RU2055313C1

RU2055313C1 - Fibre-optic interferometer sensor for measurement of geometric parameters of object

Info

Publication number: RU2055313C1
Application number: RU94007265A
Authority: RU
Inventors: Е.В. Леун
Original assignee: Научно-производственное объединение им.С.А.Лавочкина
Priority date: 1994-03-04
Filing date: 1994-03-04
Publication date: 1996-02-27

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: fibre-optic interferometer sensor has the following components interconnected optically: monochromatic radiation source, optical circuit for introducing radiation into light conduit, fibre-optic converter consisting of radiating and receiving light conduits, acoustic optical modulator, electronic measuring circuit which consists of pulse shaper, control unit and photo detector and phase lock loop connected in series; phase-lock loop has the following components connected in series: phase detector, low frequency filter, amplifier, generator controlled by voltage whose output is connected with reference input of phase detector and electric input of acoustic optical modulator; other output of phase detector is connected with input of pulse shaper whose output is connected with control unit whose output is connected with third input of phase detector and second input of amplifier. Acoustic optical modulator is connected with radiating light conduit with optical outputs; input of receiving light conduit is made in form of connector consisting of two arms: one arm is optically connected with optical output of radiating light conduit and other arm is located in parallel with axis of radiating light conduit forming radiator-receiver pair with its second optical output which is directed to object; output of receiving light conduit is optically connected with input of photo detector. EFFECT: enhanced accuracy of measurements. 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к лазерной интерферометрии, и может быть использовано для измерений перемещений объектов с высокой точностью. The invention relates to measuring technique, namely to laser interferometry, and can be used to measure the movements of objects with high accuracy.

Известен волоконный интерферометрический датчик (ВИД), содержащий лазер, магнитооптический преобразователь, оптическую поляризационную схему интерферометра, волоконно-оптический преобразо- ватель, позволяющий совместить измерительный и опорный канал, объект контроля. Данный волоконный интерферометрический датчик позволяет измерять смещение объекта с высокой точностью. A fiber interferometric sensor (VID) is known, comprising a laser, a magneto-optical transducer, an optical polarization circuit of the interferometer, a fiber-optic transducer, which allows to combine the measuring and reference channels, and the monitoring object. This fiber interferometric sensor allows you to measure the displacement of the object with high accuracy.

Недостатком его являются ограниченные функциональные возможности, позволяющие измерять только смещение объекта относительно начального положения. Its disadvantage is limited functionality that allows you to measure only the displacement of the object relative to the initial position.

Известен ВИД, содержащий лазер, два акустооптических модулятора, оптическую схему интерферометра, волоконно-оптический преобразователь, состоящий из трех одномодовых волокон, реализующих измерительный и опорный каналы. Данный ВИД также позволяет измерять смещение контролируемого объекта с высокой точностью. Known VID containing a laser, two acousto-optical modulators, an optical interferometer circuit, a fiber-optic transducer, consisting of three single-mode fibers that implement measuring and reference channels. This view also allows you to measure the displacement of the controlled object with high accuracy.

Недостатками его являются большая погрешность измерений, вносимая волоконно-оптическим преобразователем из-за его достаточно сложной конструкции, и ограниченные функциональные возможности датчика, позволяющие измерять только смещение объекта. Its disadvantages are the large measurement error introduced by the fiber-optic transducer due to its rather complicated design, and the limited functionality of the sensor, which allows measuring only the displacement of the object.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является ВИД, позволяющий измерять не только смещение объекта, но определять его положение и осуществлять контроль геометрических параметров изделий, состоящий из последовательно соединенных лазера, акустооптического модулятора, волоконно-оптического преобразователя, состоящего из излучающего и приемного световодов, оптической схемы ввода-вывода излучения для световода, оптической схемы интерферометра, электронной измерительной схемы, содержащей последовательно соединенные фотоприемник, фазовый детектор, фильтр низких частот, усилитель, генератор, управляемый напряжением, выход которого соединен с опорным входом фазового детектора и электрическим входом акустооптического модулятора, выход фазового детектора соединен также с входом формирователя импульсов, выход которого подключен к блоку управления, выход последнего соединен с третьим входом фазового детектора и вторым входом усилителя. The closest in technical essence to the proposed one is VID, which allows not only to measure the displacement of the object, but also to determine its position and to control the geometric parameters of the products, consisting of a series-connected laser, acousto-optical modulator, fiber-optic transducer, consisting of emitting and receiving optical fibers, optical radiation input / output circuits for an optical fiber, an optical interferometer circuit, an electronic measuring circuit comprising e photodetector, phase detector, low-pass filter, amplifier, voltage-controlled generator, the output of which is connected to the reference input of the phase detector and the electrical input of the acousto-optical modulator, the output of the phase detector is also connected to the input of the pulse shaper, the output of which is connected to the control unit, the output of the latter connected to the third input of the phase detector and the second input of the amplifier.

Недостатком такой конструкции является большая погрешность измерения, вносимая волоконно-оптическим преобразо- вателем под действием внешних факторов (температуры Т, давления Р, влажности Н и т.д.). The disadvantage of this design is the large measurement error introduced by the fiber-optic converter under the influence of external factors (temperature T, pressure P, humidity H, etc.).

Технический результат изобретения заключается в повышении точности измерений. The technical result of the invention is to improve the accuracy of measurements.

Результат достигается тем, что предлагаемый волоконный интерферометрический датчик для измерения геометрических параметров объектов содержит оптически связанные источник монохроматического излучения, оптическую схему для ввода излучения в световод, волоконно-оптический преобразователь, состоящий из излучающего и приемного световодов, акустооптический модулятор, электронную измерительную схему, состоящую из формирователя импульсов, блока управления и последовательно соединенных фотоприемника, фазового детектора, фильтра низких частот, усилителя, генератоpа, управляемого напряжением, выход которого соединен с опорным входом фазового детектора и электрическим входом акустооптического модулятора, при этом другой выход фазового детектора соединен с входом формирователя импульсов, выход которого подключен к блоку управления, выход которого соединен с третьим входом фазового детектора и вторым входом усилителя. Акустооптический модулятор соединен с излучающим световодом с оптическими выходами, вход приемного световода выполнен в виде соединителя, состоящего из двух плечей, одно из которых оптически соединено с первым оптическим выходом излучающего световода, а другое размещено параллельно оси излучающего световода, образуя с его вторым оптическим выходом пару излучатель-приемник, направленную на объект, а выход приемного световода оптически соединен с входом фотоприемника. The result is achieved by the fact that the proposed fiber interferometric sensor for measuring the geometric parameters of objects contains an optically coupled source of monochromatic radiation, an optical circuit for introducing radiation into the optical fiber, a fiber-optic transducer consisting of emitting and receiving optical fibers, an acousto-optical modulator, and an electronic measuring circuit consisting of pulse shaper, control unit and series-connected photodetector, phase detector, low filter frequency, amplifier, voltage-controlled generator, the output of which is connected to the reference input of the phase detector and the electrical input of the acousto-optical modulator, while the other output of the phase detector is connected to the input of the pulse shaper, the output of which is connected to the control unit, the output of which is connected to the third input of the phase detector and the second input of the amplifier. The acousto-optic modulator is connected to the emitting optical fiber with optical outputs, the input of the receiving fiber is made in the form of a connector consisting of two arms, one of which is optically connected to the first optical output of the emitting optical fiber, and the other is placed parallel to the axis of the emitting optical fiber, forming a pair with its second optical output an emitter-receiver aimed at the object, and the output of the receiving fiber is optically connected to the input of the photodetector.

На фиг. 1 показана структурная схема волоконного интерферометрического датчика для измерения геометрических параметров изделий; на фиг.2 конструктивная схема волоконно-оптического преобразователя и траектория распространения оптического излучения. In FIG. 1 shows a structural diagram of a fiber interferometric sensor for measuring the geometric parameters of products; figure 2 is a structural diagram of a fiber optic converter and the propagation path of optical radiation.

Датчик содержит источник монохроматического излучения лазер 1, оптическую схему 2 для ввода излучения в световод, волоконно-оптический преобразователь (ВОП) 3, одномодовый излучательный световод 4, акустооптический модулятор (АОМ) 5 с пьезоизлучателем 6, контролируемый объект (деталь) 7, оптический соединитель 8 одномодового приемного световода 9, фотоприемник 10, электронную измерительную схему 11, состоящую из фазового детектора (ФД) 12, фильтра низких частот (ФНЧ) 13, усилителя 14, генератора 15, управляемого напряжением (ГУН), формирователя 16 импульсов (ФИ) блока 17 управления (БУ). The sensor contains a monochromatic radiation source: laser 1, optical circuit 2 for introducing radiation into the optical fiber, optical fiber transducer (FOP) 3, single-mode optical fiber 4, acousto-optical modulator (AOM) 5 with piezo-emitter 6, controlled object (part) 7, optical connector 8 of a single-mode receiving fiber 9, a photodetector 10, an electronic measuring circuit 11, consisting of a phase detector (PD) 12, a low-pass filter (LPF) 13, an amplifier 14, a voltage-controlled oscillator (VCO) 15, an importer 16 sov (PI) control unit 17 (CU).

Устройство функционирует следующим образом. The device operates as follows.

Излучение лазера 1 с помощью оптической схемы 2 вводится в одномодовый излучающий световод 4 ВОП 3 и распространяется по направлению к объекту 7. Непосредственно перед торцом световода 4 расположен АОМ 5, который механически прикреплен к излучающему световоду, возбуждает бегущие ультразвуковые волны в световоде и вызывает процесс дифракции оптического излучения. Для случая дифракции света по модели Брэгга единственный дифрагированный оптический пучок Е (+1) получает частотное приращение, равное частоте модуляции, и выходит из сердцевины световода 4 в оболочку, а из оболочки попадает в первое плечо двуплечего оптического соединителя 8. Оптическое излучение нулевого порядка дифракции Е(0), следуя дальше по световоду 4, выходит из него, попадает на поверхность детали 7, отражается от нее, и часть излучения направляется во второе плечо оптического соединителя 8. Пространственно соединившись в общей части приемного световода 9 и интерферируя на входной плоскости фотоприемника 9, оптические порядки излучения Е(0) и Е(+1) приводят к формированию электрического измерительного сигнала. Этот сигнал поступает на вход ФД 12 электронной измерительной схемы. The radiation of laser 1 using an optical circuit 2 is injected into a single-mode emitting fiber 4 of the VOP 3 and propagates towards the object 7. Directly in front of the end of the fiber 4 is AOM 5, which is mechanically attached to the radiating fiber, excites traveling ultrasonic waves in the fiber and causes a diffraction process optical radiation. For the case of light diffraction according to the Bragg model, the only diffracted optical beam E (+1) receives a frequency increment equal to the modulation frequency and leaves the core of the fiber 4 into the cladding, and from the cladding it enters the first arm of the two-shouldered optical connector 8. Optical radiation of zero diffraction order E (0), following further along the light guide 4, leaves it, hits the surface of the part 7, is reflected from it, and part of the radiation is directed to the second shoulder of the optical connector 8. Spatially connected in the common part the receiving fiber 9 and interfering on the input plane of the photodetector 9, the optical emission orders E (0) and E (+1) lead to the formation of an electrical measuring signal. This signal is fed to the input of the PD 12 electronic measuring circuit.

Блоки измерительной электронной схемы (ФД 12, ФНЧ 13, усилитель 14 и ГУН 15) образуют схему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Выходной частотный сигнал этой схемы подается на пьезоизлучатель АОМ 5. The blocks of the measuring electronic circuit (FD 12, low-pass filter 13, amplifier 14 and VCO 15) form a phase-locked loop (PLL). The output frequency signal of this circuit is fed to a piezo emitter AOM 5.

Общий световой поток, распространяющийся по излучающему световоду, в результате взаимодействия с акустическими волнами, формируемыми АОМ, делится для случая Брэгговской дифракции на два световых потока: нулевой порядок Е(0) с частотой ν_о и первый порядок Е(+1) с частотой ν_о + +Δ f_вых (фиг.2).The total luminous flux propagating through the emitting fiber, as a result of interaction with acoustic waves generated by AOM, is divided into two light fluxes for the Bragg diffraction case: zero order E (0) with frequency ν _о and first order E (+1) with frequency ν _o + + Δ f _o ( _figure 2).

В настоящее время известны устройства, в которых исследован такой режим дифракции оптического излучения в световоде на акустической волне, например устройство, обеспечивающее вывод дифрагированного излучения Е(+1) из жилы световода в его оболочку и далее в элементы модулятора. Использование такого модулятора позволяет получить частотно сдвинутый первый порядок Е(+1) и пространственно отделить его от нулевого порядка Е(0). At present, devices are known in which such a regime of diffraction of optical radiation in an optical waveguide by an acoustic wave is studied, for example, a device providing the output of diffracted radiation E (+1) from a fiber core to its cladding and further to modulator elements. The use of such a modulator allows one to obtain a frequency shifted first order E (+1) and spatially separate it from the zero order E (0).

Первый дифрагированный порядок Е(+1) приобретает частотное смещение, равное частоте модуляции АОМ, и отклоняется от прямого пути на угол α. Параметры АОМ и пространственное расположение оптического световода подбираются таким образом, чтобы отклонившийся первый порядок Е(+1) вышел из сердцевины световода в оболочку, а затем в первое плечо оптического соединителя. The first diffracted order E (+1) acquires a frequency offset equal to the frequency of the AOM modulation, and deviates from the direct path by an angle α. The AOM parameters and the spatial location of the optical fiber are selected so that the deviated first order E (+1) leaves the core of the fiber into the cladding, and then into the first arm of the optical connector.

В настоящее время достаточно хорошо изучены вопросы проектирования и создания оптических соединителей. Для данного устройства предлагается использовать двуплечий тип соединителя, в первый вход которого вводится дифрагированное на модуляторе излучение, а во второй излучение, отраженное от детали. Такая конструкция соединителя позволяет успешно соединить две разночастотные компоненты оптического излучения. Currently, the design and creation of optical connectors have been studied fairly well. For this device, it is proposed to use a two-arm type connector, into the first input of which the radiation diffracted on the modulator is introduced, and into the second radiation reflected from the part. This design of the connector allows you to successfully connect two different frequency components of the optical radiation.

Нулевой порядок дифракции Е(0) после АОМ следует по излучающему световоду ВОП, выходит из него, падает на поверхность контролируемого объекта, отражается от него, часть отраженного излучения входит во второе плечо оптического соединителя и соединяется с первым порядком дифракции Е(+1). Суммарный поток, представляющий две пространственно соединенные разночастотные составляющие, направляется на фотоприемник и преобразуется в электрический измерительный сигнал. The zero diffraction order E (0) after the AOM follows the emitting optical fiber of the VOP, exits from it, falls onto the surface of the controlled object, is reflected from it, part of the reflected radiation enters the second arm of the optical connector and is connected to the first diffraction order E (+1). The total flow, representing two spatially connected different-frequency components, is sent to the photodetector and converted into an electrical measuring signal.

Таким образом, в данной конструкции волоконного датчика все изменения световодов от воздействия внешних факторов влияют как на нулевой порядок Е(0), так и на первый Е(+1) порядок и в результате этого взаимно компенсируется. Таким образом ВИД позволяет уменьшить погрешность измерений, которая обусловлена микродеформациями вследствие изменения внешних условий. Thus, in this design of the fiber sensor, all changes in the optical fibers due to external factors affect both the zero order E (0) and the first E (+1) order and as a result are mutually compensated. Thus, the VID allows to reduce the measurement error, which is caused by microdeformations due to changes in external conditions.

Claims

FIBER INTERFEROMETRIC SENSOR FOR MEASURING GEOMETRIC PARAMETERS OF OBJECTS, containing an optically coupled source of monochromatic radiation, an optical circuit for inputting radiation into a fiber, a fiber-optic converter consisting of a radiating and receiving fibers, an acousto-optical modulator, a photodetector, a photodetector, a photodetector, a photodetector, a detector, control and series-connected phase detector, low-pass filter, amplifier, generator with controlled voltage input, the output of which is connected to the reference input of the phase detector and the electrical input of the acousto-optic modulator, the second output of the phase detector is connected to the input of the pulse shaper, the output of which is connected to the control unit, the output of which is connected to the third input of the phase detector and the second input of the amplifier, characterized in that the acousto-optical modulator is connected to the emitting fiber, the input of the receiving fiber is made in the form of a connector consisting of two arms, one of which is optically connected to and Luciano waveguide through the side surface of the radiating waveguide, and another - taken parallel to the axis of the radiating waveguide and optically coupled to an input of the receiving fiber, and the output of the receiving fiber is optically coupled to the input of the photodetector.