Оптический преобразователь

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в устройствах обнаружения и оценки параметров вибраций объектов.

Недостатками известных аналогичных устройств (волоконно-оптические преобразователи) являются небольшая дальность действия и невысокая чувствительность.

Для устранения указанных недостатков предложено исключить из состава преобразователя передающий и приемный световоды, а в качестве излучателя использовать источники с небольшим углом расходимости оптического луча.

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в устройствах обнаружения и оценки параметров вибраций объектов.

Известны волоконно-оптические преобразователи (ВОП) рефлектометрического типа, содержащие излучатель, передающий и приемный световоды и фотоприемник. Передающий световод предназначен для направления потока излучения от излучателя на отражающую поверхность объекта, приемный световод - для приема части отраженного от объекта потока излучения и подвода его к фотоприемнику, где он преобразуется в пропорциональный электрический сигнал (Е.А.Зак. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией, Москва, Энергоатомиздат, 1989, с.5-7).

Принцип действия ВОП указанного типа основан на зависимости поступающего в приемный световод потока излучения от направления его распространения, изменяющегося под действием вибраций объекта контроля.

Недостатками ВОП являются небольшая дальность действия (3-5 мм, с оптической насадкой - 0,15-0,2 м) и невысокая чувствительность (Е.А.Зак. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией, Москва, Энергоатомиздат, 1989, с.13, 69, 115).

Небольшая дальность действия ВОП в основном обусловлена

значительным углом расходимости оптического луча на выходе передающего световода, в связи с чем даже небольшое увеличение расстояния между ВОП и объектом контроля приводит к уменьшению поступающего в приемный световод потока излучения до порогового уровня фотоприемника. На расходимость выходного оптического луча слабо влияет угол падения потока излучения на входе передающего световода, поэтому дальность действия ВОП практически не зависит от диаграммы направленности применяемого источника излучения (Е.А.Зак. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией, Москва, Энергоатомиздат, 1989, с.17).

Невысокая чувствительность ВОП обусловлена распределением потока излучения в конусе угловой апертуры передающего световода по закону, близкому к закону Ламберта (Е.А.Зак. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией, Москва, Энергоатомиздат, 1989, с.22). Вследствие этого фотоприемник достаточно слабо реагирует на изменение пространственного положения отражающей поверхности контролируемого объекта, так как для ламбертовского излучателя характерна плавная зависимость потока от направления излучения.

Технический результат, достигаемый в заявленной полезной модели, заключается в увеличении дальности действия, а при угловых колебаниях оптического луча, - и в повышении чувствительности преобразователя.

Указанный технический результат достигается тем, что преобразователь пространственных колебаний оптического луча в

электрический сигнал, состоящий из излучателя и фотоприемника, согласно полезной модели не содержит передающего и приемного световодов.

В этом случае поток от излучателя поступает на вход фотоприемника по открытому оптическому каналу, то есть, распространяясь в открытом пространстве. При этом в отличие от распространения излучения по передающему световоду диаграмма направленности излучателя существенно влияет на дальность действия преобразователя. При использовании в полезной модели источника с небольшим углом расходимости оптического луча, например, лазера, удаление фотоприемника от объекта контроля, поверхность которого в месте отражения луча должна быть зеркальной, не приведет к быстрому уменьшению поступающего на его вход потока излучения. В связи с этим дальность действия полезной модели будет значительно превышать дальность действия ВОП и составит, по крайней мере, несколько метров. Дополнительно увеличить дальность действия можно за счет фокусировки оптического луча на входном зрачке фотоприемника с помощью, например, линзового объектива (оптической насадки), входящего в состав излучателя.

Увеличение дальности действия предлагаемого устройства влечет за собой значительное повышение ее чувствительности к угловым перемещениям оптического луча (на чертеже пунктирной линией показано такое перемещение под воздействием соответствующего изменения пространственного положения поверхности контролируемого объекта). Это обусловлено тем, что преобразование пространственных колебаний

оптического луча в электрический сигнал происходит за счет линейного перемещения области освещенности входного зрачка фотоприемника. При неполном перекрытии входного зрачка фотоприемника областью освещенности, или вследствие ее пространственной неравномерности проходящий через входной зрачок на светочувствительную площадку фотоприемника поток излучения оказывается промодулированным по амплитуде. Фотоприемник преобразует поток излучения в электрический сигнал. Очевидно, что чем больше линейное перемещение области освещенности, - тем сильнее при прочих равных условиях изменится электрический сигнал.

При малых угловых перемещениях оптического луча смещение области освещенности можно считать пропорциональным расстоянию между объектом контроля и фотоприемником. Поэтому при изменении расстояния между ними, например, с 5 мм до 5 м смещение области освещенности входного зрачка фотоприемника увеличится примерно в 1000 раз. Во столько же раз может повыситься чувствительность преобразователя, если с ростом указанного расстояния размер области и, соответственно, освещенность входного зрачка останется практически без изменения, что может быть достигнуто за счет фокусировки оптического луча на входном зрачке фотоприемника с помощью объектива, входящего в состав излучателя.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена схема расположения элементов заявленного устройства при обнаружении или оценке параметров вибраций объекта контроля.

Преобразователь пространственных колебаний оптического луча в электрический сигнал содержит излучатель и фотоприемник.

Излучатель и фотоприемник располагают на некотором расстоянии от объекта контроля в пределах дальности действия преобразователя и ориентируют в пространстве таким образом, чтобы оптический луч, отражаясь от зеркально отражающей поверхности объекта, полностью или частично попадал во входной зрачок фотоприемника. При этом на выходе фотоприемника появляется электрический сигнал, пропорциональный принимаемому потоку излучения. Если пространственное положение поверхности объекта не изменяется, сигнал на выходе фотоприемника также остается постоянным. При изменении пространственного положения поверхности объекта, в зависимости от его характера, может произойти плоскопараллельный перенос оптического луча в пространстве, его угловое перемещение, либо одновременно плоскопараллельный перенос с угловым перемещением. Во всех случаях будет наблюдаться линейное смещение области освещенности относительно входного зрачка фотоприемника, в результате чего электрический сигнал на его выходе изменится соответственно этому смещению.

Во многих случаях вибрации объектов сопровождаются периодическим изменением угла наклона элементов их поверхности. Это наблюдается, в частности, при распространении в твердых материалах поверхностных волн, в объектах мембранного типа под воздействием давления и так далее. Изменение наклона отражающей поверхности объекта контроля приведет к

угловым колебаниям отраженного от объекта оптического луча и, как следствие, обеспечит при исследовании таких объектов более высокую чувствительность заявленного устройства по сравнению с прототипом (ВОП).

Преобразователь пространственных колебаний оптического луча в электрический сигнал, состоящий из излучателя и фотоприемника, отличающийся тем, что преобразователь не содержит передающего и приемного световодов.