Волоконно-оптический датчик скорости Советский патент 1989 года по МПК G01P3/36 

ho которому определяется скорость движения поверхности. Цель изобретения - повышение точности измерения за счет уменьшения влияния межмодовых

шумов световода, а также конструктивное упрощение за счет возможности использования слабокогерентного источника. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет осуществлять дистанционное измерение и конт- . роль скорости движения отражающей поверхности, например, вращения вала. Излучение источника 1, длиной волны X, шириной спектральной полосы 4- , через светоделитель 2 поступает на входной торец волоконного световода (ВО) 3. Выходящее со стороны выходного торца ВС 3 излучение направляется нормально поверхности движущегося объекта 5. Отраженное от поверхности излучение вводится в ВС 4, выполненный в виде разомкнутого кольца. Торцы ВС 4 расположены симметрично относительно выходного торца ВС 3, оптические оси ВС 4 со стороны торцов пересекаются под углом , по биссектрисе которого направлена оптическая ось ВС 3 со стороны его выходного торца. Отраженное излучение распространяется по ВС 4 во встречных направлениях, выходит из сопряженных торцов ВС 4, вторично отражается от движущейся поверхности и попадает в ВС 3 со стороны его выходного торца. ПРОИСХОДИТ когерентное сложение двукратно отраженных световых волн. В качестве источника излучения вь№ бран слабокогерентный светодиод, длина ВС 4 выбрана из условия 1. Л Л (nj..) , где М - число модовых групп волокна; nj.,. - показатели преломления сердцевины и оболочки световода. Это позволяет исключить влияние межмодовых щумов световода. Выходящее из входного торца ВС 3 излучение через светоделитель поступает на фотодетектор 7, частота фототока на выходе которого определяется удвоенным допплеровским сдвигом частот - (Л ел со со ю 00

1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в оптическом приборостроении при создании систем дистанционного измерения и контроля скорости движущихся отражающих объектов.

Целью изобретения является повышение точности измерений за счет уменьшения влияния межмодовых шумов в во- локонных световодах и конструктивное упрощение устройства.

На чертеже изображена блок-схема датчика.

Датчик содержит монохроматический источник 1 излучения, светоделитель 2, приемопередающий волоконный световод (ВС).3, выполненный в виде разомкнутого кольца, волоконный световод 4, отражающую поверхность 5 движущегося объекта, микрообъективы 6, фотодетектор 7.

Датчик работает следующим образом Часть монохроматического излучения источника 1 длиной волны шири- ной спектральной полосы ь после прохождения через светоделитель 2 вводится, например, с помощью микрообъектива 6 в ВС 3 со стороны его первого торца. На выходе ВС 3 излучение направляется нормально поверхности движущегося объекта 5, например, вращающуюся с угловой скоростью (О . Отраженное от поверхности излучение вводится, например, с помощью микрообъективов 6 в выполненный в виде разомкнутого с одной стороны кольца во локонньй световод 4 со стороны его первого и второго торцов. При этом каяедый торец выполняет функции как входного, так и выходного торца.

Доплеровский сдвиг частоты отраженного света зависит от пространственных условий приема. При симметричном расположении торцов ВС 4 относительно выходного торца ВС 3 доПле0

Q

5

5 O

35

40

дз

f .2-V-sinoi/Z ровскии сдвиг частот г i;:-,

где - угол между оптическими осями ВС 4 со стороны его торцов; V - линейная скорость движения поверхности объекта. Если расстояние между торцами ВС 4 равно 2d, а расстояние от второго торца ВС 3 и торцов ВС 4 до поверхности равно h, доп- леровский сдвиг частоты при sinfl/2 ti. tget/2 равен

f -i2d -h- A

BC 4 играет роль волоконного кольцевого интерферометра, в котором световые потоки распространяются встречно. Выходящее из каждого сопряженного торца ВС 4 излучение вторично отражается от поверхности объекта и вводится в ВС 3 со стороны его второго торца, где происходит когерентное сложение проходящих по ВС 4 вторичных световых потоков. Интерференционная структура, образующая в результате фотосмешения световых по91токов имеет период .

Излучение, прошедшее БС 3 в направлении, противоположном направлению распространения излучения источника, через светощелитель 2 попадает на фотодетектор 7. Для обеспечения достаточной глубины модуляции фототока на выходе фотодетектора пространственно-частотные селективные свойства второго торца ВС 3, используемого в качестве входного для отраженного света, устанавливают в соответствии с периодом интерференционной структуры А.

Например, для повьш1ения глубины модуляции фототока диаметр сердцевин ВС 3 выбирается меньшим ширины одной полосы из условия а.: Л/2.

Интерферирующие световые волны проходят внутри ВС 4 одинаковые оптические пути, что дает возможность использовать в качестве источника слабокогерентный ис- точник излучения - светодиод, что упрощает конструкцию устройства. При этом когерентное взаимодействие мод в волокне сохраняется лишь в преде- лах длины световода

L

Uc-nJJ

где П(., Пду - показатели преломления

сердцевины и оболочки ВС; М - число медовых групп

в волокне.

Выбор длины световода 4 из услови , позволяет исключить влияние когерентной межмодовой интерференции определяющей модовые шумы, которые ограничивают точность чувствитель ность датчика. Частота фототока на выходе детектора 7 определяется удво енным доплеровским сдвигом частоты 2fj) вследствие двухкратной модуляции движуЕщмся объектом при вторичном отражении от его поверхности. Анализ частоты сигнала на выходе датчика поз воляет определить скорость движения отражающей поверхности.

1

Формула изобретения

Волоконно-оптический датчик скорости, содержащий источник излучения, первый и второй волоконные свеи

145-3328 ,

товоды, светоделитель, фотодетектор, ,причем первый торец первого волоконного световода оптически согласован с источником излучения и фотодетек

15

0 25 п

5

тором, а второй торец второго волоконного световода оптически согласован с вторым торцом первого волоконного световода, отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности измерений за счет уменьшения влияния межмодовых шумов световодов и упрощения конструкции, в качестве источника излучения выбран слабокогерентный светодиод, второй световод выполнен в виде разомкнутого кольца, при этом торец второго световода оптически согласован с вторым торцом первого световода, причем оптические оси второго волоконного световода со стороны первого и второго торцов лежат в одной плоскости и пересекаются под углом , а оптическая ось первого волоконного световода со стороны его второго торца совмещена с биссектрисой углаой , при этом длина второго волоконного световода L выбрана из условия

й-лСп -п,)

показатели преломления сердцевины и оболочки световода; М - число модовых групп

световода; И Л А - длина волны и ширина

спектральной линии излучения источника.

с .