Волоконно-оптическая измерительная система (варианты)

Полезная модель относится к волоконной оптике, а именно, к измерительным системам на основе волоконной оптики и может быть использовано в системах измерения деформации, температуры, давления и прочих физических величин. Полезная модель позволяет решить задачу уменьшения сложности, стоимости и размера системы при сохранении режима многоканальности, и содержит широкополосные источники излучения, интерферометры Фабри-Перо в качестве чувствительных элементов и регистрирующий интерферометр на основе дифракционной решетки. В регистрирующий интерферометр введено полупрозрачное зеркало, расположенное под углом к оптической оси, при этом входное излучение проходит через полупрозрачное зеркало, проходит через фокусирующую систему, отражается от дифракционной решетки, проходит через фокусирующую систему в обратном направлении, частично отражается от полупрозрачного зеркала и проецируется на прямоугольную матрицу фотоэлементов.

Полезная модель относится к волоконной оптике, а именно, к измерительным системам на основе волоконной оптики и может быть использовано в системах измерения деформации, температуры, давления и прочих физических величин.

Известно оптическое измерительное устройство [5392117; US 356/352; US 356/345; G01B 902; дата публикации 12.04.1993], которое содержит сенсор, представляющий собой интерферометр Фабри-Перо, интерферометр Физо, состоящий из оптического клина и осуществляющий пространственное разложение спектра отраженного от сенсора сигнала. Недостатками данного устройства является необходимость в точной установке отражающих поверхностей, большого размера спектрометра, определяемой расходимостью луча.

Известен волоконно-оптический интерферосенсор [7043102; US 385/12; дата публикации 19.09.2001], который содержит сенсор, представляющий собой интерферометр Фабри-Перо, и регистрирующий интерферометр Фабри-Перо с изменяющейся базой. Недостатком данной схемы являются сложности и ненадежность за счет наличия подвижных элементов регистрирующего интерферометра.

Известна волоконно-оптическая измерительная система [2005139046; G01L 11/02; дата публикации 20.07.2007], являющаяся наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели, которая содержит сенсор, представляющий собой интерферометр Фабри-Перо, регистрирующий интерферометр, выполненный из

двулучепреломляющего кристалла клиновидного профиля. При изменении базы сенсора при внешнем воздействии изменяются спектральные характеристики сигнала. Клин осуществляет пространственное разложение спектра. Недостатками такой системы являются уменьшение точности за счет зависимости двулучепреломления от длины волны излучения, увеличение сложности и уменьшение надежности за счет необходимости точной установки поверхностей клина относительно линии оптической оси, увеличение размеров регистрирующего интерферометра за счет использования матриц большого размера при малых углах двулучепреломляющего клина. За счет использования большой матрицы увеличивается стоимость блока при соблюдении режима многоканальности.

Задачей данной системы является уменьшение сложности, стоимости, увеличение надежности, уменьшении размеров при сохранении режима многоканальности и увеличения точности измерения.

Технический результат, достигаемый данной полезной моделью, заключается в создании малогабаритного простого многоканального регистрирующего интерферометра на дифракционной решетке.

Для достижения данной задачи предлагается волоконно-оптическая измерительная система, содержащая, по меньшей мере, один широкополосный источник излучения, по меньшей мере, один интерферометр Фабри-Перо, являющийся чувствительным элементом, по меньшей мере, один Y-образный ответвитель, фокусирующую систему, регистрирующий интерферометр, прямоугольную матрицу фотоэлементов, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорное устройство, при этом световое излучение, выходящее с выхода каждого широкополосного источника излучения, попадает на один из двух входов

каждого Y-образного ответвителя, с выхода которого попадает в каждый интерферометр Фабри-Перо, отражаясь от которых, проходит через каждый Y-образный ответвитель и выходит через второй вход каждого Y-образного ответвителя, а электрические выходы прямоугольной матрицы фотоэлементов соединены с входами аналого-цифрового преобразователя, выходы которого соединены с цифровыми входами микропроцессорного устройства, причем управляющие выходы микропроцессорного устройства соединены с соответствующими управляющими входами аналого-цифрового преобразователя и прямоугольной матрицы фотоэлементов, в которую дополнительно введено полупрозрачное зеркало, расположенное под углом к оптической оси, а регистрирующий интерферометр выполнен в виде дифракционной решетки, при этом излучение выходящее из второго входа каждого Y-образного ответвителя, проходит через полупрозрачное зеркало, проходит через фокусирующую систему, отражается от дифракционной решетки, проходит через фокусирующую систему в обратном направлении, частично отражается от полупрозрачного зеркала и проецируется на прямоугольную матрицу фотоэлементов.

Для достижения данной задачи также предлагается волоконно-оптическая измерительная система, содержащая, по меньшей мере, один широкополосный источник излучения, по меньшей мере, один интерферометр Фабри-Перо, являющийся чувствительным элементом, по меньшей мере, один Y-образный ответвитель, фокусирующую систему, регистрирующий интерферометр, прямоугольную матрицу фотоэлементов, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорное устройство, при этом световое излучение, выходящее с выхода каждого широкополосного источника излучения, попадает на один из двух входов

каждого Y-образного ответвителя, с выхода которого попадает в каждый интерферометр Фабри-Перо, отражаясь от которых, проходит через каждый Y-образный ответвитель и выходит через второй вход каждого Y-образного ответвителя, а электрические выходы прямоугольной матрицы фотоэлементов соединены с входами аналого-цифрового преобразователя, выходы которого соединены с цифровыми входами микропроцессорного устройства, причем управляющие выходы микропроцессорного устройства соединены с соответствующими управляющими входами аналого-цифрового преобразователя и прямоугольной матрицы фотоэлементов, в которой регистрирующий интерферометр выполнен в виде дифракционной решетки, при этом излучение выходящее из второго входа каждого Y-образного ответвителя, проходит через фокусирующую систему, отражается от дифракционной решетки, проходит через фокусирующую систему в обратном направлении, и проецируется на прямоугольную матрицу фотоэлементов.

Кроме того, для достижения данной задачи широкополосный источник излучения выполнен в виде полупроводникового светодиода.

Кроме того, для достижения данной задачи интерферометр Фабри-Перо образован, по меньшей мере, одним торцом волокна и другой отражающей поверхностью.

Кроме того, для достижения данной задачи интерферометр Фабри-Перо образован, по меньшей мере, двумя торцами волокон, помещенных в капилляр.

Кроме того, для достижения данной задачи вторые входы каждого Y-образного ответвителя расположены параллельно друг другу в плоскости, параллельной штрихам дифракционной решетки.

Кроме того, для достижения данной задачи вторые входы каждого Y-образного ответвителя объединены в МПО-разъем.

На фиг.1 приведена схема волоконно-оптической измерительной системы по варианту 1.

На фиг.2 приведена схема волоконно-оптической измерительной системы по варианту 2.

На фиг.3 приведен спектр источника излучения

На фиг.4 приведен спектр излучения, отраженного от чувствительного элемента.

На фиг.5 приведено распределение интенсивности света на фоточувствительной матрице.

Волоконно-оптическая измерительная система по варианту 1 (фиг.1) содержит, по меньшей мере, один широкополосный источник излучения 1.1...1.N, по меньшей мере, один интерферометр Фабри-Перо 2.1...2.N, являющийся чувствительным элементом, по меньшей мере, один Y-образный ответвитель 3.1...3.N, фокусирующую систему 4, регистрирующий интерферометр 5, прямоугольную матрицу фотоэлементов 6, аналого-цифровой преобразователь 7, микропроцессорное устройство 8, при этом световое излучение, выходящее с выхода каждого широкополосного источника излучения 1.1...1.N, попадает на один из двух входов каждого Y-образного ответвителя 3.1...3.N, с выхода которого попадает в каждый интерферометр Фабри-Перо 2.1...2.N, отражаясь от которых,

проходит через каждый Y-образный ответвитель 3.1...3.N и выходит через второй вход каждого Y-образного ответвителя, а электрические выходы прямоугольной матрицы фотоэлементов 6 соединены с входами аналого-цифрового преобразователя 7, выходы которого соединены с цифровыми входами микропроцессорного устройства 8, причем управляющие выходы микропроцессорного устройства 8 соединены с соответствующими управляющими входами аналого-цифрового преобразователя 7 и прямоугольной матрицы фотоэлементов 6. При этом имеется полупрозрачное зеркало 9, расположенное под углом к оптической оси фокусирующей системы 4, а регистрирующий интерферометр 5 выполнен в виде дифракционной решетки, при этом излучение выходящее из второго входа каждого Y-образного ответвителя 3.1...3.N, проходит через полупрозрачное зеркало 9, проходит через фокусирующую систему 4, отражается от дифракционной решетки 5, проходит через фокусирующую систему 4 в обратном направлении, частично отражается от полупрозрачного зеркала 9 и проецируется на прямоугольную матрицу фотоэлементов 6.

Волоконно-оптическая измерительная система по варианту 2 (фиг.2) содержит, по меньшей мере, один широкополосный источник излучения 1.1...1.N, по меньшей мере, один интерферометр Фабри-Перо 2.1...2.N, являющийся чувствительным элементом, по меньшей мере, один Y-образный ответвитель 3.1...3.N, фокусирующую систему 4, регистрирующий интерферометр 5, прямоугольную матрицу фотоэлементов 6, аналого-цифровой преобразователь 7, микропроцессорное устройство 8, при этом световое излучение, выходящее с выхода каждого широкополосного источника излучения 1.1...1.N, попадает на один из двух входов каждого Y-образного ответвителя 3.1...3.N, с выхода которого

попадает в каждый интерферометр Фабри-Перо 2.1...2.N, отражаясь от которых, проходит через каждый Y-образный ответвитель 3.1...3.N и выходит через второй вход каждого Y-образного ответвителя, а электрические выходы прямоугольной матрицы фотоэлементов 6 соединены с входами аналого-цифрового преобразователя 7, выходы которого соединены с цифровыми входами микропроцессорного устройства 8, причем управляющие выходы микропроцессорного устройства 8 соединены с соответствующими управляющими входами аналого-цифрового преобразователя 7 и прямоугольной матрицы фотоэлементов 6. При этом регистрирующий интерферометр 5 выполнен в виде дифракционной решетки, при этом излучение выходящее из второго входа каждого Y-образного ответвителя 3.1...3.N, проходит через полупрозрачное зеркало 9, проходит через фокусирующую систему 4, отражается от дифракционной решетки 5, проходит через фокусирующую систему 4 в обратном направлении и проецируется на прямоугольную матрицу фотоэлементов 6.

Предлагаемая система по варианту 1 и 2 работает следующим образом.

Свет от источников излучения 1.1...1.N (фиг.1 и 2) с широким спектром (фиг.3) проходит через Y-образные ответвители 3.1...3.N (фиг.1 и 2) и поступает на чувствительные элементы 2.1...2.N, образованные интерферометрами Фабри-Перо, отражаясь от которого излучения, претерпевает модуляцию в спектре (фиг.4). Причем величина L, характеризующая расстояние между соседними максимумами в спектре, однозначно определяет расстояние между отражающими поверхностями интерферометра Фабри-Перо. Далее оптические сигналы, отраженные от чувствительных элементов 2.1...2.N (фиг.1, 2) снова проходят через Y-образные ответвители 3.1...3.N и поступают на входы спектрометрического блока 11. При этом

излучение, выходя из световодов, начинает естественным образом расходится и частично проходит по варианту 1 через полупрозрачное зеркало 9 (фиг.1), далее проходит через фокусирующую систему 4, после которой идет параллельно и попадает на дифракционную решетку 5, которая предназначена для разложения излучения в спектр. Далее излучение, отражаясь от дифракционной решетки 5, снова проходит через фокусирующую систему 4 и попадает на полупрозрачное зеркало 9, где снова претерпевает частичное отражение и фокусируется на прямоугольной матрице фотоэлементов 6. По варианту 2 (фиг.2) излучение на входе в спектрометрический блок попадает на фокусирующую систему 4, далее распространяясь параллельно, попадает на дифракционную решетку 5, отражается от нее, снова проходит через фокусирующую систему 4 в обратном направлении и фокусируется на прямоугольной матрице фотоэлементов 6. По вариантам 1 и 2, спектры, проецируемые на матрице от каждого измерительного канала, разнесены друг от друга (фиг.5), таким образом, обеспечивается многоканальный режим работы спектрометрического блока. Электрический сигнал с матрицы 6 (фиг.1, 2), оцифровывается с помощью аналого-цифрового преобразователя 7 и поступает на вход микропроцессора 8, который также имеет возможность управлять работой матрицы 6 и АЦП 7 и передавать информацию вовне. Микропроцессор производит вычисление базы интерферометра путем определения расстояния L между максимумами в спектре излучения.

Все компоненты электронной схемы выполнены на стандартной элементной базе. Источником излучения может быть инфракрасный светоизлучающий диод, для линии связи и построения оптоволоконных чувствительных элементов может быть использовано стандартное одномодовое или многомодовое волокно. Разъем,

соединяющий концы волокон вторых входов 12.1...12.N от N ответвителей может быть выполнен в виде стандартного МРО/МТР разъема. Фокусирующая линза представляет собой в простейшем случае одиночную линзу. Полупрозрачное зеркало может быть как с металлическим полупрозрачным слоем, так и с диэлектрическими слоями.

За счет того, что угол падения и отражения излучения относительно дифракционной решетки равны по варианту 1 и малы по варианту 2, то этим самым обеспечивается линейность регистрирующего спектрометра, что улучшает точность обработки сигнала.

Таким образом, заявленная полезная модель позволяет решить задачу уменьшения сложности и стоимости системы за счет использования стандартных оптических компонент и отсутствия точных юстировок элементов, а также полезная модель позволяет решить задачу уменьшения размеров спектрометра за счет прямого и обратного использования одной фокусирующей системы. Задача увеличения точности измерения достигается за счет меньшей нелинейности регистрирующего спектрометра на дифракционной решетке.

1. Волоконно-оптическая измерительная система, содержащая, по меньшей мере, один широкополосный источник излучения, по меньшей мере, один интерферометр Фабри-Перо, являющийся чувствительным элементом, по меньшей мере, один Y-образный ответвитель, фокусирующую систему, регистрирующий интерферометр, прямоугольную матрицу фотоэлементов, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорное устройство, при этом световое излучение, выходящее с выхода каждого широкополосного источника излучения, попадает на один из двух входов каждого Y-образного ответвителя, с выхода которого попадает в каждый интерферометр Фабри-Перо, отражаясь от которых проходит через каждый Y-образный ответвитель и выходит через второй вход каждого Y-образного ответвителя, а электрические выходы прямоугольной матрицы фотоэлементов соединены с входами аналого-цифрового преобразователя, выходы которого соединены с цифровыми входами микропроцессорного устройства, причем управляющие выходы микропроцессорного устройства соединены с соответствующими управляющими входами аналого-цифрового преобразователя и прямоугольной матрицы фотоэлементов, отличающаяся тем, что дополнительно введено полупрозрачное зеркало, расположенное под углом к оптической оси фокусирующей системы, а регистрирующий интерферометр выполнен в виде дифракционной решетки, при этом излучение, выходящее из второго входа каждого Y-образного ответвителя, проходит через полупрозрачное зеркало, проходит через фокусирующую систему, отражается от дифракционной решетки, проходит через фокусирующую систему в обратном направлении, частично отражается от полупрозрачного зеркала и проецируется на прямоугольную матрицу фотоэлементов.

2. Волоконно-оптическая измерительная система по п.1, отличающаяся тем, что широкополосный источник излучения выполнен в виде полупроводникового светодиода.

3. Волоконно-оптическая измерительная система по п.1, отличающаяся тем, что интерферометр Фабри-Перо образован, по меньшей мере, одним торцом волокна и другой отражающей поверхностью.

4. Волоконно-оптическая измерительная система по п.1, отличающаяся тем, что интерферометр Фабри-Перо образован, по меньшей мере, двумя торцами волокон, помещенных в капилляр.

5. Волоконно-оптическая измерительная система по п.1, отличающаяся тем, что вторые входы каждого Y-образного ответвителя расположены параллельно друг другу в плоскости, параллельной штрихам дифракционной решетки.

6. Волоконно-оптическая измерительная система по п.5, отличающаяся тем, что вторые входы каждого Y-образного ответвителя объединены в МПО-разъем.

7. Волоконно-оптическая измерительная система по пп.1-6, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью измерения давления, температуры, деформации, перемещения и других физических величин.

8. Волоконно-оптическая измерительная система, содержащая, по меньшей мере, один широкополосный источник излучения, по меньшей мере, один интерферометр Фабри-Перо, являющийся чувствительным элементом, по меньшей мере, один Y-образный ответвитель, фокусирующую систему, регистрирующий интерферометр, прямоугольную матрицу фотоэлементов, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорное устройство, при этом световое излучение, выходящее с выхода каждого широкополосного источника излучения, попадает на один из двух входов каждого Y-образного ответвителя, с выхода которого попадает в каждый интерферометр Фабри-Перо, отражаясь от которых проходит через каждый Y-образный ответвитель и выходит через второй вход каждого Y-образного ответвителя, а электрические выходы прямоугольной матрицы фотоэлементов соединены с входами аналого-цифрового преобразователя, выходы которого соединены с цифровыми входами микропроцессорного устройства, причем управляющие выходы микропроцессорного устройства соединены с соответствующими управляющими входами аналого-цифрового преобразователя и прямоугольной матрицы фотоэлементов, отличающаяся тем, что регистрирующий интерферометр выполнен в виде дифракционной решетки, при этом излучение, выходящее из второго входа каждого Y-образного ответвителя, проходит через фокусирующую систему, отражается от дифракционной решетки, проходит через фокусирующую систему в обратном направлении и проецируется на прямоугольную матрицу фотоэлементов.

9. Волоконно-оптическая измерительная система по п.8, отличающаяся тем, что широкополосный источник излучения выполнен в виде полупроводникового светодиода.

10. Волоконно-оптическая измерительная система по п.8, отличающаяся тем, что интерферометр Фабри-Перо образован, по меньшей мере, одним торцом волокна и другой отражающей поверхностью.

11. Волоконно-оптическая измерительная система по п.8, отличающаяся тем, что интерферометр Фабри-Перо образован, по меньшей мере, двумя торцами волокон, помещенных в капилляр.

12. Волоконно-оптическая измерительная система по п.8, отличающаяся тем, что вторые входы каждого Y-образного ответвителя расположены параллельно друг другу в плоскости, параллельной штрихам дифракционной решетки.

13. Волоконно-оптическая измерительная система по п.12, отличающаяся тем, что вторые входы каждого Y-образного ответвителя объединены в МПО-разъем.

14. Волоконно-оптическая измерительная система по пп.8-13, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью измерения давления, температуры, деформации, перемещения и других физических величин.