ДИСТАНЦИОННЫЙ ВИБРОДАТЧИК
REMOTE VIBRATION SENSOR

Изобретение относится к технике преобразования вибрационных сигналов и может быть использовано в технических системах обнаружения и контроля вибраций объектов.
Известен волоконно-оптический преобразователь (ВОП) рефлектометрического типа, содержащий излучатель, передающий и приемный световоды и фотоприемник. Принцип действия ВОП указанного типа основан на зависимости поступающего в приемный световод потока отраженного излучения от направления его распространения; изменяющегося под действием вибраций объекта контроля.
Недостатками ВОП являются небольшая дальность действия (3…5 мм, с оптической насадкой - 0,15…0,2 м) и невысокая чувствительность (Е.А. Зак. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией, Москва, Энергоатомиздат, 1989, с.13, 69, 115).
Известен оптический преобразователь, состоящий из излучателя и фотоприемника (Патент РФ на полезную модель №62319 от 27.03.2007 г.). По сравнению с ВОП дальность действия и чувствительность оптического преобразователя увеличены за счет исключения из его состава передающего и приемного световодов и применения в качестве излучателя источника с небольшим углом расходимости оптического луча.
Недостатком оптического преобразователя является существенное влияние на его выходной сигнал амплитудных шумов излучателей, в качестве которых, как правило, используются лазеры и светодиоды, что ограничивает чувствительность преобразователя (Е.А. Зак. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией, Москва, Энергоатомиздат, 1989, с.19-21).
Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является детектор слабых вибраций, содержащий источник излучения, оптическую систему, состоящую из двух линз и расположенного между ними под углом 45° к направлению распространения излучения источника полупрозрачного зеркала, двухэлементный фотоприемник, ориентированный на прием отраженного от полупрозрачного зеркала излучения, и вычитающее устройство, входы которого подключены к выходам элементов фотоприемника (JP 56111430 А, WWW.fips.ru, Esp@cenet). Достоинством детектора слабых вибраций является реализация дифференциального приема, обеспечивающего повышение его чувствительности по сравнению с одноэлементным преобразователем. Это обусловлено тем, что при линейном перемещении оптического луча вдоль линии, соединяющей центры элементов фотоприемника, облученность одного элемента возрастает, а другого - убывает. Поэтому в вычитающем устройстве полезные составляющие сигналов с выходов элементов фотоприемника складываются, а синфазные помехи (помеховая амплитудная модуляция излучения) вычитаются.
Недостатками детектора являются ограниченная чувствительность и дальность действия вследствие прохождения зондирующего и отраженного от контролируемого объекта излучения через оптическую систему. Это обусловлено следующими причинами. Во-первых, наличие полупрозрачного зеркала приводит к уменьшению мощности сигнала на входе фотоприемника в четыре раза, что при прочих равных условиях влечет за собой пропорциональное снижение чувствительности детектора. Во-вторых, внешняя линза оптической системы, расположенная между контролируемым объектом и полупрозрачным зеркалом, также способствует уменьшению чувствительности детектора, так как при прохождении через нее отраженного от объекта луча амплитуда его угловых и, соответственно, линейных колебаний относительно фотоприемника уменьшается. В третьих, для обеспечения максимальной для детектора данной конструкции чувствительности контролируемая поверхность должна находиться в фокусе внешней линзы конденсора. При изменении указанного расстояния относительно фокусного значительная часть отраженного излучения не попадает в фотоприемник, что приводит к уменьшению мощности принимаемого излучения и, соответственно, снижению чувствительности детектора. Поэтому дальность детектора слабых вибраций объектов соизмерима с фокусным расстоянием внешней линзы его оптической системы.
Технический результат, достигаемый в заявленном изобретении, заключается в повышении чувствительности и увеличении дальности действия аппаратуры для обнаружения и контроля вибраций объектов.
Указанный технический результат достигается тем, что в детектор слабых вибраций, содержащий источник излучения, двухэлементный фотоприемник и вычитающее устройство, входы которого соединены с выходами элементов фотоприемника, дополнительно введена оптическая фокусирующая система, расположенная перед источником излучения.
Изобретение поясняется фигурами 1 и 2, на которых проиллюстрирована зависимость освещенности фотоприемника в прототипе от положения контролируемой поверхности относительно фокуса внешней линзы оптической системы (фигура 1), а также состав и схема размещения элементов заявленного устройства при обнаружении и контроле вибраций контролируемой поверхности (фигура 2).
На фигуре 1(а) изображен ход падающих (сплошные линии) и отраженных (пунктирные линии) элементарных оптических лучей при нахождении контролируемой поверхности 1 в фокусе внешней линзы 2 оптической системы. Отраженный от поверхности 1 поток излучения, проходя через линзу 2, совпадает по направлению с падающим потоком и, отражаясь от полупрозрачного зеркала, поступает на фотоприемник 4. На фигуре 1(6) показано, что при увеличении расстояния до контролируемой поверхности значительная часть отраженного излучения не попадает в линзу 2. Согласно фигуре 1(в), при уменьшении расстояния до контролируемой поверхности отраженный от нее и прошедший через линзу 2 световой пучок имеет расходящийся характер, поэтому значительная его часть в фотоприемник также не попадает.
На фигуре 2 представлен дистанционный вибродатчик, содержащий двухэлементный фотоприемник 4, источник излучения 5, оптическую фокусирующую систему 6, расположенную перед источником излучения, и вычитающее устройство 7, входы которого соединены с выходами элементов фотоприемника, а выход является выходом вибродатчика.
Источник излучения 5 с оптической фокусирующей системой 6 и фотоприемник 4 располагают на некотором расстоянии от контролируемой поверхности 1 в пределах дальности действия преобразователя и ориентируют в пространстве таким образом, чтобы оптический луч 8, отражаясь от зеркально отражающей поверхности 1, перекрывал одновременно оба элемента фотоприемника 4. Если пренебречь потерями в среде распространения, световой поток на входе фотоприемника равен произведению мощности зондирующего излучения на коэффициент отражения контролируемой поверхности и при одинаковой мощности источника излучения в четыре раза больше потока излучения на входе фотоприемника прототипа за счет отсутствия полупрозрачного зеркала 3 (фиг.1). В результате примерно во столько же раз повышается чувствительность заявленного устройства по сравнению с прототипом.
Входным сигналом для фотоприемника 4 является линейное перемещение оптического луча 8 относительно элементов фотоприемника, возникающее при угловых (пространственных) колебаниях контролируемой поверхности. При уменьшении поперечных размеров оптического луча в месте приема при неизменной амплитуде его линейных перемещений увеличивается амплитуда сигнала на выходе элементов фотоприемника за счет увеличения доли перемещаемой относительно них мощности излучения. Для минимизации поперечных размеров отраженного луча в месте приема предназначена оптическая фокусирующая система 6, в качестве которой могут использоваться, например, линзы или квазителескопические оптические системы (Ю.М.Климков. Основы расчета оптико-электронных приборов с лазерами. - М.: Сов. радио, 1978, с.91). В результате увеличивается чувствительность дистанционного вибродатчика по сравнению с прототипом, так как, во-первых, внешняя линза 2 в прототипе не предназначена для фокусировки излучения на фотоприемнике, во-вторых, линза, установленная перед фотоприемником, уменьшает амплитуду линейных перемещений относительно него отраженного луча.
Дальность действия предлагаемого устройства определяется возможностями фокусирующей системы по формированию поперечных размеров оптического луча в месте приема, соизмеримых с размерами чувствительных элементов фотоприемника. При использовании квазителескопических систем фокусирование (концентрация) излучения обеспечивается на сравнительно больших расстояниях (Ю.М.Климков. Основы расчета оптико-электронных приборов с лазерами. - М.: Сов. радио, 1978, с.91). Кроме того, с учетом малости угловых колебаний луча 8 его линейные перемещения относительно элементов фотоприемника 4 пропорциональны расстоянию между контролируемой поверхностью и фотоприемником. Оба фактора способствуют увеличению дальности действия предлагаемого устройства относительно прототипа.