Оптический датчик линейных перемещений

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Пилипович Владимир Антонович Залесский Валерий Борисович Гончаренко Игорь Андреевич Конойко Алексей Иванович Басалаев Сергей Петрович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Оптический датчик линейных перемещений, включающий оптически связанные источник света, первый -образный оптический разветвитель, световод доставки излучения к интерферометру Фабри-Перо, градиентную линзу, первое и второе зеркала, образующие интерферометр Фабри-Перо, измеряющее устройство и электрически связанный с ним фотоприемник, отличающийся тем, что дополнительно содержит второй -образный оптический разветвитель, оптически связанный с первым -образным оптическим разветвителем и фотоприемником, оптически связанную со вторым -образным оптическим разветвителем сканирующую волоконно-оптическую брэгговскую решетку, спектральный максимум отражения которой находится на краю рабочего спектрального диапазона источника света, и блок управляющего напряжения, электрически связанный со сканирующей волоконно-оптической брэгговской решеткой и измеряющим устройством.(56) 1. Егоров С.А., Ершов Ю.А., Лихачев И.Г., Мамаев А.Н. Волоконно-оптические датчики со спектральным кодированием на основе интерферометра Фабри-Перо // Письма в ЖТФ. - Том 18. - Вып. 22. - С. 18-21. 2. Булушев А.Г. и др. Волоконная оптика // Труды ИОФАН. - М. Наука. - Т. 23. 1990. - С. 159. 97252013.12.30 Полезная модель относится к области лазерной техники и может найти применение,например, при создании систем измерения длин и перемещений, используемых как в оптическом приборостроении, так и в различных отраслях науки и техники. Наиболее близким по технической сущности является оптический датчик линейных перемещений 1, который состоит из источника света, -образного оптического разветвителя, световода доставки излучения к интерферометру Фабри-Перо, градиентной линзы,интерферометра Фабри-Перо, световода доставки света от интерферометра Фабри-Перо к спектрометру, состоящего из первой, второй фокусирующих линз и диспергирующего элемента, фотоприемника и измеряющего устройства. Такой оптический датчик линейных перемещений не обеспечивает высокую скорость измерений вследствие значительных оптических потерь на элементах спектрометра и использования многоканального фотоприемника. Кроме того, он имеет достаточно существенные габариты, что снижает его функциональные возможности. Технической задачей полезной модели является увеличение скорости измерения величины перемещения при одновременном расширении функциональных возможностей. Поставленная техническая задача решается тем, что оптический датчик линейных перемещений, включающий оптически связанные источник света, первый -образный оптический разветвитель, световод доставки излучения к интерферометру Фабри-Перо,градиентную линзу, первое и второе зеркала, образующие интерферометр Фабри-Перо,измеряющее устройство и электрически связанный с ним фотоприемник, дополнительно содержит второй -образный оптический разветвитель, оптически связанный с первым образным оптическим разветвителем и фотоприемником, оптически связанную со вторым-образным оптическим разветвителем сканирующую волоконно-оптическую брэгговскую решетку, спектральный максимум отражения которой находится на краю рабочего спектрального диапазона источника света, и блок управляющего напряжения, электрически связанный со сканирующей волоконно-оптической брэгговской решеткой и измеряющим устройством. Совокупность указанных признаков позволяет преобразовать спектральную характеристику интерферометра Фабри-Перо во временную и тем самым увеличить скорость измерений при одновременном расширении функциональных возможностей. Сущность изобретения поясняется фигурой. Устройство содержит последовательно оптически связанные между собой источник света 1, первый -образный оптический разветвитель 2, световод доставки излучения к интерферометру Фабри-Перо 3, градиентную линзу 4, первое 6 и второе 7 зеркала, образующие интерферометр Фабри-Перо 5, второй -образный оптический разветвитель 8,оптически связанный с первым -образным оптическим разветвителем 2, сканирующую волоконно-оптическую брэгговскую решетку 9, электрически связанную с блоком управляющего напряжения 10, фотоприемник 11, оптически связанный со вторым -образным оптическим разветвителем 8 и электрически связанный с измеряющим устройством 12,электрически связанным с блоком управляющего напряжения 10. Источник света 1 выполнен в виде светодиода. Первый 2 и второй 8 -образные оптические разветвители выполнены в виде двух отрезков оптического волокна, имеющих оптический контакт, как в 2. Световод доставки излучения к интерферометру Фабри-Перо 3 выполнен в виде отрезка оптического волокна, одномодового для диапазона длин волн, соответствующего спектральному диапазону источника света 1. Градиентная линза 4 выполнена в виде элемента с плоскими входной и выходной гранями с радиально уменьшающимся показателем преломления в параксиальной области по параболическому закону. Интерферометр Фабри-Перо 5 выполнен в виде первого 6 и второго 7 плоских диэлектрических зеркал. 2 97252013.12.30 Сканирующая волоконно-оптическая брэгговская решетка 9 выполнена в виде отрезка электрооптического волокна с брэгговской решеткой в сердцевине и наружными управляющими электродами. Блок управляющего напряжения 10 выполнен из тактового генератора МСК 155 АГ 3,счетчика МСК 155 ИЕ 5 и преобразователя код-напряжение МСКР 572 ПА 2, собранных по стандартной схеме цифрового генератора пилообразного напряжения на микросхемах. Фотоприемник 11 выполнен на базе фотодиода ФД 21 КП. Измеряющее устройство 12 выполнено на основе частотомера 43-54, работающего в режиме измерения длительностей импульсных сигналов, усилителя 1416 УД 1, триггеров КР 1531 ТМ 2, коммутатора КР 1010 КТ 1, схемы запуска частотомера, сброса триггеров и управления коммутатором, собранной на ИС К 155 АГ. Оптический датчик линейных перемещений работает следующим образом. В исходном состоянии свет от источника света 1 поступает через первый -образный оптический разветвитель 2, световод доставки излучения к интерферометру Фабри-Перо 3 на вход градиентной линзы 4, которая коллимирует его и направляет в интерферометр Фабри-Перо 5. Интерферометр Фабри-Перо 5 осуществляет спектральную модуляцию, так как смещение его второго зеркала 7 приводит к изменению расстояния между зеркалами и, соответственно, спектрального положения его пиков отражения. В результате этого в обратном направлении к первому -образному оптическому разветвителю 2 через световод доставки излучения к интерферометру Фабри-Перо 3 поступает световой поток, обладающий спектральным составом, соответствующим спектральному распределению коэффициента отражения интерферометра Фабри-Перо 5. Этот световой поток, пройдя через первый и второй -образные оптические разветвители 2, 8, поступает на вход сканирующей волоконно-оптической брэгговской решетки 9, через которую он проходит, не испытывая отражения, так как спектральный максимум ее отражения находится на краю рабочего спектрального диапазона источника света 1. Поэтому свет, не испытывая отражения выводится из оптической системы и не поступает на фотоприемник 11. В режиме измерения, при подаче с блока управляющего напряжения 10 на управляющий электрод сканирующей волоконно-оптической брэгговской решетки 9 управляющего пилообразного напряжения происходит изменение показателя преломления в электрооптическом материале, в котором сформирована брэгговская решетка, по закону 1 где 0 - показатель преломления обыкновенной волны в электрооптическом материале,приложенное напряжение,- расстояние между управляющими электродами сканирующей волоконно-оптической брэгговской решетки 9 (ширина волновода), 33 - электрооптический коэффициент. Изменение показателя преломления приводит к изменению длины световой волны , при которой отражение от сканирующей волоконно-оптической брэгговской решетки 9 максимально (брэгговской длины волны). Зависимость брэгговской длины волны от показателя преломления решетки имеет вид 2,где- период волоконно-оптической брэгговской решетки. Свет от источника света 1 поступает через первый -образный оптический разветвитель 2, световод доставки излучения к интерферометру Фабри-Перо 3 на вход градиентной линзы 4, которая коллимирует его и направляет в интерферометр Фабри-Перо 5. Интерферометр Фабри-Перо 5 осуществляет спектральную модуляцию, так как смещение его второго зеркала 7 изменяет расстояние между зеркалами и, соответственно, спектральное положение его пиков отражения. В результате этого в обратном направлении к первому -образному оптическому разветвителю 2 через световод доставки излучения к интерферометру Фабри-Перо 3 поступает световой поток, обладающий спектральным составом, соответствующим спектральному распределению коэффициента отражения интерферометра Фабри-Перо 5. Этот световой 3 97252013.12.30 поток, пройдя через первый и второй -образные оптические разветвители 2, 8, поступает на вход сканирующей волоконно-оптической брэгговской решетки 9, на управляющий электрод которой подается пилообразное напряжение. При сканировании в результате дифракции света на сканирующей волоконно-оптической брэгговской решетке 9 последовательно в обратном направлении через второй -образный оптический разветвитель 8 на фотоприемник 11 поступают световые сигналы, представляющие собой временную развертку спектрального состава излучения, отраженного от интерферометра Фабри-Перо. Фотоприемник 11 преобразует световые сигналы в электрические. После чего измеряющее устройство 12 осуществляет измерение необходимых параметров. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4