Волоконно-оптический датчик скорости

 

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет осуществлять дистанционное измерение и конт- . роль скорости движения отражающей поверхности , например, вращения вала. Излучение источника 1, длиной волны X, шириной спектральной полосы 4- , через светоделитель 2 поступает на входной торец волоконного световода (ВО) 3. Выходящее со стороны выходного торца ВС 3 излучение направляется нормально поверхности движущегося объекта 5. Отраженное от поверхности излучение вводится в ВС 4, выполненный в виде разомкнутого кольца. Торцы ВС 4 расположены симметрично относительно выходного торца ВС 3, оптические оси ВС 4 со стороны торцов пересекаются под углом , по биссектрисе которого направлена оптическая ось ВС 3 со стороны его выходного торца. Отраженное излучение распространяется по ВС 4 во встречных направлениях , выходит из сопряженных торцов ВС 4, вторично отражается от движущейся поверхности и попадает в ВС 3 со стороны его выходного торца. ПРОИСХОДИТ когерентное сложение двукратно отраженных световых волн. В качестве источника излучения вь№ бран слабокогерентный светодиод, длина ВС 4 выбрана из условия 1. Л Л (nj..) , где М - число модовых групп волокна; nj.,. - показатели преломления сердцевины и оболочки световода. Это позволяет исключить влияние межмодовых щумов световода. Выходящее из входного торца ВС 3 излучение через светоделитель поступает на фотодетектор 7, частота фототока на выходе которого определяется удвоенным допплеровским сдвигом частот - (Л ел со со ю 00

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК цд4 С 01 Р 3/36

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМЪ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4093896/24-10 (22) 18.07.86 (46) 23.01.89. Бюл. Ф 3 (71) Ленинградский электротехнический институт связи им. проф.

М.А.Бонч-Бруевича (72) М.М.Бутусов, С.Л.Галкин и А.В.Игнатьев (53) 681.7,068(088.8) (56) Sasaki О., Nakatani Т. Dual Singfe-beam fiber baser Doppler Velocinuber. — Appl. 0pt., 1981, N 20, Ф 23, р. 3990-3991 °

Goodman I.W,, Rawson E.G; Statistics of modal noise in filers.

Appl. Lett, 1981, v. 6, М - 7, р., 324326. (54) ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК СКОРОСТИ (57) Изобретение относится к измерительной технике и позволяет осуществлять дистанционное измерение и конт-..; роль скорости движения отражающей .поверхности, например, вращения вала.

Излучение источника 1, длиной волны ф, шириной спектральной полосы через светоделитель 2 поступает на входной торец волоконного световода (BC) 3. Выходящее со стороны выходного торца ВС 3 излучение направляется

ÄÄSUÄÄ 1453328 А1 нормально поверхности движущегося объекта 5. Отраженное от поверхности излучение вводится в ВС 4, выполненный в виде разомкнутого кольца. Торцы

ВС 4 расположены симметрично относительно выходного торца ВС 3, оптические оси ВС 4 со стороны торцов перео о секаются под углом 0<кс180, по биссектрисе которого направлена оптическая ось ВС 3 со стороны его выходного торца. Отраженное излучение распространяется по ВС 4 во встречных направлениях, выходит из сопряженных торцов ВС 4, вторично отражается от движущейся поверхности и попадает в

ВС 3 со стороны его выходного торца.

Происходит когерентное сложение двукратно отраженных световых волн.

В качестве источника излучения вы бран слабокогерентный светодиод, длина ВС 4 выбрана из условия L A2-М 6 (n -n, ), где М вЂ” число модовых групп волокна; n,n — показатели преломления сердцевины и оболочки

laW световода. Это позволяет исключить влияние межмодовых шумов световода.

Выходящее из входного торца ВС 3 из- М лучение через светоделитель поступает М на фотодетектор 7, частота фототока ф4 на выходе которого определяется удво- Я ение допплеровским сдвигом частот, QQ

1453328

ho которому определяется скорость движения поверхности. Цель изобретения - повышение точности измерения за счет уменьшения влияния межмодовых

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в оптическом приборостроении при создании систем дистанционного измерения и контроля скорости движущихся отражающих объектов.

Целью изобретения является повышение точности измерений за счет уменьшения влияния межмодовых шумов в волоконных световодах и конструктивное упрощение устройства.

На чертеже изображена блок-схема датчика.

Датчик содержит монохроматический источник 1 излучения, светоделитель

2, приемопередающий волоконный световод (ВС).3, выполненный в виде разомкнутого кольца, волоконный световод 4, отражающую поверхность 5 движущегося объекта, микрообъективы б, фотодетектор 7.

Датчик работает следующим образом.

Часть монохроматического излучения источника 1 длиной волны Ъ шири- 25 ной спектральной полосы д после прохождения через светоделитель 2 вводится, например, с помощью микрообьектива 6 в ВС 3 со стороны его первого торца. На выходе BC 3 излучение направляется нормально поверхности движущегося объекта 5, например, вращающуюся с угловой скоростью ц . Отраженное от поверхности излучение вводится, например, с помощью микрообьективов 6 в. выполненный в виде разомкнутого с одной стороны кольца во- локонньй световод 4 со стороны его йервого и второго торцов. При этом каждый торец выполняет функции как входного, так и выходного торца.

Доплеровский сдвиг частоты отраженного света зависит от пространственных условий пРиема. При симметрич- 45 ном расположении торцов ВС 4 относительно выходного торца ВС 3 доплешумов световода, а также конструктивное упрощение эа счет возможности использования слабокогерентного источника. 1 ил.

2" V s in /2 ров ский сдвиг частот f =« - — — —--ф у У где O eL+90 — угол между оптическими о осями ВС 4 со стороны его торцов;

V — линейная скорость движения поверхности объекта. Если расстояние между торцами ВС 4 равно 2d, а расстояние от второго торца ВС 3 и торцов ВС 4 до поверхности равно h, доплеровский сдвиг частоты при э1пЯ/2

t tgg/2 равен

2d

=4--h 5

ВС 4 играет роль волоконного кольцевого интерферометра, в котором световые потоки распространяются встречно. Выходящее из каждого сопряженного торца BC 4 излучение вторично отражается от поверхности объекта и вводится в ВС 3 со стороны

его второго торца, где происходит когерентное сложение проходящих по JSC 4 вторичных световых потоков. Интерференционная структура, образующая в результате фотосмешения световых поЯ h токов имеет период Л= — —.— —-2sing/2 d

Излучение, прошедшее BC 3 в направлении, противоположном направлению распространения излучения источника, через светощелитель 2 попадает на фотодетектор 7. Для обеспечения достаточной глубины модуляции фототока на выходе фотодетектора пространственно-частотные селективные свойства второго торца ВС 3, используемого в качестве входного для отраженного света, устанавливают в соответствии с периодом интерференционной структуры Л.

Например, для повышения глубины модуляции фототока диаметр сердцевин

ВС 3 выбирается меньшим ширины одной полосы из условия ас Л/2.

14533

Формула и з о б р е т ения

Волоконно-оптический датчик скорости, содepzca H источник излучения, первый и второй волоконные свеСоставитель А..имофеев

Рецактор Н.Лазаренко Техред М.дидык Корректор M.Васильева

Заказ 7279/42 Тираж 788 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Интерферирующие световые волны проходят внутри ВС 4 одинаковые оптические пути, что дает возможность испольэовать в каче5 стве источника слабокогерентный источник излучения — светодиод, что упрощает конструкцию устройства. При этом когерентное взаимодействие мод в волокне сохраняется лишь в пределах длины световода

М. г в3Ф М,(п -и )Ф где и,, п, — показатели преломления сердцевины и оболочки 15

ВС;

М вЂ” число модовых групп в волокне.

Выбор длины световода 4 из условия

L La позволяет исключить влияние когерентной межмодовой интерференции, определяющей модовые шумы, которые ограничивают точность чувствитель" ность датчика. Частота фототока на выходе детектора 7 определяется удво- 25 енным доплеровским сдвигом частоты

2йв вследствие двухкратной модуляции движущимся объектом при вторичном отражении от его поверхности. Анализ частоты сигнала на выходе датчика поз-30 валяет определить скорость движения отражающей поверхности.

28

ToB0pbl светоделитель, фотодетектор, .причем первый торец первого волоконного световода оптически согласован с источником излучения и фотодетектором, а второй торец второго волоконного световода оптически согласован с вторым торцом первого волоконного световода, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности измерений за счет уменьшения влияния межмодовых шумов световодов и упрощения конструкции, в качестве источника излучения выбран слабокогерентный светодиод, второй световод выполнен в виде разомкнутого кольца, при этом торец второго световода оптически согласован с вторым торцом первого световода, причем оптические оси второго волоконного световода со стороны первого и второго торцов лежат в одной плоскости . o и пересекаются под углом 0(«180 а оптическая ось первого волоконного световода со стороны его второго торца совмещена с биссектрисой углаа6, при этом длина второго волоконного световода L выбрана из условия

I 3 3

?, ь (n -и y) где п,п . — показатели преломления сердцевины и оболочки световода;

М вЂ” число модовых групп световода;

, — длина волны и .ширина спектральной линии излучения источника.