ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК

Волоконно-оптический датчик №2 линейных перемещений
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 волоконно-оптический датчик перемещений, содержащий источник оптического излучения, выход которого подключен ко входу подводящего волоконно-оптического световода, первый и второй отводящие волоконно-оптические световододы, выходы которых подключены ко входам соответственно первого и второго фотоприемников, отражающий элемент, прикрепленный к перемещающемуся объекту, на который направлены входы первого и второго волоконных световодов оптической связи, оптический разветвитель, электронный блок обработки сигналов, причем отражающий элемент выполнен в виде двух примыкающих друг к другу прямоугольных полос, каждая из которых разделена на отражающую и неотражающую области (см. патент РФ №2489679 от 2012 г.)
К недостаткам аналога следует отнести следующие:
- ограниченные функциональные возможности датчика, обусловленные тем, что построенное на данном принципе устройство измеряет линейные перемещения только по одной оси;
- низкая точность измерений, обусловленная возможными изменениями взаимного расстояния между отражающим элементом, жестко связанным с подвижным объектом, и торцами волоконных световодов оптической связи.
Цель настоящего технического решения - расширение функциональных возможностей датчика, а именно построение двухосного волоконно-оптического датчика линейных перемещений и повышение точности измерений.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в волоконно-оптическом датчике линейных перемещений, содержащем источник оптического излучения, выход которого подключен ко входу подводящего волоконно-оптического световода, отводящие волоконно-оптические световоды, выходы которых подключены ко входам соответствующих фотоприемников, отражающий элемент, прикрепленный к перемещающемуся объекту,
0
электронный блок обработки сигналов, ко входу которого подведены выходы фотоприемников, к выходу источника излучения входными торцами подведен жгут подводящих волоконно-оптических световодов, разделенных на пять каналов, один из которых - центральный является опорным, а четыре других измерительными, при этом отводящие волоконно-оптические световоды, сопряженные в каждом канале с подводящими волоконно-оптическими световодами, выходными торцами подключены ко входам соответствующих фотоприемников, а выходныеторцы подводящих волоконно-оптических световодов и входные торцы отводящих волоконно-оптических световодов в каждом канале, обращенные к отражающему элементу, выполненному в виде взаимно отртогональных двух прямоугольных пластин из отражающего свет материала, находятся в соотношении 3:4 и отстоят от отражающего элемента на заданном расстоянии X, при котором обеспечивается максимальная освещенность входных торцов отводящих волоконно-оптических световодов и максимальный ток фотоприемника.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема двухосного волоконно-оптического датчика линейных перемещений.
На фиг. 2 приведена принципиальная (опорная) схема отражающего элемента, выполненного в виде взаимно ортогональных двух прямоугольных пластин из материала, отражающего свет, расположенного на неотражающей поверхности подвижного объекта, с указанием световых «пятен», формируемых подводящими волоконно-оптическими световодами. На фиг. 3 представлена функция преобразования датчика, а именно зависимость фототока от расстояния X между отражающим элементом и входными торцами отводящих волоконно-оптических световодов
На фиг. 4 показана схема взаимного расположения выходных торцов подводящих волоконно-оптических световодов и входных торцов отводящих волоконно-оптических световодов в зоне измерений в каждом канале, определяющая конструкцию и метрологические характеристики датчика.
На фиг. 5а,б схематично показана динамика измерительного процесса (алгоритм обработки сигнала с фотоприемников) при перемещении подвижного объекта по двум взаимно ортогональным осям: ±У, ±Z.
На фиг. 5а приведены функции преобразования четырех измерительных каналов (фототоков) и центрального опорного канала, снятые с пяти фотоприемников при перемещении объекта по осям ±У, ортогональным ±Z.
На фиг. 5б аналогично приведены функции преобразования (фототоки), снятые при перемещении объекта по осям ±Z, ортогональным ±У.
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
Устройство состоит из отражающего элемента 1, подводящих волоконно-оптических световодов (ПВОС)2, 2, 2, 2, 2, 2, отводящих волоконно-оптических световодов(ОВОС)3, 3, 3, 3, 3, источника оптического излучения 4, фотоприемников 5, 5, 5, 5, 5, электронного блока обработки сигналов 6.
3
3
1
2
4
5
1
2
4
5
1
2
3
4
5
1
2
4
5
3
1
2
3
4
5
Канал, образованный ПВОС 2 и ОВОС3 - центральный, является опорным каналом. Четыре других канала, образованные ПВОС 2, 2, 2, 2 и ОВОС 3, 3, 3, 3 - измерительные каналы. Отражающий элемент 1 оптически связан с ПВОС 2, 2, 2, 2, 2 таким образом, что проекции световых «пятен» измерительных каналов, формируемые ПВОС 2, 2, 2, 2, при отсутствии перемещений подвижного объекта на отражающий элемент 1 не попадают, а "пятно" опорного канала, формируемое ПВОС 2 совмещено с центром отражающего элемента 1. Входные торцы ПВОС 2, 2, 2, 2, 2 соединены с источником излучение 4.
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
Выходные торцы ОВОС3, 3, 3, 3, 3 подключены ко входам фотоприемников 5, 5, 5, 5, 5. Выходы фотоприемников 5, 5, 5, 5, 5 подключены ко входам электронного блока обработки сигналов 6. Выход электронного блока обработки сигналов 6 является выходом двухосного волоконно-оптического датчика линейных перемещений.
0
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
Большое практическое значение имеет обоснованный выбор начального расстояния Х между отражающим элементом 1 и выходными торцами ПВОС2, 2, 2, 2, 2 и входными торцами ОВОС 3, 3, 3, 3, 3 в зоне измерений.
Оно определяется следующим образом.
ф
Определено, что в волоконно-оптических датчиках линейных перемещений рассматриваемого типа, содержащих ПВОС и ОВОС, если торцы ПВОС контактируют с отражающим элементом, Х=0, то световой поток, отраженный от отражающего элемента, не попадает на торцы ОВОС, фототок равен нулю, J=0.
При увеличении расстояния Х>0 поток излучения, заключенный в конусе апертуры ПВОС попадает на большую площадь отражающего элемента и, посути, эта площадка становится «источником» вторичного светового потока, который отражается на торцы ОВОС
С увеличением Х>0 увеличивается площадь отраженного "пятна", наблюдается резкий рост принимаемого светового потока.
0
0
0
При некотором расстоянии Х=Х мощность принимаемого светового потока и ток фотоприемника достигают максимума. Причем вблизи Х выходной сигнал с фотоприемника практически не зависит от изменения Х (см. фиг. 3).
0
1
2
3
4
5
Численное значение Х определяется на основе математической модели распределения передаваемой мощности излучения в зависимости от X и внешнего радиуса «пятна» освещенной зоны торцов ОВОС 3, 3, 3, 3, 3.
0
1
2
3
4
5
Численное значение Х определяется на основе математической модели распределения передаваемой мощности излучения в зависимости от X и внешнего радиуса «пятна» освещенной зоны торцов ОВОС 3, 3, 3, 3, 3.
0
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
0
На основе выше изложенного значение Х, соответствующее данному условию, в предлагаемом датчике линейных перемещений принимается за начало отсчета, то есть отражающий элемент 1 устанавливается относительно выходных торцов ПВОС 2, 2, 2, 2, 2 и входных торцов ОВОС 3, 3, 3, 3, 3, лежащих в зоне измерений в одной плоскости, на заданном расстоянии Х.
Это условие делает поведение функций преобразования датчика линейных перемещений прогнозируемым и позволяет однозначно определять ее текущее значение. Точность измерений перемещения подвижного объекта возрастает.
Рассмотрение различных возможных вариантов размещения выходных торцов ПВОС и входных торцов ОВОС (1:6, 4:3, 3:4 и др.) показало, что предлагаемое расположение торцов световодов в каждом канале, а именно 3:4, обеспечивает максимальную освещенность входных торцов ОВОС и максимальный ток фотоприемников. При данном соотношении торцов каждый из излучающих световодов вносит максимальный вклад в оптическую мощность светового потока на входе фотоприемника (см. фиг. 4).
1
2
3
4
5
Кроме того, минимизируются потери при сопряжении источника излучения 4 и входных торцов ПВОС2, 2, 2, 2, 2, облегчается настройка по уровню выходного сигнала при угловомрассогласовании диаграммы направленности источника излучения 4 с входными торцами ПВОС
1
2
3
4
5
2, 2, 2, 2, 2.
Устройство работает следующим образом.
0
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
Сформированный коллимационным устройством пучок света от источника излучения 4 попадает на отражающий элемент 1, жестко связанный с подвижным объектом и расположенный на заданном расстоянии Х от выходных торцов ПВОС2, 2, 2, 2, 2 и входных торцов ОВОС 3, 3, 3, 3, 3 в зоне измерений.
1
2
3
4
5
3
При отсутствии измеряемых линейных перемещений, (У=0), падающий на подвижный объект световой поток, формируемый ПВОС 2, 2, 2, 2, 2 отражается только от центральной зоны отражающего элемента 1 и попадает на входные торцы ОВОС3.
1
2
4
5
1
2
4
4
5
Световые «пятна» ПВОС 2, 2, 2, 2 не отражаются, фототоки с фотоприемников 5, 5, 5, 5, 5обнуляются.
4
5
4
5
При перемещении подвижного объекта по оси +У отражающаяповерхность 1 входит в зону измерений: она освещается выходными торцами ПВОС 2, 2. Отражающий элемент 1 становится вторичным источником излучения, падающим на входные торцы ОВОС 3, 3.
4
5
4
5
4
5
При этом, чем больше У>0, тем больше площадь поверхности отражающего элемента 1, освещенная выходными торцами ПВОС 2, 2, тем больше оптическая мощность светового потока, падающая на входные торцы ОВОС 3, 3. С увеличением мощности отраженного светового потока фототоки с фотоприемников 5, 5 возрастают от нуля до максимальных значений
4
5
max4
max5
1
2
и далее по мере дальнейших перемещений подвижного объекта площади освещенной поверхности отражающего элемента 1 вновь убывают и фототоки с фотоприемников 5, 5 убывают от J и J до нуля. При этом во всем диапазоне перемещений подвижного объекта по оси +У фототоки с фотоприемников 5, 5 постоянно равнынулю, так как подвижный объект свет не отражает
4
5
При перемещении подвижного объекта по оси -У происходит обратный процесс: фототоки с фотоприемников 5, 5 равны нулю
ф
1
ф
2
1
2
фототоки. J5, J5 с фотоприемников 5, 5, возрастают от нуля до своих максимальных значений
ф
1
1
J5=Jmax,
ф
2
max2
J5=J
и далее убывают до нуля.
Процесс измерения перемещений подвижного объекта по осям ±Z аналогичен измерениям по осям ±У.
1
5
При перемещении подвижного объекта по оси +Z фототоки с фотоприемников 5, 5 равны нулю
ф
1
J5=0,
ф
5
J5=0,
2
4
а фототоки с фотоприемников 5, 5 возрастают от нуля до своих максимальных значений
ф
2
max2
=
J5J,
ф
4
max4
J5=J
и далее убывают до нуля.
Аналогично, при перемещении подвижного объекта по оси -Z фототоки с фотоприемников
2
4
5, 5 равные нулю
ф
2
J5=0,
ф
4
J5=0,
1
5
а фототокис фотоприемников 5, 5 возрастает от нуля до своих максимальных значений
ф
1
max1
J5=J
ф
5
max5
J5=J
и далее убывают до нуля.
3
0
Фототок с фотоприемника 5 при перемещении подвижного объекта по осям ±У, ±Z при постоянном Х не изменяется
ф
3
max3
J5=J=const,
что позволяет контролировать и исключать возможные неинформативные перемещения подвижного объекта в зоне измерений по осям ±Х и тем самым повысить точность измерений четырех измерительных каналов.
1
2
3
4
5
На фиг. 5а, б схематично представлена динамика изменения фототоков с фотоприемников 5, 5, 5, 5, 5 при перемещении подвижного объекта по осям ±У, ±Z.
1
2
4
5
для измерения перемещений по оси -У измеряются фототоки с фотоприемников 5, 5 при нулевых значениях фототоков с фотоприемников 5, 5:
Аналогично измеряются перемещения объекта по осям ±Z.
1
5
2
4
При перемещении объекта по оси +Z фототоки с фотоприемников 5, 5 равны нулю, измеряются фототоки с фотоприемников 5, 5:
2
4
1
5
При перемещении объекта по оси -Z фототоки с фотоприемников 5, 5 равны нулю, а информативными являются фототоки с фотоприемников 5, 5:
1
2
3
4
5
Итак, предлагаемая схема двухосного волоконно-оптического датчика линейных перемещений позволяет однозначно определять параметры перемещения подвижного объекта по двум взаимно ортогональным осям и обоснованно доказывать их достоверность. При этом возможность размещения моделирующего устройства (зеркально отражающей поверхности) в зоне измерений, где достигается максимальная однородная освещенность торцевых граней ОВОС 3, 3, 3, 3, 3, повышает точность измерений, а уменьшение энергетических потерь реализует возможность конструктивной унификации и стандартизации датчиков данного типа по их основным параметрам (чувствительности, точности, диапазону измерений и др.).