Способ измерения диаметра внутренней жилы двухслойного оптического волокна и устройство для его осуществления Советский патент 1988 года по МПК G01B21/14 

дзигЛ

Изобретение относится к те льной технике и может быть использовано для измерения диаметра анут- реаней жилы одномодового оптического волокна ,

Цель изобрете ия - расширение диапазона измерений за счет чуаствительности путем использования зависимости огибающмх экстрему мов интенсивности диафраглрованного, светового потока от диаметра внутренней жилы оптического волокна.

На фиг, I приведена зависимость раснределепия интенсивности рассеян- ного излучения от угла рассеяния, по лученная при облучении одномодового полокна пучком когерентного монохроматического 1 злучения (пу-iKTHpHbiMH линиями показаны две огибающие макси мумов и минимумов интенсивности5 элетрический сигнал, соответствующий сумме двух огибающих, временной интервал, но которому определяют диаметр сердцевины волокна); на фиг,2 - зависимости длительности временного интервала от диаметра сердцези:ны волокна при неизменных внешнем диаметре волокна и показателях преломления оболочки и сердцевины; на фиг, 3 - зависимости углового положения ма информационного сигнала от диаметра сердцевины, внешнего диаметра волокна, показателя преломления сердцевины, показателя прел.омлан1 Я оболо ки; на фиг, 4 - блок-схема устроГ ств для измерения диаметра вкутре 1ней жилы одномодового волокна.

Устройство для измерения Д5шметра внутренней жилы одномодового оптического волокна содержит оптически связанные лазер 1„ объектив

блок 3

сканирования, фотопрнемник 4, датчик 5 положения, связанньй с блоком 3 сканирования, первый определитель 6 экстремума, нервый 7 и второй 8 фильтры, сумматор 9, второй определи тель 10 зкстремума, триггер 11 и измеритель 12 временного лктервала.

При облучении одномодового оптического волокна пучком когерентного монохроматического излучения перпендикулярно его оптической оси образуется интерференционная картин;а в дальней зоне,На фиг, 1 показан график распре интенсивности в интерференционной картине в зависимости от угла рассеяния излучения. Данный, график ЯЕ-

,1::яется результатом расчета на ЭВМ по- } 1Я рассеяния излучения от двухслойно- Г о диэлектрического прозрачного цилиндра по волно::1ой теории, которое описывается

Т - - /

выражением Ь,

эк0 р

п

п ri

г де Л - длина волны излучения;

г - расстояние от во.чокна до

рана;

угол рассеяния;

интенсивность;

комплексные коэффициенты, Результаты расчетов показали, что сердцевина в волокне влияет на распределение интенсивности в поле рассеяния только Б определенном угловом диапазоне, которь;й можно огфеделить по npocTbLM формулам геометрической теории

0 -2

п

. / ain 1 V arcsinl -arc

sin(5)| ;

5 20 -30

35

Ю

45

50

55

-;-rcsinl,

где 0,,

ш

угол нача:1а модуляции;

угол конца модуляции;

радиус сердцевлны волокна;

радиус оболочки волокна;

атс ль преломлени.я сердце пин:-,:; .,, - показатель преломленил обоj;o4Kn.

В этом угловом диапазоне на высокочастотные колеба1 кя интенсивности, период которых несет информаци;о о внешнем диаметре волокна, накладывается низкочастоть:ая модуляция с выраженным первым максимумом и постепенным затуханием амплитуды на верхней границе диапазона, При достаточно большом диаметре внутренней жилы эта модуляция xopoijjo выражена и зы,делить ее не трудно. Если контролир тотся одномодовые золокна с диаметром сердцевины менее 0 мкм, то угловой диапазон модуляции смегдается з область преобладания днфрагированного излучения м амплитуде;, модуляции становится значительно меньше, чем ам1 ;литуда высокочастотной составляющей сигнала. Введение последовательности операций, заключающейся в эыделении огибл;ои.1их максимумов и ь :1-п нмумов кз регистр - руемого электрического сигнала и cj:o- жении огибающих юзво.ляет получить

информационный сигнал, даже если низкочастотная модуляция незначительна. Информацию о диаметре сердцевины несет сумма огибающих. Результаты расчетов показывают, что изменение диаметра сердцевины вызывает пропорциональное изменение углового положения минимумов сигнала, соответствующего сумме огибающих. Угловое положение минимумов информационного сигнала инвариантно к изменению внешнего диаметра волокна и показателя преломления оболочки (см, фиг, Зб,г), Зависимость положения минимумов от показателя преломления сердцевины представлена на фиг,3в. Так как в технологическом процессе производства волокон показатели преломления оболочки и сердцевины выдерживаются достаточно точно, то на практике можно не учитывать их влияния на результаты измерений.

Устройство для измерения диаметра внутренней жилы одномодового оптичес- кого волокна работает следуюшдг- образом,

Измеряемое волокно облучают лучом лазера 1, В фокальной плоскости объектива 2 формируется ир терферен- ционная картина, которая сканируется блоком 3 и преобразуется фотоприемником 4 в электрический сигнал. При достижении элементом сканирования, входящего в блок 3 сканирования, заданного положения, соответствующего пространственному положению 2 относительно оптической оси, датчик 5 положения формирует сигнал в виде короткого электрического импульса, посту- пающего на второй вход триггера I и устанавливающего его в исходное состояние. Периодический электрический сигнал, снимаемый с выхода фотоприемника 4,поступает на вход первого оп-

ределителя 6 экстремума и на информационные входы первого 7 и второго 8 фильтров. Первый определитель б экстремума фиксирует моменты экстремума поступающего на его вход сигнала} на первом выходе формируются короткие импульсы, соответствующие максимумам сигнала. Полученные короткие импульсы, соответствующие моментам максимумов сигнала на выходе фотоприемника 4, поступают на вход первого фильтра 7, где выделяется огибающая максимумов сигнала, аналогичным путем на выходе второго фильт

10

15

20

25

,« .

Д J

30

35

50

ра 8 выделяется огибающая миним т юв сигнала, С11гналы с выхода первого 7 и второго 8 фильтров поступают на вход суъ матора 9, где суммируются. Переменный электрический сигнал с выхода сумматора 9 поступает на вход второго определителя 10 экстремума, где фиксируется момент экстремума, соответствующий мин1-1муму суммы огибаю- максимумов и минимумов периодического сигнала, снимаемого с выхода фотолриемника 4, В этот момент на выходе второго определителя 10 экстремума формируется короткий электрический Ф1пульс, который поступает на первый вход Tpiirrepa 1 1 , что приводит к срабатыванию триггера 11, На выходе последнего формируется электрический импульс, длительность которого прямо пропорциональна диаметру внутренней жилы одномодового оптического волокна. Длительность полученного импульса измеряется измерителем 12 временного интервала,

Б качестве элементов устройства могут использованы He-Cd лазер - источник когерентного излучения, объектив - Фурье преобразующая линза. Сканирующее устройство может быть выполнено в виде вращающегося зеркала, Фртоприемное устройство может быть вьшолнено в виде диафрагмы поля с ус- тановленньм за ней фотодиодом ФД-256, работающим в паре с операционным уси- Л11телем К544УД2, Датчик положения мо жет быть выполнен в виде оптопары (фотодиод ФД-256, светодиод АЛ-107) с открытым опт11ческим каналом и пре- рывателем, жестко связанныг-; с осью врай1ения отражателя. Первый определитель экcтpeмy ia сигнала может быть выполнен в виде последовательно подключенных дифференциатора на операционном усилителе К5 (4УД2 и компараг тора - микросхема 521 САЗ, и двух од- новибраторов - микросхема 133АГЗ, входы которых подключены к выходу компаратора. Второй определитель экстремума сигнала моукет быть выполнен в виде последовательно- подключенных дифференциатора на операционном усилителе К544УД2, компаратора - микросхема 521 САЗ, и одновибратора - микросхема 133АГЗ. Кроме того, в качестве элементов устройства могут быть использованы cy iмaтop напряжений - на микросхеме К544УД2, триггер - RS-триггер - микросхема 133ГМ2,

:;1змеритель временного интерзалр - -шстотомер 43-34А, первый и BTopofi |{ишьтры -сплапи-аппроксиьтнруящнй фильтр, работа каждого из 1сотор лх синхронизована сигналом с соответ- , CTByiouiero выхода периого о-лредеинте- ля момента экстреь ума. СплаГш-аппрорс- |;имирующ11Й ф1-шьтр состоит из двух по- следойательно подключенных фильтров; вспомогательного, на выход., которог -с формируется импульсная последояатель - лость, амнлитуда которых с.оотзетству ет амплитуде, максимумов (млииму чов) периодического сигнала, по пупающего па информационны - вход, и 1Ьил.ьтра5 осуществляющего интерноляцш-о полученной имнульспой носледоЕ..:1тельности , (Сплайн-фильтры второго И- третьего порядков весьма эффектнпно лодавляют высокочастотные составляющие дискре визированного сигнала,

Ф о р м у л а и 3 о G р е Г е гс .ч я:

1. Способ измерения диаметра цнут- реннеГ жилы дпухслойного С1;;тячес,кого иолокна, заключающийся в тог-;, ч го направляют на олтическое моно- фo aтичecкий когерентный iiy-iox света, сканируют в прямой зоне. попе, рас- с;еяния пучка света с однов1-;сме1тЕ,1м преобразованием шггелсивностл света в электрический сигнал, о т л и - ч а ю щ и и с я тем,, что, с целью расширения диапазона измеряе - ых нелп- чин диаметра внутренней одномо- дового оптического волокна. ;рормирук 1 сигнал, величина которого гапна сумме огибающих Jaкcи yмcБ и ь-л}-имумоп исходного электрического сит чал а , и-;

07506

ьизряют временно интервал с момента начала сканирования до момента нояв- ления минимума с4юрмирова ного сигнала,, но величине которого судят о диаметре внутрен:ней лсилы одномодового оптического воло1 ;на .

2 . Устройство для измерения диа-.

К метра внутренней жилы двухс::;ойного оптического волокна, содержащее оптически связанные лазер, объектив, блок сканирования поля рассеяния и фото- приемник,, измеритель временного инр тервала, о т л li ч а ю щ е е с я тем. что, с далью расширения диапазона из- меряемьгх величин диаметра внутренней KSLuw одномодовог : оптического волок- ia, оно снабжено датчиком положения,

20 первым и вторым определителями экстре- .syMa, первььм и вторы:- фильтрами, сум- - ь;атором электрьг- аских сигналов и триггером, датчи с положения соединен С; блоком скап:иро ан1: я,. информацио 1ные. входы фильтроз иодк/пс сены к выходу фoтo;тpнe пикa и .аходу первого опреде- 1ите.пя экстремуъ.., первьп и второй В11 ход:Л которого /го,гЕключен(,1 соответст- нспни к управляющим входам первого и второго фшпчтуоЕ, к riepBONry и ито- пому входам сумм,торг; э;; ектрических .алсв подкл101- 1:;н :1 БЫХОДЫ соо гве ст- венцо первого и ;ггор ого фильтров, вход второго о;:;)еделителя экстрему- м л подк. почеи к L i-.гходу сумматор., пер- ai, :-зход тригггр; .пючен к выходу ij горпго oIpaдeJПi.тe:fя экстремума, вто- р:)й isxOii трих гер;; уюдключеп к выходу д.; Т -1Ика ло.ложеп;:; „ нглход триггера .ij, J 0 ieH к оход;. ;гзмерите:;.;; времен- iiijго .uiiTepiiajia,

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - расширение диапазона измерений - достигается за счет повьшения чувствительности путем использования зависимости суммы огибающих экстремумов интенсивности дифрагированного светового потока от диаметра внутренней жилы оптического волокна. Введение операций выделения максимумов и минимумов в дифракционной картине от светового пучка, образованного при облучении лазером световода, позволяет получить информационный сигнал, длительность которого пропорциональна диаметру внутренней жилы световода. Лазер 1 через объектив 2 осуществляет облучение одномодового оптического волокна. Образовавшаяся дифракционная картина анализируется путем преобразования интенсивности светового пучка в электрический сигнал с помощью блока 3 сканирования и фотоприемника 4. Фильтры 7 и 8 выделяют из сигнала огибающие экстремумов, которые затем суммируются сумматором 9. Триггер 11 формирует импульс, длительность которого равна интервалу времени, прошедшему с момента начала-сканирования до момента времени, соответствующего максимуму суммы огибающих. Измеритель 12 временных интервалов осуществляет регистрацию величины диаметра внутренней жилы световода 2 с.п. ф-лы, 4 Ш1. (Л 4 О ел Лт

1/

ai - диаметр сердцевины (Риг.2

ь)

Vu&.i

в const

)

..-

fi- 5 6 1 В

Г

,.л.„...,„.„.,...1... 125 150

47 45 1,50

,Ч6 iAl

иг.З

,Х

( нки Па-1,86

П0 1,66

П

а,1тм гГ)

/2 4-AfKAf

Па--1,$б п в 1,6 6

ng -1,66 а 5 мнн 6 115 м и h

) В)

h.

Па --

а -SHfffi В