Волоконно-оптический преобразователь
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 изображение различных выходных торцов световодов 1 з п ф лы 4 ил
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
„., ЯЦ „„1747896 А1 (я ) s 6 01 В 21/00
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ Is.t Т g,Я
ПРИ ГКНТ СССР
Ф
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4796921/28 (22) 28.02.90 (46) 15.07.92. Бюл. N 26 (71) Уфимский авиационный институт им. Серго Орджоникидзе (72) В.С,Фетисов. В.Н.Шестаков. В.Г.Гусев и А.Н. Е рмол зев (53) 531.7 (088.8) (56) Зак Е.А. Волоконно-опти сские преобразователи с внешней модуляцией. M.: Энергоатомиэдат, 1989. Зарубежная радиоэлектроника, 1990. М 7, с.61. Алексеенко M.Ä, и др. Микроэлектронные фотоприемные устройства. M.: Энергоатомиздат, 1984. (54) ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения — повышение точности эа 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. 1747896 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-оптических 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 рассгояния между исследуемой поверхностью и торцом иераэветвленного конца световода. 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 U1(x) и Щх} различны (x — измеряемая величина или расстояние от поверхности объекта до торца ближайшего световода. 8. блоке деления осуществляется деление двух сигналов один на другой. Результирующий сигнал U(x) = U2(x)/Ut(x) не зависит от действия перечисленных выше мешающих факторов (коэффициента отражения поверхности и др.), так как каждый из сигналов — U >(x) и Uz(x) — одинаково подвержен действию этих факторов. Описанное устройство имеет существенный недостаток. заключающийся 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 устаковке рабочих режимов фотоприемников. Например, если в качестве фотоприемников используются лавинные фотодиоды (наибо10 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 обоих фотодиодах так называемых обратных напряжений смещения, причем для каждого экземпляра фотодиода имеется свое иидивидуальиое паспортное значение обратного смещения, соответствующее его макси20 мальной чувствительности. Но даже специальный подбор фотодиодов в пары по величине обратного смещения не приводит к полной идентичности характеристик "фо25 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, 35 последняя состоит из одного фотоприемника, преобразователь снабжен генератором тактовых импульсов; двумя электрооптичефокусирующей системой, оптически связанной с фотоприемником и электрооптическими затворами. входы 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 nepeot.o и второго жгутов равномерно перемешаны. а волокна третьего жгута расположены коаксиально вокруг волокон первого и 55 скими затворами. установленными за вы40 ходными торцами cMcTBMbt световодов, 1747896 При делении одного выражения на другое получают новую функцию U(x), не зависящую от коэффициента р. График U(x) 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, электрооптический затвор 5 прозрачен и пропускает свет, собираемый приемным пучком 2, на фотоприемник 9, на выходе которого в эти моменты времени имеется напряжение Ut (фиг.4в), подаваемое на вход РУ 10. В этом время на втором выходе ГТИ 7 присутствует напряжение, поэтому электрооптический затвор 6 закрыт, а переключаемый контакт ключа 11 перекинут с нормально замкнутого контакта на нормально разомкнутый. При этом напряжение на входе ФНЧ2 13 отсутствует, а напряжение с выхода регулируемого усилителя РУ 10 подается на вход ФНЧ1 -12, с выхода которого сглаженное, без пульсаций, напряжение подается на управляющий вход PY 10. По управляющему входу РУ 10 осуществляется управление коэффициентом усиления К причем при увеличении сигнала на выходе PY 10 k уменьшается, т,е. имеет место отрицательная обратная связь. Описанная регулировка усиления РУ 10 осуществляет изменение коэффициента усиления k в зависимости от уровня Ua(x) так, что kU1(x) = Up = const (3) Значит .на выходе РУ 10 в рассмотренные интервалы времени напряжение неизменно (фиг.4г), 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 З„т.е. на выходе фотоприемника имеется напряжение Uz(x) (фиг,4в). При этом переключаемый контакт ключа 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 влияет на установившийся в предыдущем такте коэффициент усиления .k РУ 10. Поэтому поступающий с выхода фотоприемника g на вуход РУ 10 сиП1р 1 усиливается с коэффициентом, К flocqe уси= лущи он равен (фщ,4д) 0(х) = к02(х). (4) С помощью ФНЧ2 13 этот сигнал освобождается от пульсаций и принимает вид 4е, Таким образом, получен сигнал U(x), свободный отр. Действительно, с учетом (1), (2),(3) и (4) U(x) = к02(х) 0 г 02(х) = Оо 01 x рГ 1 х fz(x) Нот у. Полученная функция 0(х)практически линейна в широком диапазоне значений х и монотонно возрастает, поэтому предлагаемый преобразователь удобно использовать 20. для измерения перемещений hx (т.е. для измерения измерений расстояний x). Деление Uz(x) íà Ut(x) 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 извест30 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 фо40 топриемник, что позволяет избежать . погрешностей. связанных с неидентичностью фотоприемников. Предлагаемое устройство более надежно по сравнению с известным, так как со45 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 требуется точная установка идентичных режимов фотоприемников и предварительный подбор в пары фотоприемников. Отсюда и более низкая стоимость устройства. Варианты реализации устройства могут быть различными, Излучатель 4 может быть выполнен, например, на основе инфракрасных светодиодов типов АЛ119 или АЛ130, фОТоПрремник 9 — на основе давинных фо1747896 10 20 35 50 55 зом: U>(x) =p f t{x); Uz(x) =p fz(x), (2) 1 второго жгутов, первые торцы жгутов являются входными и двумя выходными торцами 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 жидкокристаллическйе -элементы. Применение усилителей электрических сигналов с управляемым коэффициентом усиления широко известно в электронике. Электронные ключи, содержащие группы переключаемых контактов, также известны. Ими могут быть, например, серийно выпускаемые интегральные ключи К59ОКН4, На фиг,1 показана функциональная схема преобразователя; на фиг.2 — измерительный торец системы световодов; на 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 пучка 2 равномерно перемешаны и сосредоточены в центре жгута. а вокруг них коаксиально 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 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 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 PY 10. Выход РУ 10 соедийен с управляющим входом ключа 11, Нормально замкнутый контакт ключа 11 соединен с входом ФНЧ2 13. нормально разомкнутый — с входом ФНЧ1 12, а вход управления — с вторым выходом ГТИ 7, Выход ФНЧ1 12 соединен с входом управления PY 10, а выход ФНЧ2 13 является выходом всего устройства. Устройство работает следующим образом. Неразветвленный торец световода располагают перед поверхностью объекта 14. Свет от излучателя 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 6, которые осуществляют поочередное пропускание света с приемных пучков 2 и 3 и на фокусирующую систему 8, Поочередное открывание и запирание электрооптических затворов 5 и 6 осуществляется с помощью ГТИ 7, имеющего два парафазных выхода, соединенных с входами управления соответствующих электрооптических затворов 5 и 6. Временные диаграммы напряжений на выходах ГТИ показаны на фиг,4а, б, Каждый из электрооптических затворов работает так, что при отсутствии напряжения на его выходе управления электрооптический затвор оптически прозрачен, а при наличии— оптически закрыт. Фокусирующая система 8 служит для 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 пучкам 3. Уровень сигнала на выходе фотоприемника 9 для каждого из каналов за- ° висит от расстояния (х) между торцом световода и поверхностью исследуемого объекта, На. фиг.3 представлены графики напряжений на выходе фотоприемника 9 в зависимости от х раздельно для двух каналов: 131(х) и Ог(х), Графики Ul(x) и Ог(х) различны по форме вследствие неодинаковых условий приема отраженного от обьекта света приемными пучками 2 и 3, так как эти световодные пучки имеют различную конфигурацию поперечных сечений. Но величины U>(x) и Ог(х) одинаково зависят от коэффициента отражения поверхности объекта, коэффициента-отражения торца светавода, прозрачности среды между торцом световода и объектом, от яркости излучателя.4, Все перечисленные факторы можно учесть одним общим коэффициентом р. Тогда выражения для U>(x) и Ог(х) записываются через некоторые функции 11(х) и 1г(х) следующим обра1747896 10 тодиодов ЛФД-2, ФД-10-129, ФДЛ-118, ГТИ7 — на основе типовых схем мультивибраторов на микросхемах КЛОП- или ТТЛ-серий, регулируемый усилитель РУ 10 — на основе операционного усилителя, например, К544УД2. фильтры ФНЧ1 и ФНЧ2 — на основе интегрирующих RC-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, отличающийся 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 фильт10 ром нижних частот, вход которого подключен в второму выходу ключа. 2. Преобразователь по п,1, о т л и ч э юшийся тем, что система световодов выполнена s 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 во20 локон первого и второго жгутов, первые торцы жгутов являются входными и двумя, выходными торцами системы световодов соответственно. 1747В96 д 8хаУ Фнч Ю дыход Фнч 2 Редактор M.Ïåòðîâà Заказ 2493, Тираж Подписное 8НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород. ул.Гагарина, 101 Х Ьж f Ekeu /74 8 8ьс @0150 ИННИ Составитель B.Øåcòàêoâ Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор 3.Лончакова
