RU2115884C1

RU2115884C1 - Method of displacement measurement

Info

Publication number: RU2115884C1
Application number: RU96109765A
Authority: RU
Inventors: Р.А. Тухватуллин; Р.Г. Сагитов; И.Л. Виноградова
Priority date: 1996-05-13
Filing date: 1996-05-13
Publication date: 1998-07-20

Abstract

FIELD: fiber optics transmission systems in measuring equipment, applicable for measurement of object displacements. SUBSTANCE: modulated radiation at frequency ω₁ applied to the zone of measurements is modulated at frequency ω₁ which is lower than ω₂, with ω₁≫ ω₂. The first harmonic signal of modulation frequency ω₁ is discriminated. Then signals of the first and second harmonics are applied to the comparison unit, where they are compared. The comparison unit output signal is applied to the input of comparator, where it is compared with reference voltage. The comparator output signal is applied to the control input of the access and storage unit, which receives also modulating signal at frequency ω₂, and the measurand of mutual displacement of the end of fiber optics is determined according to the output signal of the access and storage unit. EFFECT: eliminated multiplicative noise, enhanced accuracy of measurements. 5 dwg

Description

Изобретение относится к волоконно-оптическим системам передачи в измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещений объекта. The invention relates to fiber-optic transmission systems in measurement technology and can be used to measure the movements of an object.

Известен универсальный способ, позволяющий измерить различные физические величины, в частности величину перемещения объекта [1], при котором измеряемая величина воздействует на взаимное расположение торцов приемного и передающего волоконно-оптических каналов либо изменяет условия распространения излучения между неподвижными торцами приемного и передающего волоконно-оптических каналов. Для этого монохроматическое излучение посредством передающего волоконно-оптического канала подводят в зону измерения, где формируют поток излучения, заключенный в конусе апертуры световода. Часть потока излучения освещает входной торец приемного волоконно-оптического канала, выводится им из зоны измерений и подводится к фотоприемнику, где излучение преобразуют в пропорциональный электрический сигнал, который используют для определения измеряемой физической величины. Физическую основу работы такого способа измерения составляет изменение интенсивности излучения под действием измеряемого параметра, которое проходит с торца передающего волоконно-оптического канала на торец приемного волоконно-оптического канала в соответствии с диаграммой направленности, светопропусканием волоконно-оптических каналов, влиянием измеряемой величины и различных помех. A universal method is known that makes it possible to measure various physical quantities, in particular, the object’s displacement [1], in which the measured quantity affects the relative position of the ends of the receiving and transmitting fiber-optic channels or changes the conditions for the propagation of radiation between the stationary ends of the receiving and transmitting fiber-optic channels . To this end, monochromatic radiation through the transmitting fiber optic channel is fed into the measurement zone, where a radiation flux is enclosed in the cone of the fiber aperture. Part of the radiation flux illuminates the input end of the receiving fiber-optic channel, it is removed from the measurement zone and fed to a photodetector, where the radiation is converted into a proportional electrical signal, which is used to determine the measured physical quantity. The physical basis of the operation of this measurement method is the change in the radiation intensity under the influence of the measured parameter, which passes from the end of the transmitting fiber-optic channel to the end of the receiving fiber-optic channel in accordance with the radiation pattern, light transmission of the fiber-optic channels, the influence of the measured value and various interference.

Однако такой способ измерения перемещений имеет тот недостаток, что в процессе измерения не обеспечивает компенсацию мультипликативных помех, что существенно снижает точность измерений. However, this method of measuring displacements has the disadvantage that during the measurement process it does not provide compensation for the multiplicative noise, which significantly reduces the accuracy of the measurements.

Известна работа [2], где представлен способ, позволяющий измерить, например, перемещение объекта с использованием интерферометра Фабри-Перо, заключающийся в том, что формируют монохроматическое излучение, при помощи передающего волоконно-оптического канала подводят его в зону измерения, далее при помощи принимающего волоконно-оптического канала подводят излучение к фотоприемнику, где преобразуют его в пропорциональный электрический сигнал. Здесь используются гомодинные методы измерения различных физических величин, изменяющихся по гармоническому закону, в основу которых заложено исследование гармонических составляющих сигнала на выходе гомодинной системы с дальнейшей дешифровкой и анализом его огибающей. Так, для реализации одного из описанных методов используют разложение сигнала, снимаемого с выхода измерительной системы, в спектр. Устанавливают величину разности фаз θ таким образом, чтобы sin θ = 1. Затем из состояния покоя плавно возбуждают колебания и находят первое максимальное значение амплитуды гармонической составляющей на основной частоте колебаний исследуемого объекта ω₁ . Затем измеряют неизвестную амплитуду колебаний: вновь устанавливают величину θ = π/2 + πk , k= 1,2, . . . , раскладывают сигнал, снимаемый с выхода измерительной системы в спектр, и определяют амплитуду гармонической составляющей на частоте ω₁ . Далее по формулам находят неизвестную величину.Known work [2], which presents a method that allows you to measure, for example, the movement of an object using a Fabry-Perot interferometer, which consists in the formation of monochromatic radiation, using a transmitting fiber-optic channel, bring it into the measurement zone, then using the receiving fiber-optic channel lead radiation to the photodetector, where it is converted into a proportional electrical signal. Here, homodyne methods are used to measure various physical quantities that vary according to the harmonic law, which are based on the study of the harmonic components of the signal at the output of the homodyne system with further decryption and analysis of its envelope. So, for the implementation of one of the described methods, decomposition of the signal taken from the output of the measuring system into the spectrum is used. Set the phase difference θ in such a way that sin θ = 1. Then, from the rest state, the oscillations are smoothly excited and the first maximum value of the amplitude of the harmonic component at the fundamental oscillation frequency of the investigated object ω _{1 is found} . Then measure the unknown amplitude of the oscillations: again set the value θ = π / 2 + πk, k = 1,2,. . . , lay out the signal taken from the output of the measuring system into the spectrum, and determine the amplitude of the harmonic component at a frequency ω ₁ . Next, the formulas find an unknown value.

Основными недостатками описанного в работе [2] способа являются необходимость вычисления аргументов функции Бесселя и установок величин разности фаз θ в измерительной системе, ограничение, накладываемое на диапазон измерений, связанное с областью однозначности функций Бесселя, а также предположение, что при необходимых двух установках величины разности фаз θ остаются постоянными характеристики лазерного излучения (стабильность частоты, интенсивность лазерного излучения, уровень шумов) и параметры окружающей среды. Реализовать эти условия на практике чрезвычайно трудно. The main disadvantages of the method described in [2] are the need to calculate the arguments of the Bessel function and the settings of the values of the phase difference θ in the measurement system, the restriction imposed on the measurement range associated with the uniqueness region of the Bessel functions, and the assumption that, with the necessary two settings, the difference θ phases, the characteristics of laser radiation (frequency stability, laser intensity, noise level) and environmental parameters remain constant. Putting these conditions into practice is extremely difficult.

Наиболее близким к изобретению по своей технической сущности является способ измерения перемещений [3]. Этот способ, выбранный в качестве прототипа, заключается в том, что формируют монохроматическое излучение, модулируют его интенсивность и длину волны на частоте ω₁ по гармоническому закону и освещают при помощи передающего волоконно-оптического канала поверхность объекта на измеряемом расстоянии, где возникают интерференционные явления, следствием которых являются нелинейные искажения, происходящие в оптической системе. Далее с использованием приемного волоконно-оптического канала световые колебания подводятся к устройству, которое выделяет сигнал второй гармоники частоты модуляции ω₁ и по величине его амплитуды определяется искомое расстояние. В данном случае реализация способа основана на следующем физическом явлении: мощность и длина волны излучения полупроводникового лазера зависят от его тока накачки [4].Closest to the invention in its technical essence is a method of measuring displacements [3]. This method, selected as a prototype, consists in generating monochromatic radiation, modulating its intensity and wavelength at a frequency of ω ₁ according to a harmonic law, and illuminating the surface of an object at a measured distance with the aid of a fiber-optic channel, where interference phenomena occur, the result of which are nonlinear distortions occurring in the optical system. Next, using the receiving fiber-optic channel, the light vibrations are fed to a device that emits a second harmonic signal of the modulation frequency ω ₁ and the desired distance is determined by the magnitude of its amplitude. In this case, the implementation of the method is based on the following physical phenomenon: the power and wavelength of the radiation of a semiconductor laser depend on its pump current [4].

Недостатками способа являются относительно невысокая точность измерения перемещений, помехоустойчивость и достаточно сложная реализация. Это объясняется тем, что, во-первых, не производится учет мультипликативных помех, во-вторых, хотя вторая гармоника и является периодической функцией разности фаз, ее амплитуда нелинейно изменяется на периоде. Поэтому определение неизвестной величины на основе амплитуды второй гармоники является неточным ввиду нелинейности последней. Рассмотрим подробнее возникновение помех, которые, как известно, подразделяются на мультипликативные и аддитивные. С их учетом мощность излучения в оптическом канале P может быть выражена следующим образом [4]:
P = f(t,z)•P₀ + A(t,z), (1)
где
f(t,z) - выражение для мультипликативной помехи;
P₀ - исходная оптическая мощность;
A(t,z) - выражение для аддитивной помехи;
t - время;
z - внешнее воздействие.The disadvantages of the method are the relatively low accuracy of measuring displacements, noise immunity, and a rather complicated implementation. This is due to the fact that, firstly, no multiplicative interference is taken into account, and secondly, although the second harmonic is a periodic function of the phase difference, its amplitude varies nonlinearly over the period. Therefore, the determination of an unknown quantity based on the amplitude of the second harmonic is inaccurate due to the nonlinearity of the latter. Let us consider in more detail the occurrence of interference, which, as you know, is divided into multiplicative and additive ones. With their account, the radiation power in the optical channel P can be expressed as follows [4]:
P = f (t, z) • P ₀ + A (t, z), (1)
Where
f (t, z) is the expression for the multiplicative noise;
P ₀ is the initial optical power;
A (t, z) is the expression for additive interference;
t is the time;
z is the external influence.

Аддитивные помехи возникают, например, из-за нежелательного попадания внешнего света в волоконно-оптические каналы, в зону измерений или на фотоприемник. Их подавить относительно несложно: проводить более тщательную защиту чувствительных элементов от внешнего излучения. Мультипликативные помехи обусловлены следующими факторами: нестабильность источников излучения; неоднородности прозрачной среды волоконно-оптического тракта, связанные со старением волокна, его микроизгибами, температурой. Для компенсации мультипликативных помех требуется принципиальное изменение конструкции прибора, способа определения искомой величины. Additive interference occurs, for example, due to unwanted exposure to external light in the fiber optic channels, in the measurement zone or on the photodetector. It is relatively easy to suppress them: carry out more thorough protection of sensitive elements from external radiation. Multiplicative interference is caused by the following factors: instability of radiation sources; heterogeneities of the transparent medium of the fiber optic path associated with aging of the fiber, its microbends, temperature. To compensate for multiplicative interference, a fundamental change in the design of the device and the method for determining the desired value are required.

К недостаткам также относится ограничение, накладываемое на диапазон измерений, связанное с областью однозначности функции на периоде. The disadvantages also include the restriction imposed on the measurement range associated with the region of uniqueness of the function on the period.

Задача изобретения - устранение названных недостатков, т.е. повышение надежности и точности измерения перемещения объекта. The objective of the invention is the elimination of these disadvantages, i.e. improving the reliability and accuracy of measuring the movement of an object.

Поставленная задача достигается способом измерения перемещений, заключающимся в том, что формируют монохроматическое излучение, модулируют его интенсивность и длину волны на частоте ω₁ по гармоническому закону, посредством передающего волоконно-оптического канала модулированное излучение подводят в зону измерений, освещают входной торец приемного волоконно-оптического канала, находящегося на расстоянии от выходного торца передающего волоконно-оптического канала, далее с использованием приемного волоконно-оптического канала излучение подводят к фотоприемнику и устройству, выделяющему сигнал второй гармоники частоты модуляции ω₁ , который отличается от известного тем, что излучение модулируют также и на более низкой частоте ω₂ , причем ω₁>>ω₂ , выделяют сигнал первой гармоники частоты модуляции ω₁ , затем сигналы первой и второй гармоник подают на блок сравнения, где осуществляют сравнение последних, выходной сигнал блока сравнения подают на вход компаратора, где его сравнивают с опорным напряжением, выходной сигнал компаратора подают на вход управления устройства выборки и хранения (УВХ), при этом на вход УВХ подают сигнал модуляции с частотой ω₂ , а измеряемую величину взаимного перемещения торцов волоконно-оптических каналов определяют по выходному сигналу УХВ.The problem is achieved by the method of measuring displacements, namely, that they generate monochromatic radiation, modulate its intensity and wavelength at a frequency ω ₁ according to the harmonic law, by means of a transmitting fiber-optic channel, the modulated radiation is fed into the measurement zone, illuminate the input end of the receiving fiber-optic a channel located at a distance from the output end of the transmitting fiber optic channel, then using the receiving fiber optic channel ix fed to the photodetector and a device allocated the signal of the second harmonic of the modulation frequency ω _1, which differs from the known fact that the radiation is modulated and also at a lower frequency ω _2, where ω ₁ >> ω _2, is isolated first modulation signal frequency harmonic ω ₁ , then the signals of the first and second harmonics are fed to the comparison unit, where they are compared, the output signal of the comparison unit is fed to the input of the comparator, where it is compared with the reference voltage, the output signal of the comparator is fed to the control input of the devices and sampling and storage (UVX), while the input of the UVX feeds a modulation signal with a frequency of ω ₂ , and the measured value of the mutual movement of the ends of the fiber-optic channels is determined by the output signal of the UVC.

Основными признаками, отличающими предлагаемый способ от известного, являются дополнительная модуляция излучения на более низкой частоте ω₂ , дальнейшее выделение первой гармоники частоты модуляции ω₁ с последующим сравнением сигналов первой и второй гармоник, чем определяется новизна. Из вышеизложенного следует, что предложенный способ соответствует критерию "изобретательский уровень".The main features that distinguish the proposed method from the known one are the additional modulation of radiation at a lower frequency ω ₂ , the further selection of the first harmonic of the modulation frequency ω ₁ , followed by a comparison of the signals of the first and second harmonics, which determines the novelty. From the foregoing, it follows that the proposed method meets the criterion of "inventive step".

Это дает преимущество перед известными решениями в отношении компенсации влияния мультипликативных помех, кроме того, увеличивается точность измерений за счет усовершенствования обработки сигнала. This gives an advantage over the known solutions with respect to compensating for the influence of multiplicative noise, in addition, the measurement accuracy is increased due to the improvement of signal processing.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг.2 - график зависимости отношения амплитуд второй гармоники к первой сигнала частоты модуляции ω₁ от измеряемого расстояния δ между торцами приемного и передающего волоконно-оптических каналов; на фиг.3 - схема обработки сигнала для случая сравнения путем деления; на фиг.4 - схема обработки сигнала для случая сравнения путем вычитания; на фиг.5 - график глубины модуляции сигнала на частоте ω₂ в зависимости от базы интерферометра Фабри - Перо (ИФП).In FIG. 1 presents a functional diagram of a device that implements the proposed method; figure 2 is a graph of the relationship of the amplitudes of the second harmonic to the first signal of the modulation frequency ω ₁ on the measured distance δ between the ends of the receiving and transmitting fiber optic channels; figure 3 - diagram of the signal processing for the case of comparison by division; figure 4 - diagram of the signal processing for the case of comparison by subtraction; figure 5 is a graph of the depth of the modulation of the signal at a frequency of ω ₂ depending on the base of the Fabry - Perot interferometer (IFP).

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит излучатель 1, выполненный в виде полупроводникового лазера, являющийся источником монохроматического излучения, устройство модуляции излучения 2 на частоте ω₂ , устройство модуляции излучения 3 на частоте ω₁ , устройство формирования постоянного тока 4, соединенные с излучателем 1 последовательно, передающий волоконно-оптический канал 5, входной торец которого оптически связан с излучателем 1, а выходной торец расположен в зоне измерения, приемный волоконно-оптический канал 6, входной торец которого расположен в зоне измерения соосно с выходным торцом передающего волоконно-оптического канала 5, выходной торец приемного волоконно-оптического канала 6 оптически связан с фотоприемником 7 и далее с устройствами, выделяющими сигнал первой гармоники 8 и второй гармоники 9 частоты модуляции ω₁ , блоком сравнения 10, где осуществляется сравнение сигналов, поступающих с устройств 8 и 9, далее с компаратором 11, соединенным также с блоком опорного напряжения 12, выход компаратора 11 соединен с входом управления устройства выборки и хранения 13, вход которого соединен и с устройством модуляции излучения 2.A device that implements the proposed method contains a radiator 1 made in the form of a semiconductor laser, which is a source of monochromatic radiation, a radiation modulation device 2 at a frequency of ω ₂ , a radiation modulation device 3 at a frequency of ω ₁ , a direct current generation device 4 connected to the emitter 1 in series transmitting fiber optic channel 5, the input end of which is optically connected to the emitter 1, and the output end is located in the measurement zone, the receiving fiber optic channel 6, input orets which is located in the measurement area coaxial with the output end of the transmitting fiber channel 5, the output end of the receiving fiber optic channel 6 is optically coupled with the photodetector 7, and further with devices that release signal first harmonic 8 and the second harmonic of 9 modulation frequency ω ₁ unit comparison 10, where the signals from devices 8 and 9 are compared, then with the comparator 11, also connected to the reference voltage unit 12, the output of the comparator 11 is connected to the control input of the sampling device and 13, the input of which is connected to the radiation modulation device 2.

Устройство формирования постоянного тока 4 выводит излучатель 1 в рабочую точку, устройства модуляции 2 и 3 изменяют ток накачки излучателя 1, что в свою очередь влияет на интенсивность и спектральный состав излучения последнего [4]. В данном случае устройство 3 модулирует излучение по гармоническому закону на высокой частоте ω₁ (1 - 10 МГц), устройство 2 модулирует излучение на более низкой частоте ω₂ (1 - 1000 кГц). Для простоты будем считать, что модуляция на частоте ω₂ происходит по пилообразному закону - медленное линейное увеличение сигнала до определенного уровня последнего, затем быстрый его спад до первоначального уровня. Значение частоты ω₁ выбирается наибольшим для данной аппаратной реализации схем 7 - 10, а значение частоты ω₂ - из условия, что время отклика τ схем устройств 7 - 10 будет намного меньше τ₀= 1/ω₂ . Подробнее остановимся на выборе амплитуд модуляции излучения на частотах ω₂ и ω₁ . Модуляция тока накачки устройством 3 приводит к модуляции излучения, а именно кроме постоянной составляющей длины волны λ₀ появляется дополнительная величина Δλ₁ , аналогично устройство 2 обеспечивает добавку к длине волны λ₀ на величину Δλ₂ . Значение Δλ₁ выбирается из условия, что модуляция излучения на частоте ω₁ не приведет к появлению следующего порядка интерференции, т. е.The direct current generating device 4 brings the emitter 1 to the operating point, modulation devices 2 and 3 change the pump current of the emitter 1, which in turn affects the intensity and spectral composition of the radiation of the latter [4]. In this case, device 3 modulates the radiation according to the harmonic law at a high frequency ω ₁ (1 - 10 MHz), device 2 modulates the radiation at a lower frequency ω ₂ (1 - 1000 kHz). For simplicity, we assume that the modulation at the frequency ω ₂ occurs according to a sawtooth law - a slow linear increase in the signal to a certain level of the latter, then its rapid decline to the initial level. The frequency value ω ₁ is chosen to be the largest for this hardware implementation of circuits 7-10, and the frequency value ω ₂ is determined from the condition that the response time τ of circuits of devices 7-10 will be much less than τ ₀ = 1 / ω ₂ . Let us dwell in more detail on the choice of amplitudes of modulation of radiation at frequencies ω ₂ and ω ₁ . Modulation of the pump current by device 3 leads to modulation of the radiation, namely, in addition to the constant component of the wavelength λ ₀ , an additional quantity Δλ ₁ appears, similarly, device 2 provides an addition to the wavelength λ ₀ by Δλ ₂ . The value Δλ ₁ is selected from the condition that the modulation of radiation at a frequency of ω ₁ does not lead to the appearance of the following interference order, i.e.

где
m - порядок интерференции.

Where
m is the order of interference.

Модуляция излучения на частоте Ω, напротив, должна приводить к смещению порядка интерференции на единицу, что должно соответствовать

Следовательно, амплитуда модуляции излучения по пилообразному закону i₀ вычисляется исходя из значения Δλ₁ , которое в свою очередь непосредственно определяется для каждого конкретно изготовленного ИФП. Амплитуда модуляции излучения по гармоническому закону i должна быть много меньше значения i₀, т. е. 1 < i₀. Таким образом, сформированное излучение поступает по передающему волоконно-оптическому каналу 5 в зону измерения. Выходной торец передающего 5 и входной торец приемного 6 волоконно-оптических каналов представляют собой зеркала ИФП. Известно, что передаточная характеристика ИФП является функцией расстояния между его зеркалами, т. е. величины разности хода лучей δ . Кроме того, она зависит от параметров самого ИФП и подаваемого излучения. Под действием измеряемого физического параметра, в частности при перемещении исследуемого объекта, происходит изменение величины разности хода лучей δ в ИФП, которая линейно зависит от расстояния между зеркалами [4]

где l_опт - расстояние h между зеркалами ИФП с учетом показателя преломления n и угла падения лучей, l_опт = h•n;
λ - длина волны излучения.Modulation of radiation at a frequency Ω, on the contrary, should lead to a shift in the order of interference by unity, which should correspond

Therefore, the amplitude of the radiation modulation according to the sawtooth law i _{0 is} calculated on the basis of the value Δλ ₁ , which in turn is directly determined for each specifically manufactured IFP. The amplitude of the radiation modulation according to the harmonic law i should be much less than the value i ₀ , i.e., 1 <i ₀ . Thus, the generated radiation enters through the transmitting optical fiber channel 5 into the measurement zone. The output end of the transmitting 5 and the input end of the receiving 6 fiber-optic channels are IFP mirrors. It is known that the transfer characteristic of an IFP is a function of the distance between its mirrors, i.e., the magnitude of the difference in the path of the rays δ. In addition, it depends on the parameters of the IFP itself and the supplied radiation. Under the influence of the measured physical parameter, in particular when moving the investigated object, there is a change in the difference in the path of the rays δ in the IFP, which linearly depends on the distance between the mirrors [4]

where l _opt is the distance h between the IFP mirrors, taking into account the refractive index n and the angle of incidence of the rays, l _opt = h • n;
λ is the radiation wavelength.

Ток накачки излучателя 1 модулирован следующим образом на одном периоде "пилы":
I = I₀+ i₀·t + i·cos(ω₁t), (5)
где
I₀ - постоянная составляющая тока накачки;
i₀ - малая величина по сравнению с I₀, представляющая собой ток модуляции по пилообразному закону с частотой ω₂ ;
i - малая величина по сравнению с I₀, представляющая собой ток модуляции по гармоническому закону с частотой ω₁ ;
ω₁ - частота модуляции;
t - время.The pump current of the emitter 1 is modulated as follows on one period of the "saw":
I = I ₀ + i ₀ · t + i · cos (ω ₁ t), (5)
Where
I ₀ is the constant component of the pump current;
i ₀ is a small value compared to I ₀ , which represents the modulation current according to a sawtooth law with a frequency of ω ₂ ;
i is a small value compared to I ₀ , which is a modulation current in harmonic law with a frequency of ω ₁ ;
ω ₁ - modulation frequency;
t is time.

Тогда мощность излучения лазера будет определяться в первом приближении [4]
P₀ = a•I + b,
где
a - постоянная величина порядка 7,5•10^-2 Вт/А [4];
b - постоянная величина порядка - 2,5•10^-3 Вт [4].Then the laser radiation power will be determined in a first approximation [4]
P ₀ = a • I + b,
Where
a is a constant value of the order of 7.5 • 10 ^-2 W / A [4];
b - a constant value of the order of 2.5 • 10 ^-3 W [4].

или с учетом (2) следующим образом:
P₀= a·(I₀+ i₀·t) + a·i·cos(ω₁t) + b, (7)
Передаточная характеристика классического ИФП имеет следующий вид [4]:

где
P₀ - мощность излучения на входе ИФП;
ρ - коэффициент отражения зеркал ИФП.or subject to (2) as follows:
P ₀ = a · (I ₀ + i ₀ · t) + a · i · cos (ω ₁ t) + b, (7)
The transfer characteristic of a classic IFP has the following form [4]:

Where
P ₀ - radiation power at the input of the IFP;
ρ is the reflection coefficient of the IFP mirrors.

Но в результате модуляции тока накачки длина волны излучения является переменной величиной и может быть выражена следующим образом [4]:
λ = λ₀+ k·I, (9)
где
λ₀ - длина волны излучения при постоянном токе накачки I₀;
k - параметр d λ /dI ≈ 6•10^-9 м/А [4],
или с учетом (2) длина волны будет представлена
λ = λ₀+ k·i₀·t + k·i·cos(ω₁t). (10)
Мощность оптического излучения, прошедшего ИФП (т. е. попадающего во входной торец передающего волоконно-оптического канала 5 и затем на фотоприемник 6), с учетом (4) и (7) может быть представлена в виде

Выражение (11) описывает передаточную характеристику ИФП как функцию времени и частоты ω₁ модуляции тока накачки. График этой функции в координатах мощность (P_ИФП)) и время( ω₁ t) представляет собой кривую, содержащую ряд экстремумов. Их количество и форма зависят от величины модуляции тока накачки i, параметров интерферометра и излучателя (a, b, k, ρ ) и главное - от базы ИФП, т. е. расстояния между зеркалами h. Так, при изменении h (все остальные параметры фиксированы) форма передаточной характеристики ИФП меняется: по мере изменения h два импульса приближаются, затем сливаются в один, который уменьшается по мере зарождения двух следующих импульсов с краев (рассматриваем на периоде), и далее процесс повторяется.But as a result of modulation of the pump current, the radiation wavelength is a variable and can be expressed as follows [4]:
λ = λ ₀ + k · I, (9)
Where
λ ₀ is the radiation wavelength at a constant pump current I ₀ ;
k is the parameter d λ / dI ≈ 6 • 10 ^-9 m / A [4],
or taking into account (2) the wavelength will be presented
λ = λ ₀ + k · i ₀ · t + k · i · cos (ω ₁ t). (ten)
The power of the optical radiation transmitted by the IFP (i.e., incident on the input end face of the transmitting fiber-optic channel 5 and then on the photodetector 6), taking into account (4) and (7), can be represented as

Expression (11) describes the transfer characteristic of the IFP as a function of time and frequency ω _{1 of the} modulation of the pump current. The graph of this function in the coordinates of power (P _IFP) ) and time (ω ₁ t) is a curve containing a number of extrema. Their number and shape depend on the modulation of the pump current i, the parameters of the interferometer and emitter (a, b, k, ρ) and, most importantly, on the IFP base, i.e., the distance between the mirrors h. So, when h changes (all other parameters are fixed), the shape of the IFP transfer characteristic changes: as h changes, two pulses approach, then merge into one, which decreases as the next two pulses nucleate from the edges (we consider on a period), and then the process repeats .

Кривая (11) - периодическая, правомерно судить о ее разложении в ряд Фурье по гармоникам. В данном случае интересуют амплитуды первой и второй гармоник по частоте ω₁ . Для этого сигнал с фотоприемника 7 поступает на вход устройств, выделяющих сигнал первой гармоники 8 и второй гармоники 9 частоты модуляции ω₁ , выходные сигналы устройств 8 и 9 поступают на вход блока сравнения 10. Блок сравнения 10 работает следующим образом: электронным образом делит амплитуду второй гармоники на амплитуду первой гармоники либо подстраивает сигналы первой и второй гармоник на один уровень и затем их вычитает один из другого. Оба варианта дают возможность избавиться от мультипликативной помехи и поэтому представляют технический интерес. Рассмотрим по порядку первый вариант обработки сигналов. В этом случае сигнал на выходе блока 10 имеет вид
S = I₂/I₁, (12)
где
I_i - амплитуда i-й гармоники по частоте ω₁ разложения сигнала (11).Curve (11) is periodic, it is legitimate to judge its expansion in Fourier series by harmonics. In this case, the amplitudes of the first and second harmonics in frequency ω ₁ are of interest. To do this, the signal from the photodetector 7 is fed to the input of the devices emitting the signal of the first harmonic 8 and second harmonic 9 of the modulation frequency ω ₁ , the output signals of devices 8 and 9 are fed to the input of the comparison unit 10. The comparison unit 10 works as follows: electronically divides the amplitude of the second harmonics to the amplitude of the first harmonic or adjusts the signals of the first and second harmonics to one level and then subtracts them from one another. Both options make it possible to get rid of the multiplicative noise and therefore are of technical interest. Let us consider in order the first variant of signal processing. In this case, the signal at the output of block 10 has the form
S = I ₂ / I ₁ , (12)
Where
I _i is the amplitude of the i-th harmonic in frequency ω _{1 of} signal decomposition (11).

График функции S от расстояния δ между зеркалами ИФП имеет периодический характер, причем на периоде имеется слабо выраженный минимум и ярко выраженный максимум (фиг.2). В прототипе искомая величина определяется по амплитуде второй гармоники, что явным образом содержит в себе источники погрешностей. Во-первых, мультипликативные помехи, которые накладываются на излучение на выходе ИФП, в той же мере влияют на величину второй его гармоники. Поэтому использование последней в качестве информативного параметра заведомо приводит к искажению искомого перемещения на величину помех. Во-вторых, амплитуда второй гармоники нелинейно изменяется на периоде, поэтому определение искомой величины по амплитуде второй гармоники является неточным. The graph of the function S versus the distance δ between the IFP mirrors is periodic, and there is a weakly pronounced minimum and a pronounced maximum on the period (Fig. 2). In the prototype, the desired value is determined by the amplitude of the second harmonic, which explicitly contains the sources of errors. Firstly, the multiplicative noise that is superimposed on the radiation at the output of the IFP affects the magnitude of its second harmonic to the same extent. Therefore, the use of the latter as an informative parameter obviously leads to a distortion of the desired displacement by the amount of interference. Secondly, the amplitude of the second harmonic varies nonlinearly in the period; therefore, the determination of the desired value from the amplitude of the second harmonic is inaccurate.

В данном способе предлагается использовать пик отношения второй к первой гармонике как сигнал, управляющий компаратором 11. Последний сравнивает выходной сигнал блока 10 с опорным U_оп, который обеспечивается блоком 12, т. е. электронным образом можно настраиваться на определенный заранее выбранный режим работы устройства. С этим может быть связана, например, шкала датчика, что позволит избежать ограничения диапазона измерений. Кроме того, электронное деление приводит к подавлению мультипликативных помех, содержащихся как в самом сигнале, так и в его гармониках.In this method, it is proposed to use the peak of the ratio of the second to the first harmonic as the signal controlling the comparator 11. The latter compares the output signal of block 10 with the reference U _op , which is provided by block 12, i.e., it is possible to electronically tune to a certain pre-selected mode of operation of the device. A sensor scale, for example, can be associated with this, which will avoid limiting the measurement range. In addition, electronic division suppresses the multiplicative noise contained both in the signal itself and in its harmonics.

Рассмотрим, например, линейное возрастание величины δ в ИФП (измеряемое перемещение) (фиг. 3, а). Компаратор 11 срабатывает по соответствию уровня приходящего сигнала I₂/I₁ с блока 10 с опорным U_оп (фиг. 3, б и в). Выходной сигнал компаратора 11, точнее его передний фронт, является управляющим для устройства выборки и хранения 13, на который также поступает пилообразный сигнал частоты ω₂ от устройства 2 (фиг.3, г). При этом устройство 13 формирует сигнал в соответствии с измеряемым параметром U (δ) и хранит его до следующего управляющего импульса с компаратора 11 (фиг.3, д). Опорное напряжение U_оп выбирается таким образом, чтобы компаратор 11 срабатывал в области, где выходной сигнал блока сравнения 10 имеет наибольшую крутизну.Consider, for example, a linear increase in δ in the IFP (measured displacement) (Fig. 3, a). The comparator 11 is triggered by the correspondence of the level of the incoming signal I ₂ / I ₁ from block 10 with the reference U _op (Fig. 3, b and c). The output signal of the comparator 11, or rather its leading edge, is the control for the device sampling and storage 13, which also receives a sawtooth signal of frequency ω ₂ from the device 2 (Fig.3, g). In this case, the device 13 generates a signal in accordance with the measured parameter U (δ) and stores it until the next control pulse from the comparator 11 (Fig.3, d). The reference voltage U _op is selected so that the comparator 11 operates in the region where the output signal of the comparator 10 has the greatest slope.

Во втором случае блок сравнения 10 вычитает сигналы один из другого, например из амплитуды первого сигнала вычитаем амплитуду второго сигнала при предварительной их подстройке до пересечения. Это возможно с использованием электронного усилителя, коэффициент усиления которого k_ус выбирается следующим образом: сигналы амплитуд первой и второй гармоник становятся таковыми, что график их разности пересекает ноль (ось времени) в своем наиболее крутом участке. Выходной сигнал блока 10 имеет вид
S = I₂ - I₁,
причем на каждом периоде график функции S пересекает ноль дважды (фиг.4, б и в). Это также позволяет задавать режим срабатывания компаратора с использованием нулевого опорного напряжения U_оп = 0. Дальнейшая обработка сигнала аналогична обработке при делении (фиг.4, г, д и е). Вычитание (10) позволяет также избавиться от мультипликативной помехи за счет того, что хотя сами выражения I₂, I₁ и подвержены влиянию последней, но их разность уже не содержит помех в точке, где обращается в ноль. Кроме того, в случае вычитания аппаратная схема устройства проще по отношению к случаю деления. Электронное деление требует применения цифровой техники, что усложняет реализацию способа. При аналоговом делении точность деления не превышает 0,5 - 1%.In the second case, the comparison unit 10 subtracts the signals from one another, for example, from the amplitude of the first signal we subtract the amplitude of the second signal when they are preliminarily adjusted to the intersection. This is possible using an electronic amplifier, the gain of which k _usb is selected as follows: the amplitude signals of the first and second harmonics become such that the graph of their difference crosses zero (time axis) in its steepest section. The output signal of block 10 has the form
S = I ₂ - I ₁ ,
moreover, at each period, the graph of the function S intersects zero twice (Fig. 4, b and c). This also allows you to set the response mode of the comparator using a zero reference voltage U _op = 0. Further signal processing is similar to the processing during division (figure 4, d, e and e). Subtraction (10) also allows us to get rid of the multiplicative noise due to the fact that although the expressions I ₂ , I ₁ themselves are influenced by the latter, their difference no longer contains interference at the point where it vanishes. In addition, in the case of subtraction, the hardware circuit of the device is simpler with respect to the case of division. Electronic division requires the use of digital technology, which complicates the implementation of the method. With analog division, the division accuracy does not exceed 0.5 - 1%.

Конкретно способ может быть реализован следующим образом. Specifically, the method can be implemented as follows.

Проведем расчет амплитуд токов накачки для полупроводникового GaAs-лазера. Воспользуемся численными данными, приведенными в [4]. Let us calculate the amplitudes of the pump currents for a semiconductor GaAs laser. We use the numerical data presented in [4].

Устройство формирования постоянного тока 4 выводит излучатель 1 в рабочую точку, формируя постоянный ток I₀ = 100 мА. Для простоты будем считать, что модуляция тока накачки устройством 2 на частоте ω₂ происходит по пилообразному закону, обеспечивая добавку к длине волны λ₀ на величину Δλ₂ . При этом модуляция излучения на частоте ω₂ должна приводить к смещению порядка интерференции на единицу, что должно соответствовать (3) или

где
m - порядок интерференции.The device for forming direct current 4 displays the emitter 1 at the operating point, forming a constant current I ₀ = 100 mA. For simplicity, we assume that the modulation of the pump current by device 2 at a frequency of ω ₂ occurs according to a sawtooth law, providing an addition to the wavelength λ ₀ by Δλ ₂ . In this case, the modulation of radiation at a frequency of ω ₂ should lead to a shift in the order of interference by one, which should correspond to (3) or

Where
m is the order of interference.

Определим амплитуду модуляции излучения по пилообразному закону i₀. Величина разности хода лучей δ определяет порядок интерференции m следующим образом:

где
n - показатель преломления среды между зеркалами ИФП;
h - расстояние между зеркалами ИФП (база ИФП);
λ - длина волны излучения.We define the amplitude of the radiation modulation according to the sawtooth law i ₀ . The magnitude of the difference in the ray path δ determines the order of interference m as follows:

Where
n is the refractive index of the medium between the IFP mirrors;
h is the distance between the IFP mirrors (IFP base);
λ is the radiation wavelength.

Формулы (14) и (15) приводят к следующему выражению:

Длину волны излучения с учетом (2) можно представить

отсюда определяем

Для расчета примем k = 6•10^-9 м/А, λ₀ = 8•10^-7 M, n = 1. Выражение (18) приводит к следующим результатам: для того чтобы измерить изменения h базы ИФП, составляющей порядка нескольких миллиметров, целесообразнее всего устанавливать значение i₀ около 10 мА. График зависимости глубины модуляции сигнала на частоте ω₂ от расстояния между зеркалами ИФП h приведен на фиг.5. При этом глубина модуляции остается порядка 10%.Formulas (14) and (15) lead to the following expression:

The radiation wavelength, taking into account (2), can be represented

from here we define

For calculation, we take k = 6 • 10 ^-9 m / A, λ ₀ = 8 • 10 ^-7 M, n = 1. Expression (18) leads to the following results: in order to measure changes in the h of the IFP base, which is of the order of several millimeters , it is most advisable to set the value of i _{0 to} about 10 mA. A graph of the dependence of the depth of the modulation of the signal at a frequency of ω ₂ on the distance between the mirrors of the IFP h is shown in Fig.5. In this case, the modulation depth remains of the order of 10%.

Амплитуда модуляции i тока накачки устройством 3 должна быть меньше величины i₀ на порядок и более для того, чтобы обеспечить выполнение условия (2). В данном случае можно принять i = 1 мА.The amplitude of modulation i of the pump current by device 3 should be less than i ₀ by an order of magnitude or more in order to ensure that condition (2) is satisfied. In this case, i = 1 mA can be assumed.

Таким образом, в отличие от прототипа предложенный способ позволяет устранить влияние мультипликативных помех за счет подавления их при электронном сравнении сигналов. Кроме того, способ позволяет более точно проводить измерения перемещений благодаря тому, что информативный сигнал пропорционален измеряемому параметру. Thus, in contrast to the prototype, the proposed method allows to eliminate the influence of multiplicative noise by suppressing them in the electronic comparison of signals. In addition, the method allows more accurate measurement of displacements due to the fact that the informative signal is proportional to the measured parameter.

Источники информации
1. Зак Е.А. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией. - М.: Энергоатомиздат, 1989, с. 5-8.Sources of information
1. Zach E.A. Fiber optic converters with external modulation. - M .: Energoatomizdat, 1989, p. 5-8.

2. Оптические гомодинные методы измерений. - Журнал "Зарубежная радиоэлектроника", 1995, N6, с. 43 - 48. 2. Optical homodyne measurement methods. - Journal "Foreign Radio Electronics", 1995, N6, p. 43 - 48.

3. Авторское свидетельство N 1516775 СССР, кл. G 01 B 11/14, 1989 (прототип). 3. Copyright certificate N 1516775 of the USSR, cl. G 01 B 11/14, 1989 (prototype).

4. Бутусов М. М. Волоконная оптика и приборостроение. М.: Машиностроение, 1987, 330 с. 4. Butusov M. M. Fiber optics and instrumentation. M .: Engineering, 1987, 330 p.

Claims

A method for measuring displacements, which consists in generating monochromatic radiation, modulating its intensity and wavelength at a frequency of ω ₁ according to a harmonic law, by means of a transmitting fiber-optic channel, the modulated radiation is fed into the measurement zone, illuminating the input end of the receiving fiber-optic channel located at a distance from the output end of the transmitting fiber-optic channel, then using the receiving fiber-optic channel, the radiation is supplied to the photodetector and roystvu allocated signal of the second harmonic of the modulation frequency ω _1, characterized in that the radiation is modulated also in the lower frequency ω _2, where ω ₁ »ω _2, is isolated signal at the fundamental modulation frequency ω _1, then the signals of the first and second harmonic is supplied to a comparison unit, where the latter are compared, the output signal of the comparison unit is fed to the input of the comparator, where it is compared with the reference signal, the output signal of the comparator is fed to the control input of the sampling and storage device, and at the input of the sampling device and storage, a modulation signal is supplied with a frequency of ω ₂ , and the measured value of the mutual displacement of the ends of the fiber-optic channels is determined by the output signal of the sampling and storage device.