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 решение является «Устройство измерения линейных перемещений объектов с плоской зеркально-отражающей поверхностью», содержащее центральный световод, периферийные отводящие волоконные световоды, коллимационное устройство, расположенное между источником измерения и центральным волоконным световодом, фотоприемник, оптически связанный с периферийными световодами (см. патент РФ на ПМ №78946, класс G01N 21/55).
К недостаткам аналога следует отнести следующее:
- центральный световод, выполненный в виде спаренного световода, вносит неинформативные потери на участке разветвителя;
- наличие в схеме одного центрального и n периферийных световодов сопряжено с необходимостью введения n+1 фотоприемника, что вносит жесткие требования по обеспечению их идентичности и стабилизации условий измерений;
- в алгоритме функциональной зависимости между входными и выходными сигналами в каждой паре фотоприемников, сопряженных с периферийными световодами, используется только часть энергии источника излучения (а именно 1/6), что обуславливает низкую чувствительность и глубину модуляции измерений;
- низкая точность измерений, обусловленная неоднородностью отраженного от зеркально-отражающей поверхности (ЗП) пучка света (в сечении), зависящей от расстояния между торцами световодов (центрального и периферийных) и ЗП;
- оптические потери, вносимые элементами датчика (например, в узлах сопряжения с n+1 фотоприемником).
Цель настоящего технического решения заключается в повышении чувствительности и глубины модуляции до максимально возможных значений для данного класса (типа) датчиков, а также в увеличении диапазона измерений и их точности при упрощении конструкции.
NA
0
кр
кр
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в устройстве измерения линейных перемещений объектов с плоской зеркально-отражающей поверхностью, содержащем центральный световод, периферийные отводящие волоконные световоды с одинаковым апертурным углом Θ, коллимационное устройство, расположенное между источником излучения и центральным световодом, центральный и периферийные световоды образуют волоконно-оптический кабель (ВОК), содержащий подводящие оптические волокна (ПОВ), сопряженные с источником излучения, и отводящие оптические волокна (ООВ), сопряженные с одним фотоприемником, при этом зеркально-отражающая поверхность расположена от торца ВОК на расстоянии Х>τ, где τ - дистанция формирования пучка, а численное соотношение ПОВ и ООВ в ВОК равно 3:4.
На фиг.1 представлено устройство, вид сверху, то есть взаимное расположение ПОВ 1, 2, 3 и ООВ 4, 5, 6, 7 на торце ВОК, определяющих конструкцию и метрологические характеристики предлагаемого датчика линейных перемещений отражательного типа. На фиг.2 представлена функциональная схема устройства. Согласно фиг.2, с одного конца ВОК 8 оптические волокна объединены в один общий жгут, который располагается в зоне измерений напротив отражающей поверхности 9, изменяющей свое положение вследствие измеряемых перемещений. С противоположной стороны оптические волокна разделены на два жгута, один из которых образует ПОВ 10, а другой ООВ 11, торцы которых соединены с источником излучения ИИ 12 и фотоприемником ФП 13 соответственно.
Рассмотрение различных возможных вариантов размещения ПОВ и ООВ (1:6, 4:3, 3:4 и др.) показало, что предлагаемое расположение волокон в общем торце ВОК 8 (3:4) обеспечивает максимальную чувствительность преобразователя и выходную мощность оптического сигнала, так как только в этом случае каждое из излучающих волокон дает максимальный вклад в оптическую мощность на входе фотоприемника 13.
Предпочтительность предлагаемой схемы следует также из рассмотрения конструктивных особенностей узлов стыковки источника излучения 12 с ПОВ и ООВ с фотоприемником. Предлагаемое расположение ПОВ и ООВ (3:4) минимизирует потери при сопряжении ИИ и ПОВ. Кроме того, в этом случае облегчается настройка по уровню выходного сигнала при угловом рассогласовании диаграммы направленности ИИ с торцом ПОВ. Взаимное расположение ООВ в жгуте со стороны ФП практически не влияет на метрологические характеристики, так как приемная площадь ФП превышает суммарную площадь жгута оптических волокон в любом их сочетании.
0
i
кр
Большое практическое значение имеет модулирующее устройство - зеркально-отражающая поверхность ЗП 9. При этом определяющим является обоснованный выбор начального расстояния Х между ЗП 9 и торцом ВОК 8, на изменение которого реагирует датчик. Оно определяется следующим образом. Определено, что распределение интенсивности светового пучка от источника излучения в разных его сечениях будет меняться в зависимости от расстояния X от торца ВОК до ЗП. А именно, распределение интенсивности в заданном сечении аппроксимируется ступенчатой функцией, описывающей максимум интенсивности освещенности в центре светового «пятна» и более слабую освещенность по краям от «пятна». При этом, при некотором расстоянии τ, которое называется дистанцией формирования пучка, яркое «пятно» исчезает, и освещенная зона представляет собой кольцо.
Таким образом, в зоне измерений имеются сечения, где освещенность резко уменьшается в направлении от оптической оси к периферии, и сечения, где распределение интенсивности пучка света в освещенной зоне равномерно.
Отсюда следует, что для того, чтобы поведение функции преобразования, то есть модуляционной функции было прогнозируемо и позволяло однозначно определять ее значение, моделирующее устройство (зеркально-отражающая поверхность), должно быть расположено в плоскости, где распределение освещенности по сечению, перпендикулярному оптической оси преобразователя, равномерно.
0
кр
i
Таким образом, местоположение данной плоскости выбирается из условия Х>τ на основе математической модели распределения передаваемой мощности излучения в зависимости от X и внешнего радиуса кольца освещенной зоны.
Устройство работает следующим образом.
0
кр
Сформированный коллимационным устройством 14 пучок света от источника излучения 12 через ПОВ 10 попадает на зеркальную отражающую поверхность 9, которая расположена параллельно торцевой грани кабеля на заданном расстоянии Х>τ.
Световой поток, отражаясь от ЗП 9, попадает в ООВ, по которым оптическое излучение поступает на ФП 13. Модуляция интенсивности светового потока при помощи ЗП происходит следующим образом.
NA
Лучи света от ПОВ проходят до ЗП, отражаются от нее в направлении ООВ под апертурным углом Θ к оптической оси волокна. При этом в плоскости ООВ наблюдается освещенная кольцевая зона, внешний радиус которой
np
При перемещении ЗП вдоль оси X изменяется положение кольцевой зоны отраженного пучка света относительно ООВ в направлении Z, перпендикулярном X, что приводит к изменению площади S приемных торцов ООВ, освещенных отраженным от ЗП световым потоком.
Функция преобразования имеет вид:
,
ис
где К - коэффициент передачи тракта «источник излучения - ПОВ»,
сn
К - коэффициент передачи тракта «ООВ - фотоприемник»,
К(х) - коэффициент преобразования тракта «ПОВ-ЗП-ООВ»,
0
Ф - световой поток, введенный в зону измерений от источника излучения 12.
ис
сn
Значение коэффициентов К, К зависят от типа выбранных источника и фотоприемника, вида, количества и взаимного расположения оптических волокон в рабочих торцах ВОК:
Коэффициент преобразования К(х) определяется индивидуально для каждого управляющего элемента с помощью положений геометрической и волновой оптики с учетом функции распределения светового потока.
Применительно к данной схеме
,
1
где К - коэффициент, характеризующий распределение освещенности в зоне измерения;
2
К(х) - передаточная функция тракта «ПОВ-ЗП-ООВ», которая имеет вид
,
где ρ - коэффициент отражения ЗП 9,
np
ΣS - суммарная освещенная площадь торцов ООВ,
к
S - площадь кольцевой зоны в плоскости приемных торцов ООВ
,
с
где r - радиус сердцевины световода.
Окончательно для функции преобразования получим выражение:
.
np
к
np
к
Таким образом, функция преобразования определяется двумя параметрами S и S, при этом S определяется конструктивными параметрами датчика, a S - оптическими параметрами оптической системы.
Отсюда следует, что вид функции преобразования в общем случае зависит от следующих исходных данных:
NA
- числовой апертуры световода Θ;
- расстояния Д между ПОВ и ООВ;
с
- радиуса сердцевины ООВ r;
- числа и расположения ПОВ и ООВ в ВОК.
i
Очевидно, что при заданных значениях исходных данных, основным параметром, определяющим изменение интенсивности светового потока на выходе ООВ в процессе измерений, является переменное расстояние X между ЗП и общим торцом ВОК, определяемое как
,
где δ - измеряемое перемещение.
np
к
Под действием перемещений ЗП в направлении X изменяется положение кольцевой зоны относительно ООВ в направлении Z, перпендикулярном X, что приводит к изменению площади S приемных торцов ООВ, освещенной отраженным от ЗП световым потоком, и площади самой кольцевой зоны S, фиксируемой на торце ВОК.
Зависимость фототока Y от X, в этом случае представлена на фиг.3.
i
m
Для малых δ кривая имеет нелинейную зависимость. При увеличении расстояния X поток излучения, заключенный в конусе апертуры ПОВ, падает на большую площадь ЗП, и, по сути, эта площадка становится «источником» вторичного светового потока, который возвращается к ООВ. С увеличением площади отраженного «пятна» наблюдается резкий рост принимаемого светового потока и фототок возрастает. Вблизи максимума Х выходной сигнал практически не зависит от расстояния до ЗП.
0
Поэтому рабочая точка X (начало отсчета) выбирается на восходящем или нисходящем участках кривой. При этом представляется возможным выбрать тот участок кривой (а, б), который обладает наибольшей крутизной и линейностью, исходя из условия dФ/dδ=max.
0
0
Тогда значение Х, соответствующее данному условию, принимается за начало отсчета, то есть ЗП устанавливается относительно торцевой грани ВОК на расстоянии Х (например, относительно точки с).
0
Эксперименты показали, что данная конструкция датчика линейных перемещений обладает высокой чувствительностью. Так, изменение расстояния Х на доли миллиметра ведет к изменению чувствительности в два и более раза, при этом реализуются условия конструктивной унификации датчиков данного типа по их основным параметрам, а также по числу и взаимному расположению ПОВ и ООВ.
Таким образом, обоснованный выбор конструктивных параметров устройства и оптимальных параметров оптической системы решает задачу достижения максимальной чувствительности и линейности функции преобразования для датчиков данного типа.
При этом, возможность размещения модулирующего устройства (зеркально-отражающей поверхности) в зоне измерений, где его освещенность однородная, повышает точность измерений, а уменьшение энергетических потерь расширяет диапазон измерений входных воздействий.