Волоконно-оптический преобразователь перемещения

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, к преобразователям малых перемещений и может быть использовано для измерения физических величин в условиях воздействия внешних дестабилизирующих факторов. Преобразователь перемещения содержит сферическую линзу, выполненную из кварцевого стекла с коэффициентом преломления, подводящее и отводящее оптические волокна. Сферическая линза расположена между подводящим и отводящим оптическими волокнами так, что оптические оси подводящего и отводящего оптических волокон и линзы совпадают. Расстояние между подводящим оптическим волокном и линзой и расстояние между линзой и отводящим оптическим волокном определяются формулами. Технический результат - повышение точности измерения, упрощение конструкции. 3 ил.

 

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.

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.

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.

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.

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.

Изобретение направлено на увеличение чувствительности преобразования светового потока за счет уменьшение его потерь в зоне измерения, упрощение конструкции волоконно-оптического преобразователя.

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 расстоянии

где d_c - диаметр сердцевины оптического волокна,

Θ_NA - апертурный угол оптического волокна,

r_л - радиус сферической линзы,

а приемный торец отводящего оптического волокна относительно линзы находится на расстоянии

где

Θ_вх1 - угол ввода излучения в отводящее оптическое волокно,

где n₁, n_л, n₃ - коэффициенты преломления сред между подводящим оптическим волокном и линзой, материала линзы, между линзой и отводящим оптическим волокном соответственно,

f - заднее фокусное расстояние линзы,

для сферической линзы

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.

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.):

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 чем

где

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 R_из, равным радиусу R_ов оптического волокна, то есть R_из=R_ов. Это возможно в том случае, если апертурный угол линзы Θ_л больше апертурного угла Θ_NA, а угол Θ_вх ввода излучения в OOB меньше апертурного угла Θ_NA, то есть

При этом ПОВ 1 и OOB 3 изготовлены из оптического волокна одного типа.

Условие (8) и (9) выполняется, если

где угол Θ_вх1 определяется из выражения (3),

S_f определяется из выражения (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.

Принцип работы преобразователя заключается в следующем. Лучи света 4 и 5 излучающего торца ПОВ 1 выходят под апертурным углом Θ_NA 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 S_из.

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.

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 расстоянии

где d_c - диаметр сердцевины оптического волокна,

Θ_NA - апертурный угол оптического волокна,

r_л - радиус сферической линзы,

а приемный торец отводящего оптического волокна относительно линзы находится на расстоянии

l₂=S_t+b,

где

Θ_вх1 - угол ввода излучения в отводящее оптическое волокно,

где Х_i - измеряемое перемещение линзы,

n₁, n_л, n₃, - коэффициенты преломления среды между подводящим, оптическим волокном и линзой, материала линзы, среды между линзой и отводящим оптическим волокном соответственно,

f - заднее фокусное расстояние сферической линзы