Волоконно-оптический датчик расстояний Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК РАССТОЯНИЙ

В.Д. БУРКОВ, проф. каф. проектирования и технологии пр-ва приборовМГУЛ, д-р техн. наук, В.Т. ПОТАПОВ, проф. Ин-тарадиотехники и электроники РАН, д-р техн. наук,

ТВ. ПОТАПОВ, ст. науч. сотр. Ин-та радиотехники и электроники РАН, канд. физ.-мат. наук, М.Е. УДАЛОВ, доц. каф. проектирования и технологии пр-ва приборов МГУЛ, канд. техн. наук

burkov@mgul.ac.ru

Измерение пространственных характеристик объектов (их положения в пространстве перемещений, пространственной структуры) позволяет реализовывать целую серию оптических и в том числе волоконнооптических датчиков (ВОД) различных физических величин, таких как температура, давление, механические напряжения, вибрации, качество поверхности и т.д.

В данной работе приводятся результаты исследований коэффициента обратного отражения от торца оптического волокна и одноволоконных датчиков расстояния и перемещений, реализуемых на основе этих исследований.

К настоящему времени разработано несколько способов измерения коэффициентов обратного отражения от торца оптического волокна и практически реализован целый ряд ВОД физических величин на их основе. Для получения необходимой точности измерений в таких ВОД применяются достаточно сложные компенсационные или интерференционные схемы [4, 5].

В данной работе описан ВОД для измерения расстояний и малых перемещений, для реализации которого использован более простой метод временного разделения информационного и измерительного каналов. Этот метод был предложен в работе [1, 2], однако до сих пор ВОД на его основе по ряду причин не были реализованы.

Схема ВОД представлена на рис. 1. Отличительной особенностью схемы является использование одного источника излучения и фотоприемника, общих для опорного и измерительного каналов при модуляции источника заданной периодической последовательности импульсов.

Излучение источника, промодулиро-ванное по интенсивности периодической последовательностью импульсов с частотой следования f ,c помощью волоконно-оптического

разветвителя делится на 2 части, которые поступают в опорный и измерительный каналы. Опорный канал представляет собой отрезок волокна небольшой длины (несколько сантиметров) с фиксированной отражающей поверхностью (например металлическое зеркало).

Длина l измерительного волоконного канала и частота f следования оптических импульсов (частота импульсной модуляции источника) выбираются из соотношения

f = с / 4-w-l, (1)

где с - скорость света в вакууме,

n - коэффициент преломления световедущей жилы волокна.

В этом случае на СПУ поступает 2 оптических сигнала от измерительного и опорного каналов, которые будут иметь на частоте модуляции сдвиг по фазе ф = п.

Суммарный сигнал на выходе ФПУ можно представить в виде ряда Фурье, тогда т-гар-моника сигналов опорного u0(t) и измерительного u (t) каналов будут соответственно равны

u0(t) = итоКЬ-КЪ*К0СО<2^т^У; (2)

u(t) = UmuKac-Kcje2aURcos(2^nm^ft + ф), (3)

где КЪ, Kbcf Kac, Kcd - коэффициенты деления разветвителя;

Um - амплитуда m-ой гармоники модулирующего сигнала;

l - длина волокна измерительного канала;

R0 и R - коэффициенты отражения от зеркала в опорном канале и коэффициент обратного отражения от торца волокна измерительного канала соответственно;

ф = 4^nm^/t /с - фазовый сдвиг между u0(t) и uu(t).

Выражение для результирующего сигнала u(t) на выходе фотоприемника, полученное с помощью преобразований Гильберта

[3], имеет вид____________________

u(t) = JU2 + U2 + 2U U • cos ф x x sin(2^nm/t + arctg(Umo / Umu)). (4)

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2008

149

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

источник

излучения

Рис. 1. Схема устройства для измерения обратного отражения от торца волокна

Рис.2. Зависимость p(z) и dp / dz от расстояния между торцом оптического волокна и отражательной поверхностью.

Анализ выражения (4) показывает, что амплитуда сигнала u(t) зависит от величины фазовой задержки ф. Если частота модуляции f = c / 4n7, то имеем ф = ш^тс. В этом случае четные гармоники отраженных сигналов u0(t) и Uj(t) будут складываться на фотоприемнике синхронно, а нечетные - противофазно.

Амплитуды двух соседних гармоник, например первой и второй, будут равны U . = |U10 - U 1 | =

mm 1 ш10 ш1и

= Um - Kac'Kcd'e~2al'R\. (5)

Umax = Um20 + Um2a = + (6)

Отношение этих амплитуд

p = Umm / Umax = Ml® - *1 / ® + Rl

где ® = (AKAU АА/еА

p0 Um1 / Um2;

ю - масштабный множитель; a - коэффициент затухания.

Таким образом, p не зависит от мощности источника излучения и чувствительности ФПУ.

Из приведенных выше соотношений значение коэффициента отражения R рассчитывается по формуле

R =

ю- ——Р,R < ю Ро +Р

Ю-Р<L+P , R >ю

Ро-Р

(7)

Таким образом, описанный выше способ позволяет с достаточно высокой степенью точности измерять величину коэффициента обратного отражения от торца световода.

Для измерения расстояний и перемещений отражающей поверхности необходимо рассмотреть конкретный тип волоконного световода и знать значение R0 и коэффициент отражающей поверхности R

Рассмотрим случай применения многомодового оптического волокна радиусом световедущей жилы r = 50 мкм и положим R0 = R<<1, что, как правило, реализуется на практике. В этом случае имеем

Р = р0-[|ю - Rn"n! / ю + AnL (8)

где п - эффективность ввода отраженного от поверхности излучения в волокно. При равномерном возбуждении всех мод оптического волокна зависимость п от

150

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2008