Волоконно-оптический преобразователь

СОЮЗ СОВЕТСКИСОЦИАЛИСТИЧЕ СКРЕСПУБЛИК 1747 А 1)5 6 01 В 21/О 170 Ц ПРИ ГКНТ СССРОПИСАН ИЗОБРЕТЕН И СВИДЕТЕЛЬСТВУ ОР(71) Уфимский авиационный инСерго Орджоникидзе, 1990. М элек Эн ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИ(57) Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности за счет исключения погрешности от неидентичности фотоприемников. Преобразователь содержит систему световодов, электрооптические затворы 5 и 6 и фотоприемник 9. Переключение оптических затворов 5 и 6 позволяет последовательно формировать на фотоприемнике 9 иэображение различных выходных торцов световодов. 1 з.п. ф-лы. 4 ил.Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений перемещений объектов или расстояния до объекта в диапазоне до нескольких миллиметров,В технике широко известны методы и устройства для измерений положений обьектов, зазоров и перемещений с помощью рефлектометрических волоконно-оптиче.ских датчиков, В качестве обязательных элементов каждый такой датчйк 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 является функцией расстояния между исследуемой поверхностью и торцом иераэветвленного конца световодэ.Недостатком таких устройств является то, что амплитуда выходного сигнала сильно зависит от отражательных свойств поверхности исследуемого объекта, свойств газовой среды в промежутке между датчиком и обьектом, состояния торца световода и яркости излучателя,Наиболее близким к предлагаемому является устройство, содержащее систему световодов, излучатель, фотоприемную систему, состоящую из двух фотоприемников, и блок деления. Система световодов состоит из двух разветвленных надвое световодов, неразветвленные концы которых расположены на различных расстояниях от поверхности объекта, торцы одних ветвей световодов обращены к излучателю, а торцы других ветвей - к соответствующим фотоприемникам, выходы которых соединены с соответствующими входами блока деления, выход которого является выходом устройства. Свет от излучателя 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 поверхности объекта на различные расстояния,. то характеристики преобразования для фотоприемников 01(х) и 02(х) различны (х - измеряемая величина или расстояние от поверхности объекта до торца ближайшего световода. 8, блоке деления осуществляется деление двух сигналов один на другой. Результирующий сигнал О(х) = 02(х)/01(х) не зависит от действия перечисленных выше мешающих факторов (коэффициента отражения поверхности и др.), так кэк каждый из сигналов - О 1(х) и 02(х) - одинаково подвержен действию этих факторов.Описанное устройство имеет существенный недостаток, заключающийсяв 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 устаковке рабочих режимов фотоприемников. Например, если в качестве фотоприемников используются лавинные фотодиоды (наибо 10 лее перспективный класс фотоприемников ввиду их высокой чувствительности и быстродействия), то требуются специальные меры (термостатирование, различные автоматические регулировки и др.), обеспечивающие высокую точность поддержания иа обоихфотодиодах тэк называемых обратных напряжений смещения, причем для каждого экземпляра фотодиода имеется свое иидивидуальиое паспортное значение обратного смещения, соответствующее его макси 20 мальной чувствительности. Но даже специальный подбор фотодиодов в пары по величине обратного смещения не приводит к полной идентичности характеристик "фо 25 тоток - яркость" и "фототок - температура" Аналогичные проблемы возникают также при использовании других классов фотоприемников.Цель изобретения - повышение точности волоконно-оптического преобразователя путем исключения погрешности от 30 иеидентичности фотоприемников.Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее систему световодов, излучатель и фотоприемную систему,последняя состоит из одного фотоприемника, преобразователь снабжен генератором тактовых импульсов; двумя электрооптичефокусирующей системой, оптически связанной с фотоприемником и электрооптическимизатворами. входь 1 которых подключены к выходам генератора тактовых импульсов соответственно, последовательно соединенными усилителем с регулируемым усилением, ключом, управляющий вход которого подключен к одному из выходов генератора тактовой частоты, и первым фильтром нижних частот. выход которого подключен к управляющему входу усилителя, и вторым фильтром нижних частот, вход которого подключен к второму выходу ключа, система световодов выполнена в виде трех световодных жгутов, вторые торцы которых собраны в измерительный торец, причем в измерительном торце волокна первого и второго жгутовравномерно перемешаны. э волокна третьего жгута расположены коаксиально вокруг волокон первого и 45 50 55 скими затворами, установленными за вы 40 ходными торцами системы световодов,При делении одного выражения на другое получают новую функцию О(х), не зависящую от коэффициента р. График О(х) показан на фиг,3 пунктиром. Все последующие элементы предлагаемого устройства (10, 11. 12 и 13) как раз реализуют операцию деления аналогового сигнала на другой с освобождением от совокупности влияющего коэффициента р. Работа указанных элементов иллюстрируется временными диаграммами напряжений на фиг.4 В те моменты времени, когда напряжение на первом выходе ГТИ 7.отсутствует, электро- оптический затвор 5 прозрачен и пропускает свет, собираемый приемным пучком 2, на фотоприемник 9, на выходе которого в эти моменты времени имеется напряжение 01 (фиг.4 в), подаваемое на вход РУ 10. В этом время на втором выходе ГТИ 7 присутствует напряжение, поэтомуэлектрооптический затвор 6 закрыт, а переключаемый контакт ключа 11 перекинут с нормально замкнутого контакта на нормально разомкнутый, При этом напряжение на входе ФНЧ 2 13 отсутствует, а напряжение с выхода регулируемого усилителя РУ 10 подается на вход ФНЧ 1 12, с выхода которого сглаженное, без пульсаций, напряжение подается на управляющий вход РУ 10. По управляющему входу РУ 10 осуществляется управление коэффициентом усиления К причем при увеличении сигнала на выходе РУ 10 М уменьшается, т,е. имеет место отрицательная обратная связь. Описанная регулировка усиления РУ 10 осуществляет изменение коэффициента усиления М в зависимости от уровня О(х) так, чтоЮ 1(х) = Оо = сопи (3)Значит .на выходе РУ 10 в рассмотренные интерваль 1 времени напряжение неизменно (фиг.4 г),В другой такт работы ГТИ 7, когда на его первом выходе присутствует напряжение, а на втором отсутствует, открыт только электрооптический затвор 6, и на фотоприемник 9 проходит только свет, собираемый пучком Зт.е, на выходе фотоприемника имеетсянапряжение ОЯх) (фиг,4 в).При этом переключаемый контакт ключа 11 соединен с нормально замкнутым контактом; и вход ФНЧ 1 12 отключен от выхода РУ 10, т,е, в этот момент времени выходной сигнал РУ 10 не влияет на установившийся в предыдущем такте коэффициент усиления .М РУ 10. Поэтому поступающий с выхода фоторриеИНикр 9 на рухрц РУ 10 сИПМЛ усиливается с козффициеНТтом К ДосЛе уси: лущи он рарен Йв Г,.4 д) 0(х) = Ю 2(х). (4)С помощью ФНЧ 2 13 этот сигнал освобождается от пульсаций и принимает вид 4 е,Таким образом, получен сигнал 0(х),свободный отр, Действительно, с учетом (1), (2),(3) и (4)100(х) = Ю 2(х) О 02(х) = Оо01(х рГ 1 хЮ 2(х) Оот - у. Полученная функция О(х)практическилинейна в широком диапазоне значений х и монотонно возрастает, поэтому предлагаемый преобразователь удобно использовать 20. для измерения перемещений Ьс (т,е, дляизмерения измерений расстояний х).Деление 02(х) на 01(х) может быть осуществлено также другими методами, например цифровыми. с предварительным 25 аналого-цифровым преобразованием,Предлагаемая структура устройства позволяет осуществить деление наиболее простыми и достуйными средствами.Предлагаемое устройство, как и извест ное, позволяет измерять перемещения объекта или расстояние до обьекта без погрешностей, связанных с изменениями коэффициента отражения объекта, яркости излучателя и др. Но точность предлагаемого 35 устройства выше благодаря тому, что отраженное от объекта излучение по двум оптическим каналам разной конфигурации поступает не на раздельные фотоприемники, а последовательно на один и тот же фо топриемник, что позволяет избежать. погрешностей. связанных с неидентичностью фотоприемников.Предлагаемое устройство более надежно по сравнению с известным, так как со держит не два, а один фотоприемник,каждый из которых является наименее надежным элементом устройства.Предлагаемое устройство более технологично в изготовлении и настройке. так как 50 в отличие от известного в нем не требуетсяточная установка идентичных режимов фотоприемников и предварительный подбор в пары фотоприемников. Отсюда и более низкая стоимость устройства.Варианты реализации устройства могутбыть различными, Излучатель 4 может быть выполнен, например, на основе инфракрасных светодиодов типов АЛ 119 или АЛ 130, фОТоПрИемник 9 - на основе давинных фо5 10 15 20 25 35 45 50 55 зом: 01(х) = р 11(х);02(х) = р Е 2(х),(2) второго жгутов, первые торцы жгутов являются входными и двумя выходными тарцэми системы световодов соответственно.Устройство содержит новый, ранее нигде не применявшийся элемент - систему световодов, волокна которой расположены особым образом, что вместе с другими особенностями устройства позволяет получить положительный эффект, Отдельно взятые функциональные элементы предлагаемого устройства известны в технике. Например, электрооптические затворы могут представлять собой ячейки Керра или жидкокристэллическйе элементы. Применение усилителей электрических сигналов с управляемым коэффициентом усиления широко известно в электронике, Электронные ключи, содержащие группы переключэемых контактов, также известны, Ими могут быть, например, серийно выпускаемые интегральные ключи К 59 ОКН 4,На фиг,1 показанафункциональная схема преобразователя; на фиг.2 - измерительный торец системы световодов; нэ фиг.3 и 4 - диаграммы напряжений, поясняющие работу устройства.Устройство содержит систему световодов, которая-состоит из осветительного пучка 1, первого приемного 2 и второго приемного 3 пучков, Все пучки собраны с одного конца в один жгут круглого сечения (фиг.2). Волокна осветительного пучка 1 и первого приемного пучкэ 2 равномерно перемешаны и сосредоточены в центре жгута. а вокруг них коаксиэльно расположены волокна 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 ФНЧ 2 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 нэ фокусирующую систему 8, а входы управления соединены соответственно с первым и вторым входами ГТИ 7, Фокусирующая система 8 расположена па ходу лучей перед фотоприемником 9, выход которого соединен с входом РУ 10, Выход РУ 10 соедийен с управляющим входом ключа 11,Нормально замкнутый контакт ключа 11 соединен с входом ФНЧ 2 13. нормэльно разомкнутый - с входом ФНЧ 1 12, а вход управления - с вторым выходом ГТИ 7, Выход ФНЧ 1 12 соединен с входом управления РУ 10, а выход ФНЧ 2 13 является выходом всего устройствэ,Устройство работает следующим образом.Нерэзветвленный торец световодэ располагают перед поверхностью объекта 14. Свет от излучателя 4 по осветительному пучку 1 световодэ попадает на поверхность объекта 14, Отраженный свет по приемным пучкам 2 и 3 проходит к электрооптическим коммутаторам 5 и 6, которые осуществляют поочередное пропускание света с приемных пучков 2 и 3 и на фокусирующую систему 8, Поочередное открывание и зэпирэние электрооптических затворов 5 и 6 осуществляется с помощью ГТИ 7, имеющего два парэфазных выхода, соединенных с входами управления соответствующих электро- оптических затворов 5 и 6.Временные диаграммы напряжений нэ выходах ГТИ показаны нэ фиг,4 э, б, Каждый из электрооптическах затворов работает так, что при отсутствии напряжения нэ его выходе управления электрооптический затвор оптически прозрачен, а при наличии - оптически закрыт. Фокусирующэя система 8 служит для фокусировки обоих лучей с электрооптических затворов в одну точку фотоприемника 9. Сигнал нэ 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 пучкам 3. Уровень сигнала на выходе фотоприемника 9 для каждого из каналов за-висит от расстояния (х) между торцом световодэ и поверхностью исследуемого объекта, На. фиг,3 представлены графики напряжений на выходе фотоприемника 9 в зависимости от х раздельно для двух каналов: 01(х) и 02(х), Графики 01(х) и 02(х) различны по форме вследствие неодинаковых условий приема отраженного от обьекта света приемными пучками 2 и 3, так кэк эти световодные пучки имеют различную конфигурацию поперечных сечений. Но величины 01(х) и 02(х) одинаково зэвисят от коэфФициента отражения поверхности объекта, коэффициента-отражения торца световодэ, прозрачности среды между торцом световода и объектом, от яркости излучателя.4, Все перечисленные Факторы можно учесть одним общим коэффициентом р. Тогда выражения для 01(х) и 02(х) записываются через некоторые функции т 1(х) и т 2(х) следующим обратодиодов ЛФД, ФД-129, ФДЛ, ГТИ 7 - на основе типовых схем мультивибраторов на микросхемах КЛОП- или ТТЛ-серий, регулируемый усилитель РУ 10 - на основе операционного усилителя, например, К 554 УД 2, фильтры ФНЧ 1 и ФНЧ 2 - на основе интегрирующих БС-звеньев.Формула изобретения 1. Волоконно-оптический преобразователь перемещений, содержащий системы световодов с одним входным торцом, двумя выходными торцами и одним измерительным торцом, предназначенным для оптической связи с контролируемым обьектом, излучатель, оптически связанный с входным торцом системы световодов. и фотоприемник, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, он снабжен генератором тактовых импульсов, двумя злектрооптическими затворами, установленными за выходными торцами системы световодов, фокусирующей системой. оптически связанной с фотоприемником и электрооптическими затворами, входы которых подключены к выходам генератора тактовых импульсов соответственно, последовательно соединенных усилителем с регулируемым усилением, 5 ключом, управляющий вход которого подключен к одному из выходов генератора тактовой частоты, и первым фильтром нижних частот, выход которого подключен к управляющему входу усилителя, и вторым фильт ром нижних частот, вход которогоподключен в второму выходу ключа.2. Преобразователь по п,1, о т л и ч э ющ и й с я тем, что система световодов выполнена в виде трех световодных жгутов.15 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 во локон первого и второгожгутов, первыеторцы жгутов являются входными и двумя. выходными торцами системы световодовсоответственно.1747 В 96 Редактор Петрова Т Корректор З.Лончако каэ 2493 Тираж Подписно8 НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и откры113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 и ГКНТ СССР Гагарина, 101 роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужго Ю Яйа ТИ