ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЯ СВОБОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Полезная модель относится к измерительной технике, конкретно, к технике регистрации быстропротекающих процессов (высокоскоростное взаимодействие материалов, распространение ударных волн, полет лайнеров) и может быть использована при решении задач, связанных с необходимостью определения перемещения и скорости свободной поверхности.
Известен позиционно-чувствительный детектор (ПЧД) для точного измерения положения объектов и их перемещений [см. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник. М. Техносфера 2006 г., стр.308]. Датчик представляет собой активное устройство: в его состав входит светоизлучающий диод (СИД) и ПЧД с фото детектором. Излучение СИД пройдя через линзу коллиматора, формирует луч с малым углом отклонения, отраженный от объекта луч малой интенсивности фокусируется на чувствительной поверхности ПЧД. Перемещение светового пятна по чувствительной зоне ПЧД преобразуется в токовый сигнал, пропорциональный расстоянию до объекта. Недостаток датчика состоит в ограничении диапазона регистрируемых скоростей, обусловленном низкой полосой пропускания позиционно-чувствительного датчика.
Известен лазерный бесконтактный измеритель линейных перемещений (оптический датчик перемещений) [см. статью А.В. Корноушкин, Б.Г. Подласкин «Координатно-чувствительный фотоприемник мультискан в триангуляционном бесконтактном измерителе линейных перемещений» в журнале «Приборы и техника эксперимента» №5 за 1992 г., стр.206-210], в котором оптический датчик по физической сути близок заявляемому. Датчик имеет два оптических канала. Первый канал, служащий для формирования и вывода оптического излучения на исследуемую поверхность, содержит светоизлучающий диод (СИД) со схемой управления от источника питания и выходной объектив, фокусирующий оптическое излучение в виде светового пятна на исследуемой поверхности. Второй канал, служащий для передачи оптического излучения к регистратору, диффузно отраженного от исследуемой поверхности излучения, образован входным объективом, принимающим рассеянное на поверхности оптическое излучение и обеспечивающим формирование изображения светового пятна в фокальной плоскости объектива, а также установленным в фокальной плоскости объектива средством, обеспечивающим преобразование этого изображения в регистрируемый электрический сигнал. Этим средством является позиционно-чувствительный детектор (мультискан).
Данное техническое решение является наиболее близким по технической сущности к заявляемому датчику и взято в качестве прототипа.
Недостаток известного датчика перемещений для применения в регистрации быстропротекающих процессов, заключается в ограниченном динамическом диапазоне измеряемых скоростей, связанном с особенностью работы позиционно-чувствительного детектора, время измерения которого составляет 100 мкс.
Существуют задачи при исследовании быстропротекающих процессов, требующие регистрации скорости свободной поверхности до десятков километров в секунду. Решение таких задач выше приведенными датчиками невозможно в связи с низким динамическим диапазоном датчиков.
Технический результат состоит в увеличении динамического диапазона измерения скорости свободной поверхности при регистрации быстропротекающих процессов и, кроме того, в обеспечении возможности измерения в условиях ограниченного пространства и в удаленных труднодоступных полостях исследуемых объектов.
Данный технический результат достигается тем, что в отличие от известного оптического датчика перемещения свободной поверхности, содержащего два канала передачи оптического излучения, первый из которых, служащий для проецирования оптического излучения на исследуемую поверхность, содержит светоизлучающий диод (СИД) со схемой управления от источника питания и выходной объектив, обеспечивающий получение изображения светового пятна на исследуемой поверхности, а другой канал, служащий для передачи оптического диффузно рассеянного излучения, отраженного от исследуемой поверхности к регистратору, образован входным объективом, проецирующим изображение, полученное на исследуемой поверхности в фокальную плоскость входного объектива, и средством, обеспечивающим преобразование перемещения этого изображения в регистрируемый электрический сигнал, в предложенном датчике в качестве средства, обеспечивающего преобразование перемещения изображения в регистрируемый электрический сигнал использован оптический модулятор интенсивности оптического излучения с фотоприемником, причем в оптическом датчике перемещения свободной поверхности выходным объективом первого передающего канала может служить коллиматор, а оптический модулятор с фотоприемником второго канала может быть образован плоским параллельным растром с заданным шагом решетки, фокусирующей линзой и широкополосным фотоприемником, причем фокусирующая линза и фотоприемник установлены с обеспечением фокусировки оптического излучения на чувствительной области фотоприемника, размер изображения светового пятна на поверхности растра равен или меньше ширины полосы растра.
Кроме того, в предлагаемом оптическом датчике оптическое излучение от СИД к коллиматору и от фокусирующей линзы к фотодетектору может передаваться посредством световодов.
Использование в качестве средства, обеспечивающего преобразование перемещения изображения в регистрируемый электрический сигнал, оптического модулятора интенсивности оптического излучения с фотоприемником позволяет увеличить диапазон измеряемых скоростей за счет преобразования отраженного излучения, позволяющего получить на регистраторе просто обрабатываемый сигнал.
В конкретном варианте исполнения применение плоского параллельного растра в сочетании с широкополосным фотодетектором позволяет расширить динамический диапазон измерения скоростей за счет упрощения алгоритма обработки сигналов. Для обеспечения глубины модуляции размер изображения светового пятна на поверхности растра равен или меньше ширины полосы растра.
Применение световодов для передачи излучения в ряде случаев позволит обеспечить возможность измерения в удаленных труднодоступных полостях исследуемых объектов.
На фиг. схематично изображен датчик перемещения свободной поверхности.
Схематично представленное на фиг. реализованное устройство содержит первый канал регистрации, служащий для проецирования оптического излучения на исследуемую поверхность 1 в виде светового пятна 2, который образован коллиматором (выходной объектив) 3, светоизлучающим диодом 4 со схемой управления 5 от источника питания 6;а также второй канал регистрации для передачи оптического диффузно рассеянного излучения, отраженного от исследуемой поверхности к регистратору, который содержит входной объектив 7 и оптический модулятор интенсивности оптического излучения с фотоприемником, образованный плоско-параллельным растром 8, фокусирующей линзой 9 и широкополосным фотоприемником 10. Оптический модулятор формирует регистрируемый электрический сигнал, передаваемый через усилитель сигнала 11 к регистратору 12.
Способ реализуется следующим образом.
При подаче напряжения питания на источник питания 6 происходит запитка светоизлучающего диода 4 через схему управления 5 заданным током. Излучение светоизлучающего диода 4 проецируется коллиматором 3 на исследуемую поверхность 1 в виде светового пятна 2. Диффузно рассеянное от исследуемой поверхности излучение проецируется входным объективом 7 на поверхность плоского параллельного растра 8, размещенного в фокальной плоскости объектива. Оптическая ось входного объектива повернута на угол θ относительно направления излучения светодиода. Перемещение исследуемой поверхности 1 приводит к перемещению изображения светового пятна по поверхности линейного растра 8 и модуляции интенсивности оптического излучения. Отраженный оптический сигнал, прошедший через растр 8, фокусируется линзой 9 на чувствительном элементе широкополосного фотоприемника 10 и преобразуется в модулированный электрический сигнал, который после усиления широкополосным усилителем 11 поступает на вход регистратора информационного сигнала 12. Зная коэффициент передачи оптической системы, шаг параллельного растра и величину временной развертки регистратора, легко определить из полученной осциллограммы перемещение и скорость исследуемой поверхности.
В качестве оптического модулятора интенсивности излучения при проведении эксперимента был применен плоско-параллельный растр, изготовленный из лавсановой пленки с нанесенными на ее поверхность полосами из светонепроницаемого материала с шагом 0,1 мм. В качестве фотоприемника был использован фотодиод ФД 256.
Проведенные экспериментальные исследования показали, что использование в качестве средства, обеспечивающего преобразование перемещения изображения в регистрируемый электрический сигнал, оптического модулятора интенсивности оптического излучения, в частности, на основе растровой оптики в сочетании с фотоприемником, в частности, широкополосным фотодетектором позволяет увеличить диапазон измеряемых скоростей до 10 км/сек.