ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, а именно к волоконной оптике и предназначена для измерения перемещений, деформаций линейных или на плоскости. Полезная модель может быть использована для непрерывного неразрушающего контроля, оценки и прогнозирования технического состояния конструкции и инженерных сооружений, например, потенциально-опасных участков трубопроводов, в течение всего периода их эксплуатации.
воп2
воп1
Известен бесконтактный датчик перемещений, состоящий из управляемого излучателя, оптической схемы, светоделителя и фотоприемника, волоконно-оптический преобразователь (ВОП), имеющий подводящий световод и два собирающих световода, два фотоприемника, оптически связанных с собирающими световодами ВОП, измерительный канал, состоящий из генератора, управляемого напряжением (ГУН), стробируемого ГУН, тактового генератора, элемента совпадения, двух электронных ключей, счетчиков: Патент РФ №2156435. Особенность устройства заключается в том, что используется волоконно-оптический преобразователь с двумя плечами на основе одного подводящего и двух собирающих световодов, коэффициент преобразования которых, находится в следующем соотношении: К=0,9 К=0,1. Сложность конструкции оптической части, а также системы обработки снижает надежность и, следовательно, продолжительность срока эксплуатации.
Известен волоконно-оптический датчик, содержащий излучающий и два приемных световода, неравноудаленных от контролируемой поверхности, источник излучения, измерительный мост, в плечи которого включены два резистора и фотодиоды в качестве фотоприемников, соединенные по схеме с общим анодом, источник питания, четыре устройства выборки-хранения,
коммутатор, аналого-цифровой преобразователь и вычислительное устройство: Патент РФ №2292525. Применение отражающих поверхностей, усложняет требования по установке, эксплуатации данного устройства, особенно в трудно доступных местах.
Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству является оптоэлектронный преобразователь перемещений, выполненный из двух пространственно разнесенных частей: Первичного преобразователя, состоящего из источника оптического излучения, диафрагмы, механизма перемещения с фотопреобразователем, имеющим светочувствительные площадки, и вторичного преобразователя, содержащего коммутатор, аналого-цифрового преобразователь, процессор, интерфейс, сумматор, стабилизатор оптической мощности: Патент РФ №2219493. Этот преобразователь имеет существенный недостаток, обусловленный трудностью разделения первичного и вторичного преобразователей, из-за наводок, вызванных внешними электромагнитными полями.
Технической задачей заявляемой полезной модели является разработка надежного, простого волоконно-оптического преобразователя перемещений с продолжительным сроком службы, с возможностью установки в труднодоступных местах.
Для решения технической задачи предлагается волоконно-оптический преобразователь перемещений, состоящий из первичного оптического преобразователей перемещения и вторичного оптоэлектронного преобразователя перемещений. Первичный оптический преобразователь перемещений содержит оптический разъем, излучающее оптическое волокно, на выходе которого расположен фокон, находящийся на механизме перемещения, неподвижные приемные оптические каналы с приемными оптическими волокнами, на входе которых находятся фоконы, а на выходе приемных оптических волокон расположены оптические разъемы. Вторичный оптоэлектронный преобразователь содержит фотоприемные устройства, которые своими выходами электрически соединены с входами
коммутатора, выход которого подключен к усилителю, последовательно соединенному с аналого-цифровым преобразователем, процессором и интерфейсом. Выходы фотоприемных устройств соединены через сумматор со стабилизатором оптической мощности, к которому подключен источник оптического излучения. Количество входов коммутатора и входов сумматора соответствует числу приемных оптических каналов. Преобразователи перемещения: первичный оптический преобразователь и вторичный оптоэлектронный преобразователь соединены с помощью оптического разъема, согласованного с излучающим оптическим волокном и источником оптического излучения, и оптическими разъемами на выходах приемных оптических волокон, согласованных с фотоприемными устройствами.
Механизм перемещения, находящийся в первичном оптическом преобразователе перемещений может быть выполнен двухкоординатным или однокоординатным. При выполнении его двухкоординатным число приемных оптических каналов четыре, а при выполнении его однокоординатным два. Соответственно коммутатор имеет четыре входа или два входа.
На фиг.1 изображена схема двухкоординатного волоконно-оптического преобразователя перемещений; на фиг.2 - схема однокоординатного волоконно-оптического преобразователя перемещений.
Волоконно-оптический двухкоординатный преобразователь перемещений содержит источник оптического излучения 1, который с помощью оптического разъема 2 согласован с излучающим оптическим волокном 3, на выходе которого расположен фокон 4, находящийся на двухкоординатном механизме перемещения 5, неподвижные приемные оптические каналы а, b, с, d, с приемными оптическими волокнами 6, на входе которых находятся фоконы 7, а выходы приемных оптических волокон согласованы с помощью оптических разъемов 8 с фотоприемными устройствами 9. Фотоприемные устройства 9 своими выходами электрически соединены с входами
коммутатора 10, выход которого подключен к усилителю 11, последовательно соединенному с аналого-цифровым преобразователем 12, процессором 13 и интерфейсом 14. Выходы фото приемных устройств 9 соединены через сумматор 15 со стабилизатором оптической мощности 16, к которому подключен источник оптического излучения 1. Количество входов коммутатора 10 и входов сумматора 15 соответствует числу приемных оптических каналов а, b, с, d. Оптический разъем 2, излучающие оптическое волокно 3, фокон 4, двухкоординатный механизм перемещения 5, приемные оптические волокна 6, волоконно-оптические градиентные четвертьволновые линзы 7, оптические разъемы 8 образуют первичный оптический преобразователь перемещений 17, который своим входом через оптический разъем 2, соединен с источником оптического излучения 1, а выходами через оптические разъемы 8, с фотоприемными устройствами 9. Фотоприемные устройства 9, коммутатор 10, усилитель 11, аналого-цифровой преобразователем 12, процессор 13, интерфейс 14, сумматор 15, стабилизатор оптической мощности 16, а также источник оптического излучения 1 образуют вторичный оптоэлектронный преобразователь 18.
Устройство работает следующим образом.
1
a
b
c
d
a
b
c
d
Свет от источника оптического излучения 1, пройдя оптический разъем 2, излучающее оптическое волокно 3 и фокон 4, расположенную на двухкоординатном механизме перемещения 5, образует на приемных торцах фоконов 7 приемных оптических каналов а, b, с, d круглое подвижное световое пятно с центром в точке O и диаметром равным диаметру выходного торца фокона 4. Расположение входных торцов фоконов 7 приемных оптических каналов a, b, c, d показано на сечение А-А, фиг.1. Свет, пройдя по приемным оптическим волокнам 6 приемных оптических каналов a, b, c, d через оптические разъемы 8 попадает на фотоприемные устройствах 9, где преобразуется в электрические сигналы F, F, F, F соответственно. Далее сигналы F, F, F, F поступают на входы коммутатора 10. С выхода коммутатора 10 сигнал поступает на усилитель
x
y
11. После усиления на блоке 11, сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь 12 и в преобразованном цифровом виде, поступает на процессор 13. Процессор 13 выполняет вычисления параметров t и t по формулам:
x
y
1
1
x
0x
1x
2х
После определения параметров t и t процессор 13 вычисляет координаты X и Y смещения центра светового пятна O относительно системы координат XOY, связанной с градиентными четвертьволновых линзами 7. Абсцисса Х центра O светового пятна определяется нечетной статической характеристикой преобразования f(t) в виде полинома, степень которого определяется в зависимости от остаточной суммы квадратов аппроксимации с постоянными коэффициентами а, a, a, ...
1
y
0y
1y
2y
Аналогично определяется ордината Y центра O светового пятна нечетной статической характеристикой преобразования f(t) в виде полинома, степень которого определяется в зависимости от остаточной суммы квадратов аппроксимации с постоянными коэффициентами а, a, а, ...
0
1
2
3
Значения постоянных коэффициентов а, a, а, а... для каждой координаты и их количество определяются экспериментально на этапе калибровки и метрологической аттестации устройства по ГОСТ 8.508-84. «Метрологические характеристики средств измерений и точностные
a
b
c
d
характеристики средств автоматизации ГСП.» Результат, вычисленный процессором, поступает на интерфейс 14, предназначенный для передачи данных измерения в стандартном виде. Электрические сигналы F, F, F, F с фотоприемных устройств 9 поступают так же на сумматор 15, который с помощью стабилизатора оптической мощности 16 по сумме выходных сигналов фотоприемных устройств 9 поддерживает оптическую мощность источника оптического излучения 1 на постоянном уровне.
В качестве примера конкретного исполнения рассмотрим однокоординатный волоконно-оптический преобразователь перемещений (фиг.2).
a
b
a
b
x
Свет от источника оптического излучения 1, в качестве которого выбран передающий модуль ТИМ-850, работающий в непрерывном режиме на длине волны света 850 нм., пройдя оптический разъем 2, излучающее оптическое волокно 3 со ступенчатым профилем показателя преломления и диаметром сердцевины 50 мкм. длиной 20 м., с помощью фокона с диаметром выхода 1,8 мм., образует на торцах пары таких же фоконов 7, подвижное световое пятно, изображенное на сечении В-В фиг.2. Перемещение фокона 4 вдоль оси ОХ осуществляется с помощью механизма перемещения 5, установленного на микрометрическом столике с точностью перемещения 1 мкм. Свет от фоконов 7, пройдя приемные оптические волокна 6 приемных оптических каналов а, b, через оптические разъемы 8, попадает на фотоприемные устройства 9. В качестве фотоприемных устройств 9 использованы фотодиоды ТМС 8D31-000, с которых снимаются сигналы F и F. Сигналы F и F после коммутации на блоке 10 и усиления на блоке 11 поступают на аналого-цифровой преобразователь 12 и приобретя цифровой вид, поступает на процессор 13. Процессор 13 выполняет вычисление параметра t по формуле:
x
1
После определения t процессор 13 вычисляет координату Х смещения центра светового пятна O относительно начала координат О оси ОХ по статической характеристике преобразования:
1
2
x
ап
ап
д
д
a
b
2
где a=0,46429 мм а=0,40771 мм - коэффициенты определенные методом аппроксимации экспериментальных данных на этапе калибровки и метрологической аттестации по ГОСТ 8.508-84. Статическая характеристика преобразования X=f(t} определяется методом аппроксимации при значениях перемещения -0,6; -04; -0,2; 0; 0,2; 0,4; 0,6 мм (.) в виде полинома третьей степени. Степень полинома определяется в зависимости от остаточной суммы квадратов аппроксимации. Полином считают достаточным для аппроксимации данной статической характеристики, если его остаточная сумма квадратов σ  удовлетворяет условию 3σ<0,2Δ, где Δ=0,5% - предел допускаемого значения погрешности. Результат, вычисленный процессором 13, поступает на интерфейс 14 - RS-485, предназначенный для передачи данных измерения в стандартном виде. Сигналы с фотоприемных устройств 9 приемных оптических каналов a, b поступают так же на сумматор 15, который с помощью стабилизатора оптической мощности 16 по сумме выходных сигналов F+F фотоприемных устройств 9 поддерживает оптическую мощность источника оптического излучения 1 на постоянном уровне. Оптический разъем 2, излучающее оптическое волокно 3 и фокон 4, механизм перемещения 5, а так же приемные оптические волокна 6, фоконы 7 и оптические разъемы 8 образуют первичный оптический преобразователь перемещений 17. Фотоприемные устройства 9, блок коммутации 10, усилитель 11, аналого-цифровой преобразователь 12, процессор 13, интерфейс 14, сумматор 15, стабилизатор оптической мощности 16, а так же
источник оптического излучения 1 образуют вторичный оптоэлектронный преобразователь 18.
1
2
Применение только двух коэффициентов a и а в статической характеристике преобразования, позволяет определять перемещение в диапазоне от -0,6 мм до +0,6 мм с основной погрешностью не более 0,5% от всего диапазона измерения перемещения X.
Первичный оптический преобразователь заявляемого волоконно-оптического преобразователя перемещений не подвержен воздействию электромагнитных полей, не требует применения мер по помехозащищенности, взрывобезопасности и грозозащите. Кроме того, первичный оптический преобразователь 17, изготовленный на основе стандартизованных компонент волоконно-оптической техники: волоконно-оптических кабелей с необходимой степенью защиты, фоконов, имеющих срок службы до 25 лет, будет обладать высокой надежностью и продолжительным сроком службы. Применение оптических разъемов, позволяющих отсоединять вторичный оптоэлектронный преобразователь 18 от первичного оптического преобразователя перемещений 17, позволит проводить с вторичным оптоэлектроным преобразователем перемещений 18 работы по его настройке, калибровке, поверке, ремонту или полной его замене. Все это позволяет повысить качество эксплуатации.