Способ регистрации сигнала в оптическом датчике

Способ регистрации сигнала в оптическом датчике

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике, Целью изобретения является повышение точности регистрации за счет устранения погрешностей, связанных со сложностью алгоритма обработки и сизменениями параметровдатчика. Способ регистрации сигнала в оптическом датчике реализуется следующей последовательностью операций, фазу гармонического оптического сигнала с выхода чувствительного элемента датчика модулируют двухчастотным сигналом, состоящим из двух синхронизированных между собой гармонических колебаний, имеющих разные, но кратные частоты и заранее рассчитанные значения амплитуд, преобразуют оптический сигнал в электрический сигнал, осуществляют его частотную фильтрацию с выделением отфильтрованного информационного сигнала на частоте, являющейся комбинационной по отношению к частотам модулирующих колебаний и соответствующей значениям амплитуд этих колебаний, формируют опорный сигнал с частотой, равной частоте отфильтрованного информационного сигнала, измеряют разность фаз между отфильтрованным и опорным сигналами, по разности фаз определяют число полных периодов и число долей периода по сумме которых вычисляют результат

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 В 21/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

It(.,f(,®ЗНМ ят.,-,ТН Г" т1жЧИНАЯ ь1 ОТ Е6А

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4684636/28 (22) 07.03.89 (46) 23.06.91. Бюл. ¹ 23 (71) Ленинградский политехнический институт им. М. И. Калинина (72) О.И. Котов, А.В. Медведев и В.М. Николаев (53) 531,7(088.8) (56) Bertholds А., Dandliker R. Micropocessor

based phose determination for high — resolution

optical sensors. — Electronics letters. 1985, vol. 21, ¹ 2, р. 65-67. (54) СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ СИГНАЛА В

ОПТИЧЕСКОМ ДАТЧИКЕ (57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике, Целью изобретения является повышение точности регистрации за счет устранения погрешностей, связанных со сложностью алгоритма обработки и с изменениями параметров датчика. Способ регистрации сигнала в оптическом датчике реализуется следующей последовател ьноИзобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано в оптических датчиках, где при равномерном изменении измеряемой физической величины на выходе чувствительного элемента датчика формируется гармонический сигнал.

Целью изобретения является повышение точности регистрации за счет устранения погрешностей, связанных со сложностью алгоритма обработки, и погрешностей, связанных с изменениями параметров датчи ко в.

Способ регистрации сигнала в оптическом датчике реализуется следующей последовательностью операций, фазу

„„. Ж„„1657959 А1 стью операций, фазу гармонического оптического сигнала с выхода чувствительного элемента датчика модулируют двухчастотным сигналом, состоящим из двух синхронизированных между собой гармонических колебаний, имеющих разные, но кратные частоты и заранее рассчитанные значения амплитуд, преобразуют оптический сигнал в электрический сигнал, осуществляют его частотную фильтрацию с выделением отфильтрованного информационного сигнала на частоте, являющейся комбинационной по отношению к частотам модулирующих колебаний и соответствующей значениям амплитуд этих колебаний, формируют опорный сигнал с частотой, равной частоте отфильтрованного информационного сигнала, измеряют разность фаз между отфильтрованным и опорным сигналами, по разности фаэ определяют число полных периодов и число долей периода по сумме которых вычисляют результат гармонического оптического сигнала с выхода чувствительного элемента датчика модулируют двухчастотным сигналом, состоящим из двух синхронизированных между собой гармонических колебаний, имеющих разные, но кратные частоты и заранее рассчитанные значения амплитуд, преобразуют оптический сигнал в электрический информационный сигнал, осуществляют его частотную фильтрацию с выделением отфильтрованного информационного сигнала на частоте, являющейся комбинационной по отношению к частотам модулирующих колебаний и соответствующей значениям амплитуд этих колебаний, формируют опорный сигнал с частотой, равной частоте от1657959 фильтрованного информационного сигнала, измеряют разность фаз между отфильтрованным информационным сигналом и опорным сигналом, по разносги фаз опреДЕЛЯ)О1 ЧИСЛО ПОЛ)1ЫХ Г)ЕГ>ИОДОВ И»)ИС!10 ДО лей периода, по сумме кпгорых вычисляют результат.

ПРи изменении фаэо ooj o сДвига межДУ интерферирующими волнами интенсивность волны на выходе ин герферометра изменяется по гармоническому закону. В то же время, при изменении азимута поляризации волны ее интенсивность после поляризационно-чувствител -ного элемента также изменяется 10 гармоническому закону, Таким Образо л, интенсивность волны на выходе чугствитель (ого элемента измерительного ус)ройства в обоих случаях может

Описывятьсп Ф/н)4)(ией

1 =-! - -) !;,Сов <Р

p=- pо Лp

+ Ape Sin (С(.)21 +gg), (2) 4

В выражении (2) Ъ вЂ” величина, которая изменяется под действием измеряемого датчиком физического воздействия и является медленной функцией времени (по сравнению с частотами м1 и ofg);

А(Г31 и Acpz — амплитуды модуляции величины р на частотах о11 и и соответственно; g>1 и ф — начальные фазы колебаний.

Подставив Г2) в Г1), получают ,) -1 J, coo cc», (coo (D cc, 3 n (co t » lc»j) x

«СО5 Ь(54 n (Я 4+-(11 j)-5) г) (ЬЦ, Уп (У, +

+ cc», j) s n (c»cC» s»n(cD»с» it»»Ц—

-, 4 . »» сс, (s»»» (асс, 4 и (cD, »» ccl, Д с с s (6 cj»

» s n(»с»»»»)1» co» (c»cf sin(cD с» ц1 ) )»

» s»n (dct,4ln jrd t »l» 1) = )» )»»stj»» где !: — — постОянная составляющая и)пенсивности;

l< — амплигуда переменной составляющей, а под р в первом случае подрзэумевается фазовый сдвиг в интерферометре, а во втором — азимут поляризации волны. При этом дальнейшее рассмотрение будет справедливо как для интерференционных измерительных устройств, использующих фаэову)О модуля)(и)О «олны. гак и для поляриэационных.

Для реализации предлагаемого способа необходимо ввести дополнительную мо дуляцию величины p no закону суммы двух гармонических функций, В общем виде зто можно представить следу)ощим Образом

» ((3, (act, j+ 23» (au,) coo (LCD t +»» C»») +

° 23» (c cj»j »os(4cD t » 4 )» „,1 (J,(щ)»

5 2 () (-,) с "5 (<<2 + (I z) + 234(hq2) l л СО (4Ы t 4 4(() )3-„.1 — (23,(g(р,>g 1П(Я,K+

+P,)i 23 (ЛЦ, Ь)11(3Ы,6+ 3(4),I+ „,1 X л Г 2 1 4 (Г3 (-Р 21 4 ((4 2 1 4 (412 ) + 2 3 З (Ь (р ) x

» s l n (3 cD, »» 3 cc»» l » ... ) ) - Э, s i n с)», ((» 4, (4 cic) x

» 4»n(cc,t»cc») Яэ»(ocj»)s nlscct»3lc»l»")»

"(о),(3(()21 .((Чг1 сов (2

2l (Dcj»») coo (4cD»t ° 4 4»)» 1 (3» (Act )+

+ 232 It gc) саб (2(),4 42(11,) t 234(hg 1 х са3 (4и t » Dec» jx ...)» (ЙЭ, (ьц»)4»n (cD t+

)+<3»(sc(,js n(» t»3 »»)».„,J)).

При написании выражения (3) использовалось известное разложение функций вида

cos(aslnb) и sin(aslnb) в ряд по функциям

25 Бесселя. Из выражения (3) видно. что при модуляции р в соответствии с (2) сигнал на выходе детектора содержит большое количество комбинационных составляющих на частотах п в1 + m га, где п и m — целые

3О числа. Амплитуды и фазы этих составляющих в общем случае достаточно сложно зависят от 4р, т. е. от измеряемого параметра. Однако при синхронизации колебаний начастотах а1 и а2(т.е, при Kco> = (в2, где к и I — целые числа) и определенном выборе величин Л р1, Лр, ф1, ф можно добиться такого режима работы, при котором амплитуда комбинационной составляющей на некоторой частоте ncu1 + m o)2 бучо дет постоянной, не зависящей от фо величиной, а фаза будет равна ро. Покажем это в качестве примера, для следующего частотного случая: в1 = 2вр = 2в(т. е.

45 к=1, 2) 4Г11 = ф - О. При этом выделяют иэ выражения (3) составляющую, например, на частоте в

Iщ =2!о(cos cos on F1 (Лр1, Лу2—

50 — з(п уЪ з п GNt F2 (Лу1, Л р,) ), (4) где F1 и F2 — функции амплитуд модуляции

hy-; и A :

Е1(ЬУ1, A ) =-, !А+1(ЛР) X и =о

>< (4п + 1 (c-"j p2) + 14п + э (t-")c p2) (5) 1657959 ния:

25 (8) ния:

Ар2 =2,92;

Ар2 =7,08;

Ap2 = 3.58.

Apl = 1.10.

Ap1 = 3,95, ЛР1 =2,80, А= 0,313, А= 0,266, А= 0,231, F2(Л р1. Ap2) = 1о (Ap1)11(Лp2) +

+, 12n +2 (Api)(14n +2 (Ap2) + (6) и =о

+ l4n + б (P2)) Если добиться выполнения

F1(A р1, Лр ) = ч F2 (Api, Ap2) = А, (7) где А — некоторое число, то формула (4) преобразуется к виду

1 о = 2 lо Асов (ш I + p о) .

Это значит, что амплитуда составляющей на частоте и постоянна и равна 21оА, а фаза равна величине 1ро. Знак + в формуле (8) определяется знаком в (7).

Уравнение (7) можно решить численно с помощью ÝÂÌ. При этом величина А входит сомножителем в амплитуду сигнала, поэтому практический интерес представляют лишь те решения, при которых А заметно отлично от нуля.

При этом получаются следующие решеАналогично можно рассмотреть составляющую интенсивности на частоте 2 и (2гц = 21о (cos cos2on ЕЗ(Лу1, Api)— — зlп ро sin 2см F4 (Api, Ap2)), (9) F3(A р1,Ap2) = 1. (A р1) 12 (Aд )+

+ g l2n + 2 X (Ap1) (14n + 2 (A@i) + (10) и =о

+ 14n + 6 (2)) F4(Ьр,Ap2) = gà I2n+1(Ap1) X п =о

X tl4n (AP2) — 14n + 4 (AP2)) 30

При этом получаются следующие решеА= 0,334, Api=- 1,35, Лр2 =- 3,68;

А= 0,251. д р = 2,20, Ap2 = 3,16;

А= 0,205; Ap1= 4,15; Ap2 =- 8,56.

Аналогично можно показать, что существуют решения и для других комбинационных частот 3 ж, 4 o) т. д., а также для других соотношений между в1 и оЕ, между

tj)i и ф.

Таким образом, при соответствующем выборе режима работы модулятора величины р для регистрации измеряемой датчиком физической величины необходимо выделить из выходного напряжения детектора соответствующую комбинационную составляющую, что можно сделать с помощью частотной фильтрации. Затем необходимо измерить фазу этой составляющей относительно некоторого опорного сигнала той же частоты, синхрониэованного с сигналом, модулирующим величину р.

Формула изобретения

Способ регистрации сигнала в оптическом датчике заключающийся в том, что оптический сигнал с выхода чувствительного элемента датчика преобразуют в электрический информационный сигнал, формируют опорный сигнал, обрабатываю информационный сигнал, по которому, с учетом опорного сигнала, определяют число полных периодов и число долей периода. по сумме которых вычисляют результат, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности регистрации, перед преобразованием в электрический информационный сигнал, фазу оптического сигнала модулируют двухчастотным сигналом, состоящим из двух синхронизированных между собой гармонических колебаний, имеющих разные, но кратные частоты и заранее рассчитанные значения амплитуд, после преобразования в электрический информационный сигнал осуществляют его частотную фильтрацию с выделением отфильтрованного информационного сигнала на частоте, являющейся комбинационной по отношению к частотам модулирующих колебаний и соответствующей значениям амплитуд этих колебаний, опорный сигнал формируют с частотой, равной частоте отфильтрованного информационного сигнала, измеряют разность фаз между отфильтрованным информационным сигналом и опорным сигналом, по котерой определяют число полных периодов и число долей периода.