RU2338155C1 - Optic fiber displacement converter - Google Patents

Optic fiber displacement converter Download PDF

Info

Publication number
RU2338155C1
RU2338155C1 RU2007123819/28A RU2007123819A RU2338155C1 RU 2338155 C1 RU2338155 C1 RU 2338155C1 RU 2007123819/28 A RU2007123819/28 A RU 2007123819/28A RU 2007123819 A RU2007123819 A RU 2007123819A RU 2338155 C1 RU2338155 C1 RU 2338155C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
lens
optical fiber
input
fiber
optic fiber
Prior art date
Application number
RU2007123819/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Тать на Ивановна Мурашкина (RU)
Татьяна Ивановна Мурашкина
В чеслав Дмитриевич Зуев (RU)
Вячеслав Дмитриевич Зуев
Николай Петрович Кривулин (RU)
Николай Петрович Кривулин
Original Assignee
ГОУ ВПО Пензенский Государственный Университет (ПГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ГОУ ВПО Пензенский Государственный Университет (ПГУ) filed Critical ГОУ ВПО Пензенский Государственный Университет (ПГУ)
Priority to RU2007123819/28A priority Critical patent/RU2338155C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2338155C1 publication Critical patent/RU2338155C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Measurement Of Optical Distance (AREA)

Abstract

FIELD: physics, measurement.
SUBSTANCE: Displacement converter includes spherical lens made of quartz glass with refraction factor, input and output optic fibers. Spherical lens is positioned between input and output optic fibers, so that optical axes of input and output optic fibers and lens coincide. Distances between input optic fiber and lens and between output optic fiber and lens are defined by formulae.
EFFECT: enhanced measurement accuracy, simplified construction.
3 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к преобразователям малых перемещений, и может быть использовано при разработке и изготовлении малогабаритных волоконно-оптических датчиков перемещений, давления, виброперемещения, угловых перемещений.The invention relates to the field of measuring equipment, in particular to transducers of small displacements, and can be used in the development and manufacture of small-sized fiber-optic sensors for displacement, pressure, vibration displacement, angular displacement.

Известно устройство для контроля параметров вибрации, содержащее волоконно-оптическую линейку, представляющую собой совокупность светопроводящих волокон-дискретов равной толщины [Авторское свидетельство №962768, кл. G01H 9/00, 1982. Устройство для контроля вибрации]. Подводящее оптическое волокно (ПОВ), закрепленное в инерционной массе, перемещается под воздействием вибрации корпуса относительно волоконно-оптической линейки. Узкий световой пучок источника света направляется по оптическому волокну на воспринимающую поверхность волоконно-оптической линейки, жестко закрепленной в корпусе. По отводящим оптическим волокнам световой поток передается на фотоэлектрический преобразователь с измерительным блоком.A device for monitoring vibration parameters containing a fiber optic ruler, which is a combination of light-conducting fiber discrete of equal thickness [Copyright certificate No. 962768, class. G01H 9/00, 1982. Device for controlling vibration]. The supply optical fiber (FOV), fixed in the inertial mass, moves under the influence of vibration of the housing relative to the optical fiber line. A narrow light beam of the light source is directed along the optical fiber to the sensing surface of the fiber-optic array, rigidly fixed in the housing. The light flux is transmitted through the optical fibers that are diverted to a photoelectric converter with a measuring unit.

Недостатком данного устройства является низкая надежность конструкции из-за наличия маятникового крепления инерционной массы, в котором со временем может появиться люфт, и изгибов оптического волокна, ведущих к возможной поломке волокна.The disadvantage of this device is the low reliability of the design due to the presence of the pendulum fastening of the inertial mass, in which backlash may appear over time, and the bends of the optical fiber, leading to a possible breakdown of the fiber.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для измерения перемещений объекта, характеризующееся тем, что световой поток от источника света, пройдя через светофильтр и подводящее оптическое волокно, падает расходящимся пучком на плосковыпуклую линзу [Авторское свидетельство №1516795А1, кл. G01H 9/00, 1989. Устройство для измерения перемещений объекта]. Световой пучок после преломления преобразуется в параллельный, который, частично отразившись от поверхности, проходит в воздушный промежуток, образуемый плоско-выпуклой линзой и плоско-параллельной пластиной. Отразившись, интерферирует со световым пучком, отраженным от плоской поверхности плосковыпуклой линзы. Далее световой поток фокусируется на входном торце отводящего оптического волокна (OOB). Фотоприемник регистрирует перераспределение энергии в интерференционной картине как функцию перемещения.The closest in technical essence to the invention is a device for measuring the displacement of an object, characterized in that the light flux from the light source, passing through the filter and the optical fiber, falls diverging beam onto a plano-convex lens [Copyright certificate No. 1516795A1, class. G01H 9/00, 1989. A device for measuring the movement of an object]. After refraction, the light beam is converted into a parallel one, which, partially reflected from the surface, passes into the air gap formed by a plane-convex lens and a plane-parallel plate. When reflected, it interferes with a light beam reflected from the flat surface of a plano-convex lens. Next, the luminous flux is focused on the input end of the output optical fiber (OOB). A photodetector registers the redistribution of energy in the interference pattern as a function of displacement.

Недостатками данного устройства являются большие френелевские потери на границе раздела сред конструкции устройства и необходимость очень точной юстировки элементов конструкции относительно друг друга для получения интерференционной картины.The disadvantages of this device are large Fresnel losses at the interface of the device’s construction media and the need for very precise alignment of the structural elements relative to each other to obtain an interference pattern.

Изобретение направлено на увеличение чувствительности преобразования светового потока за счет уменьшение его потерь в зоне измерения, упрощение конструкции волоконно-оптического преобразователя.The invention is aimed at increasing the sensitivity of conversion of the light flux by reducing its loss in the measurement zone, simplifying the design of the fiber-optic converter.

Согласно изобретению волоконно-оптический преобразователь перемещения, содержащий прозрачную сферическую линзу 2, подводящее 1 и отводящее 3 оптические волокна, отличающийся тем, что, излучающий торец подводящего оптического волокна и линза находятся относительно друг друга на расстоянииAccording to the invention, a fiber-optic displacement transducer comprising a transparent spherical lens 2, leading 1 and leading 3 optical fibers, characterized in that the emitting end face of the leading optical fiber and the lens are at a distance relative to each other

Figure 00000002
Figure 00000002

где dc - диаметр сердцевины оптического волокна,where d c is the diameter of the core of the optical fiber,

ΘNA - апертурный угол оптического волокна,Θ NA is the aperture angle of the optical fiber,

rл - радиус сферической линзы,r l is the radius of the spherical lens,

а приемный торец отводящего оптического волокна относительно линзы находится на расстоянииand the receiving end of the diverting optical fiber relative to the lens is at a distance

Figure 00000003
Figure 00000003

где

Figure 00000004
Where
Figure 00000004

Θвх1 - угол ввода излучения в отводящее оптическое волокно,Θ in1 - the angle of input of radiation into the output optical fiber,

Figure 00000005
Figure 00000005

Figure 00000006
Figure 00000006

где n1, nл, n3 - коэффициенты преломления сред между подводящим оптическим волокном и линзой, материала линзы, между линзой и отводящим оптическим волокном соответственно,where n 1 , n l , n 3 are the refractive indices of the media between the optical fiber and the lens, the lens material, between the lens and the optical fiber, respectively,

f - заднее фокусное расстояние линзы,f is the rear focal length of the lens,

для сферической линзыfor spherical lens

Figure 00000007
Figure 00000007

На фиг.1-3 приведены геометрические построения, поясняющие расположение отводящего 3 и подводящего 1 оптических волокон относительно сферической линзы 2, перемещающейся в направлении оси X.Figure 1-3 shows geometric constructions explaining the location of the discharge 3 and supply 1 of the optical fibers relative to the spherical lens 2, moving in the direction of the X axis.

Для равномерного освещения и увеличения освещенности линза 2 должна находиться от излучающего торца ПОВ 1 на расстоянии, равном двум дистанциям формирования (Бадеева Е.А., Гориш А.В., Котов А.Н., Мурашкина Т.И., Пивкин А.Г. Теоретические основы проектирования амплитудных волоконно-оптических датчиков давления с открытым оптическим каналом: Монография. - М.: МГУЛ, 2004. - 246 с.):For uniform illumination and increased illumination, lens 2 should be located at a distance equal to two formation distances from the radiating end of POV 1 (Badeeva EA, Gorish A.V., Kotov A.N., Murashkina T.I., Pivkin A. G. The theoretical basis for the design of amplitude fiber-optic pressure sensors with an open optical channel: Monograph. - M .: MGUL, 2004. - 246 p.):

Figure 00000008
Figure 00000008

Так как увеличение расстояния между излучающим торцом ПОВ 1 и линзой 2 может привести к выводу сферической линзы 1 из зоны освещения (фиг.3), необходимо расположить ее не далее чемSince the increase in the distance between the emitting end face of the POV 1 and lens 2 can lead to the withdrawal of the spherical lens 1 from the lighting zone (Fig. 3), it is necessary to position it no further than

Figure 00000009
Figure 00000009

где

Figure 00000010
Where
Figure 00000010

Наиболее оптимальное расположение OOB 3 - в сечении А-А (см. фиг.1). Такое техническое решение более предпочтительно, так как распределение освещенности в зоне перетяжки (в фокусе линзы) равномерное. Равные по интенсивности световые потоки будут сформированы в том случае, если в плоскости расположения OOB 3 изображение излучающего торца ПОВ 1 будет представлять собой круг радиусом Rиз, равным радиусу Rов оптического волокна, то есть Rиз=Rов. Это возможно в том случае, если апертурный угол линзы Θл больше апертурного угла ΘNA, а угол Θвх ввода излучения в OOB меньше апертурного угла ΘNA, то естьThe most optimal location of OOB 3 is in section AA (see FIG. 1). Such a technical solution is more preferable, since the distribution of illumination in the waist zone (at the focus of the lens) is uniform. Of equal intensity light fluxes will be formed if the location in the image plane 3 OOB emitting end PIW 1 will be a circle of radius R equal to the radius R s of the optical fiber, i.e. from R s = R. This is possible if the aperture angle Θ lens L greater than the aperture angle Θ NA, and the angle Θ to input radiation Rin OOB smaller aperture angle Θ NA, i.e.

Figure 00000011
Figure 00000011

Figure 00000012
Figure 00000012

При этом ПОВ 1 и OOB 3 изготовлены из оптического волокна одного типа.In this case, POV 1 and OOB 3 are made of the same type of optical fiber.

Условие (8) и (9) выполняется, еслиCondition (8) and (9) is satisfied if

Figure 00000013
Figure 00000013

где угол Θвх1 определяется из выражения (3),where the angle Θ in1 is determined from the expression (3),

Sf определяется из выражения (4).S f is determined from expression (4).

Вторая составляющая выражения (10) несущественна, поэтому OOB 3 расположено вблизи зоны перетяжки и, соответственно, распределение освещенности в плоскости расположения приемного торца OOB 3 практически равномерное.The second component of expression (10) is insignificant, therefore, OOB 3 is located near the waist zone and, accordingly, the distribution of illumination in the plane of the receiving end of OOB 3 is almost uniform.

Принцип работы преобразователя заключается в следующем. Лучи света 4 и 5 излучающего торца ПОВ 1 выходят под апертурным углом ΘNA и падают под углами α1 и α2 на сферическую поверхность линзы 2, где преломляются, проходят через тело линзы под углами β1 и β2 соответственно, вторично падают на противоположную поверхность линзы 2 под углами β1 и β2, преломляются и под углами γ1 и γ2 фокусируются в направлении приемного торца OOB 3. Изображение излучающего торца ПОВ 1 в плоскости А-А, где расположены приемный торец OOB 3, представляет собой круглое пятно некоторой площади Sиз.The principle of operation of the converter is as follows. Rays of light 4 and 5 of the emitting end of POV 1 exit at an aperture angle Θ NA and fall at angles α 1 and α 2 onto the spherical surface of lens 2, where they are refracted, pass through the lens body at angles β 1 and β 2, respectively, and secondarily fall onto the opposite the surface of the lens 2 at angles β 1 and β 2 are refracted and at angles γ 1 and γ 2 are focused in the direction of the receiving end OOB 3. The image of the emitting end POW 1 in the plane AA, where the receiving end OOB 3 is located, is a round spot some area s of .

Технический результат предлагаемого преобразователя следующий. В предложенном волоконно-оптическом преобразователе перемещения за счет нового взаимного расположения оптических элементов увеличена чувствительность преобразования, уменьшены потери светового потока в зоне измерения, увеличена эффективность использования светового потока за счет повышения освещенности и снижения величины освещенной поверхности в плоскости расположения отводящего оптического волокна.The technical result of the proposed Converter is as follows. In the proposed fiber-optic displacement transducer, due to the new mutual arrangement of the optical elements, the conversion sensitivity is increased, the light flux loss in the measurement zone is reduced, the efficiency of using the light flux due to increased illumination and a decrease in the magnitude of the illuminated surface in the plane of the discharge optical fiber is increased.

Claims (1)

Волоконно-оптический преобразователь перемещения, содержащий прозрачную сферическую линзу, подводящее и отводящее оптические волокна, отличающийся тем, что излучающий торец подводящего оптического волокна и линза находятся относительно друг друга на расстоянииFiber-optic displacement transducer containing a transparent spherical lens supplying and removing optical fibers, characterized in that the radiating end face of the supplying optical fiber and the lens are at a distance relative to each other
Figure 00000014
Figure 00000014
где dc - диаметр сердцевины оптического волокна,where d c is the diameter of the core of the optical fiber, ΘNA - апертурный угол оптического волокна,Θ NA is the aperture angle of the optical fiber, rл - радиус сферической линзы,r l is the radius of the spherical lens, а приемный торец отводящего оптического волокна относительно линзы находится на расстоянииand the receiving end of the diverting optical fiber relative to the lens is at a distance l2=St+b,l 2 = S t + b, где
Figure 00000015
Where
Figure 00000015
Θвх1 - угол ввода излучения в отводящее оптическое волокно,Θ in1 - the angle of input of radiation into the output optical fiber,
Figure 00000016
Figure 00000016
Figure 00000017
Figure 00000017
где Хi - измеряемое перемещение линзы,where X i is the measured displacement of the lens, n1, nл, n3, - коэффициенты преломления среды между подводящим, оптическим волокном и линзой, материала линзы, среды между линзой и отводящим оптическим волокном соответственно,n 1 , n l , n 3 , are the refractive indices of the medium between the input, optical fiber and the lens, the lens material, the medium between the lens and the output optical fiber, respectively, f - заднее фокусное расстояние сферической линзыf - back focal length of a spherical lens
Figure 00000018
Figure 00000018
RU2007123819/28A 2007-06-25 2007-06-25 Optic fiber displacement converter RU2338155C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007123819/28A RU2338155C1 (en) 2007-06-25 2007-06-25 Optic fiber displacement converter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007123819/28A RU2338155C1 (en) 2007-06-25 2007-06-25 Optic fiber displacement converter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2338155C1 true RU2338155C1 (en) 2008-11-10

Family

ID=40230389

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007123819/28A RU2338155C1 (en) 2007-06-25 2007-06-25 Optic fiber displacement converter

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2338155C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2796797C2 (en) * 2021-10-18 2023-05-29 Елена Александровна Бадеева Fibre-optic method for determining the refractive coefficient of a transparent substance and a fibre-optical refractometric measuring converter implementing it

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2796797C2 (en) * 2021-10-18 2023-05-29 Елена Александровна Бадеева Fibre-optic method for determining the refractive coefficient of a transparent substance and a fibre-optical refractometric measuring converter implementing it

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7651237B2 (en) System and method for reticle illumination
US7663767B2 (en) Apparatus and method for measuring displacement, surface profile and inner radius
JP2002323347A (en) Reflecting scale and displacement detection device using it
CN102735190A (en) Detection device and detection method used for laser-beam deflection angle
CN112840176A (en) Detector for determining a position of at least one object
WO2010038645A1 (en) Optical distance measuring device
KR20210046044A (en) Measuring head for determining the position of at least one object
KR100763974B1 (en) Method and apparatus for aligning optical axis for wavefront sensor for mid-infrared band
CN109342758B (en) Speed measuring sensor
CN112082490B (en) Displacement sensor based on Talbot image and COMS camera structure
RU2327959C2 (en) Fiber optic indicator of fluid level
RU2338155C1 (en) Optic fiber displacement converter
CN1410763A (en) Space curved type very fine pipeline internal surface shape detector
CN109084691B (en) Refractive displacement sensor and measuring method thereof
JP7111598B2 (en) Optical Probes, Optical Displacement Gauges, and Surface Profilometers
RU78947U1 (en) DEVICE FOR MEASURING LINEAR MOVEMENTS OF OBJECTS WITH A FLAT MIRROR-REFLECTING SURFACE
JPWO2011114938A1 (en) Optical encoder
CN108369347B (en) Beam shaping unit, distance measuring device and laser lighting device
US7505151B2 (en) Arrangement for the optical distance determination of a reflecting surface
RU2335751C1 (en) Laser device control system
CN106500891B (en) Glass surface stress detection device and detection prism used for same
RU2044264C1 (en) Optical displacement transmitter
SU1516795A1 (en) Apparatus for measuring displacement of object
RU2297602C1 (en) Liquid level fiber-optic signaling device
WO2016194061A1 (en) Optical-characteristic-detection optical system, measurement probe, and optical-characteristic-detection device

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180626