ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КОЛЕБАНИЙ ПОВЕРХНОСТИ В НАПРЯЖЕНИЕ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для бесконтактного преобразования колебаний поверхности в напряжение, например преобразования значения биения вала при его вращении в переменное напряжение.
Известен оптический датчик перемещений [1], содержащий светопроводную систему, выполненную в виде двух пакетов подводящих и отводящих гибких световодов, источник света, фотоприемник и регистратор.
Недостатком датчика является низкая точность, обусловленная зависимостью коэффициента преобразования от изменения интенсивности светового потока источника света и коэффициента отражения поверхности объекта, причем для калибровки требуются значительные затраты времени.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является оптический датчик перемещения [2], содержащий источник излучения, фотоприемник, волоконно-оптический канал, выполненный в виде двух пакетов подводящих и отводящих световодов выход которого соединен с фотоприемником, а вход с источником излучения, выход для подключения к устройству измерения подключен к выходу блока дифференцирования, вход которого подключен к выходу фотоприемника, блок цифровой обработки постоянной составляющей фотоприемника включающий аналого-цифровой преобразователь, блок выбора максимума, блок сравнения, регистр последовательного приближения, цифро-аналоговый преобразователь, управляемый стабилизатор тока, выход которого подключен к источнику излучения.
Недостатком данного устройства является сложность устройства, низкая точность при длительных измерения, так как калибровка устройства осуществляется перед измерениями, конструктивная сложность, связанная с в конструкции ввода излучения в волокно, что необходимо для уменьшения потерь светового потока при его вводе от источника излучения в оптоволокно. При этом предъявляются требования к мощности источника излучения, что необходимо для существенного превышения уровня полезного сигнала над шумами входного усилителя сигнала фотоприемника, входящего в блок дифференцирования.
Цель изобретения - упрощение устройства, повышение точности при длительных измерениях и повышение помехоустойчивости устройства.
Поставленная цель достигается тем, что в волоконно-оптический преобразователь колебаний поверхности в напряжение, содержащий источник излучения, фотоприемник, волоконно-оптический канал, выход которого соединен с фотоприемником, выход для подключения к устройству измерения, введено устройство сравнения, усилитель с ограничением максимального тока, операционный преобразователь с раздельным усилением переменной и постоянной составляющей сигнала фотоприемника, вход которого подключен к выходу фотоприемника. Выход переменной составляющей операционного преобразователя подключен к контакту для подключения к устройству измерения, выход усиленной постоянной составляющей операционного преобразователя подключен к первому входу устройства сравнения. Второй вход устройства сравнения подключен к первому контакту для подключения источника питания, выход устройства сравнения подключен к входу усилителя с ограничением максимального тока, выход которого подключен к источнику излучения.
На фиг.1 представлена функциональная схема волоконно-оптического преобразователя колебаний поверхности в напряжение.
На фиг.2 представлена статическая характеристика волоконно-оптического преобразователя колебаний поверхности в напряжение.
Волоконно-оптический преобразователь колебаний поверхности в напряжение, например биения вала 1 (см. фиг.1) содержит источник излучения 2, фотоприемник 4, волоконно-оптический канал 3, выполненный, например на одиночном гибком оптоволокне, или выполненный в виде пакета отводящих гибких световодов, выход которого соединен с фотоприемником 4, выход для подключения к устройству измерения, операционный преобразователь 5 с раздельным усилением переменной и постоянной составляющей сигнала фотоприемника с входом 6, подключенным к выходу фотоприемника 3, выход 7 переменной составляющей операционного преобразователя подключен к контакту 8 для подключения к устройству измерения. Выход 9 усиленной постоянной составляющей операционного преобразователя подключен к первому входу 11 устройства сравнения 10, второй вход 12 устройства сравнения 10 подключен к первому контакту 12 для подключения первого источника питания, выход устройства сравнения подключен к входу 16 усилителя 15 с ограничением максимального тока, контакт 18 для подключения питания которого подключен к контакту 19 для подключения второго источника питания, выход 17 усилителя подключен к входу питания источника излучения 2. Операционный преобразователь 5 с раздельным усилением переменной и постоянной составляющей сигнала фотоприемника включает операционный преобразователь 20 с первым операционным усилителем 21, инвертирующий вход которого соединен с одними выводами первого масштабирующего резистора 22 для переменной составляющей и второго масштабирующего резистора 23 для постоянной составляющей, а выход соединен с другим выходом резистора 22 и с выходом 7, инвертирующим усилителем 24, выполненным на втором операционном усилителе 25 с третьим 26 и четвертым 27 масштабирующими резисторами, включенными последовательно между выходом 7 и выходом второго операционного усилителя 24, инвертирующий вход которого соединен с точкой соединения резисторов 26 и 27. Интегратор 28, включающий третий операционный усилитель 29, пятый резистор 30, первый конденсатор 31, включенные последовательно между выходом второго операционного усилителя 25 и выходом третьего операционного усилителя 29, соединенным с другим выводом резистора 23 и выходом 9, точка соединения резистора 30 и конденсатора 31 соединена с инвертирующим входом третьего операционного усилителя 29. Устройство сравнения 10 построено на четвертом операционном усилителе 34, шестом 32 и седьмом 33 резисторах, включенных последовательно между входами 11 и 12, точка соединения которых соединена с инвертирующим входом усилителя 34, одним из выводов второго конденсатора 35, одним из выводов диода 36, другой вывод которого соединен с другим выводом конденсатора 35, с выходом усилителя 34 и выходом устройства сравнения 14. Усилитель 15 с ограничением максимального тока включает восьмой 38 и девятый 39 резисторы, включенные последовательно между контактом 18 для подключения питания и общей шиной устройства, диод 37, включенный между входом 16 и точкой соединения резисторов 38, 39 к которой подсоединена база транзистора 40, эмиттер которого через десятый резистор 41 подключен к выходу 17, а коллектор соединен с контактом 18 для подключения питания. Компаратор 42, входы которого включены параллельно диоду 37, а выход подключен к индикатору. Неинвертирующие входы операционных усилителей 21, 25, 29, 34 подключены к общей шине устройства. Источник излучения 2 механически жестко связан с волоконно-оптическим каналом 3
Волоконно-оптический преобразователь колебаний поверхности в напряжение работает следующим образом.
Предлагаемое устройство преобразует значения механических, колебаний поверхности относительно неподвижного торца оптоволоконного канала в переменное напряжение пропорциональное расстоянию до поверхности, например вала 1.
Торец оптоволоконного канала и источника излучения, конструктивно расположены в одной конструкции, что необходимо для обеспечения их взаимного расположения, так, чтобы при облучении источником излучения поверхности на торец оптоволоконного канала поступала максимальная интенсивность потока некогерентного излучения и отсутствовало прямое прохождение излучение от источника в торец оптоволоконного канала.
При отсутствии отраженного от поверхности 1 интенсивности потока некогерентного излучения в оптоволоконном канале 3, с выхода 9 усиленной постоянной составляющей тока фотоприемника операционного преобразователя поступает напряжение близкое к нулю на первый вход 11 устройства сравнения 10. При этом на выходе устройства сравнения будет максимальное напряжение, а с выхода усилителя 15 с ограничением максимального тока на источник излучения 2 подается максимальный ток, что обусловливает максимальный световой поток источника излучения 2. Компаратор 42 включает индикатор 43, сигнализируя об отсутствии или малом среднем отраженном световом потоке на входе фотоприемника.
При приближении торца оптоволоконного канала и источника излучения, к поверхности и нахождении их в рабочей зоне устройства (при значении средней интенсивности отраженного потока некогерентного излучения на входе фотоприемника выше заданного значения, при максимальной интенсивности потока источника излучения 2) с выхода 9 усиленной постоянной составляющей тока фотоприемника операционного преобразователя поступает напряжение выше заданного на первый вход 11 устройства сравнения 10. При этом напряжение на выходе 14 устройства сравнения и входе 16 уменьшается, что приводит к уменьшению выходного тока усилителя 15 с ограничением максимального тока и уменьшению светового потока источника излучения 2 до заданного значения, определяемого заданным напряжением на входе 11 устройства сравнения, а следовательно заданным выходным током фотоприемника. При этом поддерживается среднее значение светового потока в волоконно-оптическом канале 4, т.е. обеспечивается автоматическая калибровка преобразователя по поддержанию постоянства интенсивности потока некогерентного излучения.
Переменная составляющая интенсивности потока некогерентного излучения, обусловленная механическими, колебаниями поверхности, биением вала при его вращении относительно неподвижного торца оптоволоконного канала преобразуется в изменение тока фотоприемника и усиливается операционным преобразователем. Выходное напряжение снимается с выхода переменной составляющей 7 операционного преобразователя подключенного к контакту 8 для подключения к устройству измерения.
Рассмотрим примеры выполнения отдельных узлов волоконно-оптического преобразователя колебаний поверхности в напряжение.
Операционный преобразователь 5 с раздельным усилением переменной и постоянной составляющей сигнала фотоприемника с входом 6, выполнен на операционном преобразователе 20 с трансимпедансным входом, инвертирующем усилителе 24 и интеграторе 28. Операционный преобразователь выполнен на первом операционном усилителе 21 в инвертирующем включении, 22 - резистор цепи обратной связи по переменному току, 23 - резистор цепи обратной связи по постоянному току. Инвертор 24, выполнен на втором операционном усилителе 25 и резисторах 26, 27, определяющих его коэффициент усиления. Интегратор 28 выполнен на третьем операционном усилителе 29 и RC цепи 30, 31.
Устройство сравнения 10 выполнено на четвертом операционном усилителе 34 включенном интегратором, резисторах 32-R6 и 33-R7. При напряжении первого источника питания U1 и напряжении на контакте 11Uв пороговое напряжение сравнения Uвп будет Uвп=U1·R6/R7. При напряжении Uв меньше порогового, что имеет место при среднем значении светового потока в волоконно-оптическом канале 4 меньшем заданного, т.е. при удалении торца волоконно-оптическом канала далее рабочей зоны выходное напряжение на выходе интегратора будет максимальным. Выходной ток усилителя 15 с ограничением максимального тока при этом будет максимален так как диод 37 будет заперт и на базу транзистора 40 будет подаваться максимальное напряжение. Компаратор 42 включит индикатор 43, свидетельствующий о наличии торца волоконно-оптическом канала далее рабочей зоны. При положении торца волоконно-оптического канала в рабочей зоне ближе Zm напряжение Uв будет больше порогового, что приведет к уменьшению выходного напряжения интегратора устройства сравнения и уменьшению выходного тока усилителя 15 с ограничением максимального тока, а, следовательно и уменьшение интенсивности потока некогерентного излучения источника излучения 2, что приведет к уменьшению напряжения Uв до порогового напряжения сравнения, что поддерживает заданную интенсивность потока некогерентного излучения в оптоволоконном канале.
Предлагаемое решение, обеспечивающее аналоговое управление интенсивностью потока некогерентного излучения источника излучения 2 по критерию поддержания заданной интенсивности потока некогерентного излучения в оптоволоконном канале существенно более проще прототипа обеспечивающего цифровое управление интенсивностью потока некогерентного излучения, кроме того поддержание заданной интенсивности потока некогерентного излучения источника излучения 2 происходит в течении всего времени измерения, а не перед измерением, что повышает точность поддержания постоянного светового потока. Применение источника излучения непосредственно излучающего поток некогерентного излучения на поверхность, и подаче отраженного потока некогерентного излучения в торец оптоволоконного канала позволяет существенно повысить среднюю интенсивность потока некогерентного излучения в оптоволоконном канале, т.е. и уровень выходного сигнала. Это увеличивает помехоустойчивость устройства за счет существенного уменьшения влияния собственных шумов фотоприемника и усилителя за счет существенно большего полезного сигнала, существенно уменьшает требования к источнику излучения 2 и усилителю фотоприемника, к конструктивному выполнению оптической части устройства. Так, например, в качестве волоконно-оптического канала при этом возможно применение 400 микронного оптоволокна установленного торцом перед фотодиодом.
Таким образом, предлагаемая полезная модель решает задачу упрощения устройства, повышения точности при длительных измерениях и повышение помехоустойчивости устройства.
ЛИТЕРАТУРА
1. АС225464(СССР), G01B 11/02, 1968.
2. АС1112228, G01B 21/00, 1984, опубл. в БИ №33.