SU1747896A1 - Волоконно-оптический преобразователь - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике Цель изобретени  - повышение точности за счет исключени  погрешности от неидентичности фотоприемников Преобразователь содержит систему световодов, электрооптические затворы 5 и 6 и фотоприемник 9 Переключение оптических затворов 5 и 6 позвол ет последовательно формировать на фотоприемнике 9 изображение различных выходных торцов световодов 1 з п ф лы 4 ил

Description

сл

С

М

ь

JVJ оо о

Os

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  измерений перемещений объектов или рассто ни  до объекта в диапазоне до нескольких миллиметров.

В технике широко известны методы и устройства дл  измерений положений объектов , зазоров и перемещений с помощью рефлектометрических волоконно-оптических датчиков. В качестве об зательных элементов каждый такой датчик содержит световод, разветвленный с одного конца на осветительную и приемную ветви, а также излучатель и фотоприемник, расположенный перед торцами соответствующих ветвей Амплитуда выходного сигнала Фотоприемника  вл етс  функцией рассто ни  между исследуемой поверхностью и торцом неразветвленного конца световода. Недостатком таких устройств  вл етс  то, что амплитуда выходного сигнала сильно зависит от отражательных свойств поверхности исследуемого объекта, свойств газовой средь в промежутке между датчиком и объектом, состо ни -торца световода и  ркости излучател .

Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  устройство, содержащее систему световодов, излучатель, фотоприемную систему , состо щую из двух фотоприемников, и блок делени . Система световодов состоит из двух разветвленных надвое световодов , неразветвленные концы которых расположены на различных рассто ни х от поверхности объекта, торцы одних ветвей световодов обращены к излучателю, а торцы других ветвей - к соответствующим фотоприемникам , выходы которых соединены с соответствующими входами блока делени , выход которого  вл етс  выходом устройства . Свет от излучател  по осветительным волокнам световодов попадает на поверхность объекта и отразившись от нее, по приемным волокнам попадает на фотопри- . емник. Так как торцы световодов удалены от поверхно.сти объекта на различные рассто ни , то характеристики преобразовани  дл  фотоприемников Ui(x) и U2(x) различны {х - измер ема  величина или рассто ние от поверхности объекта до торца ближайшего световода. В. блоке делени  осуществл етс  деление двух сигналов один на другой Результирующий сигнал U(x) U2(x)/lh(x) не зависит от действи  перечисленных выше мешающих факторов (коэффициента отражени  поверхности и др.). так как каждый из сигналов - Ui(x) и 1)2(х) - одинаково подвержен действию этих факторов.

Описанное устройство имеет существенный недостаток, заключающийс  в том.

что фотоприемники не могут быть абсолютно идентичными один другому и различие временного и температурного дрейфов выходных сигналов фотоприемников приводит

к погрешности измерений. Кроме того, определенные сложности возникают при установке рабочих режимов фотоприемников. Например, если в качестве фотоприемников используютс  лавинные фотодиоды (наибо0 лее перспективный класс фотоприемников ввиду их высокой чувствительности и быстродействи ), то требуютс  специальные меры (термостатирование, различные автоматические регулировки и др), обеспечиваю5 щие высокую точность поддержани  на обоих фотодиодах так называемых обратных напр жений смещени , причем дл  каждого экземпл ра фотодиода имеетс  свое индивидуальное паспортное значение обратного

0 смещени , соответствующее его максимальной чувствительности Но даже специальный подбор фотодиодов в пары по величине обратного смещени  не приводит к полной идентичности характеристик фо5 тоток -  ркость и фототек - температура. Аналогичные проблемы возникают также при использовании других классов фотоприемников .

Цель изобретени  - повышение точно0 сти волоконно-оптического преобразовател  путем исключени  погрешности от неидентичности фотоприемников.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в устройство, содержащее систему светово5 дов, излучатель и фотоприемную систему, последн   состоит из одного фотоприемника , преобразователь снабжен генератором тактовых импульсов, двум  электрооптическими затворами, установленными за вы0 ходными торцами системы световодов, фокусирующей системой, оптически св занной с фотоприемником и электрооптическими затворами, входы которых подключены к выходам генератора тактовых импульсов со5 ответственно, последовательно соединенными усилителем с регулируемым усилением, ключом, управл ющий вход которого подключен к одному из выходов генератора тактовой частоты, и первым

0 фильтром нижних частот, выход которого подключен к управл ющему входу усилител , и вторым фильтром нижних частот, вход которого подключен к второму выходу ключа , система световодов выполнена в виде

5 трех световодных жгутов, вторые торцы которых собраны в измерительный торец, причем в измерительном торце волокна первого и второго жгутов равномерно перемешаны , а волокна третьего жгута расположены коаксиально вокруг волокон первого и

При делении одного выражени  на другое получают новую функцию U(x), не завис щую от коэффициента р. График U(x) показан на фиг.З пунктиром. Все последующие элементы предлагаемого устройства (10,11.12 и 13) как раз реализуют операцию делени  аналогового сигнала на другой с освобождением от совокупности вли ющего коэффициента р. Работа указанных элементов иллюстрируетс  временными диаграммами напр жений на фиг.4. В те моменты времени, когда напр жение на первом выходе ГТИ 7 .отсутствует, электро- опткческий затвор 5 прозрачен и пропускает свет, собираемы.й приемным пучком 2. на фотоприемник 9. на выходе которого в эти моменты времени имеетс  напр жение Ui (фиг.4в), подаваемое на вход РУ 10. В этом врем  на втором выходе ГТИ 7 присутствует напр жение, поэтому электрооптический затвор 6 закрыт, а переключаемый контакт ключа 11 перекинут с нормально замкнутого контакта на нормально разомкнутый. При этом напр жение на входе ФНЧ2 13 отсутствует , а напр жение с выхода регулируемого усилител  РУ 10 подаетс  на вход ФНЧ1 -12, с выхода которого сглаженное, без пульсаций , напр жение подаетс  на управл ющий вход РУ 10. По управл ющему входу РУ 10 осуществл етс  управление коэффициентом усилени  к, причем при увеличении сигнала на выходе РУ 10 k уменьшаетс , т.е. имеет место отрицательна  обратна  св зь. Описанна  регулировка усилени  РУ 10 осуществл ет изменение коэффициента усилени  k в зависимости от уровн  1Н(х) так, что

и

kUi(x) U0 const

(3)

Значит на выходе РУ 10 в рассмотрен- ные интервалы времени напр жение неизменно (фиг.4г).

В другой такт работы ГТИ 7, когда на его первом выходе присутствует напр жение, и на втором отсутствует, открыт только элект- рооптический затвор 6, и на фотоприемник 9 проходит только свет, собираемый пучком 3, т.е. на выходе фотоприемника имеетс  напр жение Ua(x) (фиг,4в).

При этом переключаемый контакт к ю- ча 11 соединен с нормально замкнутым контактом; и вход ФНЧ1 12 отключен от выхода РУ 10, т,е. в этот момент времени выходной сигнал РУ 10 не вли ет на установившийс  в предыдущем такте коэффициент усилени  k РУ 10. Поэтому поступающий с выхода фотоприемника, § на, вдодд РУ 10 с,иГгШ усиливаетс  с коэффициентам И: уси л§НИЯ РН paggH (ФиМд)

U(x) kU2(x).

(4)

С помощью ФНЧ2 13 этот сигнал освобождаетс  от пульсаций и принимает вид 4е.

Таким образом, получен сигнал U(x), свободный от р. Действительно, с учетом (1), (2),(3)и(4)

U(x) kU2(

U2(x)

и ЯМ)

U°PW)

U

f2(x;

20

25

30

35

40 45

50 55

Полученна  функци  11(х)практически линейна в широком диапазоне значений х и монотонно возрастает, поэтому предлагаемый преобразователь удобно использовать дл  измерени  перемещений Дх (т.е. дл  измерени  измерений рассто ний х).

Деление U2(x) на Ui(x) может быть осуществлено также другими методами, например цифровыми, с предварительным аналого-цифровым преобразованием. Предлагаема  структура устройства позвол ет осуществить деление наиболее простыми и доступными средствами.

Предлагаемое устройство, как и известное , позвол ет измер ть перемещени  объекта или рассто ние до объекта без погрешностей, св занных с изменени ми коэффициента отражени  объекта,  ркости излучател  и др. Но точность предлагаемого устройства выше благодар  тому, что отраженное от объекта излучение по двум оптическим каналам разной конфигурации поступает не на раздельные фотоприемники , а последовательно на один и тот же фотоприемник , что позвол ет избежать .погрешностей, св занных с неидентичностью фотоприемников.

Предлагаемое устройство более надежно по сравнению с известным, так как содержит не два, а один фотоприемник, каждый из которых  вл етс  наименее надежным элементом устройства.

Предлагаемое устройство более технологично в изготовлении и настройке, так как в отличие от известного в нем не требуетс  точна  установка идентичных режимов фотоприемников и предварительный подбор в пары фотоприемников. Отсюда и более низка  стоимость устройства.

Варианты реализации устройства могут быть различными. Излучатель 4 может быть Выполнен, например, на основе инфракрасных светодиодов типов АЛ 119 или АЛ 130, фото,гфиемник 9 - «а основе давин,ных фОвторого жгутов, первые торцы жгутов  вл ютс  входными и двум  выходными торцами системы световодов соответственно.

Устройство содержит новый, ранее нигде не примен вшийс  элемент - систему световодов, волокна которой расположены особым образом, что вместе с другими особенност ми устройства позвол ет получить положительный эффект. Отдельно вз тые функциональные элементы предлагаемого устройства известны в технике. Например, электрооптические затворы могут представл ть собой  чейки Керра или жидкокристаллические элементы. Применение усилителей электрических сигналов с управл емым коэффициентом усилени  широко известно в электронике. Электронные ключи, содержащие группы переключаемых контактов, также известны. Ими могут быть, например, серийно выпускаемые интегральные ключи К590КН4.

На фиг. 1 показана функциональна  схема преобразовател ; на фиг.2 - измерительный торец системы световодов; на фиг.З и 4 - диаграммы напр жений, по сн ющие ра- боту устройства.

Устройство содержит систему световодов , котора  состоит из осветительного пучка 1, первого приемного 2 и второго приемного 3 пучков, Все пучки собраны с одного конца в один жгут круглого сечени  (фиг.2). Волокна осветительного пучка 1 и первого приемного пучка 2 равномерно перемешаны и сосредоточены в центре жгута, а вокруг них коаксиально расположены во- локна второго приемного пучка 3. Устройство содержит также излучатель 4, первый 5 и второй 6 электрооптические затворы, генератор тактовых импульсов (ГТИ) 7, фокусирующую систему 8, фотоприемник 9., усилитель с регулируемым усилением (РУ) 10, ключ 11, ФНЧ 12 и ФНЧ2 13. Торец осветительного пучка 1 обращен к излучателю 4, торцы приемных пучков 2 и 3 обращены соответственно к электрооптическим затворам 5 и 6, оптические оси которых направлены на фокусирующую систему 8, а входы управлени  соединены соответственно с первым и вторым входами ГТИ 7. Фокусирующа  система 8 расположена по ходу лучей перед фотоприемником 9, выход которого соединен с входом РУ 10 Выход РУ 10 соединен с управл ющим входом ключа 11.

Нормально замкнутый контакт ключа 11 соединен с входом ФНЧ2 13 нормально разомкнутый - с входом ФНЧ1 12, а вход управлени  -с вторым выходом ГТИ 7. Выход ФНЧ1 12 соединен с входом управлени  РУ 10, а выход ФНЧ2 13  вл етс  выходом всего устройства.

Устройство работает следующим образом .

Неразветвленный торец световода располагают перед поверхностью объекта 14. Свет от излучател  4 по осветительному пучку 1 световода попадает на поверхность объекта 14. Отраженный свет по приемным пучкам 2 и 3 проходит к электрооптическим коммутаторам 5 и б, которые осуществл ют поочередное пропускание света с приемных пучков 2 и 3 и на фокусирующую систему 8. Поочередное открывание и запирание электрооптических затворов 5 и 6 осуществл етс  с помощью ГТИ 7, имеющего два парафазных выхода, соединенных с входами управлени  соответствующих электрооптических затворов 5 и 6.

Временные диаграммы напр жений на выходах ГТИ показаны на фиг.4а, б. Каждый из электрооптических затворов работает так, что при отсутствии напр жени  на его выходе управлени  электрооптический затвор оптически прозрачен, а при наличии - оптически закрыт. Фокусирующа  система 8 служит дл  фокусировки обоих лучей с электрооптических затворов в одну точку фотоприемника 9. Сигнал на выходе фотоприемника 9 различный по уровню в зависимости от того, какой из приемных оптических каналов в данный момент открыт: канал с приемным пучком 2 или канал с пучком 3. Уровень сигнала на выходе фотоприемника 9 дл  каждого из каналов за- висит от рассто ни  (х) между торцом световода и поверхностью исследуемого объекта.

На фиг.З представлены графики напр жений на выходе фотоприемника 9 в зависимости от х раздельно дл  двух каналов: Ui(x) и U2(x). Графики Ui(x) и U2(x) различны по форме вследствие неодинаковых условий приема отраженного от объекта света приемными пучками 2 и 3, так как эти световод- ные пучки имеют различную конфигурацию поперечных сечений. Но величины Ui(x) и U2(x) одинаково завис т от коэффициента отражени  поверхности объекта, коэффициента отражени  торца световода, прозрачности среды между торцом световода и объектом, от  ркости излучател  4, Все перечисленные факторы можно учесть одним общим коэффициентом/. Тогда выражени  дл  Ui(x) и U2(x) записываютс  через некоторые функции fi(x) и f2(x) следующим образом:

Ut(x)(x);(1)

U2(x)pf2(x).(2)

Claims (2)

1. тодиодов ЛФД-2. ФД-10-129. ФДЛ-118. ГТИ7 - на основе типовых схем мультивибраторов на микросхемах КМОП- или ТТЛ-серий , регулируемый усилитель РУ 10 - на основе операционного усилител , например . К544УД2. фильтры ФНЧ1 и ФНЧ2 - на основе интегрирующих RC-звеньев. Формула изобретени  1. Волоконно-оптический преобразователь перемещений, содержащий системы световодов с одним входным торцом, двум  выходными торцами и одним измерительным торцом, предназначенным дл  оптической св зи с контролируемым обьектом, излучатель, оптически св занный с входным торцом системы световодов, и фотоприемник , отличающийс  тем. что. с целью повышени  точности, он снабжен генератором тактовых импульсов, двум  электрооптическими затворами, установленными за выходными торцами системы световодов, фокусирующей системой, оптически св занной с фотоприемником и электрооптическими затворами, входы которых подключены к выходам генератора тактовых импульсов соответственно , последовательно соединенных усилителем с регулируемым усилением,

   ключом, управл ющий вход которого подключен к одному из выходов генератора тактовой частоты, и первым фильтром нижних частот, выход которого подключен к управл ющему входу усилител , и вторым фильт0 ром нижних частот, вход которого подключен в второму выходу ключа.
2. 2. Преобразователь по п.1. от л и ч а ю- щ и и с   тем, что система световодов выполнена в виде трех световодных жгутов.

   5 вторые торцы которых собраны в измерительный торец, причем в измерительном торце волокна первого и второго жгутов равномерно перемешаны, а волокна третьего жгута расположены коаксиально вокруг во0 локон первого и второго жгутов, первые торцы жгутов  вл ютс  входными и двум  выходными торцами системы световодов соответственно.

   фаг. 2

   U2W

   Фиг.З

   igtfxod гти

   ЛбыхоЗ ГТИ

   U

   п пдлппп

   пппппп

   Выход

   qtamonixt енмка

   и

   ТДплл

   uz

   Z Вход U ФНЧ1

   д Вход ФнчП

   « гтггГПТТТ

   е Выход и ФНЧЯ

   о

   и

   ФигЛ