Волоконно-оптический преобразователь Советский патент 1992 года по МПК G01B21/00 

сл

С

Изобретение относится к измерительной технике Цель изобретения - повышение точности за счет исключения погрешности от неидентичности фотоприемников Преобразователь содержит систему световодов, электрооптические затворы 5 и 6 и фотоприемник 9 Переключение оптических затворов 5 и 6 позволяет последовательно формировать на фотоприемнике 9 изображение различных выходных торцов световодов 1 з п ф лы 4 ил

М

ь

JVJ оо о

Os

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений перемещений объектов или расстояния до объекта в диапазоне до нескольких миллиметров.

В технике широко известны методы и устройства для измерений положений объектов, зазоров и перемещений с помощью рефлектометрических волоконно-оптических датчиков. В качестве обязательных элементов каждый такой датчик содержит световод, разветвленный с одного конца на осветительную и приемную ветви, а также излучатель и фотоприемник, расположенный перед торцами соответствующих ветвей Амплитуда выходного сигнала Фотоприемника является функцией расстояния между исследуемой поверхностью и торцом неразветвленного конца световода. Недостатком таких устройств является то, что амплитуда выходного сигнала сильно зависит от отражательных свойств поверхности исследуемого объекта, свойств газовой средь в промежутке между датчиком и объектом, состояния-торца световода и яркости излучателя.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, содержащее систему световодов, излучатель, фотоприемную систему, состоящую из двух фотоприемников, и блок деления. Система световодов состоит из двух разветвленных надвое световодов, неразветвленные концы которых расположены на различных расстояниях от поверхности объекта, торцы одних ветвей световодов обращены к излучателю, а торцы других ветвей - к соответствующим фотоприемникам, выходы которых соединены с соответствующими входами блока деления, выход которого является выходом устройства. Свет от излучателя по осветительным волокнам световодов попадает на поверхность объекта и отразившись от нее, по приемным волокнам попадает на фотопри- . емник. Так как торцы световодов удалены от поверхно.сти объекта на различные расстояния, то характеристики преобразования для фотоприемников Ui(x) и U2(x) различны {х - измеряемая величина или расстояние от поверхности объекта до торца ближайшего световода. В. блоке деления осуществляется деление двух сигналов один на другой Результирующий сигнал U(x) U2(x)/lh(x) не зависит от действия перечисленных выше мешающих факторов (коэффициента отражения поверхности и др.). так как каждый из сигналов - Ui(x) и 1)2(х) - одинаково подвержен действию этих факторов.

Описанное устройство имеет существенный недостаток, заключающийся в том.

что фотоприемники не могут быть абсолютно идентичными один другому и различие временного и температурного дрейфов выходных сигналов фотоприемников приводит

к погрешности измерений. Кроме того, определенные сложности возникают при установке рабочих режимов фотоприемников. Например, если в качестве фотоприемников используются лавинные фотодиоды (наибо0 лее перспективный класс фотоприемников ввиду их высокой чувствительности и быстродействия), то требуются специальные меры (термостатирование, различные автоматические регулировки и др), обеспечиваю5 щие высокую точность поддержания на обоих фотодиодах так называемых обратных напряжений смещения, причем для каждого экземпляра фотодиода имеется свое индивидуальное паспортное значение обратного

0 смещения, соответствующее его максимальной чувствительности Но даже специальный подбор фотодиодов в пары по величине обратного смещения не приводит к полной идентичности характеристик фо5 тоток - яркость и фототек - температура. Аналогичные проблемы возникают также при использовании других классов фотоприемников.

Цель изобретения - повышение точно0 сти волоконно-оптического преобразователя путем исключения погрешности от неидентичности фотоприемников.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее систему светово5 дов, излучатель и фотоприемную систему, последняя состоит из одного фотоприемника, преобразователь снабжен генератором тактовых импульсов, двумя электрооптическими затворами, установленными за вы0 ходными торцами системы световодов, фокусирующей системой, оптически связанной с фотоприемником и электрооптическими затворами, входы которых подключены к выходам генератора тактовых импульсов со5 ответственно, последовательно соединенными усилителем с регулируемым усилением, ключом, управляющий вход которого подключен к одному из выходов генератора тактовой частоты, и первым

0 фильтром нижних частот, выход которого подключен к управляющему входу усилителя, и вторым фильтром нижних частот, вход которого подключен к второму выходу ключа, система световодов выполнена в виде

5 трех световодных жгутов, вторые торцы которых собраны в измерительный торец, причем в измерительном торце волокна первого и второго жгутов равномерно перемешаны, а волокна третьего жгута расположены коаксиально вокруг волокон первого и

При делении одного выражения на другое получают новую функцию U(x), не зависящую от коэффициента р. График U(x) показан на фиг.З пунктиром. Все последующие элементы предлагаемого устройства (10,11.12 и 13) как раз реализуют операцию деления аналогового сигнала на другой с освобождением от совокупности влияющего коэффициента р. Работа указанных элементов иллюстрируется временными диаграммами напряжений на фиг.4. В те моменты времени, когда напряжение на первом выходе ГТИ 7 .отсутствует, электро- опткческий затвор 5 прозрачен и пропускает свет, собираемы.й приемным пучком 2. на фотоприемник 9. на выходе которого в эти моменты времени имеется напряжение Ui (фиг.4в), подаваемое на вход РУ 10. В этом время на втором выходе ГТИ 7 присутствует напряжение, поэтому электрооптический затвор 6 закрыт, а переключаемый контакт ключа 11 перекинут с нормально замкнутого контакта на нормально разомкнутый. При этом напряжение на входе ФНЧ2 13 отсутствует, а напряжение с выхода регулируемого усилителя РУ 10 подается на вход ФНЧ1 -12, с выхода которого сглаженное, без пульсаций, напряжение подается на управляющий вход РУ 10. По управляющему входу РУ 10 осуществляется управление коэффициентом усиления к, причем при увеличении сигнала на выходе РУ 10 k уменьшается, т.е. имеет место отрицательная обратная связь. Описанная регулировка усиления РУ 10 осуществляет изменение коэффициента усиления k в зависимости от уровня 1Н(х) так, что

и

kUi(x) U0 const

(3)

Значит на выходе РУ 10 в рассмотрен- ные интервалы времени напряжение неизменно (фиг.4г).

В другой такт работы ГТИ 7, когда на его первом выходе присутствует напряжение, и на втором отсутствует, открыт только элект- рооптический затвор 6, и на фотоприемник 9 проходит только свет, собираемый пучком 3, т.е. на выходе фотоприемника имеется напряжение Ua(x) (фиг,4в).

При этом переключаемый контакт кяю- ча 11 соединен с нормально замкнутым контактом; и вход ФНЧ1 12 отключен от выхода РУ 10, т,е. в этот момент времени выходной сигнал РУ 10 не влияет на установившийся в предыдущем такте коэффициент усиления k РУ 10. Поэтому поступающий с выхода фотоприемника, § на, вдодд РУ 10 с,иГгШ усиливается с коэффициентам И: уси л§НИЯ РН paggH (ФиМд)

U(x) kU2(x).

(4)

С помощью ФНЧ2 13 этот сигнал освобождается от пульсаций и принимает вид 4е.

Таким образом, получен сигнал U(x), свободный от р. Действительно, с учетом (1), (2),(3)и(4)

U(x) kU2(

U2(x)

и ЯМ)

U°PW)

U

f2(x;

20

25

30

35

40 45

50 55

Полученная функция 11(х)практически линейна в широком диапазоне значений х и монотонно возрастает, поэтому предлагаемый преобразователь удобно использовать для измерения перемещений Дх (т.е. для измерения измерений расстояний х).

Деление U2(x) на Ui(x) может быть осуществлено также другими методами, например цифровыми, с предварительным аналого-цифровым преобразованием. Предлагаемая структура устройства позволяет осуществить деление наиболее простыми и доступными средствами.

Предлагаемое устройство, как и известное, позволяет измерять перемещения объекта или расстояние до объекта без погрешностей, связанных с изменениями коэффициента отражения объекта, яркости излучателя и др. Но точность предлагаемого устройства выше благодаря тому, что отраженное от объекта излучение по двум оптическим каналам разной конфигурации поступает не на раздельные фотоприемники, а последовательно на один и тот же фотоприемник, что позволяет избежать .погрешностей, связанных с неидентичностью фотоприемников.

Предлагаемое устройство более надежно по сравнению с известным, так как содержит не два, а один фотоприемник, каждый из которых является наименее надежным элементом устройства.

Предлагаемое устройство более технологично в изготовлении и настройке, так как в отличие от известного в нем не требуется точная установка идентичных режимов фотоприемников и предварительный подбор в пары фотоприемников. Отсюда и более низкая стоимость устройства.

Варианты реализации устройства могут быть различными. Излучатель 4 может быть Выполнен, например, на основе инфракрасных светодиодов типов АЛ 119 или АЛ 130, фото,гфиемник 9 - «а основе давин,ных фОвторого жгутов, первые торцы жгутов являются входными и двумя выходными торцами системы световодов соответственно.

Устройство содержит новый, ранее нигде не применявшийся элемент - систему световодов, волокна которой расположены особым образом, что вместе с другими особенностями устройства позволяет получить положительный эффект. Отдельно взятые функциональные элементы предлагаемого устройства известны в технике. Например, электрооптические затворы могут представлять собой ячейки Керра или жидкокристаллические элементы. Применение усилителей электрических сигналов с управляемым коэффициентом усиления широко известно в электронике. Электронные ключи, содержащие группы переключаемых контактов, также известны. Ими могут быть, например, серийно выпускаемые интегральные ключи К590КН4.

На фиг. 1 показана функциональная схема преобразователя; на фиг.2 - измерительный торец системы световодов; на фиг.З и 4 - диаграммы напряжений, поясняющие ра- боту устройства.

Устройство содержит систему световодов, которая состоит из осветительного пучка 1, первого приемного 2 и второго приемного 3 пучков, Все пучки собраны с одного конца в один жгут круглого сечения (фиг.2). Волокна осветительного пучка 1 и первого приемного пучка 2 равномерно перемешаны и сосредоточены в центре жгута, а вокруг них коаксиально расположены во- локна второго приемного пучка 3. Устройство содержит также излучатель 4, первый 5 и второй 6 электрооптические затворы, генератор тактовых импульсов (ГТИ) 7, фокусирующую систему 8, фотоприемник 9., усилитель с регулируемым усилением (РУ) 10, ключ 11, ФНЧ 12 и ФНЧ2 13. Торец осветительного пучка 1 обращен к излучателю 4, торцы приемных пучков 2 и 3 обращены соответственно к электрооптическим затворам 5 и 6, оптические оси которых направлены на фокусирующую систему 8, а входы управления соединены соответственно с первым и вторым входами ГТИ 7. Фокусирующая система 8 расположена по ходу лучей перед фотоприемником 9, выход которого соединен с входом РУ 10 Выход РУ 10 соединен с управляющим входом ключа 11.

Нормально замкнутый контакт ключа 11 соединен с входом ФНЧ2 13 нормально разомкнутый - с входом ФНЧ1 12, а вход управления -с вторым выходом ГТИ 7. Выход ФНЧ1 12 соединен с входом управления РУ 10, а выход ФНЧ2 13 является выходом всего устройства.

Устройство работает следующим образом.

Неразветвленный торец световода располагают перед поверхностью объекта 14. Свет от излучателя 4 по осветительному пучку 1 световода попадает на поверхность объекта 14. Отраженный свет по приемным пучкам 2 и 3 проходит к электрооптическим коммутаторам 5 и б, которые осуществляют поочередное пропускание света с приемных пучков 2 и 3 и на фокусирующую систему 8. Поочередное открывание и запирание электрооптических затворов 5 и 6 осуществляется с помощью ГТИ 7, имеющего два парафазных выхода, соединенных с входами управления соответствующих электрооптических затворов 5 и 6.

Временные диаграммы напряжений на выходах ГТИ показаны на фиг.4а, б. Каждый из электрооптических затворов работает так, что при отсутствии напряжения на его выходе управления электрооптический затвор оптически прозрачен, а при наличии - оптически закрыт. Фокусирующая система 8 служит для фокусировки обоих лучей с электрооптических затворов в одну точку фотоприемника 9. Сигнал на выходе фотоприемника 9 различный по уровню в зависимости от того, какой из приемных оптических каналов в данный момент открыт: канал с приемным пучком 2 или канал с пучком 3. Уровень сигнала на выходе фотоприемника 9 для каждого из каналов за- висит от расстояния (х) между торцом световода и поверхностью исследуемого объекта.

На фиг.З представлены графики напряжений на выходе фотоприемника 9 в зависимости от х раздельно для двух каналов: Ui(x) и U2(x). Графики Ui(x) и U2(x) различны по форме вследствие неодинаковых условий приема отраженного от объекта света приемными пучками 2 и 3, так как эти световод- ные пучки имеют различную конфигурацию поперечных сечений. Но величины Ui(x) и U2(x) одинаково зависят от коэффициента отражения поверхности объекта, коэффициента отражения торца световода, прозрачности среды между торцом световода и объектом, от яркости излучателя 4, Все перечисленные факторы можно учесть одним общим коэффициентом/. Тогда выражения для Ui(x) и U2(x) записываются через некоторые функции fi(x) и f2(x) следующим образом:

Ut(x)(x);(1)

U2(x)pf2(x).(2)

тодиодов ЛФД-2. ФД-10-129. ФДЛ-118. ГТИ7 - на основе типовых схем мультивибраторов на микросхемах КМОП- или ТТЛ-серий, регулируемый усилитель РУ 10 - на основе операционного усилителя, например. К544УД2. фильтры ФНЧ1 и ФНЧ2 - на основе интегрирующих RC-звеньев. Формула изобретения 1. Волоконно-оптический преобразователь перемещений, содержащий системы световодов с одним входным торцом, двумя выходными торцами и одним измерительным торцом, предназначенным для оптической связи с контролируемым обьектом, излучатель, оптически связанный с входным торцом системы световодов, и фотоприемник, отличающийся тем. что. с целью повышения точности, он снабжен генератором тактовых импульсов, двумя электрооптическими затворами, установленными за выходными торцами системы световодов, фокусирующей системой, оптически связанной с фотоприемником и электрооптическими затворами, входы которых подключены к выходам генератора тактовых импульсов соответственно, последовательно соединенных усилителем с регулируемым усилением,

ключом, управляющий вход которого подключен к одному из выходов генератора тактовой частоты, и первым фильтром нижних частот, выход которого подключен к управляющему входу усилителя, и вторым фильт0 ром нижних частот, вход которого подключен в второму выходу ключа.

5 вторые торцы которых собраны в измерительный торец, причем в измерительном торце волокна первого и второго жгутов равномерно перемешаны, а волокна третьего жгута расположены коаксиально вокруг во0 локон первого и второго жгутов, первые торцы жгутов являются входными и двумя выходными торцами системы световодов соответственно.

фаг. 2

U2W

Фиг.З

igtfxod гти

ЛбыхоЗ ГТИ

U

п пдлппп

пппппп

Выход

qtamonixt енмка

и

ТДплл

uz

Z Вход U ФНЧ1

д Вход ФнчП

« гтггГПТТТ

е Выход и ФНЧЯ

о

и

ФигЛ