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 Θ, фотоприемники, оптически связанные с центральным и периферийными световодами, коллимационное устройство, расположенное между источником излучения и центральным волоконным световодом (см. патент РФ №78946, класс G01N 21/55).
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:
- узел ввода оптического излучения от источника излучения в подводящие оптические волокна;
- затухание излучения в поводящих оптических волокнах;
- информативные и неинформативные потери оптической мощности в измерительном преобразователе;
- затухание излучения в отводящих оптических волокнах;
- узел ввода оптического излучения из отводящих оптических волокон в фотоприемник.
Цель настоящего технического решения - компенсация вносимых оптических потерь и повышение точности измерений и чувствительности устройства.
0
кр
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что центральный световод выполнен в виде волоконно-оптического кабеля (ВОК), содержащего подводящие оптические волокна (ПОВ), сопряженные с источником излучения, и отводящие оптические волокна (ООВ), сопряженные с приемником 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 ООВ в ВОК равно 3:4, а зеркально-отражающая поверхность (ЗП) расположена относительно торца ВОК на расстоянии x>τкр, где τ - дистанция формирования луча.
На фиг.1 представлено устройство, вид сверху, то есть взаимное расположение световодов, расположенных в одной плоскости 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 2.
Подводящие оптические волокна 3, 4, 5, собранные в жгут, и отводящие оптические волокна 6, 7, 8, 9 размещены в ВОК так, как показано на фиг.1.
Дополнительные (периферийные) ООВ 10 размещены вокруг ВОК 1, что позволяет минимизировать потери оптического излучения при его отражении от ЗП. Торцы всех световодов 3-10 лежат в одной плоскости и обращены к ЗП.
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 приемника излучения. Кроме того, предлагаемое соотношение ПОВ и ООВ (3:4) минимизирует потери при сопряжении источника излучения (ИИ) и ПОВ и облегчает настройку по уровню выходного сигнала при угловом рассогласовании диаграммы направленности ИИ с входным торцом ПОВ.
На фиг.2 изображен ВОК 1, содержащий ПОВ 3, 4, 5 и ООВ 6, 7, 8, 9. Вокруг ВОК 1 размещены дополнительные (периферийные) ООВ 10, собранные в жгут 11. ИИ 12 через коллимационное устройство 13 сопряжен с ПОВ 3, 4, 5. В свою очередь ООВ 6, 7, 8, 9 состыкованы с фотоприемником 14, периферийные ООВ, собранные в жгут 2, состыкованы с фотоприемником 15. К блоку формирования отношения сигналов 16 подключены фотоприемники 14 и 15.
0
кр
кр
Отражающая зеркальная поверхность 17 размещена относительно торца ВОК 1 на некотором расстоянии x>τкр, где τ- расстояние по оси X от торца ВОК до ЗП 17, при котором отраженный от ЗП 17 световой поток представляет собой кольцо, формирующее равномерную освещенность в плоскости Z, перпендикулярной X, τ называется дистанцией формирования пучка света.
Устройство работает следующим образом (фиг.2).
Сформированный коллимационным устройством 13 пучок света от источника излучения 12 через ПОВ 3, 4, 5 попадает на зеркально-отражающую поверхность ЗП 17, отражается от нее, возвращается на выходной торец ВОК 1 и далее через ООВ 6, 7, 8, 9 и дополнительный жгут ООВ 2 попадает на фотоприемник 14 и фотоприемник 15 соответственно.
Блок обработки сигнала 16 формирует отношение сигналов, снимаемых с фотоприемников 14 и 15. Если торец ВОК 1 контактирует с ЗП 17, то есть х=0, то световой поток, отраженный от ЗП 17, не попадает ни на торцы ООВ 6, 7, 8, 9, ни на торцы периферийных ООВ 2. По мере роста х площадь отраженного от ЗП 17 «пятна» увеличивается и, следовательно, увеличивается мощность светового потока, передаваемого на торец ВОК 1.
кр
вн
NA
внm
вн
c
При х=τ отраженное пятно на торце ВОК 1 представляет собой кольцо, внешний радиус которого R(x)=2·x·tgΘ, а внутренний R(x)=R(x)-2·r,
c
где r - радиус световода. Площадь кольца составит
и будет зависеть от расстояния х между торцом ВОК 1 и ЗП 17.
Внутри кольца освещенность торцевой грани ВОК 1 равномерна.
По мере дальнейшего возрастания х отраженное от ЗП 17 световое «кольцо», перемещаясь по торцевой грани ВОК 1, доходит до периферийных ООВ 2, освещает их торцы, фотоприемник 15 фиксирует прошедшую через жгут 2 мощность светового потока. Блок 16 фиксирует отношение сигналов, снимаемых с фотоприемников 14 и 15.
Функция преобразования устройства представляет собой сложную многоступенчатую зависимость тока фотоприемника I(х) от внешних воздействий (перемещений). Для отводящих оптических волокон ООВ 3 она имеет вид
,
0
где Ф - интенсивность излучения источника света;
ип1
Ф(х) - функция преобразования для тракта «ПОВ-ЗП-ООВ»;
1
К - коэффициент потерь мощности оптического излучения на участке от источника излучения 12 до фотоприемника 14;
1
Q - интегральная чувствительность фотоприемника 14.
1
Величина коэффициента K определяется из соотношения:
,
1
где k - коэффициент потерь мощности излучения при сопряжении источника излучения 12 с ПОВ;
2
k - коэффициент затухания мощности излучения в ПОВ;
3
k - информативные и неинформативные потери мощности излучения от ЗП 17 до торца ВОК 1;
4
k - коэффициент затухания мощности излучения в ООВ;
5
k - коэффициент потерь мощности излучении при сопряжении ООВ с фотоприемником 14.
ИП1
Функция преобразования Ф(х) записывается в виде
,
где ρ - коэффициент отражения ЗП 17,
ИП1
ΣS(x) - суммарная освещенная площадь торцов ООВ, полностью или частично находящихся в освещенной зоне,
K
ΣS(x) - полная площадь зоны торца ВОК 1, освещенной отраженным от ЗП 17 световым потоком, проецирующимся в кольцо.
Окончательно получаем
.
1
1,2,3,4,5
Из выражения (1) следует, что нестабильность выходного сигнала I(x) при постоянном значении входных параметров устройства определяется нестабильностью параметров k.
1
Если не предпринимать специальных мер по их стабилизации, то нестабильность выходного сигнала I(x) может быть существенной, что снижает точность измерений и их достоверность.
С целью стабилизации выходного сигнала в схему введен дополнительный жгут ООВ 2.
Аналогично выражению (1), для фототока, снимаемого с фотоприемника 15, справедливо выражение
,
ИП2
где Ф(х) - функция преобразования для тракта «ПОВ-ЗП-ООВ» для периферийных ООВ, собранных в жгут 2;
2
К - коэффициент потерь мощности оптического излучения на участке от источника излучения 12 до фотоприемника 15;
2
Q - интегральная чувствительность фотоприемника 15.
2
Величина коэффициента К описывается выражением
,
6
где k - коэффициент потерь мощности излучения в дополнительном жгуте 2,
7
k - коэффициент потерь мощности излучении при сопряжении фотоприемника 15 с выходным торцом дополнительного жгута 2.
ИП2
Функция преобразования Ф(х) записывается в виде
,
ИП2
где ΣS(x) - суммарная освещенная площадь торцов ООВ в дополнительном жгуте 2, полностью или частично находящихся в освещенной зоне.
Окончательно получим
.
Отношение фототоков , фиксируемое в блоке 16, равно Р (согласно формулам (1) и (2))
.
0
K
Из выражения (3) следует, что параметр Р не зависит от основных дестабилизирующих факторов: нестабильности интенсивности излучения источника света Ф, нестабильности коэффициента отражения ρ ЗП 17 и, следовательно, от S.
1
2
4
6
5
7
Из выражения (3) также следует, что если ВОД линейных перемещений содержит идентичные фотоприемники, у которых интегральная чувствительность Q≈Q, а световоды выполнены из одного и того же материала, то есть k≈k, и при этом потери при сопряжении с фотоприемниками 14 и 15 жгутов 6, 7, 8, 9 и 2 соответственно одинаковы, то есть достигнуто примерное равенство k≈k, то выражение (3) приводится к виду
.
1
2
На фиг.3 приведены типовые графики функций I(x), I(x), Р(х).
0
График функции Р(х) на восходящем участке при х>х резко возрастает до некоторого максимального значения, после чего глубина модуляции резко падает.
Из выражения (4) следует, что крутизна характеристики Р(х) и диапазон измерений входных воздействий зависят от численного соотношения ООВ в ВОК 1 и периферийных ООВ в дополнительном жгуте 2, освещенных 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 счет численного соотношения ПОВ и ООВ и соответствующего их размещения, при высокой точности измерений и чувствительности устройства.