RU2334965C2 - Волоконно-оптическая измерительная система (варианты) - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к волоконно-оптической измерительной технике, в частности к волоконно-оптическим измерительным системам измерения давления, температуры, деформации, перемещения. Система содержит широкополосный источник излучения, интерферометр Фабри-Перо, фокусирующую систему, регистрирующий интерферометр и фоторегистрирующее средство, оптический Y-образный ответвитель, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорное устройство. Широкополосный источник излучения выполнен с оптоволоконным выходом, соединенным с оптическим Y-образным ответвителем. Ответвитель соединен с интерферометром Фабри-Перо и с фокусирующей системой. Регистрирующий интерферометр выполнен в виде поляризационного интерферометра. Система может представлять собой многоканальные версии измерительной системы с пространственным и временным разделением каналов. Технический результат - уменьшение трудоемкости сборки, увеличение соотношения сигнал/шум. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 8 ил.

Description

Изобретение относится к волоконно-оптической измерительной технике, в частности к волоконно-оптическим измерительным системам измерения давления, температуры, деформации, перемещения.

Известно изобретение «Квазистатический волоконно-оптический датчик давления» (Заявка РСТ WO 0017604, опубл. 30.03.2000), в котором используют самокалибровочную интерферометрию с применением широкополосного полупроводникового источника излучения. При этом производят измерение давления путем измерения отклонения мембраны, являющейся частью резонатора Фабри-Перо. Фазу принятого сигнала демодулируют с помощью двойного спектрометра с дифракционной решеткой в реальном масштабе времени и высокой разрешающей способностью. Эта технология позволяет проводить измерения абсолютной величины зазора в широком диапазоне с нанометрической разрешающей способностью. Подбором соответствующей мембраны, позволяющей работать в рабочем диапазоне давлений, возможно добиться разрешающей способности в несколько Паскалей при рабочем диапазоне до нескольких кПа.

Недостатком данного изобретения является громоздкость измерительной системы, подверженность ее воздействию вибрации и температуры, а также трудоемкость процессов сборки и юстировки, низкий уровень соотношения сигнал/шум.

Известно изобретение «Оптический датчик длин волн» (Заявка РСТ WO 9520144, опубл. 27.07.1995), который содержит клинообразный Фабри-Перо эталон, являющийся резонатором для различных длин волн в зависимости от толщины. Имеется линейный датчик, который детектирует местоположение резонансного пика. Детектор соединен с процессором.

Недостатком данного технического решения являются большие потери мощности при прохождении эталона Фабри-Перо за счет использования отражающих покрытий, что уменьшает полезный сигнал, приводя к уменьшению соотношения сигнал/шум.

Известно изобретение «Устройство и метод измерения физического параметра» (патент США 5,392,117, опубл. 21.02.1995), в котором оптическое устройство для измерения физического параметра, соединенное с источником излучения, имеющее в спектре множество частот, содержит интерферометр Фабри-Перо, через который проходит световой сигнал, указанный интерферометр Фабри-Перо включает два полуотражающих зеркала, параллельных друг другу и установленных на расстоянии друг от друга, так что образуют резонатор интерферометра Фабри-Перо, имеющего соответствующие характеристики передачи и пропускания, которые изменяются при воздействии указанного физического параметра. Указанный интерферометр Фабри-Перо сформирован, по крайней мере, одним оптическим волокном для передачи светового сигнала в указанный интерферометр Фабри-Перо и для приема части выходного светового сигнала; оптическое средство фокусировки для фокусировки, по крайней мере, части светового сигнала и Физо интерферометра, через который пропускается фокусированное излучение, указанный Физо интерферометр, включающий оптическое клинообразное средство, формирующее резонатор Физо интерферометра клиновидного профиля, из которого выходит пространственно распределенный световой сигнал, содержащий информацию о характеристиках пропускания или отражения указанного интерферометра Фабри-Перо. Следовательно, физический параметр может быть измерен с помощью указанного пространственно распределенного светового сигнала.

Недостатком данного технического решения являются большие потери мощности при прохождении интерферометра Физо, что уменьшает полезный сигнал, приводя к уменьшению соотношения сигнал/шум, а также трудоемкость сборки интерферометра Физо, так как необходимо сделать однородный клин с расстоянием между поверхностями, изменяющимися от 0 до 500 мкм.

Данное изобретение является наиболее близким к заявляемому, то есть прототипом. Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение трудоемкости сборки, а также увеличение соотношения сигнал/шум.

Данная задача решается созданием по варианту 1 волоконно-оптической измерительной системы, содержащей широкополосный источник излучения, интерферометр Фабри-Перо, являющийся чувствительным элементом и образованный двумя полуотражающими параллельными зеркалами, по меньшей мере, одно из зеркал которого является торцом оптического волокна, предназначенного для передачи светового сигнала в указанный интерферометр Фабри-Перо и приема части выходного светового сигнала, фокусирующая система, регистрирующий интерферометр и фоторегиструющее средство, оптический Y-образный ответвитель, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорное устройство, при этом широкополосный источник излучения выполнен с оптоволоконным выходом, соединенным с оптическим Y-образным ответвителем, а также соединенный с интерферометром Фабри-Перо и с фокусирующей системой, причем оптоволоконные выходы ответвителей, соединенные с фокусирующей системой, параллельны оптической оси регистрирующего интерферометра, при этом регистрирующий интерферометр выполнен в виде одноканального поляризационного интерферометра, включающего два поляризатора и двулучепреломляющий кристалл клиновидного профиля, выход фотодетектирующего средства соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого, в свою очередь, соединен с цифровым входом микропроцессорного устройства, причем управляющие выходы микропроцессорного устройства соединены с соответствующими управляющими входами аналого-цифрового преобразователя и фоторегистрирующего устройства.

Кроме того, широкополосный источник излучения выполнен в виде полупроводникового светодиода.

Кроме того, интерферометр Фабри-Перо образован двумя полуотражающими параллельными торцами волокон, помещенными в капилляр.

Кроме того, фоторегистрирующее средство выполнено в виде прямоугольной матрицы фотоэлементов.

Кроме того, фоторегистрирующее средство выполнено в виде линейного набора фотоэлементов.

Кроме того, система выполнена с возможностью измерения давления, температуры, деформации, перемещения.

Также данная задача решается созданием по варианту 2 волоконно-оптической измерительной системы, содержащей широкополосный источник излучения, по меньшей мере, два интерферометра Фабри-Перо, являющиеся чувствительными элементами и образованными двумя полуотражающими параллельными зеркалами, по меньшей мере, одно из зеркал которого является торцом оптического волокна, предназначенного для передачи светового сигнала в указанные интерферометры Фабри-Перо и приема части выходного светового сигнала, фокусирующую систему и фоторегиструющее средство, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорное устройство, по меньшей мере, два Y-образных ответвителя, по меньшей мере, при этом источники широкополосного излучения выполнены с оптоволоконными выходами, соединенными с оптическими Y-образными ответвителями, а также соединенные с соответствующими интерферометрами Фабри-Перо и с фокусирующей системой, причем оптоволоконные выходы ответвителей, соединенные с фокусирующей системой, параллельны оптической оси регистрирующего интерферометра, при этом регистрирующий интерферометр выполнен в виде многоканального поляризационного интерферометра с временным разделением каналов и включает два поляризатора и двулучепреломляющий кристалл клиновидного профиля, при этом выход фотодетектирующего средства соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого, в свою очередь, соединен с цифровым входом микропроцессорного устройства, причем управляющие выходы микропроцессорного устройства соединены с соответствующими управляющими входами аналого-цифрового преобразователя, фоторегистрирующего средства, а также с управляющими входами широкополосных источников излучения, обеспечивающих возможность их включения и выключения.

Кроме того, широкополосные источники излучения выполнены в виде полупроводниковых светодиодов.

Кроме того, интерферометр Фабри-Перо образован двумя полуотражающими параллельными торцами волокон, помещенными в капилляр.

Кроме того, фоторегистрирующее средство выполнено в виде прямоугольной матрицы фотоэлементов.

Кроме того, фоторегистрирующее средство выполнено в виде линейного набора фотоэлементов.

Кроме того, система выполнена с возможностью измерения давления, температуры, деформации, перемещения.

Также данная задача решается созданием по варианту 3 волоконно-оптической измерительной системы, содержащей широкополосные источники излучения, интерферометры Фабри-Перо, являющиеся чувствительными элементами и образованными двумя полуотражающими параллельными зеркалами, по меньшей мере, одно из зеркал которого является торцом оптического волокна, предназначенного для передачи светового сигнала в указанные интерферометры Фабри-Перо и приема части выходного светового сигнала, фокусирующую систему, регистрирующий интерферометр и фоторегиструющее средство, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорное устройство, при этом источники широкополосного излучения выполнены с оптоволоконными выходами, соединенными с оптическими Y-образными ответвителями, которые также соединены с соответствующими интерферометрами Фабри-Перо и с фокусирующей системой, при этом регистрирующий интерферометр выполнен в виде многоканального поляризационного интерферометра с пространственным разделением каналов, при этом оптоволоконные выходы ответвителей, соединенные с фокусирующей системой, расположены параллельно оптической оси регистрирующего интерферометра, располагаясь друг над другом в вертикальной плоскости, причем оптоволоконные выходы от различных ответвителей расположены на таком расстоянии друг от друга, чтобы интерференционные картины, соответствующие различным интерферометрам Фабри-Перо, не перекрывались на фоторегиструющем средстве, при этом фоторегиструющее средство выполнено в виде прямоугольной матрицы фотоэлементов, а регистрирующий интерферометр включает два поляризатора и двулучепреломляющий кристалл клиновидного профиля, треугольное основание которого расположено в горизонтальной плоскости, а выход фотодетектирующего средства соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого, в свою очередь, соединен с цифровым входом микропроцессорного устройства, причем управляющие выходы микропроцессорного устройства соединены с соответствующими управляющими входами аналого-цифрового преобразователя и фоторегистрирующего средства.

Кроме того, широкополосные источники излучения выполнены в виде полупроводниковых светодиодов.

Кроме того, интерферометр Фабри-Перо образован двумя полуотражающими параллельными торцами волокон, помещенными в капилляр.

Кроме того, система выполнена с возможностью измерения давления, температуры, деформации, перемещения.

На фиг.1 представлена схема одноканальной измерительной системы.

На фиг.2 представлена схема регистрирующего одноканального интерферометра.

На фиг.3 представлен график зависимости интенсивности излучения на выходе регистрирующего интерферометра от толщины двулучепреломляющего кристалла.

На фиг.4 представлен пример исполнения чувствительного элемента с использованием мембраны.

На фиг.5 представлен пример исполнения чувствительного элемента с использованием капилляра.

На фиг.6 представлена схема многоканальной измерительной системы с временным разделением каналов.

На фиг.7 представлена схема многоканальной измерительной системы с пространственным разделением каналов.

На фиг.8. представлена схема регистрирующего многоканального интерферометра с пространственным разделением каналов.

Волоконно-оптическая измерительная система по варианту 1 (фиг.1) содержит широкополосный источник излучения 1, интерферометр Фабри-Перо 3, являющийся чувствительным элементом и образованный двумя полуотражающими параллельными зеркалами 13 (фиг.4, 5), по меньшей мере, одно из зеркал 13 которого является торцом оптического волокна, предназначенного для передачи светового сигнала в указанный интерферометр Фабри-Перо 3 (фиг.1) и приема части выходного светового сигнала, фокусирующую систему 5, регистрирующий интерферометр 6 и фоторегистрирующее средство 12, оптический Y-образный ответвитель 2, аналого-цифровой преобразователь 7, микропроцессорное устройство 8, причем широкополосный источник излучения 1 выполнен с оптоволоконным выходом, соединенным с оптическим Y-образным ответвителем 2, который также соединен с чувствительным элементом 3 и с фокусирующей системой 5, при этом регистрирующий интерферометр 6 выполнен в виде одноканального поляризационного интерферометра (фиг.2), включающего два поляризатора 9 и 11 и двулучепреломляющий кристалл 10 клиновидного профиля, выход фотодетектирующего средства 12 (фиг.1) соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 7, выход которого, в свою очередь, соединен с цифровым входом микропроцессорного устройства 8, причем управляющие выходы микропроцессорного устройства 8 соединены с соответствующими управляющими входами аналого-цифрового преобразователя 7 и фоторегистрирующего устройства 12.

Кроме того, широкополосный источник излучения 1 выполнен в виде полупроводникового светодиода.

Кроме того, интерферометр Фабри-Перо 3 образован двумя полуотражающими параллельными торцами 13 (фиг.5) волокон, помещенными в капилляр 18.

Кроме того, фоторегистрирующее средство 12 (фиг.1) выполнено в виде прямоугольной матрицы фотоэлементов.

Кроме того, фоторегистрирующее средство 12 (фиг.1) выполнено в виде линейного набора фотоэлементов.

Волоконно-оптическая измерительная система по варианту 2 (фиг.6) содержит широкополосные источники излучения 1.1...1.N, оптические Y-образные ответвители 2.1...2.N, интерферометры Фабри-Перо 3.1...3.N, являющиеся чувствительными элементами и образованными двумя полуотражающими параллельными зеркалами 13 (фиг.4, 5), по меньшей мере, одно из зеркал 13 которого является торцом оптического волокна, предназначенного для передачи светового сигнала в указанные интерферометры Фабри-Перо 3.1...3.N (фиг.6) и приема части выходного светового сигнала, фокусирующая система 5 и фоторегистрирующее средство 12, аналого-цифровой преобразователь 7, микропроцессорное устройство 8, при этом источники широкополосного излучения 1.1...1.N выполнены с оптоволоконными выходами, соединенными с оптическими Y-образными ответвителями 2.1...2.N, а также соединены с соответствующими интерферометромами Фабри-Перо 3.1...3.N и с фокусирующей системой 5, при этом регистрирующий интерферометр выполнен в виде многоканального поляризационного интерферометра 6 с временным разделением каналов, включающего два поляризатора 9, 11 (фиг.2) и двулучепреломляющий кристалл 10 клиновидного профиля, выход фотодетектирующего средства 12 соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 7 (фиг.6), выход которого, в свою очередь, соединен с цифровым входом микропроцессорного устройства 8, причем управляющие выходы микропроцессорного устройства 8 соединены с соответствующими управляющими входами аналого-цифрового преобразователя 7, фоторегистрирующего средства 12, а также с управляющими входами источников излучения 1.1...1.N для обеспечения возможности их включения и выключения.

Кроме того, широкополосные источники излучения 1.1...1.N выполнены в виде полупроводниковых светодиодов.

Кроме того, интерферометры Фабри-Перо 3.1...3.N образованы двумя полуотражающими параллельными торцами 13 (фиг.5) волокон, помещенными в капилляр 18.

Кроме того, фоторегистрирующее средство 12 выполнено в виде прямоугольной матрицы фотоэлементов.

Кроме того, фоторегистрирующее средство 12 выполнено в виде линейного набора фотоэлементов.

Волоконно-оптическая измерительная система по варианту 3 (фиг.7) содержит широкополосные источники излучения 1.1...1.N, оптические Y-образные ответвители 2.1...2.N, интерферометры Фабри-Перо 3.1...3.N, являющиеся чувствительными элементами и образованные двумя полуотражающими параллельным зеркалами 13 (фиг.4, 5), по меньшей мере, одно из зеркал 13 которого является торцом оптического волокна, предназначенного для передачи светового сигнала в указанные интерферометры Фабри-Перо 3.1...3.N (фиг.7) и приема части выходного светового сигнала, фокусирующая система 5, регистрирующий интерферометр 6 и фоторегистрирующее средство 12, аналого-цифровой преобразователь 7, микропроцессорное устройство 8, при этом источники широкополосного излучения 1.1...1.N выполнены с оптоволоконными выходами, соединенными с оптическими Y-образными ответвителями 2.1...2.N, которые также соединены с соответствующими интерферометрами Фабри-Перо 3.1...3.N и с фокусирующей системой 5, при этом регистрирующий интерферометр 6 выполнен в виде многоканального поляризационного интерферометра с пространственным разделением каналов, при этом оптоволоконные выходы 4 ответвителей 2.1...2.N, соединенные с фокусирующей системой 5, расположены параллельно оптической оси регистрирующего интерферометра 6, причем оптоволоконные выходы 4 от различных ответвителей 2.1...2.N расположены на таком расстоянии друг от друга, чтобы интерференционные картины, соответствующие различным интерферометрам Фабри-Перо 3.1...3.N, не перекрывались на фоторегиструющем средстве 12, при этом фоторегиструющее средство 12 выполнено в виде прямоугольной матрицы фотоэлементов, а регистрирующий интерферометр 6 включает в себя два поляризатора 9, 11 (фиг.8) и двулучепреломляющий кристалл 10 клиновидного профиля, выход фотодетектирующего средства 12 (фиг.7) соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 7, выход которого, в свою очередь, соединен с цифровым входом микропроцессорного устройства 8, причем управляющие выходы микропроцессорного устройства 8 соединены с соответствующими управляющими входами аналого-цифрового преобразователя 7 и фоторегистрирующего средства 12.

Кроме того, широкополосные источники излучения 1.1...1.N выполнены в виде полупроводниковых светодиодов.

Кроме того, интерферометры Фабри-Перо 3.1...3.N образованы двумя полуотражающими параллельными торцами 13 (фиг.5) волокон, помещенными в капилляр 18.

Устройство работает следующим образом

По варианту 1, 2, 3.

Широкополосное излучение, излучаемое источником света 1 (фиг.1), которым может быть светодиод с оптоволоконным выходом, проходит через один из входов Y-образного ответвителя 2 и попадает в чувствительный элемент 3, являющийся низкодобротным резонатором Фабри-Перо. При отражении от чувствительного элемента 3 излучение приобретает периодическую модуляцию в спектре за счет интерференции волны, отраженной от внутренней границы световода, и волны, отраженной от другой отражающей поверхности, которая может быть мембраной 16 (фиг.4) или другим волокном 17 (фиг.5), причем период этих модуляций однозначно связан с базой интерферометра. Далее отраженное от чувствительного элемента 3 (фиг.1) излучение попадает опять в волокно, проходит через ответвитель 2 в обратном направлении и часть излучения попадает на выход 4 ответвителя 2, проходит через фокусирующую систему 5, на выходе которой имеется параллельный пучок лучей, которые подают на оптический вход регистрирующего интерферометра 6. На выходе регистрирующего интерферометра 6 расположено фоторегистрирующее средство 12, предназначенное для преобразования оптического изображения в электрический сигнал, поступающий с видеовыхода на аналого-цифровой преобразователь 7, и далее уже цифровой сигнал поступает на микропроцессорное устройство 8, где происходит обработка сигнала, заключающаяся в том, что в полученном оптическом изображении корреляционного сигнала находится максимум его огибающей, например, путем подбора формы огибающей и последующего вычисления ее максимума. При нахождении максимума огибающей корреляционного сигнала в микропроцессорном устройстве 8 вычисляется база интерферометра Фабри-Перо 3. Для управления работой фоторегистрирующего устройства 12, которым может быть линейная или прямоугольная ПЗС-матрица, на него с помощью микропроцессорного устройства 8 подаются сигналы управления, а также подаются сигналы управления на аналого-цифровой преобразователь 6 для синхронизации.

Одноканальный регистрирующий интерферометр, изображенный на фиг.2, вместе с фокусирующей системой 5 представляет собой, по меньшей мере, одну сферическую или цилиндрическую линзу. Одноканальный регистрирующий поляризационный интерферометр 6 содержит первый поляризатор 9, кристалл клиновидной формы 10, имеющий двулучепреломляющие свойства, второй поляризатор 11 и фоторегистрирующее средство 12, представляющее собой линейный набор или прямоугольную матрицу фотоэлементов. При этом все части поляризационного интерферометра соединены в единый блок небольшого размера путем, например, склейки частей интерферометра друг с другом, а также за счет того, что используется цельный кусок двулучепреломляющего кристалла, не имеющего каких-либо частей и имеющего характерные размеры порядка 1 см, удобные для технологического процесса, в результате чего повышается технологичность сборки интерферометра. Также в отличие от интерферометров Физо, Фабри-Перо и интерферометров на основе диффракционной решетки поляризационный интерферометр обладает большей пропускающей способностью около 50%, так как в нем отсутствуют отражающие покрытия, что приводит к повышению уровеня мощности полезного сигнала, и тем самым увеличивается соотношение сигнал-шум.

Излучение с выхода 4 ответвителя 2 проходит через фокусирующую систему 5, на выходе которой имеется параллельный пучок излучения, который затем попадает на вход регистрационного поляризационного интерферометра 6 и проходит через первый поляризатор 9, который пропускает линейно-поляризованное излучение. Затем излучение попадает на клинообразной формы кристалл 10, имеющий двулучепреломляющие свойства, причем оптическая ось кристалла 10 не должны быть параллельна направлению распространения света, а ось поляризатора 9 и оптическая ось кристалла 10 также не должны лежать в одной плоскости так, чтобы кристалл 10 представлял собой фазовую пластинку переменной толщины. Излучение, проходя через двулучепреломляюший кристалл 10, разбивается на два луча: обыкновенный и необыкновенный, имеющие ортогональные поляризации и распространяющиеся с разными скоростями, и, следовательно, появляется сдвиг фаз двух лучей в зависимости от толщины кристалла 10 и разницы показателей преломления, соответствующей этим лучам. Так, например, если использовать кристалл кальцита, имеющий разницу показателей преломления равную 0,06, то на толщине 1 см разница в оптическом пути будет равна 600 мкм, что как раз лежит в рабочем диапазоне изменения базы интерферометра Фабри-Перо 3. При использовании кристалла 10 переменной длины набег фаз является переменной величиной, что дает возможность сканировать излучение по разнице фаз. Затем излучение проходит через второй поляризатор 11, являющийся анализатором и служащий для выявления интерференции обыкновенного и необыкновенного лучей. Следовательно, оптическая схема регистрирующего поляризационного интерферометра представляет собой автокоррелятор, который производит корреляцию оптического сигнала и с таким же сигналом, но имеющим некоторую переменную временную задержку. Если в оптическом сигнале уже имеется наложение двух волн, как в случае использования излучения, отраженного от низкодобротного интерферометра Фабри-Перо 3 (фиг.1), служащего в нашем случае чувствительным элементом, то при пропускании такого сигнала через автокоррелятор на выходе после анализатора 11 возникает распределение интенсивности с периодической модуляцией, имеющей огибающую в виде пика (фиг.3). Максимум огибающей, которой однозначно связан с базой интерферометра Фабри-Перо 3 (фиг.1), это L, т.е. расстояние между двумя отражающими поверхностями. Принимая выходное изображение на фоторегистрирующее средство 12, представляющее собой линейный набор или прямоугольную матрицу фотоэлементов, и проведя оцифровку видеосигнала, полученного с выхода фоторегистрирующего средства 12 с помощью аналого-цифрового преобразователя 7 и введя данные в процессорное устройство 8, где они обрабатываются и производится вычисление огибающей, вычисляется координата максимума огибающей и, следовательно, вычисляется база интерферометра Фабри-Перо 3 чувствительного элемента, а следовательно, и физическая величина, воздействующая на интерферометр.

Примеры исполнения чувствительного элемента 3 даны на фиг.4 и 5. На фиг.4 дан пример конструктивного исполнения чувствительного элемента датчика давления на основе низкодобротного интерферометра Фабри-Перо, где волокно, имеющее плоский и гладкий торец 13, закреплено с помощью клея 14, например, на основе эпоксидной смолы, или с помощью легкоплавкого стекла закреплено в держателе 15, в котором также закреплена круглая мембрана 16, внутренняя поверхность которой гладкая и отражающая. Давление подается на мембрану 16 с внешней стороны и приводит к ее прогибу, что изменяет базу интерферометра Фабри-Перо, образованного между торцом волокна 13 и мембраной 16.

Другой пример исполнения датчика дан на фиг.5, который может служить датчиком деформации или датчиком температуры. В данном случае интерферометр Фабри-Перо образован двумя плоскими гладкими торцами 13 волокон, причем первое волокно является входом и выходом чувствительного элемента, а второе 17 служит лишь в качестве зеркала и является небольшим отрезком. Оптические волокна прикрепляются к капилляру 18 с помощью клея, например, эпоксидного или легкоплавкого стекла 14. При этом, если изменяется температура или происходит деформация капилляра 18, то это сопровождается изменением его длины, и, следовательно, изменяется база интерферометра, т.е. расстояние между торцами 13 волокон.

В устройстве по варианту 2 имеется несколько каналов.

В устройстве имеется несколько каналов измерения (фиг.6), состоящих из источников излучения 1.1...1.N, имеющих дополнительно управляющий вход, по которому от процессорного средства подаются сигналы на включение и отключение, ответвители 2.1...2.N, чувствительные элементы 3.1...3.N на основе интерферометра Фабри-Перо, причем выходы 4.1...4.N ответвителей 2.1...2.N соединены с фокусирующей системой 5 и объединены в жгут. При этом процессорное устройство 8 поочередно опрашивает каналы измерения, подавая управляющие сигналы на источники излучения 1.1...1.N, последовательно включая один из источников излучения 1.1...1.N и отключая остальные. Таким образом, в один момент времени работает лишь один канал измерения, который и обрабатывается процессорным устройством 8, путем считывая интерференционной картинки с фоторегистрирующего средства 12, и оцифрованное с помощью аналого-цифрового преобразователя 7. Через некоторый промежуток времени, необходимый на обработку сигнала, микропроцессорное устройство 8 включает следующий канал путем подачи управляющего сигнала на включение соответствующего источника излучения и подачей управляющего сигнала на отключение остальных источников излучения, таким образом, производится переключение на другой канал. Следовательно, производится опрос N каналов измерения за N шагов и является методом временного разделения каналов измерения.

В устройстве по варианту 3 имеется несколько каналов.

В устройстве имеется несколько каналов измерения (фиг.7), состоящих из источников излучения 1.1...1.N, ответвителей 2.1...2.N, чувствительных элементов 3.1...3.N на основе интерферометра Фабри-Перо, причем выходы 4.1...4.N ответвителей 2.1...2.N, соединенные с фокусирующей системой 5 (фиг.8), расположены на некотором расстоянии друг от друга, а фокусирующая система 5 представляет собой, по меньшей мере, одну цилиндрическую линзу 5. Излучение от каждого канала на фоторегистрирующем средстве 12 сфокусированы в узкие интерференционные полосы. При этом расстояние между выходам волокон 4 и их взаимное расположение выбираются таким образом, чтобы интерференционные картинки, соответствующие каждому каналу, не перекрывались на фоторегистрирующем устройстве 12, представляющем собой прямоугольную матрицу фотоэлементов, при этом оптоволоконные выходы ответвителей 2, соединенные с фокусирующей системой 5, расположены параллельно оптической оси регистрирующего интерферометра 6, а треугольное основание двулучепреломляющего кристалла 10 (фиг.8) клиновидного профиля расположено в горизонтальной плоскости. Такой метод является пространственным методом разделения каналов. Затем сигнал с матрицы фотоэлементов 12 (фиг.7) через аналогово-цифровое устройство 7 поступает в процессорное устройство 8, где происходит раздельная обработка изображений полос, соответствующих различным каналам измерения.

В качестве источника излучения возможно использование светодиода, работающего на длине волны 1,3 нм, например, марки МТК-Е15-506-005-РН1-100 поставляемой компании «Metrotek», стандартных одномодовых оптоволоконных ответвителей FSC-1310-050 той же компании «Metrotek», стандартное одномодовое волокно марки SMF-28, например, компании «Corning». В качестве регистрирующего средства возможно применение линейных приемников и прямоугольных матриц на основе приемников излучения с использованием полупроводниковых структур на основе InGaAs, например, марок SU1024LE-1.7 с разрешением 1024×1 и SU640SDV-1.7RT с разрешением 640×560 производства компании «Sensor Unlimited». Микропроцессорное устройство может выполняться на основе сигнального процессора, например, фирмы «Analog Device» марки ADSP-TS203, обладающего достаточной производительностью, чтобы обрабатывать изображения в реальном масштабе времени.

В качестве материала для кристаллической пластики клинообразной формы возможно использование кристаллического кварца или кальцита. Также используются стандартные оптические компоненты.

Технический результат достигается за счет использования в качестве регистрирующего интерферометра поляризационного интерферометра, который обеспечивает простоту сборки за счет использования двулучепреломляющего кристалла, имеющего сантиметровые размеры, удобные для технологии сборки. Также технический результат достигается за счет того, что поляризационный интерферометр имеет высокую степень пропускания излучения около 50%, что тем самым увеличивает мощность полезного сигнала, что приводит, в конечном счете, к увеличению соотношения сигнал/шум.

Claims (16)

1. Волоконно-оптическая измерительная система, содержащая широкополосный источник излучения, интерферометр Фабри-Перо, являющийся чувствительным элементом и образованный двумя полуотражающими параллельными зеркалами, по меньшей мере, одно из зеркал которого является торцом оптического волокна, предназначенного для передачи светового сигнала в указанный интерферометр Фабри-Перо и приема части выходного светового сигнала, фокусирующая система, регистрирующий интерферометр и фоторегистрирующее средство, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введен оптический Y-образный ответвитель, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорное устройство, а широкополосный источник излучения выполнен с оптоволоконным выходом, соединенным с оптическим Y-образным ответвителем, который соединен с интерферометром Фабри-Перо и с фокусирующей системой, причем оптоволоконный выход ответвителя, соединенный с фокусирующей системой, параллелен оптической оси регистрирующего интерферометра, при этом регистрирующий интерферометр выполнен в виде одноканального поляризационного интерферометра, включающего два поляризатора и двулучепреломляющий кристалл клиновидного профиля, при этом выход фотодетектирующего средства соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с цифровым входом микропроцессорного устройства, причем управляющие выходы микропроцессорного устройства соединены с соответствующими управляющими входами аналого-цифрового преобразователя и фоторегистрирующего устройства.

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 двумя полуотражающими параллельными торцами волокон, помещенными в капилляр.

4. Волоконно-оптическая измерительная система по п.1, отличающаяся тем, что фоторегистрирующее средство выполнено в виде прямоугольной матрицы фотоэлементов.

5. Волоконно-оптическая измерительная система по п.1, отличающаяся тем, что фоторегистрирующее средство выполнено в виде линейного набора фотоэлементов.

6. Волоконно-оптическая измерительная система по любому из пп.1-5, отличающаяся тем, что она выполнена с возможностью измерения давления, температуры, деформации, перемещения.

7. Волоконно-оптическая измерительная система, содержащая широкополосный источник излучения, интерферометр Фабри-Перо, являющийся чувствительным элементом и образованный двумя полуотражающими параллельным зеркалами, по меньшей мере, одно из зеркал которого является торцом оптического волокна, предназначенного для передачи светового сигнала в указанный интерферометр Фабри-Перо и приема части выходного светового сигнала, фокусирующая система и фоторегистрирующее средство, отличающаяся тем, что в него дополнительно введены, по меньшей мере, второй широкополосный источник излучения, по меньшей мере, два Y-образных ответвителя, по меньшей мере, второй интерферометр Фабри-Перо, являющийся чувствительным элементом, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорное устройство, при этом источники широкополосного излучения выполнены с оптоволоконными выходами, соединенными с оптическими Y-образными ответвителями, с соответствующими интерферометрами Фабри-Перо и с фокусирующей системой, причем оптоволоконные выходы ответвителей, соединенные с фокусирующей системой, параллельны оптической оси регистрирующего интерферометра, при этом регистрирующий интерферометр выполнен в виде многоканального поляризационного интерферометра с временным разделением каналов и включает два поляризатора и двулучепреломляющий кристалл клиновидного профиля, причем выход фотодетектирующего средства соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с цифровым входом микропроцессорного устройства, а управляющие выходы микропроцессорного устройства соединены с соответствующими управляющими входами аналого-цифрового преобразователя, входом фоторегистрирующего средства и с управляющими входами источников, обеспечивающими возможность их включения и выключения.

8. Волоконно-оптическая измерительная система по п.7, отличающаяся тем, что широкополосные источники излучения выполнены в виде полупроводниковых светодиодов.

9. Волоконно-оптическая измерительная система по п.8, отличающаяся тем, что интерферометр Фабри-Перо образован двумя полуотражающими параллельными торцами волокон, помещенными в капилляр.

10. Волоконно-оптическая измерительная система по п.7, отличающаяся тем, что фоторегистрирующее средство выполнено в виде прямоугольной матрицы фотоэлементов.

11. Волоконно-оптическая измерительная система по п.7, отличающаяся тем, что фоторегистрирующее средство выполнено в виде линейного набора фотоэлементов.

12. Волоконно-оптическая измерительная система по любому из пп.7-11, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью измерения давления, температуры, деформации, перемещения.

13. Волоконно-оптическая измерительная система, содержащая широкополосный источник излучения, интерферометр Фабри-Перо, являющийся чувствительным элементом и образованный двумя полуотражающими параллельными зеркалами, по меньшей мере, одно из зеркал которого является торцом оптического волокна, предназначенного для передачи светового сигнала в указанный интерферометр Фабри-Перо и приема части выходного светового сигнала, фокусирующая система, регистрирующий интерферометр и фоторегистрирующее средство, отличающаяся тем, что в него дополнительно введены, по меньшей мере, второй широкополосный источник излучения, по меньшей мере два Y-образных ответвителя, по меньшей мере, второй интерферометр Фабри-Перо, аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорное устройство, при этом источники широкополосного излучения выполнены с оптоволоконными выходами, соединенными с оптическими Y-образными ответвителями, с интерферометром Фабри-Перо и с фокусирующей системой, причем регистрирующий интерферометр выполнен в виде многоканального поляризационного интерферометра с пространственным разделением каналов, при этом оптоволоконные выходы ответвителей, соединенные с фокусирующей системой, расположены параллельно оптической оси регистрирующего интерферометра, располагаясь друг над другом в вертикальной плоскости, при этом фоторегистрирующее средство выполнено в виде прямоугольной матрицы фотоэлементов, а регистрирующий интерферометр включает два поляризатора и двулучепреломляющий кристалл клиновидного профиля, треугольное основание которого расположено в горизонтальной плоскости, выход фотодетектирующего средства соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с цифровым входом микропроцессорного устройства, причем управляющие выходы микропроцессорного устройства соединены с соответствующими управляющими входами аналого-цифрового преобразователя и фоторегистрирующего средства.

14. Волоконно-оптическая измерительная система по п.13, отличающаяся тем, что широкополосные источники излучения выполнены в виде полупроводниковых светодиодов.

15. Волоконно-оптическая измерительная система по п.13, отличающаяся тем, что интерферометр Фабри-Перо образован двумя полуотражающими параллельными торцами волокон, помещенными в капилляр.

16. Волоконно-оптическая измерительная система по любому из пп.13-15, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью измерения давления, температуры, деформации, перемещения.

Images