RU2149354C1 - Method of measurement of movement - Google Patents
Method of measurement of movement Download PDFInfo
- Publication number
- RU2149354C1 RU2149354C1 RU97103976A RU97103976A RU2149354C1 RU 2149354 C1 RU2149354 C1 RU 2149354C1 RU 97103976 A RU97103976 A RU 97103976A RU 97103976 A RU97103976 A RU 97103976A RU 2149354 C1 RU2149354 C1 RU 2149354C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- fed
- fiber
- output
- input
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к волоконно-оптическим системам измерения и может быть использовано для измерения перемещений объекта. The invention relates to fiber optic measurement systems and can be used to measure the movements of an object.
Известна работа [1] , где представлен способ, позволяющий измерить 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. 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 между начальным излучением и излучением, прошедшим по измерительному тракту таким образом, чтобы 
Основными недостатками описанного в работе [1] 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 (частота, интенсивность лазерного излучения, уровень шумов) и параметры окружающей среды. Реализовать эти условия на практике чрезвычайно трудно. The main disadvantages of the method described in [1] are: the need to calculate the arguments of the Bessel function and the settings of the values of the phase difference θ in the measuring system, the restriction imposed on the measurement range associated with the region of uniqueness of the Bessel functions, and the assumption that, with the necessary two settings, the quantities the phase differences θ remain constant characteristics of the laser radiation (frequency, laser intensity, noise level) and environmental parameters. Putting these conditions into practice is extremely difficult.
Известен способ, позволяющий измерить величину перемещения объекта [2]. Этот способ 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 фотоэлектрического сигнала. 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 зависит от его тока накачки [3].A known method that allows you to measure the magnitude of the displacement of the object [2]. This method consists in generating monochromatic radiation, modulating its intensity and wavelength at frequency ω 1 according to the harmonic law, and illuminating the surface of the object at a measured distance with the aid of a transmitting fiber-optic channel, where interference phenomena arise, which result in non-linear distortions of the photoelectric signal. 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 depends on its pump current [3].
Недостатками способа являются относительно невысокие точность измерения перемещений, помехоустойчивость и достаточно сложная реализация. Это объясняется тем, что во-первых, не производится учет мультипликационных помех, во-вторых, хотя вторая гармоника и является периодической функцией разности фаз, ее амплитуда изменяется на периоде нелинейно. 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 [3]
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, the multiplier noise is not taken into account, and secondly, although the second harmonic is a periodic function of the phase difference, its amplitude varies non-linearly in 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 [3]
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, неоднородность прозрачной среды волоконно-оптического тракта, связанная со старением волокна, его микроизгибами, температурой. Для компенсации мультипликативных помех требуется принципиальное изменение 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 - to carry out more thorough protection of sensitive elements from external radiation. Multiplicative interference is caused by the following factors: instability of radiation sources, heterogeneity of the transparent medium of the fiber optic path associated with aging of the fiber, its microbending, and temperature. To compensate for multiplicative interference, a fundamental change in the method for determining the desired value is 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.
Известен способ, позволяющий измерить величину перемещения объекта [4]. Этот способ заключается в том, что формируют излучение, освещают стеклянную линейку с штриховой шкалой, расположенной в зоне измерения, и перемещающийся вдоль линейки ползунок со сканирующим растром. Излучение, прошедшее через линейку, подают на фотоприемники, где его преобразуют в электрические сигналы. При перемещении относительно линейки сканирующего растра интенсивность прошедшего излучения периодически изменяется. Выходные сигналы фотоприемников представляют собой два синусоидальных сигнала со сдвигом фазы на 90o. Эти сигналы поступают на электронный блок интерполяции и электронное устройство обработки сигналов, которые обеспечивают преобразование результатов измерения в цифровую форму и обработку выводимых системой измерения сигналов. Основу работы преобразователя, реализующего данный способ, представляет подсчет импульсов фотоэлектрического сигнала. Для распознавания направления перемещения системы измерения используются два импульса со сдвигом фазы на 90o. В промежутках между импульсами применяется интерполяция путем векторного сложения двух исходных синусоидальных сигналов.A known method that allows you to measure the magnitude of the displacement of the object [4]. This method consists in generating radiation, illuminating a glass ruler with a dashed scale located in the measurement zone, and a slider with a scanning raster moving along the ruler. The radiation passing through the line is fed to photodetectors, where it is converted into electrical signals. When moving relative to the line of the scanning raster, the intensity of the transmitted radiation periodically changes. The output signals of the photodetectors are two sinusoidal signals with a phase shift of 90 o . These signals are fed to the electronic interpolation unit and the electronic signal processing device, which provide the conversion of the measurement results into digital form and the processing of the signals output by the measurement system. The basis of the converter that implements this method is the counting of pulses of a photoelectric signal. To recognize the direction of movement of the measuring system, two pulses with a phase shift of 90 o are used . In the intervals between pulses, interpolation is applied by vector addition of two initial sinusoidal signals.
Недостатками способа являются относительно невысокая точность измерения перемещений, достаточно сложная реализация и необходимость размещения электрических компонентов, таких как источник излучения и фотоприемник в непосредственной близости от зоны измерения. The disadvantages of the method are the relatively low accuracy of measuring displacements, a rather complicated implementation and the need to place electrical components such as a radiation source and a photodetector in the immediate vicinity of the measurement zone.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по своей технической сущности является способ измерения перемещений [5]. Этот способ, выбранный в качестве прототипа, заключается в том, что излучение посредством передающего волоконно-оптического канала подводят в зону измерений и освещают входной торец приемного волоконно-оптического канала, находящегося на расстоянии от выходного торца передающего волоконно-оптического канала, при этом выходной торец передающего и входной торец приемного волоконно-оптических каналов образуют интерферометр Фабри-Перо (ИФП), выходной сигнал которого посредством принимающего волоконно-оптического канала подводят на вход ИФП со сканируемой базой, выходной сигнал последнего подают на фотоприемник, усиливают и обрабатывают. Сигнал, подаваемый на фотоприемник, представляет собой импульсы интенсивности излучения в зависимости от времени. Форма получаемой кривой содержит информацию об измеряемом перемещении - величине базы чувствительного ИФП h1. Ток фотоприемника Iфп можно представить следующим образом [5]
где k - коэффициент, характеризующий потери излучения;
S(λ) - спектральная характеристика излучателя;
F(λ,h1), F(λ,h2) - передаточные характеристики чувствительного ИФП и ИФП со сканируемой базой в зависимости от длины излучения λ и значений баз интерферометров h1 и h2;
P(λ) - спектральная характеристика фотоприемника.Closest to the proposed invention in its technical essence is a method of measuring displacements [5]. This method, selected as a prototype, is that the radiation through the transmitting fiber optic channel is led into the measurement zone and illuminate the input end of the receiving fiber optic channel located at a distance from the output end of the transmitting fiber optic channel, while the output end the transmitting and input end faces of the receiving fiber optic channels form a Fabry-Perot interferometer (IFP), the output signal of which is fed to the input via the receiving fiber optic channel IFP a scanned base, the last output signal is fed to a photodetector, amplified and processed. The signal supplied to the photodetector is a pulse of radiation intensity depending on time. The shape of the resulting curve contains information about the measured displacement - the value of the base of the sensitive IFP h 1 . The current of the photodetector I fp can be represented as follows [5]
where k is the coefficient characterizing the loss of radiation;
S (λ) is the spectral characteristic of the emitter;
F (λ, h 1 ), F (λ, h 2 ) - transfer characteristics of a sensitive IFP and IFP with a scanned base depending on the radiation length λ and the values of the bases of interferometers h 1 and h 2 ;
P (λ) is the spectral characteristic of the photodetector.
Передаточная характеристика интерферометра Фабри-Перо в общем виде представима следующим образом [3]
где ρ - коэффициент отражения зеркал.The transfer characteristic of a Fabry-Perot interferometer is generally represented as follows [3]
where ρ is the reflection coefficient of the mirrors.
Недостатками способа являются относительно невысокая точность измерения перемещений, невысокая помехоустойчивость и достаточно сложная реализация. Это объясняется тем, что, во-первых, производится недостаточная компенсация мультипликативных помех, во-вторых, данный способ требует наличия двух интерферометров Фабри-Перо, что в значительной мере усложняет конструкцию преобразователя, реализующего способ. The disadvantages of the method are the relatively low accuracy of measuring displacements, low noise immunity and a rather complicated implementation. This is due to the fact that, firstly, insufficient compensation of the multiplicative interference is made, and secondly, this method requires two Fabry-Perot interferometers, which greatly complicates the design of the converter that implements the method.
Задачей изобретения является устранение названных недостатков, то есть повышение точности и надежности измерения перемещения объекта. The objective of the invention is to remedy these shortcomings, that is, improving the accuracy and reliability of measuring the movement of an object.
Поставленная задача достигается способом измерения перемещений, заключающимся в том, что излучение посредством передающего волоконно-оптического канала 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, который отличается от известного тем, что формируют излучение, модулированное по интенсивности и длине волны, сигнал с выхода фотоприемника подают на вход электронного коммутатора, выходные сигналы последнего подают на компараторы и на блок интерполяции, выходной сигнал блока интерполяции и выходные сигналы компараторов подают на электронное устройство обработки сигналов, выходные сигналы которого подают на блок интерполяции и на вход системы индикации, по показаниям которой определяют измеряемую величину взаимного перемещения торцов волоконно-оптических каналов. The problem is achieved by the method of measuring displacements, namely, that the radiation through the transmitting fiber optic channel is brought into the measurement zone, illuminate 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 of the optical channel, the radiation is fed to a photodetector, which differs from the known one in that they form radiation modulated in intensity and wavelength s, the signal from the output of the photodetector is fed to the input of the electronic switch, the output signals of the latter are fed to the comparators and the interpolation unit, the output signal of the interpolation unit and the output signals of the comparators are fed to the electronic signal processing device, the output signals of which are fed to the interpolation unit and to the input of the display system , the readings of which determine the measured value of the mutual displacement of the ends of the fiber optic channels.
Для измерения перемещения необходимо знать направление перемещения. В данном способе предлагается проводить второе физическое измерение (при другом спектральном составе излучения). При этом появляется дополнительная информация о направлении перемещения. To measure movement, you need to know the direction of movement. In this method, it is proposed to conduct a second physical measurement (with a different spectral composition of the radiation). In this case, additional information about the direction of movement appears.
Основными признаками, отличающими предлагаемый способ от известного, являются модуляция излучения и дальнейшее преобразование сигнала в цифровой форме, 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 modulation of radiation and further conversion of the signal in digital form, 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 увеличения точности измерений, кроме того, упрощается конструкция преобразователя, реализующего данный способ, за счет усовершенствования обработки сигнала. This gives an advantage over the known solutions in terms of increasing the accuracy of measurements, in addition, simplifies the design of the Converter that implements this method, due to improved signal processing.
Сущность изобретения поясняется функциональной схемой устройства, реализующего предлагаемый способ, представленной на фиг. 1; на фиг. 2 представлены передаточные характеристики ИФП в моменты отсутствия а) и наличия б) импульса, генерируемого устройством 3; на фиг. 3 - диаграмма импульсов напряжения, получаемых в результате обработки электронным устройством 12 выходных сигналов компараторов 9 и 10; на фиг. 4 - диаграмма импульсов напряжения, поступающих на вход системы индикации 13. The invention is illustrated by a functional diagram of a device that implements the proposed method, presented in Fig. 1; in FIG. 2 shows the transfer characteristics of the IFP in the absence of a) and the presence of b) the pulse generated by the device 3; in FIG. 3 is a diagram of voltage pulses resulting from the processing by an electronic device 12 of the output signals of the comparators 9 and 10; in FIG. 4 is a diagram of voltage pulses supplied to the input of the display system 13.
Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит излучатель 1, выполненный в виде полупроводникового лазера, являющийся источником излучения, устройство формирования постоянного тока 2, устройство модуляции излучения 3, передающий волоконно-оптический канал 4, входной торец которого оптически связан с излучателем 1, а выходной торец расположен в зоне измерения, приемный волоконно-оптический канал 5, входной торец которого расположен в зоне измерения соосно с выходным торцом передающего волоконно-оптического канала 4, выходной торец приемного волоконно-оптического канала 5 оптически связан с фотоприемником 6, усилителем 7 и входом электронного коммутатора 8, управляющий вход которого связан с устройством 3, выходы электронного коммутатора 8 соединены со входами компараторов 9 и 10, которые соединены также с блоком опорного напряжения 11, выходы компараторов 9 и 10 соединены с входами 1 и 2 электронного устройства обработки сигналов 12, выход Uвых которого соединен с входом системы индикации 13. Входы 1 и 2 блока интерполяции 14 соединены с выходами электронного коммутатора 8, входы 3 и 4 соединены с выходами 01 и 02 электронного устройства обработки сигнала 12, выход блока интерполяции 14 соединен с входом 3 электронного устройства обработки сигнала 12. Электронный коммутатор 8 выполнен в виде устройства выборки и хранения (УВХ), то есть на выходах коммутатора поддерживается напряжение, соответствующее интенсивности излучения при отсутствии и наличии импульса с устройства 3.A device that implements the proposed method comprises a radiator 1 made in the form of a semiconductor laser, which is a radiation source, a direct current generation device 2, a radiation modulation device 3, transmitting a fiber optic channel 4, the input end of which is optically connected to the emitter 1, and the output end located in the measuring zone, the receiving fiber optic channel 5, the input end of which is located in the measuring zone coaxially with the output end of the transmitting fiber optical channel 4, the output end the receiving fiber optic channel 5 is optically connected to a
Устройство формирования постоянного тока 2 выводит излучатель 1 в рабочую точку, устройство модуляции 3 изменяет ток накачки излучателя 1 по импульсному закону, что в свою очередь влияет на интенсивность и спектральный состав излучения последнего [3]. Значение частоты модуляции ω выбирается наибольшим для данной аппаратной реализации схем 6 - 14. Модуляция тока накачки устройством 3 приводит к модуляции излучения, а именно, кроме постоянной составляющей длины волны λ0, появляется дополнительная величина Δλ.
Значение Δλ выбирается из следующих условий: во-первых, модуляция излучения не должна приводить к появлению следующего порядка интерференции. Т.е.The device for forming direct current 2 brings the emitter 1 to the operating point, the modulation device 3 changes the pump current of the emitter 1 according to the pulse law, which in turn affects the intensity and spectral composition of the radiation of the latter [3]. The modulation frequency ω is chosen to be the highest for this hardware implementation of
The value of Δλ is chosen from the following conditions: first, the modulation of radiation should not lead to the appearance of the following order of interference. Those.
где m - порядок интерференции;
во-вторых, амплитуда модуляции излучения ΔI должна быть такой, чтобы передаточная характеристика преобразователя в момент импульса, генерируемого устройством 3, смещалась по фазе на некоторую величину Δφ относительно передаточной характеристики преобразователя в момент отсутствия импульса с устройства 3, что позволяет однозначно определить направление перемещения (фиг. 2). Расчет величины Δφ приведен ниже. Ток накачки излучателя 1 на одном периоде T работы устройства 3 можно представить следующим образом:
I = I0+ΔI•sign(t), (5)
где I0 - постоянная составляющая тока накачки, обеспечиваемая устройством 2;
ΔI - амплитуда модуляции излучения по импульсному закону;
T - период следования импульсов с устройства 3;
τ - время, в течение которого действует импульс.
where m is the interference order;
secondly, the amplitude of the radiation modulation ΔI must be such that the transfer characteristic of the converter at the time of the pulse generated by the device 3 is shifted in phase by a certain value Δφ relative to the transfer characteristic of the converter at the time of the absence of the pulse from the device 3, which allows us to unambiguously determine the direction of movement Fig. 2). The calculation of Δφ is given below. The pump current of the emitter 1 on one period T of the device 3 can be represented as follows:
I = I 0 + ΔI • sign (t), (5)
where I 0 is the constant component of the pump current provided by the device 2;
ΔI is the amplitude of the radiation modulation according to the pulse law;
T is the pulse repetition period from device 3;
τ is the time during which the impulse acts.
Тогда мощность излучения лазера будет определяться в первом приближении [3]
P0 = a•I + b, (6)
где a - постоянная величина порядка 7,5•10-2 Вт/А [3];
b - постоянная величина порядка - 2,5•10-3 Вт [3],
или с учетом (5) следующим образом
P0= a•(I0+ΔI•sign(t))+b, (7)
В результате модуляции тока накачки длина волны излучения является переменной величиной и может быть выражена [3]
λ = λ0+к•I, (8)
где λ0 - длина волны излучения при постоянном токе накачки I0;
k - параметр dλ/dI ≈ 6•10-9 м/А [3];
с учетом (5) длина волны будет представлена
λ = λ0+к•ΔI•sign(t), (9)
или
λ = λ0+Δλ, (10)
Таким образом, длина волны излучения периодически меняется. В течение времени τ излучение производится на длине волны λ0. Далее происходит подключение импульсного устройства модуляции излучения 3, что приводит к изменению длины волны, согласно (10), и излучение производится на длине волны λ. Величины Δφ, соответственно Δλ и ΔI, выбраны из условия, что максимум передаточной характеристики при излучении на длине волны λ (фиг. 2, кривая б) совпадает с участком наибольшей крутизны передаточной характеристики на длине волны λ0 (фиг. 2, кривая а).Then the laser radiation power will be determined in a first approximation [3]
P 0 = a • I + b, (6)
where a is a constant value of the order of 7.5 • 10 -2 W / A [3];
b is a constant value of the order of 2.5 • 10 -3 W [3],
or taking into account (5) as follows
P 0 = a • (I 0 + ΔI • sign (t)) + b, (7)
As a result of modulation of the pump current, the radiation wavelength is a variable and can be expressed [3]
λ = λ 0 + k • I, (8)
where λ 0 is the radiation wavelength at a constant pump current I 0 ;
k is the parameter dλ / dI ≈ 6 • 10 -9 m / A [3];
taking into account (5) the wavelength will be presented
λ = λ 0 + k • ΔI • sign (t), (9)
or
λ = λ 0 + Δλ, (10)
Thus, the radiation wavelength periodically changes. During time τ, radiation is produced at a wavelength of λ 0 . Next, a pulsed radiation modulation device 3 is connected, which leads to a change in the wavelength, according to (10), and the radiation is produced at a wavelength λ. The values Δφ, respectively Δλ and ΔI, are selected from the condition that the maximum transfer characteristic for radiation at a wavelength λ (Fig. 2, curve b) coincides with the portion of the greatest steepness of the transfer characteristic at a wavelength λ 0 (Fig. 2, curve a) .
Сформированное излучение поступает по передающему волоконно-оптическому каналу 4 в зону измерения. Выходной торец передающего 4 и входной торец приемного 5 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 [3]. Кроме того, разность хода лучей зависит от параметров ИФП и подаваемого излучения
где lопт - расстояние между зеркалами ИФП h с учетом показателя преломления n и угла падения лучей при ортогональном падении лучей на зеркала ИФП lопт = h•n;
λ - длина волны излучения.The generated radiation enters through the transmitting optical fiber channel 4 into the measurement zone. The output end of the transmitting 4 and the input end of the receiving 5 optical fiber 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 ray path δ [3]. In addition, the difference in the path of the rays depends on the parameters of the IFP and the supplied radiation
where l opt is the distance between the IFP mirrors h taking into account the refractive index n and the angle of incidence of the rays with orthogonal incidence of the rays on the IFP mirrors l opt = h • n;
λ is the radiation wavelength.
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 h согласно выражению (11), что вызывает соответственно изменение интенсивности излучения в приемном волоконно-оптическом канале 5. Физический принцип работы преобразователя, реализующего данный способ, основан на подсчете и анализе резонансных пиков интенсивности излучения, проходящих перед фотоприемником. Для удобства настройки прибора на данный режим работы целесообразно выбирать параметры ИФП, обеспечивающие относительно небольшую крутизну его передаточной характеристики. Наиболее оптимально выбирать коэффициент отражения зеркал ИФП ρ небольшим. Under the influence of the measured physical parameter, in particular when moving the object under study, there is a change in the difference in the path of the rays δ in the IFP, which depends linearly on the distance between the mirrors h according to expression (11), which causes a corresponding change in the radiation intensity in the receiving fiber-optic channel 5 The physical principle of operation of the converter that implements this method is based on the calculation and analysis of resonance peaks of radiation intensity passing in front of the photodetector. For the convenience of tuning the device to this operating mode, it is advisable to select the parameters of the IFP, providing a relatively small slope of its transfer characteristic. It is most optimal to choose the reflection coefficient of the IFP mirrors ρ small.
Посредством приемного волоконно-оптического канала 5 излучение подводят к фотоприемнику 6, где его преобразуют в пропорциональный электрический сигнал, затем усиливают посредством усилителя 7 и подают на вход электронного коммутатора 8. Управляющий вход последнего соединен с выходом устройства модуляции излучения 3. Во время отсутствия импульса с устройства 3 излучение происходит на длине волны λ0 и вход электронного коммутатора 8 соединен с его первым выходом, соответственно с первым входом блока интерполяции 14 и входом компаратора 9. Во время генерации импульса устройством 3 излучение происходит на длине волны λ, кроме того, на управляющий вход электронного коммутатора 8 подается импульс, согласно которому коммутатор 8 переключен на второй выход, соответственно соединен со вторым входом блока интерполяции 14 и входом компаратора 10. Посредством блока опорного напряжения 11 выставлен уровень опорного напряжения на компараторы 9 и 10. Компараторы служат для преобразования аналогового сигнала в цифровую форму.Using the receiving fiber-optic channel 5, the radiation is fed to a
Выходные сигналы компараторов 9 и 10 поступают соответственно на входы 1 и 2 электронного устройства обработки сигналов 12, где они логически связываются друг с другом так, что получаются два сигнала в виде прямоугольных импульсов Ua1 и Ua2 (фиг. 3) со сдвигом фазы одного сигнала относительно другого на некоторый угол [6]. На периоде между резонансами передаточной характеристики ИФП происходит изменение комбинации цифровых сигналов четыре раза и можно провести четыре измерения (фиг. 3). Сигналы, подаваемые на первый и второй входы блока интерполяции 14, подвергаются интерполяции, что увеличивает разрешающую способность измерений. Из обоих сигналов с использованием выходных сигналов электронного устройства обработки сигналов 12 на выходах 01 и 02, подаваемых на входы 3 и 4 блока интерполяции соответственно, путем векторного сложения дополнительно получают сигналы со сдвигом фазы, для чего можно использовать, например, резистивные схемы. Выходной сигнал блока интерполяции 14 подают на вход 3 электронного устройства обработки сигналов 12, которое далее формирует импульсы напряжения на выходе Uвых, служащие для образования результата измерения и подаваемые на вход системы индикации 13 (фиг. 4). Коэффициент интерполяции определяет размер шага измерения. Например, при коэффициенте интерполяции х10 шаг измерения составляет 1/40 расстояния между резонансами передаточной характеристики ИФП (3). С целью компенсации различных мультипликативных помех в электронном устройстве обработки сигналов 12 помимо импульсов прямоугольной формы обрабатываются и их инверсные варианты.The output signals of the comparators 9 and 10 are respectively supplied to the inputs 1 and 2 of the electronic signal processing device 12, where they are logically connected to each other so that two signals are obtained in the form of rectangular pulses U a1 and U a2 (Fig. 3) with a phase shift of one signal relative to another at a certain angle [6]. In the period between the resonances of the IFP transfer characteristic, the combination of digital signals changes four times and four measurements can be performed (Fig. 3). The signals supplied to the first and second inputs of the interpolation unit 14 are interpolated, which increases the resolution of the measurements. From both signals using the output signals of the electronic signal processing device 12 at the outputs 01 and 02 supplied to the inputs 3 and 4 of the interpolation unit, respectively, phase-shift signals are additionally obtained by vector addition, for which purpose, for example, resistive circuits can be used. The output signal of the interpolation unit 14 is fed to the input 3 of the electronic signal processing device 12, which further generates voltage pulses at the output U o , which are used to form the measurement result and are fed to the input of the display system 13 (Fig. 4). The interpolation coefficient determines the size of the measurement step. For example, with an interpolation coefficient x10, the measurement step is 1/40 of the distance between the resonances of the transfer characteristic of the IFP (3). In order to compensate for various multiplicative noise in the electronic signal processing device 12, in addition to rectangular pulses, their inverse variants are also processed.
Предлагаемый способ измерения перемещений позволяет увеличить надежность измерений по отношению к прототипу за счет подавления мультипликативных помех благодаря совместной обработке двух последовательностей импульсов. Кроме того, упрощается конструкция преобразователя. По отношению к аналогу [4] предлагаемый способ позволяет увеличить точность измерений за счет уменьшения шага измерений. А именно, вместо штриховой шкалы предлагается использовать такое свойство ИФП, как периодичность импульсов интенсивности. Так, например, наименьший период изменения сигналов согласно [4] может составлять порядка 20 мкм. Предлагаемый способ позволяет уменьшить период изменения сигналов до 0,4 мкм, если длина волны излучения λ = 0,8 мкм. Последующая цифровая обработка сигнала позволяет дополнительно уменьшить шаг измерений в четыре раза и ввести линейную поправку внутри шага благодаря аналоговой обработке сигнала. Кроме того, в работе [4] предполагается размещать электрические компоненты в непосредственной близости от зоны измерений, чего не требует предлагаемый способ. The proposed method of measuring displacements allows to increase the reliability of measurements in relation to the prototype by suppressing multiplicative noise due to the joint processing of two sequences of pulses. In addition, the design of the converter is simplified. In relation to the analogue [4], the proposed method allows to increase the accuracy of measurements by reducing the measurement step. Namely, instead of the dashed scale, it is proposed to use such an IPP property as the frequency of intensity pulses. So, for example, the smallest period of signal changes according to [4] can be about 20 microns. The proposed method allows to reduce the period of change of the signals to 0.4 μm, if the radiation wavelength λ = 0.8 μm. Subsequent digital signal processing allows you to further reduce the measurement step by four times and introduce a linear correction within the step due to analog signal processing. In addition, in [4] it is proposed to place electrical components in the immediate vicinity of the measurement zone, which does not require the proposed method.
Конкретно способ может быть реализован следующим образом. Проведем расчет амплитуды модуляции тока накачки для полупроводникового GaAs-лазера. Воспользуемся численными данными, приведенными в [3]. Specifically, the method can be implemented as follows. Let us calculate the amplitude of the modulation of the pump current for a semiconductor GaAs laser. We use the numerical data presented in [3].
Устройство формирования постоянного тока 2 выводит излучатель 1 в рабочую точку, формируя постоянный ток I0 = 100 мА. Модуляция тока накачки устройством 3 обеспечивает добавку к длине волны λ0 на величину Δλ. Определим величину смещения по фазе Δφ передаточных характеристик и амплитуду модуляции излучения ΔI.
Крутизна передаточной характеристики ИФП максимальна в точке, где максимальна первая производная по δ(F)′ или (F)'' = 0. Итак, ищем максимальные значения функции U = (F)', если
где A = 4ρ/(1-ρ)2,
первая производная функции U по δ имеет вид
Величина 
в точке δ* передаточная характеристика ИФП имеет наибольшую крутизну.The device for forming direct current 2 outputs the emitter 1 to the operating point, forming a direct current I 0 = 100 mA. Modulation of the pump current by the device 3 provides an addition to the wavelength λ 0 by Δλ. We determine the phase shift Δφ of the transfer characteristics and the amplitude of the radiation modulation ΔI.
The steepness of the IFP transfer characteristic is maximum at the point where the first derivative with respect to δ (F) ′ or (F) '' = 0 is maximum. So, we look for the maximum values of the function U = (F) 'if
where A = 4ρ / (1-ρ) 2 ,
the first derivative of the function U with respect to δ has the form
Value
at the point δ *, the transfer characteristic of the IFP has the greatest slope.
Величина разности хода лучей δ является функцией длины волны излучения λ (11). При изменении λ меняется и величина δ следующим образом
Величина δ* представляет собой относительное смещение передаточных характеристик, или δ* = Δδ = Δφ. Изменение длины волны в выражении (9) будет представлено
Для рассчета примем k = 6•10-9 м/А, λ0 = 8•10-7 м, ρ = 0,1. Расчет показывает, что для измерений изменения базы ИФП h, составляющей порядка нескольких миллиметров, целесообразнее всего устанавливать значение ΔI порядка 5 мА. Смещение по фазе Δφ получается в пределах 70o, а величина изменения длины волны Δλ = 6,1•10-11 м. При этом модуляция излучения не приводит к смещению порядка интерференции на единицу и глубина модуляции интенсивности излучения остается меньше 10%. Частоту модуляции необходимо выбирать больше, чем верхняя частота мультипликативной помехи для эффективного подавления последней. При этом частота модуляции не должна быть слишком большой, для того чтобы электронная схема устройства успевала правильно обрабатывать сигнал. Практически частота модуляции может быть выбрана в диапазоне от 1 до 10 МГц.The magnitude of the difference in the path of the rays δ is a function of the radiation wavelength λ (11). As λ changes, the quantity δ also changes as follows
The value of δ * represents the relative shift of the transfer characteristics, or δ * = Δδ = Δφ. The change in wavelength in expression (9) will be represented
For calculation, we take k = 6 • 10 -9 m / A, λ 0 = 8 • 10 -7 m, ρ = 0.1. The calculation shows that for measurements of changes in the IFP base h, which is of the order of several millimeters, it is most advisable to set the value ΔI of the order of 5 mA. The phase shift Δφ is obtained within 70 o , and the magnitude of the change in wavelength is Δλ = 6.1 • 10 -11 m. In this case, the radiation modulation does not lead to a shift of the interference order by one and the depth of the radiation intensity modulation remains less than 10%. The modulation frequency must be selected more than the upper frequency of the multiplicative noise to effectively suppress the latter. In this case, the modulation frequency should not be too high so that the electronic circuit of the device has time to correctly process the signal. In practice, the modulation frequency can be selected in the range from 1 to 10 MHz.
Таким образом, в отличие от прототипа и аналогов предложенный способ позволяет увеличить точность и надежность измерения перемещений. Кроме того, способ позволяет упростить конструкцию преобразователя, реализующего данный способ. Thus, in contrast to the prototype and analogues, the proposed method allows to increase the accuracy and reliability of the measurement of displacements. In addition, the method allows to simplify the design of the Converter that implements this method.
Источники информации
1. Усанов Д. А., Скрипаль А.В., Варагин В.А., Васильев М.Р. Оптические гомодинные методы измерений. //Зарубежная радиоэлектроника. - 1995, N 6. - С. 43-48.Sources of information
1. Usanov D.A., Skripal A.V., Varagin V.A., Vasiliev M.R. Optical homodyne measurement methods. // Foreign radio electronics. - 1995,
2. Авт. св. СССР N 1516775, МКИ5 G 01 B 11/14. Способ определения расстояния до поверхности объекта; БИ N 39, 1989.2. Auth. St. USSR N 1516775, MKI 5 G 01 B 11/14. The method of determining the distance to the surface of the object; BI N 39, 1989.
3. Бутусов М.М. Волоконная оптика и приборостроение. - М.: Машиностроение, 1987. - 330 с. 3. Butusov M.M. Fiber optics and instrumentation. - M.: Mechanical Engineering, 1987. - 330 p.
4. Фотоэлектрическое сканирование. Каталог поставляемых изделий фирмы HEIDENHAIN, Д-р Иоганнес Хайденхайн ГмбХ, 8225 Траунройт/ФРГ, 1989., издание 4, - С. 10, 11. 4. Photoelectric scanning. HEIDENHAIN product catalog, Dr. Johannes Heidenhain GmbH 8225 Traunreuth / Germany, 1989., edition 4, - P. 10, 11.
5. Горшков Б. Г., Первушин Ю.Б. Исследование спектрального волоконно-оптического датчика перемещений. //Радиотехника. - 1988. N 8 - С. 5-8 (прототип). 5. Gorshkov B. G., Pervushin Yu.B. Study of a spectral fiber optic displacement sensor. //Radio engineering. - 1988. N 8 - S. 5-8 (prototype).
6. Тихомиров Э. Л., Васильев В.В., Коровьев Б.Г., Яковлев В.А. Микропроцессорное управление электроприводами станков с ЧПУ. - М.: Машиностроение, 1990. - 320 с. (с. 38 - 45). 6. Tikhomirov E. L., Vasiliev V.V., Koroviev B.G., Yakovlev V.A. Microprocessor control of electric drives of CNC machines. - M.: Mechanical Engineering, 1990. - 320 p. (p. 38 - 45).
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU97103976A RU2149354C1 (en) | 1997-03-14 | 1997-03-14 | Method of measurement of movement |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU97103976A RU2149354C1 (en) | 1997-03-14 | 1997-03-14 | Method of measurement of movement |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU97103976A RU97103976A (en) | 1999-03-27 |
| RU2149354C1 true RU2149354C1 (en) | 2000-05-20 |
Family
ID=20190843
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU97103976A RU2149354C1 (en) | 1997-03-14 | 1997-03-14 | Method of measurement of movement |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2149354C1 (en) |
-
1997
- 1997-03-14 RU RU97103976A patent/RU2149354C1/en active
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Горшков Б.Г., Первушин Ю.Б. Исследование спектрального волоконно-оптического датчика перемещений. Радиотехника, 1988, N 8, с. 31 - 33. * |
| Фотоэлектрическое сканирование. Каталог поставляемых изделий фирмы HEIDENHAIN. Д-р Иоганнес Хайденхайн ГмбХ, 8225 Траунройт/DE, 1989, изд-е 4, с. 10 - 11. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5268741A (en) | Method and apparatus for calibrating a polarization independent optical coherence domain reflectometer | |
| JP3739987B2 (en) | Tomography equipment | |
| Norgia et al. | Self-mixing instrument for simultaneous distance and speed measurement | |
| Brooks et al. | Time-domain addressing of remote fiber-optic interferometric sensor arrays | |
| AU755090B2 (en) | Optical phase detector | |
| JPWO2018070442A1 (en) | Optical angle modulation measuring apparatus and measuring method | |
| EP0168182B1 (en) | Optical measurement apparatus | |
| US6897961B2 (en) | Heterodyne lateral grating interferometric encoder | |
| RU2149354C1 (en) | Method of measurement of movement | |
| JP7061364B2 (en) | Distance measuring device and distance measuring method | |
| RU2657115C1 (en) | Laser emitters spectral line width measuring device | |
| RU2115884C1 (en) | Method of displacement measurement | |
| JPH02140638A (en) | Backscattering light measuring instrument | |
| JP2521872B2 (en) | Frequency modulation optical fiber displacement measuring device | |
| Dudzik et al. | Demodulator electronics for laser vibrometry | |
| Zhu et al. | Long-arm two-color interferometer for measuring the change of air refractive index | |
| SU1437786A1 (en) | Optronic measuring device | |
| EP0436752B1 (en) | Optical interference signal extractor | |
| SU785644A1 (en) | Photoelectric apparatus for measuring object geometrical dimensions | |
| JP2002116103A (en) | Optical fiber sensor | |
| JPH0522216B2 (en) | ||
| Saida et al. | Methods to improve dynamic range and sensitivity in phase-modulating optical coherence domain reflectometry | |
| CN110823357A (en) | Nonlinear error correction method for optical fiber Fabry-Perot interference vibration meter | |
| SU739384A1 (en) | Device for measuring atmospheric refraction | |
| SU834396A1 (en) | Light range finder |