Способ измерения параметра, воздействие которого на оптический чувствительный элемент обеспечивает изменение интенсивности света, и средство для его осуществления

Изобретение относится к средствам дистанционного измерения, использующим изменение интенсивности света. Средство содержит обратимый светофотодиод. После импульса излучения входного света в направлении чувствительного элемента, посредством волоконного световода, обеспечена задержка света, достаточная для переключения светофотодиода в состояние приема света, для обеспечения измерения интенсивности выходного света. Средство управления позволяет обеспечить два режима следования периодических импульсов - первый режим имеет период следования T₁ больше, чем время задержки τ_З оптического импульса, а второй режим имеет период следования Т₂, равный времени задержки τ_З оптического импульса. Благодаря этому обеспечивается устранение погрешностей измерений, вызванных нестабильностью характеристик светофотодиода. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к средствам дистанционного контроля, основанным на измерении интенсивности света.

Уровень техники

Примером традиционной схемы волоконно-оптического датчика является устройство, используемое для дистанционного измерения физических величин в способе измерения, раскрытом в SU 1411587. Сложность традиционной волоконно-оптической схемы датчика вытекает из использования источников и приемников оптического излучения, способных выполнять только одну функцию - источника либо приемника света.

Наиболее близким аналогом являются раскрытые в SU 1215178 способ измерения перемещения объекта и устройство, содержащее светофотодиод, выполняющий функции как источника, так и приемника света. Задержка света, необходимая для того, чтобы успеть произвести переключение светофотодиода из состояния источника в состояние приемника света, осуществляется посредством люминофорного покрытия, нанесенного на подвижный объект. Расстояние до объекта определяется по величине мощности света фотолюминесценции, поступающего в светофотодиод.

Необходимо отметить, что точность измерения расстояния в рассмотренном способе измерения может существенно ухудшиться из-за:

1) нестабильности выходной мощности возбуждающего излучения светофотодиода вследствие деградационных процессов и эффекта старения материала активной области светофотодиода;

2) изменений эффективности люминесценции люминофора, например, вследствие температурных изменений или старения материала люминофора;

3) различия температурных зависимостей спектральных характеристик люминофора и светофотодиода;

4) зависимости времени послесвечения люминофора, определяющего время задержки, от условий эксплуатации (температура, давление, электромагнитные поля, влажность и т.д.);

5) изменений прозрачности среды между светофотодиодом и объектом на длинах волн возбуждающего света и люминесценции.

Поэтому данное решение не может быть использовано для проведения измерений параметров, например расстояния до объекта, в течение длительного времени в жестких условиях, например в ходе строительства и дальнейшей эксплуатации строительных сооружений (здание, мост и т.п.).

Сведения, раскрывающие сущность изобретения

Предлагаемое изобретение направлено на повышение точности оптических измерительных устройств, в которых в качестве источников и приемников излучения используются светофотодиоды. При этом обеспечено повышение точности известного способа и устройства измерения, использующего люминофор на механической кодовой шкале для задержки света от светофотодиода.

Предлагается способ измерения, согласно которому посылают входной свет к, по меньшей мере, одному чувствительному элементу, способному изменять интенсивность света в зависимости от воздействия на чувствительный элемент, и измеряют интенсивность выходного света от чувствительного элемента в соответствии с которой определяют измеряемый параметр, входной свет к чувствительному элементу посылают посредством обратимого светофотодиода, между светофотодиодом и чувствительным элементом производят задержку света, переключают светофотодиод в состояние приема света и измеряют интенсивность выходного света.

Для повышения точности измерений между светофотодиодом и чувствительным элементом обеспечивают частичное отражение выходного света, а входной свет посылают с переменной частотой импульсов.

При этом обеспечивают два режима следования периодических импульсов. Первый режим имеет период следования T₁, значительно больший, чем время задержки τ_З оптического импульса, а второй режим имеет период следования Т₂, равный времени задержки τ_З оптического импульса.

Величина выходного сигнала во втором режиме будет больше из-за наложения оптических импульсов, многократно переотраженных от чувствительного элемента и полупрозрачного отражателя (полупрозрачной пластинки (ПП)).

Задержка света обеспечивается волоконным световодом, соединяющим светофотодиод с элементом, при этом, в случае небольшого расстояния между ними для обеспечения необходимой задержки сигнала используется отрезок световода достаточной длины (например, путем наматывания на катушку).

Определение измеряемого параметра выполняет вычислительное устройство (цифровое или аналоговое), которое обеспечивает следующие операции: из величины интенсивности выходного света, соответствующей второму режиму следования периодических импульсов, вычитают величину интенсивности выходного света, соответствующую первому режиму следования периодических импульсов, а полученную разность величин делят на величину, соответствующую второму режиму следования периодических импульсов.

В данном способе можно использовать чувствительный элемент, который воспринимает, например, воздействующее на него изменение давления или чувствительный элемент, который воспринимает воздействующее на него изменение температуры.

Для реализации указанного способа предлагается средство измерения, содержащее, по меньшей мере, один чувствительный элемент, способный изменять интенсивность света в зависимости от воздействия на чувствительный элемент, и устройство измерения интенсивности выходного света от чувствительного элемента, в котором содержится устройство управления электронным ключом, обеспечивающее переключение посредством электронного ключа обратимого светофотодиода в режим излучения для обеспечения излучения входного света на чувствительный элемент, при этом между светофотодиодом и чувствительным элементом обеспечена задержка света, достаточная для переключения светофотодиода в состояние приема света для обеспечения измерения интенсивности выходного света. Задержка света обеспечивается волоконным световодом.

Между светофотодиодом и чувствительным элементом обеспечивается частичное отражение выходного света посредством полупрозрачной пластинки или от торцевой поверхности световода. Этот отражательный элемент размещен на конце световода, противоположном концу световода, подводящему свет к чувствительному элементу. Входной свет имеет переменную частоту импульсов, которая может включать два режима следования периодических импульсов. Первый режим имеет период следования T₁, намного больший, чем время задержки τ_З оптического импульса, а второй режим имеет период следования Т₂, в основном равный времени задержки τ_З оптического импульса.

Устройство управления электронным ключом светофотодиода обеспечивает переключение электронного ключа синхронного детектора для поступления сигналов, соответствующих первому и второму режиму, на разные входы синхронного детектора.

Вычислительное устройство, связанное с синхронным детектором, обеспечивает возможность следующих действий: из величины интенсивности выходного света, соответствующей второму режиму следования периодических импульсов, обеспечивается вычитание величины интенсивности выходного света, соответствующей первому режиму следования периодических импульсов, а для полученной разности величин осуществляется деление на величину интенсивности выходного света, соответствующую второму режиму следования периодических импульсов.

В данном устройстве можно использовать любые виды оптических чувствительных элементов, например элемент, чувствительный к воздействующей на него через толкатели величине деформации контролируемого элемента, или элемент, чувствительный к воздействующему на него изменению давления, или элемент, чувствительный к воздействующему на него изменению температуры, или элемент, чувствительный к воздействующему на него изменению магнитного или электрического поля.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 изображена схема ВОД, обеспечивающая устранение влияния дестабилизирующих факторов.

На фиг.2 изображена временная диаграмма оптических сигналов в первом режиме работы.

На фиг.3 изображена временная диаграмма оптических сигналов во втором режиме работы.

Осуществление изобретения

В данном изобретении чувствительный элемент датчика выполняет роль отражателя оптического излучения с коэффициентом отражения, зависящим от измеряемого воздействия. Таким воздействием может быть, например, температура, давление, механические деформации и т.п.

За время полного пробега световым импульсом от источника света к чувствительному элементу (ЧЭ) датчика и обратно светофотодиод с помощью ключа с электронным управлением (коммутатора) (К₁) переключается от схемы генератора импульсного питания (Г) к схеме фотоприемного устройства (ФПУ), осуществляющего преобразование оптической мощности на входе светофотодиода в электрический сигнал, например напряжение U.

При длине волоконного световода L полное время пробега оптического импульса, распространяющегося в световоде в прямом и обратном направлениях (время задержки τ_З), составляет τ_З=2L/c, где с - скорость света в волоконном световоде.

Вследствие воздействия различных дестабилизирующих факторов на светофотодиод его характеристики могут испытывать заметные изменения с течением времени, что ухудшает точность измерения рассматриваемого датчика. С целью повышения точности измерения предлагается использовать импульсно-периодический режим работы схемы с переменным периодом импульсов, при котором на входе светофотодиода может происходить наложение оптических импульсов, сформированных ранее, с временами задержки τ_З, 2τ_З, 3τ_З и т.д.

Это достигается тем, что, во-первых, в схему датчика вводится полупрозрачная пластинка (ПП), выполняющая одновременно также роль отражателя света обратно в световод с коэффициентом отражения r (со стороны чувствительного элемента) и коэффициентом пропускания В (эти коэффициенты будут использованы ниже в выражениях (1) и (2)), расположенная между светофотодиодом и входным торцом световода, как показано на фиг.1. В этом случае оптический импульс в световоде совершает многократный пробег в прямом и обратном направлениях между ЧЭ и ПП вследствие последовательных многократных отражений от ЧЭ и ПП. Отметим, что роль такого отражателя может выполнять, например, плоская торцевая поверхность световода, нормальная к его оси, поскольку граница раздела световод - воздух характеризуется коэффициентом отражения r≈4% (для световода из кварцевого стекла). Чувствительный элемент может иметь отражающий слой, изменяющий коэффициент отражения в зависимости от величины воздействия на него.

В электронную схему ВОД вводится дополнительный ключ К₂ с электронным управлением, который позволяет осуществлять регистрацию сигналов на выходе ФПУ в двух режимах работы:

1) в отсутствие наложения оптических импульсов (режим I);

2) полного наложения импульсов (режим II).

Обеспечение указанных режимов работы осуществляется с помощью генератора импульсов (Г), который формирует периодические импульсы питания светофотодиода двух видов:

1) с периодом следования T₁>>τ_З (режим I);

2) с периодом следования Т₂=τ_З (режим II).

Кроме того, генератор импульсов формирует также сигналы управления электронными ключами K₁ и К₂ с необходимыми частотно-импульсными характеристиками. Предпочтительно, чтобы многофункциональный генератор импульсов входил в состав средства управления электронным ключом, которое может быть выполнено в виде микропроцессора. Такое устройство управления электронным ключом светофотодиода обеспечивает переключение электронного ключа (коммутатора) К₂ синхронного детектора, подключенного к электронному блоку обработки сигналов (БО), для поступления сигналов, соответствующих первому и второму режиму, на разные входы синхронного детектора блока обработки сигналов (БО). Такая схема подключения обеспечивает точность обработки сигналов.

Временные диаграммы сигналов в рассматриваемой схеме ВОД (фиг.1) для указанных режимов приведены на фиг.2, 3.

В первом режиме работы (T₁>>τ_З) наложение импульсов на входе светофотодиода практически отсутствует, при этом мощность оптического импульса P₁, имеющего временную задержку τ_З по отношению к возбуждающему сигналу, составляет

где P₀ - мощность оптического импульса, вводимого от источника света в световод на выходе полупрозрачного отражателя;

П - коэффициент пропускания полупрозрачного отражателя;

В - коэффициент пропускания световода;

R - эффективный коэффициент отражения чувствительного элемента, изменяющийся в зависимости от изменения параметра воздействия на чувствительный элемент. Параметрами воздействия могут быть, например, температура, давление, магнитное поле и т.п.

Для второго режима (Т₂=τ_З) имеет место существенное наложение оптических импульсов. В этом случае Р₂ определяется как сумма членов геометрической прогрессии

где r - коэффициент отражения полупрозрачного отражателя со стороны чувствительного элемента.

Для указанных режимов работы соответствующие выходные электрические сигналы фотоприемного устройства (ФПУ) составляют

U₁=k×P₁ и U₂=k×P₂,

где k - коэффициент преобразования фотоприемного устройства.

Следовательно, для выходного сигнала блока обработки сигналов (БО), определяемого в соответствии с формулой , получим выражение U_вых=r×T²×R.

Таким образом, выходной сигнал рассматриваемого устройства не зависит от эффективности оптической связи светофотодиода со световодом и от характеристик светофотодиода, устойчив против воздействия различных факторов, дестабилизирующих характеристики светофотодиода и фотоприемного устройства, а определяется лишь коэффициентом пропускания В участка световода и эффективным коэффициентом отражения R чувствительного элемента датчика (предполагаем, что оптические характеристики полупрозрачной пластинки являются постоянными). Рассматриваемая схема может лежать в основе работы ВОД, использующих как зависимость коэффициента пропускания В световода от внешних воздействий (например, зависимость потерь при макро- или микроизгибах световодов), так и зависимость коэффициента отражения R чувствительного элемента от внешних условий (температуры, давления, электрических или магнитных полей и т.д.).

Помимо устранения дестабилизирующих факторов применение данного способа измерения позволяет унифицировать номенклатуру средств измерения, поскольку не зависит от вида чувствительного элемента. Одно и то же измерительное устройство может быть использовано для измерения различных величин путем подключения подходящих измерительных элементов к схеме ВОД и соответствующего перепрограммирования средств измерения на индикацию измеряемой величины.

1. Способ измерения параметра, воздействие которого на оптический чувствительный элемент обеспечивает изменение интенсивности света,
при котором посылают входной свет к, по меньшей мере, одному чувствительному элементу, способному изменять интенсивность света в зависимости от воздействия на чувствительный элемент, и измеряют интенсивность выходного света от чувствительного элемента, в соответствии с которой определяют измеряемый параметр,
входной свет к чувствительному элементу посылают посредством обратимого светофотодиода,
между светофотодиодом и чувствительным элементом производят задержку света,
переключают светофотодиод в состояние приема света, и измеряют интенсивность выходного света,
отличающийся тем, что между светофотодиодом и чувствительным элементом обеспечивают частичное отражение выходного света и
посылают входной свет с переменной частотой импульсов для обеспечения двух режимов следования периодических импульсов - первый режим имеет период следования T₁ больше, чем время задержки τ_З оптического импульса, а второй режим имеет период следования Т₂, равный времени задержки τ_З оптического импульса.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что задержка света обеспечивается волоконным световодом.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что измеряют интенсивность выходного света с использованием средства обработки сигналов, которое имеет возможность обеспечения следующих операций: из величины интенсивности выходного света, соответствующей второму режиму следования периодических импульсов, обеспечивается вычитание величины интенсивности выходного света, соответствующей первому режиму следования периодических импульсов, а для полученной разности величин обеспечивается деление на величину интенсивности выходного света, соответствующую второму режиму следования периодических импульсов.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде участка световода с микро- или макроизгибами, коэффициент пропускания которого чувствителен к изменению деформации указанного участка, например, в результате действия силы, приложенной к данному участку.

5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что чувствительный элемент чувствителен к воздействующему на него изменению давления.

6. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что чувствительный элемент чувствителен к воздействующему на него изменению температуры.

7. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что измерительный элемент чувствителен к воздействующему на него изменению магнитного или электрического поля.

8. Средство измерения параметра, воздействие которого на оптический чувствительный элемент обеспечивает изменение интенсивности света,
содержащее, по меньшей мере, один чувствительный элемент, способный изменять интенсивность света в зависимости от воздействия на чувствительный элемент, и устройство измерения интенсивности выходного света от чувствительного элемента,
устройство управления электронным ключом, которое обеспечивает переключение обратимого светофотодиода посредством электронного ключа в режим излучения для обеспечения излучения входного света на чувствительный элемент,
между светофотодиодом и чувствительным элементом обеспечена задержка света, достаточная для переключения светофотодиода в состояние приема света для обеспечения измерения интенсивности выходного света,
отличающееся тем, что между светофотодиодом и чувствительным элементом обеспечивается частичное отражение выходного света посредством полупрозрачного элемента,
входной свет имеет переменную частоту импульсов, которая включает два режима следования периодических импульсов - первый режим имеет период следования T₁ больше, чем время задержки τ_З оптического импульса, а второй режим имеет период следования Т₂, равный времени задержки τ_З оптического импульса.

9. Средство по п.8, отличающееся тем, что задержка света обеспечивается волоконным световодом.

10. Средство по п.9, отличающееся тем, что устройство управления электронным ключом светофотодиода также обеспечивает переключение электронного ключа синхронного детектора, связанного со средством обработки сигналов, для поступления сигналов, соответствующих первому и второму режиму, на разные входы синхронного детектора.

11. Средство по п.9, отличающееся тем, что полупрозрачный элемент является полупрозрачной пластинкой, расположенной между светофотодиодом и торцом световода со стороны светофотодиода, или полупрозрачный элемент образован торцом световода со стороны светофотодиода.

12. Средство по п.9, отличающееся тем, что средство обработки сигналов, связанное с синхронным детектором, имеет возможность обеспечения следующих операций: из величины интенсивности выходного света, соответствующей второму режиму следования периодических импульсов, обеспечивается вычитание величины интенсивности выходного света, соответствующей первому режиму следования периодических импульсов, а для полученной разности величин обеспечивается деление на величину интенсивности выходного света, соответствующую второму режиму следования периодических импульсов.

13. Средство по любому из пп.8-12, отличающееся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде участка световода с микро- или макроизгибами, коэффициент пропускания которого чувствителен к изменению деформации указанного участка, например, в результате действия силы, приложенной к данному участку.

14. Средство по любому из пп.8-12, отличающееся тем, что чувствительный элемент чувствителен к воздействующему на него изменению давления.

15. Средство по любому из пп.8-12, отличающееся тем, что чувствительный элемент чувствителен к воздействующему на него изменению температуры.

16. Средство по любому из пп.8-12, отличающееся тем, что чувствительный элемент чувствителен к воздействующему на него изменению магнитного поля.