АДАПТИВНЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АБСОЛЮТНОГО УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ

Полезная модель относится к оптико-электронному приборостроению и может быть использована в конструкциях волоконно-оптических преобразователей физических величин для аппаратного контроля абсолютного углового положения элементов технических или естественных объектов. Особенно востребована настоящая разработка в строительстве, поскольку от вертикальности колонн, элементов каркаса, подпорных стенок конструкций в значительной степени зависит безопасность эксплуатации всего сооружения.
Наиболее широко для контроля абсолютного углового положения применяются жидкостные электроизмерительные устройства [1, 2], главным недостатком которых является подверженность электромагнитным помехам и агрессивному воздействию внешней среды, что существенно ограничивает область их применения.
Известен угломер [3]. В нижней части резервуара, частично наполненного электропроводящей жидкостью, нанесены электроды, расположенные параллельно к оси наклона датчика. При подаче переменного напряжения на два электрода возникает рассеянное поле. Снижение уровня жидкости, возникающее при наклоне датчика, вызывает "стягивание" (редуцирование) этого поля. Это, в свою очередь, вызывает пропорциональное уровню жидкости изменение электрического сопротивления электролита, обладающего постоянным электропроводящим свойством. Расположив в нижней части в правой и левой половине резервуара две пары электродов, предоставляется возможным, благодаря известному дифференциальному принципу измерения, обеспечивать на выходе датчика знакозависимый сигнал пропорциональный углу наклона.
Недостатком такого угломера является отсутствие адаптивности - способности в автоматическом режиме подстраиваться под изменяющиеся условия внешней среды или нестабильность параметров самой измерительной системы, а также его подверженность электромагнитным помехам и ограничения по возможности дистанционных измерений.
Известен также адаптивный волоконно-оптический преобразователь абсолютного углового положения и азимутального направления наклона [4], содержащий герметичную емкость, заполненную на 2/3 вязкой жидкостью и со встроенными излучающим и тремя приемным световодами, расположенными под углом 120° вокруг излучающего световода, фотоприемник, селективный усилитель, индикатор, АЦП и ПК. Излучающий световод соединен с источником излучения, подключенным к генератору. Приемные световоды соединены с входами фотоприемников, выходы которых соединены с входом селективного усилителя, первый выход которого соединен с входом АЦП, который подключен к ПК. Второй выход селективного усилителя соединен с входом индикатора. Герметичная емкость выполнена в виде полого цилиндра.
Данное техническое решение по своему функциональному назначению и по своей технической сущности является наиболее близким к заявляемому и принято за прототип.
Недостатком известного преобразователя является некоторая погрешность измерения, связанная с формой герметичной емкости, выполненной в виде полого цилиндра. При наклоне измерительного преобразователя изменяется угол между внутренней стенкой емкости и поверхностью жидкости, что приводит к изменению условий взаимодействия между жидкостью и материалом внутренней поверхности емкости, тем самым, обуславливая нестабильность результатов измерения абсолютного угла наклона.
В основу полезной модели положена задача создания такого адаптивного волоконно-оптического измерительного преобразователя
абсолютного углового положения (т.е. угла отклонения от вертикали и азимутального направления наклона), который позволяет обеспечить постоянный угол между поверхностью жидкости и внутренней стенкой содержащей ее емкости.
Поставленная задача решается тем, что в адаптивном волоконно-оптическом измерительном преобразователе абсолютного углового положения, содержащем герметичную емкость, заполненную вязкой жидкостью, со встроенными излучающим и тремя приемными световодами, расположенными под углом 120° вокруг излучающего световода, излучающий световод, который соединен с источником излучения, подключенным к генератору, фотоприемник, селективный усилитель, индикатор, АЦП и ПК, при этом приемные световоды соединены с входами фотоприемников, выходы которых соединены со входами селективного усилителя, первый выход которого соединен с входом АЦП, выход которого соединен с ПК, второй выход селективного усилителя соединен со входом индикатора, корпус герметичной емкости выполнен в виде сферы.
В заявленном адаптивном волоконно-оптическом измерительном преобразователе абсолютного углового положения общими признаками для него и для его прототипа являются:
- герметичная емкость, заполненная вязкой жидкостью, со встроенными в нее излучающим и тремя приемными световодами, расположенными под углом 120° вокруг излучающего световода;
- излучающий световод соединен с источником излучения, подключенным к генератору;
- фотоприемники;
- селективный усилитель;
- индикатор, АЦП и ПК;
- приемные световоды соединены с входами фотоприемников, выходы которых соединены со входами селективного усилителя, первый выход
которого соединен с входом АЦП, выход которого соединен с ПК, второй выход селективного усилителя соединен со входом индикатора.
Сопоставительный анализ заявляемого технического решения и прототипа показывает, что первое имеет в отличие от прототипа следующие существенные признаки:
- корпус герметичной емкости выполнен в виде сферы.
Совокупность существенных признаков заявленной полезной модели имеет причинно-следственную связь с достигаемым техническим результатом.
Сущность технического решения поясняется чертежами, где: на фиг.1 представлена структурная схема адаптивного волоконно-оптического измерительного преобразователя абсолютного углового положения φ и азимутального направления наклона ; на фиг.2 - расположение ВС в корпусе измерительного преобразователя; на фиг.3 - зависимость интенсивности выходных оптических сигналов измерительного преобразователя абсолютного углового положения от угла наклона ИП в двух взаимно перпендикулярных плоскостях; на фиг.4 - определение положения максимума интенсивности отраженного светового потока.
На чертежах обозначены:
1 - емкость;
2 - вязкая жидкость;
3 - излучающий волоконный световод;
4 - приемные волоконные световоды;
5 - источник излучения;
6 - генератор;
7 - фотоприемник;
8 - селективный усилитель;
9 - индикатор;
10 - аналого-цифровой преобразователь;
11 - персональный компьютер.
В герметичный корпус емкости 1, заполненной на 2/3 вязкой жидкостью 2, встроены излучающий 3 и три приемных 4 волоконные световоды (ВС). Приемные волоконные световоды расположены под углом 120° вокруг излучающего световода. Излучаемый ВС 3 световой пучок отражается от границы раздела жидкость-воздух и попадает на торцы приемных ВС 4. В результате наклон корпуса преобразователя приводит к перемещению отраженного светового пучка, и, как следствие, к изменению интенсивности излучения вводимого в приемные световоды 4, что регистрируется фотоприемниками 7 на выходе измерительного преобразователя.
Сравнивая выходные сигналы трех приемных ВС, можно определить координаты максимума распределения интенсивности отраженного светового потока в плоскости регистрации и найти искомые величины направления и амплитуды наклона:
0
0
где x, y - координаты максимума распределения интенсивности отраженного светового потока в плоскости регистрации, являющиеся корнями следующей системы уравнений:
1
2
3
1
2
3
1
2
3
где X, Х, Х, у, у, У - координаты торцов приемных ВС в плоскости регистрации,  - расстояния между максимумом распределения интенсивности отраженного светового потока и торцами соответствующих приемных световодов (фиг.4), I, I, I - интенсивности выходных оптических сигналов соответственно первого, второго и третьего приемных ВС,  - максимальные
интенсивности выходных оптических сигналов соответствующих приемных ВС.
1
2
3
Решение системы уравнений (2) представляет собой координаты единственной точки пересечения трех окружностей, с радиусами R, R, Р и с центрами в точках расположения торцов приемных ВС. Эта точка определяет положение максимума интенсивности распределения светового поля в плоскости регистрации, а следовательно, и абсолютное угловое положение ЧЭ.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Наличие трех измерительных каналов позволяет также реализовать возможность метрологического самоконтроля и самокоррекции ИП, позволяющих производить измерения в условиях шумов и нестабильности параметров самого измерительного преобразователя. Шумы, возникающие в процессе измерения интенсивностей I, I, I, приводят к флуктуациям при определении радиусов R, R, R, поэтому, единой точки пересечения окружностей с такими радиусами может не быть (фиг.4). Система (2) в этом случае становится некорректной и не имеет точного решения. В качестве приближенного решения системы (2), минимизирующего влияние погрешности измерений, целесообразно выбрать координаты точки , являющейся точкой пересечения окружностей с радиусами R', R', R', которые в минимальной степени отличались бы от соответствующих измеренных значений R, R, R (фиг.4).
С целью нахождения такой точки был разработан вычислительный алгоритм, в котором координаты точки  находились в ходе итерационного процесса из условия минимизации величины
m
0
Данный алгоритм позволяет также скомпенсировать дополнительную погрешность измерений, связанную с изменением амплитуды I или радиуса r распределения интенсивности отраженного светового в плоскости регистрации, что также увеличивает величину рассогласования δ, и может быть вызвано температурным изменением уровня жидкости, старением источника излучения, изменением
m
0
m
0
оптических свойств жидкости и т.п. В этом случае метрологическая самокоррекция ИП производится путем итерационного подбора поправочных коэффициентов для I и r из условия минимизации величины δ, компенсирующих рассогласование между исходными и изменившимися значениями I и r, а следовательно, и погрешность измерений, связанную с этим изменением. Таким образом, становится возможным зарегистрировать угол отклонения от вертикали и азимутальное направление наклона в условиях температурных перепадов, нестабильности мощности источника излучения, изменения оптических свойств жидкости и прочих факторов, влияющих на мощность отраженного от границы раздела сред светового потока и радиус распределения его интенсивности в плоскости регистрации. Полученное в результате процесса минимизации значение 8 служит для оценки погрешности измерения.
В результате экспериментов достигнуты следующие измерительные характеристики чувствительного элемента: пороговая чувствительность по углу отклонения по вертикали - 0,005°, точность регистрации азимутального направления наклона, определяемая уровнем шумов измерительной системы - 5°, динамический диапазон - 50 дБ, пределы измеряемых углов от -10° до 10° независимо от направления наклона. Нестабильность измерительных параметров ИП не превышает 0.2% при изменении мощности источника на 10%.
Вследствие сферической формы корпуса измерительного преобразователя между поверхностью жидкости и внутренними стенками корпуса сохраняется постоянный угол, что обеспечивает стабильность результатов измерений во всем диапазоне измеряемых углов.
Таким образом, разработан, теоретически и экспериментально исследован волоконно-оптический измерительный преобразователь абсолютного угла наклона. Высокая чувствительность и стабильность чувствительного элемента позволяют применять его для прецизионных дистанционных измерений абсолютного углового положения элементов
строительных сооружений, гидротехнических конструкций, а также широкого круга конструкционных узлов машин и механизмов.
Источники, принятые во внимание:
1. Kibrick R., Robinson L., Cowley D. // Proc. SPIE. - 1995. - V. 2479. - P. 341.
2. Puccio M. R. // Sensors Magazine. - 2004. - V. 21. - Р. 64.
3. http://www.megasensor.com/product_info.php /products_id/22
4. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Дышлюк А.В. // Измерительная техника. - 2006. №4. - С.41-45 (Принято за прототип).