Устройство измерения линейных перемещений объектов с плоской зеркально-отражающей поверхностью.

 

Предложенное техническое решение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в волоконно-оптических измерительных системах для бесконтактных измерений различных физических величин, например, давления, температуры, линейных перемещений и др..

Наиболее близким техническим решением является устройство измерения линейных перемещений объектов с плоской зеркально-отражающей поверхностью, содержащее центральный световод, периферийные отводящие волоконные световоды с одинаковым апертурным углом , фотоприёмники, оптически связанные с центральным и периферийными световодами, коллимационное устройство, расположенное между источником излучения и центральным волоконным световодом (см. патент РФ ---, класс G01N21/55).

Недостатком аналога является низкая точность измерений, связанная с погрешностями, обусловленными энергетическими потерями в блоках и узлах устройства и их нестабильностью.

Основной вклад в энергетические потери системы вносят:

-

-

-

-

Цель настоящего технического решения — компенсация вносимых оптических потерь и повышение точности измерений и чувствительности устройства.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что центральный световод выполнен в виде волоконно-оптического кабеля (ВОК), содержащего подводящие оптические волокна (ПОВ), сопряжённые с источником излучения, и отводящие оптические волокна (ООВ), сопряжённые с приёмником излучения, а к блоку формирования отношения сигналов подключены сигналы с ООВ ВОК центрального световода и периферийных волоконных световодов, собранных в один жгут, при этом численное соотношение ПОВ и ООВв ВОК равно 3:4, а зеркально-отражающая поверхность расположена относительно торца ВОК расстоянии , где - дистанция формирования луча.

На фиг. 1 представлено устройство, вид сверху, то есть взаимное расположение световодов 2-9, расположенных в одной плоcкости торцевой грани ВОК, на фиг. 2 представлена функциональная схема устройства.

Устройство (фиг. 1) содержит центральный световод, выполненный в виде волоконно-оптического кабеля 1, содержащего ПОВ и ООВ. Вокруг ВОК размещены дополнительные (периферийные) ООВ, собранные в один жгут 4.

Подводящие оптические волокона 5, 6, 7 и отводящие оптические волокона 1, 2, 3, 4 размещены так, как показано на фиг. 1.

Дополнительные (периферийные) ООВ 8 (фиг. 1) размещены вокруг ВОК 1, что позволяет минимизировать потери оптического излучения при его отражении от ЗП 10. Торцы всех световодов 1-8 лежат в одной плоскости и обращены к ЗП 10 (фиг. 2).

Число и расположение ПОВ и ООВ в ВОК неслучайны. Из всех возможных вариантов размещения ПОВ и ООВ в торце ВОК (1:6, 4:3, 3:4 и др.) предложенное расположение волокон (3:4) обладает максимальной эффективностью.

При таком расположении ПОВ и ООВ достигается максимальная чувствительность устройства и обеспечивается на выходе максимальная выходная мощность оптического сигнала, то есть только в этом случае каждое из излучающих волокон (ПОВ) даст максимальный вклад в отклик приёмника излучения. Кроме того, предлагаемое соотношение ПОВ и ООВ (3:4) минимизирует потери при сопряжении ИИ и ПОВ и облегчает настройку по уровню выходного сигнала при угловом рассогласовании диаграммы направленности ИИ с входным торцом ПОВ.

На фиг. 2 изображён ВОК 1, содержащий ПОВ 2 и ООВ 3. Вокруг ВОК 1 размещены дополнительные (периферийные) ООВ, собранные в жгут 4. Источник излучения ИИ 5 через коллимационное устройство 6 сопряжён с ПОВ 3. В свою очередь ООВ 3 состыкованы с фотоприёмником 7, периферийные ООВ, собранные в жгут 4, состыкованы с фотоприёмником 8. К блоку формирования отношения сигналов 9 подключены фотоприёмники 7 и 8.

Отражающая зеркальная поверхность 10 размещена относительно торца ВОК 1 на некотором расстоянии , где - расстояние по оси Х от торца ВОК до ЗП 10, при котором отражённый от ЗП 10 световой поток представляет собой кольцо, формирующее равномерную освещённость в плоскости Z, перпендикулярной Х, называется дистанцией формирования пучка света.

Устройство работает следующим образом.

Сформированный коллимационным устройством 6 пучок света от источника излучения 5 через ПОВ 2 попадает на зеркально-отражающую поверхность ЗП 10, отражается от неё, возвращается на выходной торец ВОК 1 и далее через ООВ 3 и дополнительный жгут ООВ 4 попадает на фотоприёмник 7 и фотоприёмник 8 соответственно.

Блок обработки сигнала 9 формирует отношение сигналов, снимаемых с фотоприёмников 8 и 7. Если торец ВОК 1 контактирует с ЗП 10, то есть , то световой поток, отражённый от ЗП 10, не попадает ни на торцы ООВ 3, ни на торцы периферийных ООВ 4. По мере роста x площадь отражённого от ЗП 10 «пятна» увеличивается и, следовательно, увеличивается мощность светового потока, передаваемого на торец ВОК 1.

При отражённое пятно представляет собой кольцо, внешний радиус которого , а внутренний . Ширина кольца

Внутри кольца освещённость торцевой грани ВОК 1 равномерна.

По мере дальнейшего возрастания x отражённое от ЗП 10 световое «кольцо», перемещаясь по торцевой грани ВОК 1, доходит до периферийных ООВ 9, освещает их торцы, фотоприёмник 8 фиксирует прошедшую через жгут 4 мощность светового потока. Блок 9 фиксирует отношение сигналов, снимаемых с фотоприёмников 8 и 7.

Функция преобразования устройства представляет собой сложную многоступенчатую зависимость тока фотоприёмника I(x) от внешних воздействий (перемещений). Для отводящих оптических волокон ООВ 3 она имеет вид

,

где Ф₀ –

Ф_ИП1 –

K₁ –

Q₁ –

 

Величина коэффициента К₁ определяется из соотношения:

,

где k₁ –

k₂ –

k₃ –

k₄ –

k₅ –

 

 

Функция преобразования Ф_ИП1(x) записывается в виде

,

 

где – коэффициент отражения ЗП 10,

- суммарная освещённая площадь торцов ООВ 3,

- площадь зоны торца ВОК 1, освещённой отражённым от ЗП 10 световым потоком, проецирующимся в кольцо.

Окончательно получаем

(1).

 

Из выражения (1) следует, что нестабильность выходного сигнала I₁(x) при постоянном значении входных параметров устройства определяется нестабильностью параметров k_1,2,3,4,5.

Если не предпринимать специальных мер по их стабилизации, то нестабильность выходного сигнала I₁(x) может быть существенной, что снижает точность измерений и их достоверность.

С целью стабилизации выходного сигнала в схему введён дополнительный жгут 4.

Аналогично выражению (1), для фототока, снимаемого с фотоприёмника 8, справедливо выражение

,

где Ф_ИП2(x) –

K₂ –

Q₂ –

Величина коэффициента К₂ описывается выражением

,

где k₆ – коэффициент потерь мощности излученияв дополнительном жгуте 4,

k₇ – коэффициент потерь мощности излучении при сопряжении фотоприёмника 8 с выходным торцом жгута 4.

Функция преобразования Ф_ИП2(x) записывается в виде

,

где - суммарная освещённая площадь торцов ООВ в дополнительном жгуте 4.

Окончательно получим

(2).

Отношение фототоков , фиксируемое в блоке 9, равно P (согласно формулам (1) и (2))

(3).

Из выражения (3) следует, что параметр P не зависит от основных дестабилизирующих факторов: нестабильности интенсивности излучения источник света Ф₀, нестабильности коэффициента отражения ЗП 10 и, следовательно, от S_K.

Из выражения (3) также следует, что если ВОД линейных перемещений содержит идентичные фотоприёмники, у которых интегральная чувствительность примерно одинакова, а световоды выполнены из одного и того же материала, то есть , и при этом потери при сопряжёнии с фотоприёмниками 7 и 8 жгутов 3 и 4 соответственно одинаковы, то есть достигнуто примерное равенство , то выражение (3) приводится к виду

(4).

На рис. 1 а, б приведены типовые графики функций I₁(x), I₂(x), P(x).

График функции P(x) на восходящем участке при резко возрастает до некоторого максимального значения, после чего глубина модуляции резко падает.

Из выражения (4) следует, что крутизна характеристики P(x) и диапазон измерений входных воздействий зависят от численного соотношения ООВ в ВОК 1 и отводящих ООВ в дополнительном жгуте 4, освещённых заданным числом ПОВ в ВОК 1.

Таким образом, предложенное техническое решение отличается от аналога расширенными функциональными возможностями, то есть позволяет удовлетворить априорно заданным требованиям к ВОД за счёт численного соотношения ПОВ и ООВ и соответствующего их размещения, при высокой точности измерений и чувствительности устройства.