Волоконно-оптический датчик скорости

 

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК СКОРОСТИ, содержащий последовательно расположенные, оптически согласованные лазер, направленный ответвитель, многомодовый световод и фотоприемник, оптически связанный с направленным ответвителем, отличающий - с я тем, что, с целью повышения точ1:1Ости измерений, в него введен фазовый корректор волнового фронта, установленный перед свободным концом многомодового световода и выполненный в виде последовательно расположенных направленно-рассеивающего пропускающего экрана и фазирующей голограммы. Ш (Л Ъ Фи9 i 7

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

Зюр 0 01 Р 3/36; G 01 Р 5/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ, H ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3482606/18-10 (22) 24.08.82 (46) 30,10.83. Бюл. М 40 (72) Н.Ф. Богомолов, A.Â. Гнатавский, Н.В. Медведь, С,Н. Хотяинцев и Л.К. Яровой (71) Киевский ордена Ленина политехнический институт им. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции и Институт физики AH Украинской ССР (53) 532.574(088.8) (56) .:1. Патент Великобритании

1г 1087467, кл. G 1 А, 1976.

2. Патент США М 4154529, кл. 356-28, 1979 (прототип).

„„SU„, 1051430 Д (54)(57) ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК

СКОРОСТИ, содержащий последовательно расположенные, оптически согласованные лазер, направленный ответвитель, многомодовый световод и фотоприемник, оптически связанный с направленным ответвителем, о т л И ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введен фазовый корректор волнового фронта, установленный перед свободным концом многомодового световода и выполненный в виде последовательно расположенных направленно-рассеивающего пропускающего экрана и фазирующей голограммы.

1 10514

Изобретение относится к измеоительной технике, и может быть использовано для измерения скоростей объектов в труднодоступных местах в медицине, в нефтехимической промышленности, в металлургии, в теплоэнергетике.

Известно устройство для измерения скорости, содержащее источник когерентного излучения, оптическую систему, фотодетектор, электронный блок вычисления скорости. Определение скорости в этом устройстве основано на гетеродинном оптическом приеме рассеянного движущейся средой излучения.

В качестве опорного сигнала используется часть излучения источника, непровзаимодействовавшая со средой -j1) .

Недостатками устройства являются значительные габариты и чувствител ьность к вибрациям, что искажает возможность измерения скорости в труднодоступных местах и.в условиях производства.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является во- локонно-оптический датчик скорости, содержащий последовательно расположенные, оптически согласованные лазер, направленный ответвитель, многомодовый световод и фотоприемник, оптически связанный с направленным ответ вителем.

В волоконно-оптическом датчике скорости также использован гетеродинный метод приема рассеянного объектом изjr лучения . При этом зондирующее излучение поступает в область измерения по многомодовому световоду (21 .

Существенный недостаток устройства — высокая погрешность измерения

40 скорости - вызван большой угловой расходимостью и фазовыми искажениями волнового фронта излучения, прошедшего многомодовый световод.

Цель изобретения — повышение точ4S ности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в волоконно-оптический датчик скорости, содержащий последовательно расположенные оптически согласованные 50 лазер,направленныйответвитель,много-, модовый световод и фотоприемник, оптически связанное с направленным ответвителем, введен фазовый корректор волнового фронта, установленный перед 55 свободным концом многомодового световода и выполненный в виде последовательно расположенных направленно30 рассеивающего пропускающего экрана и фаз ирующей голограммы.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого датчика> на фиг. 2 — распределения амплитуды поля зондирующего излучения в различных сечениях корректора волнового фронта.

Волоконно-оптический измеритель содержит последовательно расположенные не оптической оси лазер 1, направленный ответвитель 2, собирающую линзу 3, многомодовый световод 4. Перед дальним концом световода 4 расположен фазовый корректор волнового фронта 5, состоящий из направленно-рассеивающего пропускающего экрана 6 статистического дифракционного модулятора и фазирующей голограммы 7. Направленный от вет витель 2 оптически связан с последовательно расположенным объективом 8 и фотоприемником 9, который, в свою очередь, подключен к измерителю 10 доплеровской частоты.

Волоконно-оптический датчик работает следующим образом.

Излучение лазера 1 проходит через направленный ответвитель 2 и фокусируется линзой 3 на торец световода 4.

По светоноду 4 излучение направляет- . ся на объект, фазовый корректор расположенный перед дальним концом световода 4, формирует стабилизированнь1й пучок излучения с узкой диаграммой направленности и колоколообразным распределением энергии по сечению, независимо от изменения модового состава излучения на выходе световода. Это происходит благодаря наличию в схеме коректора направленнорассеивающего пропускающего экрана или статистического дифракционного модулятора 6. Его пропускание можно описать выражением вида

1.(õ, у) = Е" t< (х у), (1) где 1 — произвольные функции, случайным образом распределенные в плоскости модулятора (х, у) и отличные от нуля в пределах областей, площади которых меньше площади любого модового пятна в излучении световода.

Области определения функций случайным образом распределены в плоскости модулятора (х, у) и отличны от нуля в окрестности точки (х1, у ).

Их площадь Q S> меньше площади p,S любого модового пятна в излучении световода. Световое поле, продифрагировавшее на таком статистическом модуля.

„ одоп

Ыдоп (3) Бсли

ИИПИ Заказ 8656/43 раж 873 Подписное

3 111Ь1 3 торе, в дальней зоне окбло голограммы

7 имеет огибающую распределения интенсивности, которая не зависит от вида дифрагируемого поля, а определяется только параметрами самого модулятора. Продифрагированному полю со стабилизированной огибающей интенсивности фаэирующая. голограмма 7 придает плоский волновой фронт, форма которого определяется опорным пучком при записи голограммы 7. За счет этих двух факторов на. выходе корректора в дальней зоне формируется световой пучок с уменьшенной угловой расходимостью и стабилизированной Формой ди- 1 аграммы направленности.

4асть попадающего на корректор 5 излучения отражается его элементами обратно в световод 4 и выполняет роль опорного сигнала при оптическом гетеродировании. Падающее на объект излучение рассеивается, приобретая дипплеровский сдвиг по частоте, и частично захватывается световодом 4

4) доя = 2KV

V - проекция вектора скорости на волновой вектор; (— угол между волновым вектором и вектором скорости.

Далее опорный (отраженный) и рассеянный пучки по световоду возвращаются обратно и отклоняются направленным ответвителем на фотоприемник 9. 35

Сигнал сйотоприемника 9 направляется . на измеритель 10 (частотомер) для определения дипплеровского сдвига.

0 4

Точность определения скорости пропорциональна отношению где н — полуширина спектра дип-с ь,оп плеровского сигнала.

3 6 — расходимост ь зондирующе го

/ пучка, то учитывая 2) получаем

11 tgqs1пы (4) (Характерное значение 1 для излучения, прошедшего многомодовый световод, составляет 1 6 ;= 25 . Кроме того, как видно из фиг. 2, диаграмма направленности многомодового, световода сильно искажена.

Это приводит к уменьшению отношения сигнал/шум и дополнительно уширяет спектр дипплеровского сигнала. С учетом перечисленных факторов погрешность определения скорости беэ коро ректора не превышает 202 для g = 45

Использование фазового корректора волнового фронта позвоню т устранить случайную модуляцию ди» граммы направленности и снизить угловую рас0 ходимость зондирующего пучка до 2,5

Это дает возможност ь измерят ь сКо рость с погрешностью не более 2:„ .

Таким образом, предлагаемый волоконно-оптический датчик скорости позволяет повысить точность измерений скорости Hc3 порядок. по сравнению с прототипом, Филиал ППП "Патент", г.Ужгород,ул.Проектная,4