Способ регистрации сигнала в оптическом датчике Советский патент 1991 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано в оптических датчиках, где при равномерном изменении измеряемой физической величины на выходе чувствительного элемента датчика формируется гармонический сигнал.

Целью изобретения является повышение точности регистрации за счет устранения погрешностей, связанных со сложностью алгоритма обработки, и погрешностей, связанных с изменениями параметров датчиков.

Способ регистрации сигнала в оптическом датчике реализуется следующей последовательностью операций, фазу

гармонического оптического сигнала с выхода чувствительного элемента датчика модулируют двухчастотным сигналом, состоящим из двух синхронизированных между собой гармонических колебаний, имеющих разные, но кратные частоты и заранее рассчитанные значения амплитуд, преобразуют оптический сигнал в электрический информационный сигнал, осуществляют его частотную фильтрацию с выделением отфильтрованного информационного сигнала на частоте, являющейся комбинационной по отношению к частотам модулирующих колебаний и соответствующей значениям амплитуд этих колебаний, формируют опорный сигнал с частотой, равной частоте отOs

СП

VJ ю ел о

фильтрованного информационного сигна-гг ,

ла, измеряют разность фаз между отфильт- IA (ММ + 2 -MULM cos (2U,t (- 2 (ц),) +

рованным информационным сигналом и, 2;j.( ш ) cos UfJ.b 4ы V ...

опорным сигналом, по разности фаз опре-J L D(

делякл число полных периодов и число до-5 + (г) с°5 112оЗг Ь 2(г) 4 2 34 ()

2езупь аГа ° °УММв КПТОРЫХ ВЫЧИСЛЯЮТ« со5(4СОгЬ 4Ц)4...,((.Ь

При изменении фазогогэ сдвига между+ V,)- 233 (uQ sin( 300,t 3 (р,) + ,,,

интерферирующими волнами интенсив- ГП,(И2) 5in(io,t V4) + «3 ().

ность волны на выходе интерферометра из-10 и и 2 l г. 2) з1ичг

меняется по гармоническому закону. В то sin(3COot + 3(уг1 + 30 sin tf ,(йЦ,)

же время, гфи изменении азимута поляри-, / j ,,, пм / « . /- i i, n

зации волны ее интенсивность после поля- smlw.b V,)+233(йЦ,)5,п(,.«

ризационно-чувствигельного элементахП0() 32() cog ( 2сог1 2 г цтакже изменяется по гармоническому зако-15 г

ну. Таким образом, интенсивность волны (г cos (4c02t )+ ,..J + (ulp, +

выходе «VBC-ПИТРЛЫЮГО элемента измери-+. 21 (дц, С05 (2u,t 4 2u,U2l4( &Ч1,)

тельного усфойства в обоих случаях может-, г , .

описываться Функцией COS (4u,t 4 4(()t ...Jx 3, ((СОг± +

.-|,,Uns,r (1)2° + ()(5(.,J.

При написании выражения (3) использогде - погтоянчая составпяющая интен-валось известное разложение функций вида

сивности;cos(aslnb) и sin(aslnb) в ряд по функциям

IG - амплитуда переменной составляю-25 Бесселя. Из выражения (3) видно, что при

щей, а под р в первом случае подрззумева-модуляции р в соответствии с (2) сигнал на

ется фазовый сдвиг в интерферометре, а вовыходе детектора содержит большое коливтором - азимут поляризации волны. Причество комбинационных составляющих на

этом дальнейшее рассмотрение будет спра-частотах п аи + m ад, где пит- целые

ведливо как длч интерференционных из-30 числа. Амплитуды и фазы этих составляюмерительных устройств, использующихщих в общем случае достаточно сложно

фазовую модуляцию аолны. так и для поля-зависят от , т. е. от измеряемого параризационных.метра. Однако при синхронизации колебаний

Для реализации предлагаемого спосо-на частотах ш- и ад (т. е. при ком lofe, где

ба необходимо ввести дополнительную мо35 к и I - целые числа) и определенном выборе

дуляцию величины р по закону суммы двухвеличин , , V можно добитьгармонических функций, В общем виде этоСя такого режима работы, при котором

можно представить следующим образомамплитуда комбинационной составляющей на некоторой частоте пои + m ая буф (ро4- (wit +VM +40 дет постоянной, не зависящей от ро

+ Луъ sin (адх ). (2)величиной, а фаза будет равна . Покачжем это в качестве примера, для следуюВ выражении (2) ъ-величина, котораящего частотного случая: ал 2ад 2ш(т. е.

изменяется под действием измеряемогоK i ) о. При этом выделяют из

датчиком физического воздействия и явля-45 выражения (3) составляющую, например, на

ется медленной функцией времени (посрав-частоте ш нению с частотами ш и о);

и - амплитуды модуляции й) cos p0 cos an. F1 ( , - величины (р на частотах а и wi соответственно; и Vu-начальныеФазы колебаний.° - sin u« F2 (, Д), (4) Подставив (2) в И), получают

3 3 v- J0cosq 0 cos u4l,5in(Q4t + 11l3 где F1 и F2 -функции амплитуд модуляции

(),5in( и

+ V,)siin Acjp25m(coat + {|)2) lj-55 Р1(, tmpi)- J l2n + i(Api)X

-305;пСр0 5;п Д1р((СО + ф,))21

xsir fO t J ccsf&M inlcO,:,)) Xf 4n +1 (Д) + 4п +з(). (5)

.х 4-V5))i

F2( Дуя. Дде) I0 (Дуя) h (Др2) +

При этом получаются следующие решения:

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике, Целью изобретения является повышение точности регистрации за счет устранения погрешностей, связанных со сложностью алгоритма обработки и сизменениями параметровдатчика. Способ регистрации сигнала в оптическом датчике реализуется следующей последовательностью операций, фазу гармонического оптического сигнала с выхода чувствительного элемента датчика модулируют двухчастот- ным сигналом, состоящим из двух синхронизированных между собой гармонических колебаний, имеющих разные, но кратные частоты и заранее рассчитанные значения амплитуд, преобразуют оптический сигнал в электрический сигнал, осуществляют его частотную фильтрацию с выделением отфильтрованного информационного сигнала на частоте, являющейся комбинационной по отношению к частотам модулирующих колебаний и соответствующей значениям амплитуд этих колебаний, формируют опорный сигнал с частотой, равной частоте отфильтрованного информационного сигнала, измеряют разность фаз между отфильтрованным и опорным сигналами, по разности фаз определяют число полных периодов и число долей периода по сумме которых вычисляют результат

оо

+ Ј l2n +2(Др1)Мп +2(Др2)+(6) 5

+ 14п+б(). Если добиться выполнения Р1(, Дуз2) ±F2 (, ) А , (7)

где А - некоторое число, то формула (4) преобразуется к виду

1Ш 210 Acos(cot ± р0)

Это значит, что амплитуда составляющей на частоте ш постоянна и равна 210А, а фаза равна величине . Знак ± в формуле (8) определяется знаком в (7).

Уравнение (7) можно решить численно с помощью ЭВМ. При этом величина Авходит сомножителем в амплитуду сигнала, поэтому практический интерес представляют лишь те решения, при которых А заметно отлично от нуля.

При этом получаются следующие решения:

,313, ,10, Дрг 2,92; А 0.266, 3,95, Дрг 7,08; А 0.231. 2.80, Дде 3,58.

Аналогично можно рассмотреть составляющую интенсивности на частоте 2 ш

12Ш 2lo cospb РЗ(Др1, Д#г) - )o sin 2од F4 (Дуя, Дде), (9) РЗ(Др1,Дрг) 10 () 2 (Дрг) +

00

+ Ј 12п+2Х()Цп+2(Др2) + (10)

П 0

+ Цп + б (Л0г),

00

F4 (Дуя.Дде) 2 ten +1 ( х

п о X Цп (Д00 - Un + 4 (Др2)3 (11)

,35. .20. ,15;

Д( -3,68; 3,16; -8,56.

7)

ре8)

ю0А, муо с ит тоютно

е

ав(9)

10)

1)

15

30

35

40

Аналогично можно показать, что существуют решения и для других комбинаци10 онных частот 3 ад 4 и т. д., а также для других соотношений между ш и ад. между Vi и VSТаким образом, при соответствующем выборе режима работы модулятора величины р для регистрации измеряемой датчиком физической величины необходимо выделить из выходного напряжения детектора соответствующую комбинационную составляющую, что можно сделать с по20 мощью частотной фильтрации. Затем необходимо измерить фазу этой составляющей относительно некоторого опорного сигнала той же частоты, синхронизованного с сигналом, модулирующим величину р.

о

Формула изобретения Способ регистрации сигнала в оптическом датчике заключающийся в том, что оптический сигнал с выхода чувствительного элемента датчика преобразуют в электрический информационный сигнал, формируют опорный сигнал, обрабатывают информационный сигнал, по которому, с учетом опорного сигнала, определяют число полных периодов и число долей периода по сумме которых вычисляют результат, отличающийся тем, что, с целью повышения точности регистрации, перед преобразованием в электрический информационный сигнал, фазу оптического сигнала модулируют двухчастотным сигналом, состоящим из двух синхронизированных между собой гармонических колебаний, имеющих разные, но кратные частоты и заранее рассчитанные

значения амплитуд, после преобразования в электрический информационный сигнал осуществляют его частотную фильтрацию с выделением отфильтрованного информационного сигнала на частоте, являющейся

комбинационной по отношению к частотам модулирующих колебаний и соответствующей значениям амплитуд этих колебаний, опорный сигнал формируют с частотой, равной частоте отфильтрованного информаци онного сигнала, измеряют разность фаз между отфильтрованным информационным сигналом и опорным сигналом, по котерой определяют число полных периодов и число долей периода.