п(21т + 4irfi)A,sin(2 irft + (2) А7ф,

где ot - погонные потери в волокне 9 длиной

1 - разность длин волокон 9 и 8;

V - скорость распространения

оптического излучения в волокне.

Таким образом, на фотодиоде фотоприемника 11 происходит сложение двух оптических сигналов (1) и (2), т.е. на выходе фотоприемника 11 имеется электрический сигнал, равный

S(t) , (t) + P2(t)

linblt-f

V(t)sin|2 ii ft+ arctp(

fi e ,Т,

(3)

.)

)

где k - коэффициент преобразования фотоприемника 11, a

cos

V(t) k -f А2 +2A,A4. ()-.

(4)

Поскольку частота f модуляции оптического излучения меняется во времени по линейному закону, то амплитуда V(t) сигнала, определяемого формулой (3), на выходе фотоприемника 11 меняется во времени по закону (Д). При некоторых значениях частоты f (mv)/(21) модуляции (где m О, 1, 2,.,.) амплитуда V(f) принимает максимальное значение, равное V k(A, +А,г). При значениях частоты f m (.m+1)v/(41) модуляции амплитуда V(f) принимает минимальное значение, равное Vn,; k.(A,-A2). При

1388723

этом V.

и „|„ разнесены в частот

ной области на величину f, определяемую разностью длин волокон 8 и 9 и равную

где с - скорость света в вакууме;

п - показатель преломления свете- ведущей жилы волокна. Таким образом, на экране анализатора 12 спектра, включенного на выходе фотоприемника 11, возникает периодическая картина с явно выраженными максимумами.и минимумами. Контраст р т;п /V«a« этой картины связан с параметрами элементов ВОД следующим образом:

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано для измерения расстояния до неподвижного или движущегося объекта. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет устранения зависимости результатов измерения от отражающих свойств объекта - достигается выбором оптимального соотношения между радиусами оптических волокон. Оптическое излучение, промо- дулированное модулятором 1, вводится в направленный ответвитель 3, который осуществляет возбуждение света в приемопередающих волокнах 8, 9 разной длины. Свет, отразившись от поверхности 10, расстояние до которой необходимо измерить, через оптические волокна 8, 9 и направленньй ответвитель 3 попадает в фотоприемник 11. В результате суперпозиции двух отраженных световых потоков возникает сигнал, промодулированный по амплитуде. Причем глубина модуляции является функцией расстояния до поверхности 10 и для различных значений радиусов оптических волокон не зависит от коэффициента отражения поверхности. Результат измерений регистрируется с помощью анализатора 12 спектра. 5 ил. в iO с W U со эо эо ,s ;Nu2

.ii - li.KALli., Г А,+ А,

к If t .i i + к к,-,

45- УГ

Из (5) видно, что отношение р не зависит от отражающих свойств поверхности объекта (в (5) не входит коэффициент R отражения поверхности а определяется лишь свойствами используемого НО 3 и параметрами ис- пользуемых волокон. Коэффициенты , и 2, ввода зависят от величины расстояния Z от торцов волокон 8 и 9 до поверхности 10 исследуемого объекта.

Рассчитаем, как зависит р от Z. Для этого воспользуемся следующим выражением:

272СМА )2+1 1п

.I J 1 -72 смд-)2 4ZNA

которое описывает зависимость эффективности ввода излучения в волок- но после его отражения от зеркальной поверхности в зависимости от расстояния Z до поверхности. Приведенное выражение с точностью удовлетворяет экспериментальным результатам

На фиг.2 приведены рассчитанные кривые Ч (Z) для волокон с разньми значениями апертуры NA г световеду- щей.жилы: а) г 25 мкм, NA 0,4 (r/NA 62,5); б) г 25 мкм, ,2 (r/NA 125); в) г 25 мкм, ,1 (r/NA 250); г) г 100 мкм, ,2 (r/NA 500); д) г 100 мкм, NA 0,1 (r/NA 1000).

(5)

25 ЗО

35

40

0

j

5

Из фиг.2 видно, что в качестве параметра для кривых можно считать отношение r/NA. Когда r/NA одинаковы для пары волокон, то кривая f,(Z) 72.(Z), даже если у волокон разные радиус световедущей жилы и апертура.

(вод) расстояний имеет волокна с разными параметрами r/NA, следовательно, для рассчета зависимости p(Z) по формуле (5) надо воспользоваться двумя разными зависимостями

2(2).

На фиг.З сплошными линиями показаны расчетные зависимости p(Z) для следующих пар волокон: а) г,/NA, 25/0,4 и r./NAt 25/02; 6).r,/NA, 25/0,2 и ri/NAj 25/0,1; в)г,/МА4 25/02, и rj/NA 100/0,2; г) r,/NA, 25/0,4 и 25/0,3.

При рассчетах бьши взяты типичные значения коэффициентов деления НО: К4, ,42; К46 0,45; К 0,41; et, 10 дБ/км; ct 12 дБ/км; iL, 53 м; LI 5 м.

Пунктирной линией на фиг.4 показана зависимость p(Z) для прототипа.

Таким образом, измерив на экране анализатора 12 спектра амплитуды УП,;„ и Vniax и вычислив отношение р , с помощью фиг.З найдем расстояние до исследуемого объекта.

Для того, чтобы оптическое излучение не могло попасть из одного волокна в другое после отражения от поверхности объекта, оси волокон разнесены на расстояние d.

На фиг.4 показано взаимное расположение выходных торцов волокон 8 и 9 и отражаюп1ей поверхности 10.

Пусть радиус световедущей жилы волокна 8 равен г , числовая апертура - NA,, а у волокна 9 соответственно г, и NAj. Расстояние от плоскости 00 торцов волокон 8 и 9 до поверхности 10 равно Z. Луч, вьшед- ший из точки М на торце волокна 8 под максимально возможньм углом oi, arcsin(NA,) к оси волокна, после отражения от поверхности 10 придет в точку М , лежащую на оси 00 на расстоянии d, от оси волокна 8 (точка 0), причем d, г, + 2Znptgoi,.

Для того, чтобы рассматриваемый луч не попал на торец волокна 9, необходимо, чтобы ось волокна 9 (точка О ) находилась от оси волокна 8, как это следует из фиг.4, на расстоянии, определяемом неравенством

d i г,

+ г +2Znptgot,,

где

Sверхнее предельное значение диапазона измеряемых расстояний.

Аналогично, рассматривая луч, вышедший с поверхности торца волокна 9, можно найти условие, выполнение которого не позволит этому лучу попасть в волокно 8. Это условие следующее:

d

г, +r,, + 2Zpptgode,

где йС, arcsin(NA2).

Таким образом, для того, чтобы исключить попадание оптического излучения из одного волокна в другое после отражения от поверхности объекта, необходимо разнести оси волокон на расстояние, равенством

определяемое неdir.

+ г -i-2Znptg(arcsinNA),

где NA - наибольшая числовая апертура из двух значений NA и NA.

На фиг.5 сплошными линиями показаны кривые dp- f(Z) чувствительности ВОД расстояния в зависимости от расстояния Z до поверхности исследуемого объекта для разных

параметров W (г,NA)/(,). Пунктирной линией показана кривая чувствительности в зависимости от Z для

прототипа (коэффициент отражения опорной поверхности равен Ron 1 а W 1). Видно, что с ростом W кривая для предлагаемого датчика все больше приближается к кривой для прототипа. При W5; 4 правые ветви кривых, характеризующие прототип- и предлагаемый датчик,совпадают с высокой точностью (10%), при этом, как видно из фиГсЗ, диапазон измеряемых расстояНИИ становится одинаковым для обоих датчиков. При W 16 обе кривые практически одинаковы, дальнейшее повышение W не вызывает заметного изменения формы кривой dp f(Z). Поэтому

повьш1ать W сверх 16 не имеет смысла, так как с одной стороны.это не приводит к заметному улучшению свойств (чувствительности и диапазона измеряемых расстояний) ВОД, а с другой

стороны трудно реализовать технологически. Так, уже при W 16, если одно волокно имеет г 25 мкм и- NAj 0,4, то второе волокно должно быть с г, 100 мкм и NA( 0,1. А

при второе волокно должно иметь еще больший радиус световедзлцей жилы

и еще меньшую числовую апертуру, --- I

Следовательно, для сохранения диапазона измеряемых расстояний

35

W (4 - 16);

г

-- (4-1 6) -7NA

NA,

Формула изобретения

Волоконно-оптический датчик расстояния, состоящий из модулятора, источника оптического излучения, четы- рехплечного направленного ответвите- ля, фотоприемника, анализатора спектра, двух приемопередающих оптических волокон разной длины, модулятор подключен к управляющему входу источника оптического излучения, который оптически связан с одним из плеч направленного ответвителя, к двум противоположным плечам которого присоединены оптические воло кна, четвертое плечо направленного ответвителя под- .ключено к фотоприемнику, выход которого соединен с входом анализатора спектра, отличающийся

тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет устранения зависимости результатов измерения от отражающих свойств поверхности объекта, волокна выполнены с соотношением между радиусом г световеду- щей жилы и числовой апертурой NA в соответствии с выражением

i-

NA,

г. и Г(4 - 16)-f,, NAj

- радиусы световедущёй жилы соответственно первого и второго волокна:

20 0 60 80 100 т 160 180 200 по Z, м/fM

i/eZ

7238

NA, иNA - числовые апертуры соответственно первого и второго волокна. Выходные торцы волокон устанавливают на одинаковом расстоянии от плоскости исследуемого объекта, а оптические оси волокон разнесены на расстояние

d г,+ г, + 2Znptp(arcsinNA),

где NA - наибольшая величина из

NA, и

- максимальное значение измеряемого расстояния..

//

л

20 ftO 60 80 т 120 JffO 160 180 200 Z. MftM

(ригЗ

dj)

2O tfO 6O во /ffO /Л7 rffO rSO Z. /гл/ /e.-S