RU2334965C2 - Fibre-optical measuring system (versions) - Google Patents
Fibre-optical measuring system (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2334965C2 RU2334965C2 RU2005139046/28A RU2005139046A RU2334965C2 RU 2334965 C2 RU2334965 C2 RU 2334965C2 RU 2005139046/28 A RU2005139046/28 A RU 2005139046/28A RU 2005139046 A RU2005139046 A RU 2005139046A RU 2334965 C2 RU2334965 C2 RU 2334965C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- interferometer
- fiber
- fabry
- recording
- measuring system
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к волоконно-оптической измерительной технике, в частности к волоконно-оптическим измерительным системам измерения давления, температуры, деформации, перемещения.The invention relates to fiber-optic measuring equipment, in particular to fiber-optic measuring systems for measuring pressure, temperature, deformation, displacement.
Известно изобретение «Квазистатический волоконно-оптический датчик давления» (Заявка РСТ WO 0017604, опубл. 30.03.2000), в котором используют самокалибровочную интерферометрию с применением широкополосного полупроводникового источника излучения. При этом производят измерение давления путем измерения отклонения мембраны, являющейся частью резонатора Фабри-Перо. Фазу принятого сигнала демодулируют с помощью двойного спектрометра с дифракционной решеткой в реальном масштабе времени и высокой разрешающей способностью. Эта технология позволяет проводить измерения абсолютной величины зазора в широком диапазоне с нанометрической разрешающей способностью. Подбором соответствующей мембраны, позволяющей работать в рабочем диапазоне давлений, возможно добиться разрешающей способности в несколько Паскалей при рабочем диапазоне до нескольких кПа.The invention is known "Quasistatic fiber-optic pressure sensor" (PCT Application WO 0017604, publ. 30.03.2000), which use self-calibration interferometry using a broadband semiconductor radiation source. In this case, a pressure measurement is made by measuring the deflection of the membrane, which is part of the Fabry-Perot resonator. The phase of the received signal is demodulated using a dual spectrometer with a real-time diffraction grating and high resolution. This technology allows measurements of the absolute value of the gap in a wide range with nanometric resolution. By selecting an appropriate membrane that allows you to work in the working pressure range, it is possible to achieve a resolution of several Pascals with a working range of up to several kPa.
Недостатком данного изобретения является громоздкость измерительной системы, подверженность ее воздействию вибрации и температуры, а также трудоемкость процессов сборки и юстировки, низкий уровень соотношения сигнал/шум.The disadvantage of this invention is the bulkiness of the measuring system, its susceptibility to vibration and temperature, as well as the complexity of the assembly and adjustment processes, low signal to noise ratio.
Известно изобретение «Оптический датчик длин волн» (Заявка РСТ WO 9520144, опубл. 27.07.1995), который содержит клинообразный Фабри-Перо эталон, являющийся резонатором для различных длин волн в зависимости от толщины. Имеется линейный датчик, который детектирует местоположение резонансного пика. Детектор соединен с процессором.The invention is known "Optical wavelength sensor" (PCT Application WO 9520144, publ. 07.27.1995), which contains a wedge-shaped Fabry-Perot standard, which is a resonator for different wavelengths depending on the thickness. There is a linear sensor that detects the location of the resonant peak. The detector is connected to the processor.
Недостатком данного технического решения являются большие потери мощности при прохождении эталона Фабри-Перо за счет использования отражающих покрытий, что уменьшает полезный сигнал, приводя к уменьшению соотношения сигнал/шум.The disadvantage of this technical solution is the large power loss when passing the Fabry-Perot standard through the use of reflective coatings, which reduces the useful signal, leading to a decrease in the signal-to-noise ratio.
Известно изобретение «Устройство и метод измерения физического параметра» (патент США 5,392,117, опубл. 21.02.1995), в котором оптическое устройство для измерения физического параметра, соединенное с источником излучения, имеющее в спектре множество частот, содержит интерферометр Фабри-Перо, через который проходит световой сигнал, указанный интерферометр Фабри-Перо включает два полуотражающих зеркала, параллельных друг другу и установленных на расстоянии друг от друга, так что образуют резонатор интерферометра Фабри-Перо, имеющего соответствующие характеристики передачи и пропускания, которые изменяются при воздействии указанного физического параметра. Указанный интерферометр Фабри-Перо сформирован, по крайней мере, одним оптическим волокном для передачи светового сигнала в указанный интерферометр Фабри-Перо и для приема части выходного светового сигнала; оптическое средство фокусировки для фокусировки, по крайней мере, части светового сигнала и Физо интерферометра, через который пропускается фокусированное излучение, указанный Физо интерферометр, включающий оптическое клинообразное средство, формирующее резонатор Физо интерферометра клиновидного профиля, из которого выходит пространственно распределенный световой сигнал, содержащий информацию о характеристиках пропускания или отражения указанного интерферометра Фабри-Перо. Следовательно, физический параметр может быть измерен с помощью указанного пространственно распределенного светового сигнала.The invention is known "Device and method for measuring a physical parameter" (US patent 5,392,117, publ. 02.21.1995), in which an optical device for measuring a physical parameter, connected to a radiation source, having in the spectrum a plurality of frequencies, contains a Fabry-Perot interferometer through which a light signal passes, the specified Fabry-Perot interferometer includes two semi-reflecting mirrors parallel to each other and installed at a distance from each other, so that they form a resonator of a Fabry-Perot interferometer having the corresponding Suitable transmission and transmission characteristics that vary when subjected to said physical parameter. The specified Fabry-Perot interferometer is formed by at least one optical fiber for transmitting a light signal to the specified Fabry-Perot interferometer and for receiving part of the output light signal; optical focusing means for focusing at least a part of the light signal and the Fizeau interferometer through which the focused radiation is passed, said Fizeau interferometer comprising an optical wedge-shaped tool forming a Fizeau resonator of a wedge-shaped profile, from which a spatially distributed light signal containing information about transmission or reflection characteristics of said Fabry-Perot interferometer. Therefore, the physical parameter can be measured using the specified spatially distributed light signal.
Недостатком данного технического решения являются большие потери мощности при прохождении интерферометра Физо, что уменьшает полезный сигнал, приводя к уменьшению соотношения сигнал/шум, а также трудоемкость сборки интерферометра Физо, так как необходимо сделать однородный клин с расстоянием между поверхностями, изменяющимися от 0 до 500 мкм.The disadvantage of this technical solution is the large power loss during the passage of the Fizeau interferometer, which reduces the useful signal, leading to a decrease in the signal to noise ratio, as well as the complexity of the assembly of the Fizeau interferometer, since it is necessary to make a uniform wedge with the distance between surfaces varying from 0 to 500 μm .
Данное изобретение является наиболее близким к заявляемому, то есть прототипом. Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение трудоемкости сборки, а также увеличение соотношения сигнал/шум.This invention is the closest to the claimed, that is, a prototype. The objective of the invention is to reduce the complexity of the Assembly, as well as increasing the signal-to-noise ratio.
Данная задача решается созданием по варианту 1 волоконно-оптической измерительной системы, содержащей широкополосный источник излучения, интерферометр Фабри-Перо, являющийся чувствительным элементом и образованный двумя полуотражающими параллельными зеркалами, по меньшей мере, одно из зеркал которого является торцом оптического волокна, предназначенного для передачи светового сигнала в указанный интерферометр Фабри-Перо и приема части выходного светового сигнала, фокусирующая система, регистрирующий интерферометр и фоторегиструющее средство, оптический Y-образный ответвитель, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорное устройство, при этом широкополосный источник излучения выполнен с оптоволоконным выходом, соединенным с оптическим Y-образным ответвителем, а также соединенный с интерферометром Фабри-Перо и с фокусирующей системой, причем оптоволоконные выходы ответвителей, соединенные с фокусирующей системой, параллельны оптической оси регистрирующего интерферометра, при этом регистрирующий интерферометр выполнен в виде одноканального поляризационного интерферометра, включающего два поляризатора и двулучепреломляющий кристалл клиновидного профиля, выход фотодетектирующего средства соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого, в свою очередь, соединен с цифровым входом микропроцессорного устройства, причем управляющие выходы микропроцессорного устройства соединены с соответствующими управляющими входами аналого-цифрового преобразователя и фоторегистрирующего устройства.This problem is solved by creating, according to
Кроме того, широкополосный источник излучения выполнен в виде полупроводникового светодиода.In addition, the broadband radiation source is made in the form of a semiconductor LED.
Кроме того, интерферометр Фабри-Перо образован двумя полуотражающими параллельными торцами волокон, помещенными в капилляр.In addition, the Fabry-Perot interferometer is formed by two semi-reflecting parallel fiber ends placed in the capillary.
Кроме того, фоторегистрирующее средство выполнено в виде прямоугольной матрицы фотоэлементов.In addition, the photo-recording means is made in the form of a rectangular matrix of photocells.
Кроме того, фоторегистрирующее средство выполнено в виде линейного набора фотоэлементов.In addition, the photo-recording tool is made in the form of a linear set of photocells.
Кроме того, система выполнена с возможностью измерения давления, температуры, деформации, перемещения.In addition, the system is configured to measure pressure, temperature, deformation, displacement.
Также данная задача решается созданием по варианту 2 волоконно-оптической измерительной системы, содержащей широкополосный источник излучения, по меньшей мере, два интерферометра Фабри-Перо, являющиеся чувствительными элементами и образованными двумя полуотражающими параллельными зеркалами, по меньшей мере, одно из зеркал которого является торцом оптического волокна, предназначенного для передачи светового сигнала в указанные интерферометры Фабри-Перо и приема части выходного светового сигнала, фокусирующую систему и фоторегиструющее средство, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорное устройство, по меньшей мере, два Y-образных ответвителя, по меньшей мере, при этом источники широкополосного излучения выполнены с оптоволоконными выходами, соединенными с оптическими Y-образными ответвителями, а также соединенные с соответствующими интерферометрами Фабри-Перо и с фокусирующей системой, причем оптоволоконные выходы ответвителей, соединенные с фокусирующей системой, параллельны оптической оси регистрирующего интерферометра, при этом регистрирующий интерферометр выполнен в виде многоканального поляризационного интерферометра с временным разделением каналов и включает два поляризатора и двулучепреломляющий кристалл клиновидного профиля, при этом выход фотодетектирующего средства соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого, в свою очередь, соединен с цифровым входом микропроцессорного устройства, причем управляющие выходы микропроцессорного устройства соединены с соответствующими управляющими входами аналого-цифрового преобразователя, фоторегистрирующего средства, а также с управляющими входами широкополосных источников излучения, обеспечивающих возможность их включения и выключения.This problem is also solved by creating, according to option 2, a fiber-optic measuring system containing a broadband radiation source, at least two Fabry-Perot interferometers, which are sensitive elements and are formed by two semi-reflecting parallel mirrors, at least one of the mirrors of which is the end of the optical fiber intended for transmitting a light signal to said Fabry-Perot interferometers and receiving a part of the output light signal, a focusing system and a photo register a means, an analog-to-digital converter, a microprocessor device, at least two Y-shaped couplers, at least, the broadband radiation sources are made with fiber-optic outputs connected to optical Y-shaped couplers, as well as connected to corresponding Fabry interferometers - A pen with a focusing system, with the fiber optic coupler outputs connected to the focusing system parallel to the optical axis of the recording interferometer, The interferometer is made in the form of a multi-channel polarization interferometer with time division of channels and includes two polarizers and a birefringent crystal of a wedge-shaped profile, while the output of the photodetecting means is connected to the input of an analog-to-digital converter, the output of which, in turn, is connected to the digital input of the microprocessor device, the outputs of the microprocessor device are connected to the corresponding control inputs of the analog-to-digital converter, means, as well as with the control inputs of broadband radiation sources, providing the ability to turn them on and off.
Кроме того, широкополосные источники излучения выполнены в виде полупроводниковых светодиодов.In addition, broadband radiation sources are made in the form of semiconductor LEDs.
Кроме того, интерферометр Фабри-Перо образован двумя полуотражающими параллельными торцами волокон, помещенными в капилляр.In addition, the Fabry-Perot interferometer is formed by two semi-reflecting parallel fiber ends placed in the capillary.
Кроме того, фоторегистрирующее средство выполнено в виде прямоугольной матрицы фотоэлементов.In addition, the photo-recording means is made in the form of a rectangular matrix of photocells.
Кроме того, фоторегистрирующее средство выполнено в виде линейного набора фотоэлементов.In addition, the photo-recording tool is made in the form of a linear set of photocells.
Кроме того, система выполнена с возможностью измерения давления, температуры, деформации, перемещения.In addition, the system is configured to measure pressure, temperature, deformation, displacement.
Также данная задача решается созданием по варианту 3 волоконно-оптической измерительной системы, содержащей широкополосные источники излучения, интерферометры Фабри-Перо, являющиеся чувствительными элементами и образованными двумя полуотражающими параллельными зеркалами, по меньшей мере, одно из зеркал которого является торцом оптического волокна, предназначенного для передачи светового сигнала в указанные интерферометры Фабри-Перо и приема части выходного светового сигнала, фокусирующую систему, регистрирующий интерферометр и фоторегиструющее средство, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорное устройство, при этом источники широкополосного излучения выполнены с оптоволоконными выходами, соединенными с оптическими Y-образными ответвителями, которые также соединены с соответствующими интерферометрами Фабри-Перо и с фокусирующей системой, при этом регистрирующий интерферометр выполнен в виде многоканального поляризационного интерферометра с пространственным разделением каналов, при этом оптоволоконные выходы ответвителей, соединенные с фокусирующей системой, расположены параллельно оптической оси регистрирующего интерферометра, располагаясь друг над другом в вертикальной плоскости, причем оптоволоконные выходы от различных ответвителей расположены на таком расстоянии друг от друга, чтобы интерференционные картины, соответствующие различным интерферометрам Фабри-Перо, не перекрывались на фоторегиструющем средстве, при этом фоторегиструющее средство выполнено в виде прямоугольной матрицы фотоэлементов, а регистрирующий интерферометр включает два поляризатора и двулучепреломляющий кристалл клиновидного профиля, треугольное основание которого расположено в горизонтальной плоскости, а выход фотодетектирующего средства соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого, в свою очередь, соединен с цифровым входом микропроцессорного устройства, причем управляющие выходы микропроцессорного устройства соединены с соответствующими управляющими входами аналого-цифрового преобразователя и фоторегистрирующего средства.This problem is also solved by creating, according to option 3, a fiber-optic measuring system containing broadband radiation sources, Fabry-Perot interferometers, which are sensitive elements and formed by two semi-reflecting parallel mirrors, at least one of the mirrors of which is the end of the optical fiber intended for transmission a light signal to said Fabry-Perot interferometers and receiving a part of the output light signal, a focusing system that records the interferometer and f a recording device, an analog-to-digital converter, a microprocessor device, while the broadband radiation sources are made with fiber-optic outputs connected to optical Y-shaped couplers, which are also connected to the corresponding Fabry-Perot interferometers and with a focusing system, while the recording interferometer is made in the form multi-channel polarization interferometer with spatial separation of channels, while the fiber optic coupler outputs connected to the foci system, located parallel to the optical axis of the recording interferometer, located one above the other in a vertical plane, and the fiber-optic outputs from different couplers are located at such a distance from each other so that the interference patterns corresponding to different Fabry-Perot interferometers do not overlap on the photographic recording means, this photo-recording tool is made in the form of a rectangular matrix of photocells, and the recording interferometer includes two polarizers and two-beam a wedge-shaped refracting crystal, the triangular base of which is located in the horizontal plane, and the output of the photodetecting means is connected to the input of the analog-to-digital converter, the output of which, in turn, is connected to the digital input of the microprocessor device, and the control outputs of the microprocessor device are connected to the corresponding control inputs of the analog -digital converter and photo-recording means.
Кроме того, широкополосные источники излучения выполнены в виде полупроводниковых светодиодов.In addition, broadband radiation sources are made in the form of semiconductor LEDs.
Кроме того, интерферометр Фабри-Перо образован двумя полуотражающими параллельными торцами волокон, помещенными в капилляр.In addition, the Fabry-Perot interferometer is formed by two semi-reflecting parallel fiber ends placed in the capillary.
Кроме того, система выполнена с возможностью измерения давления, температуры, деформации, перемещения.In addition, the system is configured to measure pressure, temperature, deformation, displacement.
На фиг.1 представлена схема одноканальной измерительной системы.Figure 1 presents a diagram of a single-channel measuring system.
На фиг.2 представлена схема регистрирующего одноканального интерферометра.Figure 2 presents a diagram of a recording single-channel interferometer.
На фиг.3 представлен график зависимости интенсивности излучения на выходе регистрирующего интерферометра от толщины двулучепреломляющего кристалла.Figure 3 presents a graph of the dependence of the radiation intensity at the output of the recording interferometer on the thickness of the birefringent crystal.
На фиг.4 представлен пример исполнения чувствительного элемента с использованием мембраны.Figure 4 presents an example of the performance of the sensing element using a membrane.
На фиг.5 представлен пример исполнения чувствительного элемента с использованием капилляра.Figure 5 presents an example of the performance of the sensing element using a capillary.
На фиг.6 представлена схема многоканальной измерительной системы с временным разделением каналов.Figure 6 presents a diagram of a multi-channel measuring system with time division of channels.
На фиг.7 представлена схема многоканальной измерительной системы с пространственным разделением каналов.Figure 7 presents a diagram of a multi-channel measuring system with spatial separation of channels.
На фиг.8. представлена схема регистрирующего многоканального интерферометра с пространственным разделением каналов.On Fig. a diagram of a recording multi-channel interferometer with spatial separation of channels is presented.
Волоконно-оптическая измерительная система по варианту 1 (фиг.1) содержит широкополосный источник излучения 1, интерферометр Фабри-Перо 3, являющийся чувствительным элементом и образованный двумя полуотражающими параллельными зеркалами 13 (фиг.4, 5), по меньшей мере, одно из зеркал 13 которого является торцом оптического волокна, предназначенного для передачи светового сигнала в указанный интерферометр Фабри-Перо 3 (фиг.1) и приема части выходного светового сигнала, фокусирующую систему 5, регистрирующий интерферометр 6 и фоторегистрирующее средство 12, оптический Y-образный ответвитель 2, аналого-цифровой преобразователь 7, микропроцессорное устройство 8, причем широкополосный источник излучения 1 выполнен с оптоволоконным выходом, соединенным с оптическим Y-образным ответвителем 2, который также соединен с чувствительным элементом 3 и с фокусирующей системой 5, при этом регистрирующий интерферометр 6 выполнен в виде одноканального поляризационного интерферометра (фиг.2), включающего два поляризатора 9 и 11 и двулучепреломляющий кристалл 10 клиновидного профиля, выход фотодетектирующего средства 12 (фиг.1) соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 7, выход которого, в свою очередь, соединен с цифровым входом микропроцессорного устройства 8, причем управляющие выходы микропроцессорного устройства 8 соединены с соответствующими управляющими входами аналого-цифрового преобразователя 7 и фоторегистрирующего устройства 12.The fiber-optic measuring system according to option 1 (Fig. 1) contains a
Кроме того, широкополосный источник излучения 1 выполнен в виде полупроводникового светодиода.In addition, the
Кроме того, интерферометр Фабри-Перо 3 образован двумя полуотражающими параллельными торцами 13 (фиг.5) волокон, помещенными в капилляр 18.In addition, the Fabry-Perot interferometer 3 is formed by two semi-reflecting parallel ends 13 (Fig. 5) of fibers placed in the
Кроме того, фоторегистрирующее средство 12 (фиг.1) выполнено в виде прямоугольной матрицы фотоэлементов.In addition, the photo-recording means 12 (figure 1) is made in the form of a rectangular matrix of photocells.
Кроме того, фоторегистрирующее средство 12 (фиг.1) выполнено в виде линейного набора фотоэлементов.In addition, the photo-recording means 12 (figure 1) is made in the form of a linear set of photocells.
Волоконно-оптическая измерительная система по варианту 2 (фиг.6) содержит широкополосные источники излучения 1.1...1.N, оптические Y-образные ответвители 2.1...2.N, интерферометры Фабри-Перо 3.1...3.N, являющиеся чувствительными элементами и образованными двумя полуотражающими параллельными зеркалами 13 (фиг.4, 5), по меньшей мере, одно из зеркал 13 которого является торцом оптического волокна, предназначенного для передачи светового сигнала в указанные интерферометры Фабри-Перо 3.1...3.N (фиг.6) и приема части выходного светового сигнала, фокусирующая система 5 и фоторегистрирующее средство 12, аналого-цифровой преобразователь 7, микропроцессорное устройство 8, при этом источники широкополосного излучения 1.1...1.N выполнены с оптоволоконными выходами, соединенными с оптическими Y-образными ответвителями 2.1...2.N, а также соединены с соответствующими интерферометромами Фабри-Перо 3.1...3.N и с фокусирующей системой 5, при этом регистрирующий интерферометр выполнен в виде многоканального поляризационного интерферометра 6 с временным разделением каналов, включающего два поляризатора 9, 11 (фиг.2) и двулучепреломляющий кристалл 10 клиновидного профиля, выход фотодетектирующего средства 12 соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 7 (фиг.6), выход которого, в свою очередь, соединен с цифровым входом микропроцессорного устройства 8, причем управляющие выходы микропроцессорного устройства 8 соединены с соответствующими управляющими входами аналого-цифрового преобразователя 7, фоторегистрирующего средства 12, а также с управляющими входами источников излучения 1.1...1.N для обеспечения возможности их включения и выключения.The fiber-optic measuring system according to option 2 (Fig.6) contains broadband radiation sources 1.1 ... 1.N, optical Y-shaped couplers 2.1 ... 2.N, Fabry-Perot interferometers 3.1 ... 3.N, being sensitive elements and formed by two semi-reflecting parallel mirrors 13 (Figs. 4, 5), at least one of the
Кроме того, широкополосные источники излучения 1.1...1.N выполнены в виде полупроводниковых светодиодов.In addition, broadband radiation sources 1.1 ... 1.N are made in the form of semiconductor LEDs.
Кроме того, интерферометры Фабри-Перо 3.1...3.N образованы двумя полуотражающими параллельными торцами 13 (фиг.5) волокон, помещенными в капилляр 18.In addition, Fabry-Perot interferometers 3.1 ... 3.N are formed by two semi-reflecting parallel ends 13 (Fig. 5) of fibers placed in the
Кроме того, фоторегистрирующее средство 12 выполнено в виде прямоугольной матрицы фотоэлементов.In addition, the photo-recording means 12 is made in the form of a rectangular matrix of photocells.
Кроме того, фоторегистрирующее средство 12 выполнено в виде линейного набора фотоэлементов.In addition, the photo-recording means 12 is made in the form of a linear set of photocells.
Волоконно-оптическая измерительная система по варианту 3 (фиг.7) содержит широкополосные источники излучения 1.1...1.N, оптические Y-образные ответвители 2.1...2.N, интерферометры Фабри-Перо 3.1...3.N, являющиеся чувствительными элементами и образованные двумя полуотражающими параллельным зеркалами 13 (фиг.4, 5), по меньшей мере, одно из зеркал 13 которого является торцом оптического волокна, предназначенного для передачи светового сигнала в указанные интерферометры Фабри-Перо 3.1...3.N (фиг.7) и приема части выходного светового сигнала, фокусирующая система 5, регистрирующий интерферометр 6 и фоторегистрирующее средство 12, аналого-цифровой преобразователь 7, микропроцессорное устройство 8, при этом источники широкополосного излучения 1.1...1.N выполнены с оптоволоконными выходами, соединенными с оптическими Y-образными ответвителями 2.1...2.N, которые также соединены с соответствующими интерферометрами Фабри-Перо 3.1...3.N и с фокусирующей системой 5, при этом регистрирующий интерферометр 6 выполнен в виде многоканального поляризационного интерферометра с пространственным разделением каналов, при этом оптоволоконные выходы 4 ответвителей 2.1...2.N, соединенные с фокусирующей системой 5, расположены параллельно оптической оси регистрирующего интерферометра 6, причем оптоволоконные выходы 4 от различных ответвителей 2.1...2.N расположены на таком расстоянии друг от друга, чтобы интерференционные картины, соответствующие различным интерферометрам Фабри-Перо 3.1...3.N, не перекрывались на фоторегиструющем средстве 12, при этом фоторегиструющее средство 12 выполнено в виде прямоугольной матрицы фотоэлементов, а регистрирующий интерферометр 6 включает в себя два поляризатора 9, 11 (фиг.8) и двулучепреломляющий кристалл 10 клиновидного профиля, выход фотодетектирующего средства 12 (фиг.7) соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 7, выход которого, в свою очередь, соединен с цифровым входом микропроцессорного устройства 8, причем управляющие выходы микропроцессорного устройства 8 соединены с соответствующими управляющими входами аналого-цифрового преобразователя 7 и фоторегистрирующего средства 12.The fiber-optic measuring system according to option 3 (Fig. 7) contains broadband radiation sources 1.1 ... 1.N, optical Y-shaped couplers 2.1 ... 2.N, Fabry-Perot interferometers 3.1 ... 3.N, being sensitive elements and formed by two semi-reflecting parallel mirrors 13 (Figs. 4, 5), at least one of the
Кроме того, широкополосные источники излучения 1.1...1.N выполнены в виде полупроводниковых светодиодов.In addition, broadband radiation sources 1.1 ... 1.N are made in the form of semiconductor LEDs.
Кроме того, интерферометры Фабри-Перо 3.1...3.N образованы двумя полуотражающими параллельными торцами 13 (фиг.5) волокон, помещенными в капилляр 18.In addition, Fabry-Perot interferometers 3.1 ... 3.N are formed by two semi-reflecting parallel ends 13 (Fig. 5) of fibers placed in the
Устройство работает следующим образомThe device operates as follows
По варианту 1, 2, 3.According to
Широкополосное излучение, излучаемое источником света 1 (фиг.1), которым может быть светодиод с оптоволоконным выходом, проходит через один из входов Y-образного ответвителя 2 и попадает в чувствительный элемент 3, являющийся низкодобротным резонатором Фабри-Перо. При отражении от чувствительного элемента 3 излучение приобретает периодическую модуляцию в спектре за счет интерференции волны, отраженной от внутренней границы световода, и волны, отраженной от другой отражающей поверхности, которая может быть мембраной 16 (фиг.4) или другим волокном 17 (фиг.5), причем период этих модуляций однозначно связан с базой интерферометра. Далее отраженное от чувствительного элемента 3 (фиг.1) излучение попадает опять в волокно, проходит через ответвитель 2 в обратном направлении и часть излучения попадает на выход 4 ответвителя 2, проходит через фокусирующую систему 5, на выходе которой имеется параллельный пучок лучей, которые подают на оптический вход регистрирующего интерферометра 6. На выходе регистрирующего интерферометра 6 расположено фоторегистрирующее средство 12, предназначенное для преобразования оптического изображения в электрический сигнал, поступающий с видеовыхода на аналого-цифровой преобразователь 7, и далее уже цифровой сигнал поступает на микропроцессорное устройство 8, где происходит обработка сигнала, заключающаяся в том, что в полученном оптическом изображении корреляционного сигнала находится максимум его огибающей, например, путем подбора формы огибающей и последующего вычисления ее максимума. При нахождении максимума огибающей корреляционного сигнала в микропроцессорном устройстве 8 вычисляется база интерферометра Фабри-Перо 3. Для управления работой фоторегистрирующего устройства 12, которым может быть линейная или прямоугольная ПЗС-матрица, на него с помощью микропроцессорного устройства 8 подаются сигналы управления, а также подаются сигналы управления на аналого-цифровой преобразователь 6 для синхронизации.The broadband radiation emitted by the light source 1 (Fig. 1), which can be an LED with an optical fiber output, passes through one of the inputs of the Y-shaped coupler 2 and enters the sensing element 3, which is a low-Q Fabry-Perot resonator. When reflected from the sensor element 3, the radiation acquires periodic modulation in the spectrum due to the interference of the wave reflected from the inner boundary of the fiber and the wave reflected from another reflecting surface, which may be a membrane 16 (Fig. 4) or another fiber 17 (Fig. 5 ), and the period of these modulations is uniquely associated with the base of the interferometer. Further, the radiation reflected from the sensing element 3 (Fig. 1) enters the fiber again, passes through the coupler 2 in the opposite direction, and part of the radiation goes to the
Одноканальный регистрирующий интерферометр, изображенный на фиг.2, вместе с фокусирующей системой 5 представляет собой, по меньшей мере, одну сферическую или цилиндрическую линзу. Одноканальный регистрирующий поляризационный интерферометр 6 содержит первый поляризатор 9, кристалл клиновидной формы 10, имеющий двулучепреломляющие свойства, второй поляризатор 11 и фоторегистрирующее средство 12, представляющее собой линейный набор или прямоугольную матрицу фотоэлементов. При этом все части поляризационного интерферометра соединены в единый блок небольшого размера путем, например, склейки частей интерферометра друг с другом, а также за счет того, что используется цельный кусок двулучепреломляющего кристалла, не имеющего каких-либо частей и имеющего характерные размеры порядка 1 см, удобные для технологического процесса, в результате чего повышается технологичность сборки интерферометра. Также в отличие от интерферометров Физо, Фабри-Перо и интерферометров на основе диффракционной решетки поляризационный интерферометр обладает большей пропускающей способностью около 50%, так как в нем отсутствуют отражающие покрытия, что приводит к повышению уровеня мощности полезного сигнала, и тем самым увеличивается соотношение сигнал-шум.The single-channel recording interferometer shown in FIG. 2, together with the focusing
Излучение с выхода 4 ответвителя 2 проходит через фокусирующую систему 5, на выходе которой имеется параллельный пучок излучения, который затем попадает на вход регистрационного поляризационного интерферометра 6 и проходит через первый поляризатор 9, который пропускает линейно-поляризованное излучение. Затем излучение попадает на клинообразной формы кристалл 10, имеющий двулучепреломляющие свойства, причем оптическая ось кристалла 10 не должны быть параллельна направлению распространения света, а ось поляризатора 9 и оптическая ось кристалла 10 также не должны лежать в одной плоскости так, чтобы кристалл 10 представлял собой фазовую пластинку переменной толщины. Излучение, проходя через двулучепреломляюший кристалл 10, разбивается на два луча: обыкновенный и необыкновенный, имеющие ортогональные поляризации и распространяющиеся с разными скоростями, и, следовательно, появляется сдвиг фаз двух лучей в зависимости от толщины кристалла 10 и разницы показателей преломления, соответствующей этим лучам. Так, например, если использовать кристалл кальцита, имеющий разницу показателей преломления равную 0,06, то на толщине 1 см разница в оптическом пути будет равна 600 мкм, что как раз лежит в рабочем диапазоне изменения базы интерферометра Фабри-Перо 3. При использовании кристалла 10 переменной длины набег фаз является переменной величиной, что дает возможность сканировать излучение по разнице фаз. Затем излучение проходит через второй поляризатор 11, являющийся анализатором и служащий для выявления интерференции обыкновенного и необыкновенного лучей. Следовательно, оптическая схема регистрирующего поляризационного интерферометра представляет собой автокоррелятор, который производит корреляцию оптического сигнала и с таким же сигналом, но имеющим некоторую переменную временную задержку. Если в оптическом сигнале уже имеется наложение двух волн, как в случае использования излучения, отраженного от низкодобротного интерферометра Фабри-Перо 3 (фиг.1), служащего в нашем случае чувствительным элементом, то при пропускании такого сигнала через автокоррелятор на выходе после анализатора 11 возникает распределение интенсивности с периодической модуляцией, имеющей огибающую в виде пика (фиг.3). Максимум огибающей, которой однозначно связан с базой интерферометра Фабри-Перо 3 (фиг.1), это L, т.е. расстояние между двумя отражающими поверхностями. Принимая выходное изображение на фоторегистрирующее средство 12, представляющее собой линейный набор или прямоугольную матрицу фотоэлементов, и проведя оцифровку видеосигнала, полученного с выхода фоторегистрирующего средства 12 с помощью аналого-цифрового преобразователя 7 и введя данные в процессорное устройство 8, где они обрабатываются и производится вычисление огибающей, вычисляется координата максимума огибающей и, следовательно, вычисляется база интерферометра Фабри-Перо 3 чувствительного элемента, а следовательно, и физическая величина, воздействующая на интерферометр.The radiation from the
Примеры исполнения чувствительного элемента 3 даны на фиг.4 и 5. На фиг.4 дан пример конструктивного исполнения чувствительного элемента датчика давления на основе низкодобротного интерферометра Фабри-Перо, где волокно, имеющее плоский и гладкий торец 13, закреплено с помощью клея 14, например, на основе эпоксидной смолы, или с помощью легкоплавкого стекла закреплено в держателе 15, в котором также закреплена круглая мембрана 16, внутренняя поверхность которой гладкая и отражающая. Давление подается на мембрану 16 с внешней стороны и приводит к ее прогибу, что изменяет базу интерферометра Фабри-Перо, образованного между торцом волокна 13 и мембраной 16.Examples of the performance of the sensing element 3 are given in Figs. 4 and 5. Fig. 4 shows an example of the construction of the sensing element of the pressure sensor based on a low-Q Fabry-Perot interferometer, where the fiber having a flat and
Другой пример исполнения датчика дан на фиг.5, который может служить датчиком деформации или датчиком температуры. В данном случае интерферометр Фабри-Перо образован двумя плоскими гладкими торцами 13 волокон, причем первое волокно является входом и выходом чувствительного элемента, а второе 17 служит лишь в качестве зеркала и является небольшим отрезком. Оптические волокна прикрепляются к капилляру 18 с помощью клея, например, эпоксидного или легкоплавкого стекла 14. При этом, если изменяется температура или происходит деформация капилляра 18, то это сопровождается изменением его длины, и, следовательно, изменяется база интерферометра, т.е. расстояние между торцами 13 волокон.Another example of a sensor embodiment is given in FIG. 5, which can serve as a deformation sensor or a temperature sensor. In this case, the Fabry-Perot interferometer is formed by two flat smooth ends of 13 fibers, the first fiber being the input and output of the sensing element, and the second 17 serving only as a mirror and is a small segment. Optical fibers are attached to the capillary 18 with glue, for example, epoxy or low-melting
В устройстве по варианту 2 имеется несколько каналов.The device according to option 2 has several channels.
В устройстве имеется несколько каналов измерения (фиг.6), состоящих из источников излучения 1.1...1.N, имеющих дополнительно управляющий вход, по которому от процессорного средства подаются сигналы на включение и отключение, ответвители 2.1...2.N, чувствительные элементы 3.1...3.N на основе интерферометра Фабри-Перо, причем выходы 4.1...4.N ответвителей 2.1...2.N соединены с фокусирующей системой 5 и объединены в жгут. При этом процессорное устройство 8 поочередно опрашивает каналы измерения, подавая управляющие сигналы на источники излучения 1.1...1.N, последовательно включая один из источников излучения 1.1...1.N и отключая остальные. Таким образом, в один момент времени работает лишь один канал измерения, который и обрабатывается процессорным устройством 8, путем считывая интерференционной картинки с фоторегистрирующего средства 12, и оцифрованное с помощью аналого-цифрового преобразователя 7. Через некоторый промежуток времени, необходимый на обработку сигнала, микропроцессорное устройство 8 включает следующий канал путем подачи управляющего сигнала на включение соответствующего источника излучения и подачей управляющего сигнала на отключение остальных источников излучения, таким образом, производится переключение на другой канал. Следовательно, производится опрос N каналов измерения за N шагов и является методом временного разделения каналов измерения.The device has several measurement channels (Fig. 6), consisting of radiation sources 1.1 ... 1.N, which additionally have a control input, through which signals for switching on and off are supplied from the processor means, couplers 2.1 ... 2.N, sensitive elements 3.1 ... 3.N based on a Fabry-Perot interferometer, and the outputs 4.1 ... 4.N of the couplers 2.1 ... 2.N are connected to the focusing
В устройстве по варианту 3 имеется несколько каналов.The device according to option 3 has several channels.
В устройстве имеется несколько каналов измерения (фиг.7), состоящих из источников излучения 1.1...1.N, ответвителей 2.1...2.N, чувствительных элементов 3.1...3.N на основе интерферометра Фабри-Перо, причем выходы 4.1...4.N ответвителей 2.1...2.N, соединенные с фокусирующей системой 5 (фиг.8), расположены на некотором расстоянии друг от друга, а фокусирующая система 5 представляет собой, по меньшей мере, одну цилиндрическую линзу 5. Излучение от каждого канала на фоторегистрирующем средстве 12 сфокусированы в узкие интерференционные полосы. При этом расстояние между выходам волокон 4 и их взаимное расположение выбираются таким образом, чтобы интерференционные картинки, соответствующие каждому каналу, не перекрывались на фоторегистрирующем устройстве 12, представляющем собой прямоугольную матрицу фотоэлементов, при этом оптоволоконные выходы ответвителей 2, соединенные с фокусирующей системой 5, расположены параллельно оптической оси регистрирующего интерферометра 6, а треугольное основание двулучепреломляющего кристалла 10 (фиг.8) клиновидного профиля расположено в горизонтальной плоскости. Такой метод является пространственным методом разделения каналов. Затем сигнал с матрицы фотоэлементов 12 (фиг.7) через аналогово-цифровое устройство 7 поступает в процессорное устройство 8, где происходит раздельная обработка изображений полос, соответствующих различным каналам измерения.The device has several measurement channels (Fig. 7), consisting of radiation sources 1.1 ... 1.N, couplers 2.1 ... 2.N, sensitive elements 3.1 ... 3.N based on a Fabry-Perot interferometer, and the outputs 4.1 ... 4.N of the couplers 2.1 ... 2.N connected to the focusing system 5 (Fig. 8) are located at a certain distance from each other, and the focusing
В качестве источника излучения возможно использование светодиода, работающего на длине волны 1,3 нм, например, марки МТК-Е15-506-005-РН1-100 поставляемой компании «Metrotek», стандартных одномодовых оптоволоконных ответвителей FSC-1310-050 той же компании «Metrotek», стандартное одномодовое волокно марки SMF-28, например, компании «Corning». В качестве регистрирующего средства возможно применение линейных приемников и прямоугольных матриц на основе приемников излучения с использованием полупроводниковых структур на основе InGaAs, например, марок SU1024LE-1.7 с разрешением 1024×1 и SU640SDV-1.7RT с разрешением 640×560 производства компании «Sensor Unlimited». Микропроцессорное устройство может выполняться на основе сигнального процессора, например, фирмы «Analog Device» марки ADSP-TS203, обладающего достаточной производительностью, чтобы обрабатывать изображения в реальном масштабе времени.As a radiation source, it is possible to use an LED operating at a wavelength of 1.3 nm, for example, MTK-E15-506-005-PH1-100 brand supplied by Metrotek, standard single-mode fiber optic couplers FSC-1310-050 of the same company Metrotek ", a standard single-mode fiber brand SMF-28, for example, the company" Corning ". As a recording means, it is possible to use linear detectors and rectangular arrays based on radiation detectors using InGaAs-based semiconductor structures, for example, grades SU1024LE-1.7 with a resolution of 1024 × 1 and SU640SDV-1.7RT with a resolution of 640 × 560 manufactured by Sensor Unlimited . The microprocessor device can be based on a signal processor, for example, the company “Analog Device” brand ADSP-TS203, which has sufficient performance to process images in real time.
В качестве материала для кристаллической пластики клинообразной формы возможно использование кристаллического кварца или кальцита. Также используются стандартные оптические компоненты.As a material for crystalline plastics wedge-shaped can use crystalline quartz or calcite. Standard optical components are also used.
Технический результат достигается за счет использования в качестве регистрирующего интерферометра поляризационного интерферометра, который обеспечивает простоту сборки за счет использования двулучепреломляющего кристалла, имеющего сантиметровые размеры, удобные для технологии сборки. Также технический результат достигается за счет того, что поляризационный интерферометр имеет высокую степень пропускания излучения около 50%, что тем самым увеличивает мощность полезного сигнала, что приводит, в конечном счете, к увеличению соотношения сигнал/шум.The technical result is achieved through the use of a polarizing interferometer as a recording interferometer, which ensures ease of assembly through the use of a birefringent crystal having centimeter dimensions convenient for assembly technology. Also, the technical result is achieved due to the fact that the polarization interferometer has a high degree of transmittance of radiation of about 50%, which thereby increases the power of the useful signal, which ultimately leads to an increase in the signal-to-noise ratio.
Claims (16)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005139046/28A RU2334965C2 (en) | 2005-12-15 | 2005-12-15 | Fibre-optical measuring system (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005139046/28A RU2334965C2 (en) | 2005-12-15 | 2005-12-15 | Fibre-optical measuring system (versions) |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2005139046A RU2005139046A (en) | 2007-07-20 |
| RU2334965C2 true RU2334965C2 (en) | 2008-09-27 |
Family
ID=38430603
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005139046/28A RU2334965C2 (en) | 2005-12-15 | 2005-12-15 | Fibre-optical measuring system (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2334965C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2795841C1 (en) * | 2022-01-28 | 2023-05-12 | Татьяна Ивановна Мурашкина | Fiber optic temperature sensor |
-
2005
- 2005-12-15 RU RU2005139046/28A patent/RU2334965C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2795841C1 (en) * | 2022-01-28 | 2023-05-12 | Татьяна Ивановна Мурашкина | Fiber optic temperature sensor |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2005139046A (en) | 2007-07-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7259862B2 (en) | Low-coherence interferometry optical sensor using a single wedge polarization readout interferometer | |
| CA2074289C (en) | Fabry-perot optical sensing device for measuring a physical parameter | |
| RU2205374C2 (en) | Fiber-optic pressure transducers and pressure measurement system including them | |
| JP2716207B2 (en) | Interferometer sensor and use of the sensor in an interferometer device | |
| US4428239A (en) | Differential pressure measuring apparatus | |
| CN100451694C (en) | Optical sensor using low-coherence interferometry | |
| US8958075B2 (en) | Swing-style and high signal-to-noise ratio demodulation devices and corresponding demodulation method for the measurement of low coherence interference displacement | |
| CA2272033A1 (en) | Arrangement for determining the temperature and strain of an optical fiber | |
| EP0321252B1 (en) | Optical fiber sensor | |
| JPH0250409B2 (en) | ||
| KR101541602B1 (en) | Optical gap sensor apparatus and the gap sensing method thereof for measuring multi-degree of freedom measurements | |
| US5561522A (en) | Integrated birefringent-biased pressure and temperature sensor system | |
| JPH03504768A (en) | Interferometer system for measuring distance and shift movements, especially of moving components | |
| GB2086572A (en) | Differential pressure measuring apparatus | |
| US5589931A (en) | System to determine environmental pressure and birefringent-biased cladded optical sensor for use therein | |
| JP3760649B2 (en) | Physical quantity measurement system | |
| CN115900535B (en) | Interference demodulation device and interference measurement system | |
| CN115900788A (en) | Double-refraction crystal demodulation system and method for cavity length of optical fiber Fabry-Perot sensor | |
| US20120316830A1 (en) | Coupled multi-wavelength confocal systems for distance measurements | |
| RU2334965C2 (en) | Fibre-optical measuring system (versions) | |
| US5061846A (en) | Detecting disturbance using optical gap sensing | |
| KR100639846B1 (en) | Time division multiplexed array of optical and non-acoustic pressure sensors | |
| RU81574U1 (en) | FIBER OPTICAL MEASURING SYSTEM (OPTIONS) | |
| US6836333B1 (en) | Fourier transform spectrometer using an optical block | |
| RU2032181C1 (en) | Fiber-optic electric-field strength and voltage meter |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20071216 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20090327 |
|
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20110616 |
|
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20110927 |
|
| RH4A | Copy of patent granted that was duplicated for the russian federation |
Effective date: 20120830 |
|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20120907 |
|
| QZ41 | Official registration of changes to a registered agreement (patent) |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20120907 Effective date: 20120912 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20161216 |