Способ дистанционного измерения электрических и магнитных величин и устройство для его осуществления Советский патент 1988 года по МПК G01D5/353 

/

/2

Изобретение касается измерения электрических величин и может быть использовано для дистанционного измерения температуры, давления, механических деформаций и т.п. Изобретение позволяет повысить чувствительность и точность измерений путем устранеI . r4D ния влияний паразитной флуктуации интенсивности светового пучка. Устройство, реализующее способ, содержит источник 1 света, входной световод 2, двухлучевой поляризатор 3, фазовую пластинку 4, активный,элемент 5 модулятора, двухлучевые анализаторы 6и-7, , сигнальные световоды 8-11, парафазный фотодетектор 12, аналоговый вычислитель 13,и индикатор 14. Способ и устройство обеспечивают уменьшение погрешностей измерений, обусловленных ошибками при изготовлении и сборке модулятора оптического излучения; уменьшение времени, затрачиваемого на подготовку измерений, и упрощение с эксплуатации устройства, так как от- падает необходимость постоянного контроля уровня световой мощности, поступающей в модулятор. 2 с.п. ф-лы, 1 ил. б 8.§ сл с

Щ

/J

1

14

; Изобретение касается измерения эл|ектрических .и магнитных величин и может быть использовано для дистанционного измерения температуры, давле- HHJH, механических деформаций и т.п.

Цель изобретения - повышение чувствительности и точности измерений за счет устранения влияний паразитной флуктуации интенсивност и светово- го пучка.

На чертеже приведена схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

та

Устройство содержит источник 1 св

входной световод 2, двухлучевой поляризатор 3,.фазовую гшастинку 4, активный элемент 5 модулятора, двух- лучевые анализаторы 6 и 7, сигнальные световоды 8-11, парафазный фото- детектор 12, аналоговый вычислитель 13 и индикатор 14, причем 1 света через входной световод 2 оптически соединен с входом двухлучевого поляризатора 3, два выхода которого через последовательно соединенные фазовую пластинку 4 и активный элемент 5 модулятора оптически соединены с входами двухлучевых анализаторов 6 и 7, первые выходы которых че- рез световоды 8 и 10, а вторые - через световоды 9 и 11 оптически соединены соответственно с первым и вто- рь;м входами парафазного фотодетекто- ра 12, два выхода которого соединены

соответствующими входами аналоговоГС

вычислителя 13, выход которого соe iинeн с индикатором 14.

I Устройство работает следующим обра зон.

I Световой пучок интенсивностью 1д , поступающий от источника 1 света по входному световоду 2, разделяется дв|ухлучевым поляризатором 3 на два ор1тогонально поляризованных пучка с

ик|тенсивностями I и I „ соответствен т t- нс|. Пренебрегая потерями на отражение

и рассеяние в двухлучевом поляризаторе 3, для интенсивностей этих пучков мс|жно записать следующие выражения:

1,-ь

-г

, ш

(1)

(2а)

Шт ее

I -sin - I .7 sin2-(26) 55 о 2 л бх 2

V -V°

(2в)

587

где

в

I - интенсивность поляризованного пучка, nocTynaroitiero от источника 1 света на входной световод 2;

пропускание входного световода 2;

MJ - фазовый набег для ортогонально-поляризованных компонен- тов светового пучка после

входного световода 2. Флуктуации фазового набега Ф определяют равные.по величине, противоположные по знаку флуктуации интенсивностей

1,и

1 пучка, поступаюЩИХ в активный элемент 5 модулятора. За счет внешнего воздействия со стороны измеряемой электрической, магнитной или другой величины в активном элементе 5 модулятора ортогонально- поляризованные пучки модулируются в противофазе. В результате последующего разделения с помощью двухлучевых анализаторов 6 и 7 каждого из, этих двух пучков также на два ортогонально-поляризованных пучка в общем случае образуются две пары световых пучков. Одну из них составляют обыкновенный и необьжновенный лучи с интенсивностями I и I , а вторую, -подобную - также обыкновенной и необыкнови.

венный лучи, с интенсивностями I,j, соответственно.

Для интенсивностей вновь полученных пучков, пренебрегая паразитными потерями света в элементах модулятора, можно записать следующие выражения :

.;.

1, i,- I,,,)

i. v--

фф+ф

I sinz- - cos2(-2-°) J (4а)

Ф+SP

I I sinM™-) 1212

Шсрц-ф

I sin2- ° sin4,-- ; (46) о2/

Ф+Ф

г т / ;о

21 Ч 2

ШСр4-

I cosz- sinM-y-) j(4в)

I (--«)

Фqj-HTJ

cos4-y (4r)

где ф - постоянный фазовый набег

для ортогонально-поляризованных компонентов светового пучка в оптических элементах модулятора:,

tp - фазовый набег, пропорциональный измеряемой величине, этих же компонентов за счет внешнего воздействия. Образованные световые пучки попарно суммируются на входах парафазного фотодетектора 12. При зтом световоды 8 и 10 передают соответственно необыкновенный луч из первой пары и обыкновенный луч из второй на первый вход парафазного фотодетектора 12, а световоды 9 и 11 - остальные два луча на его второй вход. После Синфазного сложения входных сигналов на выходах парафазного фотодетектора 12 появляются противофазные сигналы i -И 1„, которые можно описать соответствующими выражениями:

44

Mi

ptVW K I sin -J +cos - lx

ср.срф. а

xsdnM-2- K I sin4--2-- )

ФЦ.СР

,1л 1пЧ--2-.(5а)

Ч q.tV

«cos4 2- ,)

2()

2

(56) 35

где К - коэффициент преобразования

интенсивности светового сигнала в парафазном фотодетек- .Q торе 12.

Как видно из приведенных вьфажений (5), при сложении синфазных сигналов обеспечивается компенсация флуктуации интенсивностей, обусловленных

45

флуктуациями фазового набега tf , происходящими при передаче оптического излучения по входному световоду 2, а также устраняются ошибки, обусловленные погрешностями изготовления и сборки модулятора оптического излучения ,

Против офазные сигналы с выходов парафазного фотодетектора 12 поступают на аналоговый вычислитель 13, ко-

-

-

торый может работать в реальном мае штабе времени. Путем вьщеления разности i и суммы входных сигналов и определения их отношения Т на выхо

874

де аналогового вычислителя 13 получают сигнал, зависящий только от фазового набега f, пропорционального измеряемой величине, и не зависящей от паразитных флуктуации интенсивностей светового пучка:

cp-L- p i- Ч- Лх лС-° ( 2а 1 QP - sin (-™)1 I соз() ,

вх

(6а)

1

.ls.) .

ср+ср

соаМ--2- V(66)

г i- ) ij.

(7)

.Q сJQ

25

30

35

.Q

45

50

55

Таким образом, предлагаемый способ и устройство для его осуществления обеспечивают повышение чувствительности и точности измерения благодаря компенсации флуктуации интенсивностей поляризованных компонентов светового пучка, передаваемого входным световодом,- а также уменьшение пог- решностей измерений, обусловленных ошибками при изготовлении и сборке модулятора оптического излучения. К преимуществам следует также отнести уменьшение времени, затрачиваемого на подготовку измерений, и упрощение экс- плуата1у(и устройства, так как в зтом случае отпадает необходимость постоянного контроля уровня световой мощности, поступающей в модулятор.

Формула изобретения

i 1. Способ дистанционного измерения электрических и магнитных величин, заключающийся в том, что световой луч

модулируют пропорционально измеряемой величине таким образом, что амплитуды его ортогональных со ставляюЕМх модулированы противофазно, измеряют амплитуды этих составляющих, математически обрабатывают результаты измерений и по полученным данным судят о значении измеряемой величины, о т- личающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, световой луч сначала разделяют на две ортогональные составляющие и модуляцию двух /лучей осуществляют одновременно пропорционально измеряемой величине, затем каждую ортогональную составляющую разделяют на две ортого5U

н|альные составляющие, из полученных четырех ортогональных состаапяю цих светового луча сннфазяо модулированные попарно суммируют, получая при

том две составляющие светового луча модулированные противофазно.

2. Устройство для дистанционного змepeния электрических и магнитных величин, содержащее источник света, входной световод, поляризатор, активный элемент модулятора, первый двух- лучевой анализатор, два сигнальных световода и последовательно соединен- 1ше парафазный фотодетектор, аналоговый вычислитель и индикатор, причем и сточник света через входной свето- врд и последовательно расположенные поляризатор и активный элемент модулятора оптически соеди 1ен с входом двухлучевого анализатора, два выхода которого соединены с входами сигнальных световодов, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения и чувствительнос

вой анализатор, третий и четвертый сигнальные световоды, а поляризатор выполнен двухлучевьм, причем его второй выход через активный элемент модулятора оптически соединен с входом второго двухлучевого анализатора, выходы которого соединены с входами третьего и четвертого сигнальных световодов, выходы первого - четвертого сигнальных световодов соединены соответственно с первым и вторым входами парафазного фотодетектора.