СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
METHOD TO MEASURE LINEAR MOVEMENTS

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения линейных перемещений.
Известен способ измерения линейных перемещений («Волоконно-оптические измерительные преобразователи скорости и давления», М., Энергоатомиздат, 1987 г., стр.15), заключающийся в том, что направляют излучение на объект, измеряют отраженный поток излучения и по величине этого потока судят о перемещении.
Недостатком данного способа является относительно низкая точность измерений и недостаточный диапазон измеряемых перемещений.
Известен также способ измерения линейных перемещений, реализуемый устройством, описанным в а.с. №1767327, МПК G01B 21/00, опубл. 07.10.1992 г. под названием «Оптический датчик перемещений», выбранный в качестве прототипа и включающий формирование подаваемого на поверхность исследуемого объекта потока светового излучения, регистрацию в фиксированной точке отраженного света, преобразование его в электрический сигнал, величину которого используют для определения расстояния от поверхности исследуемого объекта.
К недостаткам данного технического решения относится малый диапазон измеряемых перемещений, решения предназначены для измерения перемещений вблизи контролируемой поверхности, где амплитуда выходного сигнала с фотоприемника пропорциональна расстоянию до поверхности исследуемого объекта.
Целью изобретения является расширение диапазона измерений линейных перемещений.
Это достигается тем, что в способе измерения линейных перемещений, заключающемся в формировании подаваемого на поверхность исследуемого объекта потока светового излучения, регистрации в фиксированной точке отраженного света, преобразовании его в электрический сигнал, величину которого используют для определения перемещения контролируемой поверхности Δx, согласно изобретению это перемещение определяют по формуле:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>x</mi><mo>=</mo><msub><mi>x</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msubsup><mi>x</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup><mi>U</mi><mmultiscripts><mrow /><mprescripts /><mn>0</mn><none /></mmultiscripts></mrow><mi>U</mi></mfrac></mrow></msqrt><mtext>,  (1)</mtext></mrow>
0
где x - начальное расстояние от поверхности исследуемого объекта до фотоприемника;
0
0
U - амплитуда выходного сигнала с фотоприемника, соответствующая x;
U - амплитуда выходного сигнала с фотоприемника, соответствующая Δx.
Технический результат заключается в том, что удалось определить перемещение контролируемой поверхности в любой момент времени по выведенной формуле, для этого необходимо лишь измерить уровень выходного сигнала U с ФЭУ при помощи осциллографа, подав импульс с генератора на светодиод.
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».
Новые признаки (определение линейного перемещения, осуществляемое по формуле:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>x</mi><mo>=</mo><msub><mi>x</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msubsup><mi>x</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup><mi>U</mi><mmultiscripts><mrow /><mprescripts /><mn>0</mn><none /></mmultiscripts></mrow><mi>U</mi></mfrac></mrow></msqrt><mo>,</mo></mrow>
0
где x - начальное расстояние от поверхности исследуемого объекта до фотоприемника;
0
0
U - амплитуда выходного сигнала с фотоприемника, соответствующая x;
U - амплитуда выходного сигнала с фотоприемника, соответствующая Δx) не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
На фиг.1 представлена блок-схема устройства, с помощью которого реализуется данный способ;
На фиг.2 представлена общая зависимость напряжения с фотодетектора от расстояния до поверхности исследуемого объекта.
Предлагаемый способ измерения линейных перемещений осуществляется с помощью устройства, состоящего из источника излучения по импульсной схеме, включающей генератор импульсов 1 и импульсный светодиод 2, осветительный световод 3 и приемный световод 4, связанные с импульсным светодиодом 2 и фотоприемником 7, предназначенным для работы в импульсном режиме и имеющим широкий диапазон линейности световой характеристики в импульсе, поверхности исследуемого объекта 5, интерференционного светофильтра 6, фотоприемника 7 и регистрирующего устройства 8 (например, осциллограф).
Способ осуществляется с помощью описанного устройства следующим образом.
Прямоугольный электрический импульс с генератора импульсов 1 подается на импульсный светодиод 2. Излучение от светодиода 2 по осветительному световоду 3 подается для освещения поверхности исследуемого объекта 5. Отраженный от исследуемой поверхности 5 сигнал по приемному световоду 4 поступает на фотоприемник 7, электрический сигнал с которого регистрируется осциллографом 8. Форма зарегистрированного осциллографом 8 импульса также прямоугольная. Для уменьшения паразитирующего внешнего сигнала, поступающего на фотоприемник 7, в линию световода 4 может устанавливаться интерференционный светофильтр 6, максимум пропускания которого совпадает с длиной волны максимума излучения светодиода
Предполагается, что в процессе проведения измерений коэффициент отражения поверхности исследуемого объекта 5 не меняется. Общая зависимость напряжения с фотоприемника от расстояния до поверхности исследуемого объекта 5 имеет вид, показанный на фиг.2, здесь: OA - участок зависимости, на котором уровень сигнала пропорционален расстоянию до поверхности исследуемого объекта 5 - на данном участке работают рассмотренные аналоги; AB - участок зависимости с переходной характеристикой; BC - участок зависимости, на котором уровень сигнала обратно пропорционален квадрату расстояния до поверхности исследуемого объекта 5 - на данном участке работает описанное устройство для реализации способа.
Если рассматривать поверхность исследуемого объекта как вторичный излучатель, то в этом случае справедливо следующее соотношение:
<mrow><mi>Φ</mi><mo>=</mo><mi>τ</mi><mo>×</mo><mfrac><mrow><mi>L</mi><mo>×</mo><msub><mi>A</mi><mrow><mi>и</mi><mo>−</mo><mi>к</mi><mi>а</mi></mrow></msub><mo>×</mo><msub><mi>A</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext>                                                  (2)</mtext></mrow>
где Ф - поток, падающий на фотоприемник;
τ - коэффициент пропускания приемного волокна;
L - яркость источника излучения - поверхности исследуемого объекта;
и-ка
A - площадь источника излучения;
вх
A- площадь приемного световода;
x - расстояние от поверхности до приемного световода.
Яркость вторичного источника
<mrow><mi>L</mi><mo>=</mo><mi>E</mi><mo>×</mo><mi>k</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext>                                                                       (3)</mtext></mrow>
где E - освещенность зондируемого участка;
k - коэффициент, учитывающий закон излучения для поверхности [1/ср]. Так для источника, излучающего по закону Ламберта, k=1/π.
Освещенность заданного участка
<mrow><mi>Е</mi><mo>=</mo><msub><mi>Ф</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mi>А</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext>                                                                           (4)</mtext></mrow>
изл
где Ф - поток излучения на выходе осветительного световода - величина, зависящая в первом приближении только от мощности первичного излучателя и коэффициента пропускания осветительного световода;
и-ка
A - площадь освещаемой поверхности исследуемого объекта, в данном случае эта площадь равна площади вторичного источника излучения A=А.
Подстановка полученных данных в формулу (2) дает следующее выражение
<mrow><mi>Ф</mi><mo>=</mo><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>о</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mo>×</mo><mi>k</mi><mo>×</mo><mfrac><mrow><msub><mi>Ф</mi><mrow><mi>и</mi><mi>з</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>×</mo><msub><mi>А</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msup><mi>x</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext>                                                           (5)</mtext></mrow>
изл
вх
Из формулы (5) следует, что при постоянной мощности первичного излучателя Ф, неизменных параметрах оптической системы τ и А, а также при постоянных оптических характеристиках поверхности исследуемого объекта (коэффициент отражения ρ и коэффициент, учитывающий закон излучения k) поток, падающий на фотоприемник, зависит только от квадрата расстояния от излучателя до приемника.
2
В свою очередь, амплитуда выходного электрического сигнала с фотоприемника также обратно пропорциональна x (в области линейности световой характеристики фотоприемника), т.к. является реакцией фотоприемника на данный поток и зависит только от чувствительности приемника
<mrow><mi>U</mi><mo>=</mo><mi>Ф</mi><mo>×</mo><mi>S</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext>                                                                                (6)</mtext></mrow>
где Ф - поток, падающий на фотоприемник; S - чувствительность фотоприемника.
В случае линейного перемещения поверхности исследуемого объекта 5 в направлении, параллельном оптической оси системы, расстояние от поверхности исследуемого объекта 5 до торцов световодов 3 и 4 в каждый момент времени будет рассчитываться по формуле:
<mrow><mi>x</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msubsup><mi>x</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow><mrow><mi>Δ</mi><mi>U</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow></msqrt><mtext> </mtext><mtext>                                                                                     (7)</mtext><mtext>,</mtext></mrow>
0
0
0
где x - начальное расстояние от поверхности исследуемого объекта 5 до торцов световодов 3 и 4; ΔU=U/U - отношение амплитуд выходных сигналов с фотоприемника 7, соответствующих искомому и начальному моменту времени t.
Пройденное поверхностью исследуемого объекта 5 расстояние
<mrow><mi>Δ</mi><mi>x</mi><mo>=</mo><msub><mi>x</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><mi>x</mi><mo>=</mo><msub><mi>x</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msubsup><mi>x</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup><msub><mi>U</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mi>U</mi></mfrac></mrow></msqrt><mo>.</mo><mtext> </mtext><mtext>                                                  (8)</mtext></mrow>
0
0
0.
До проведения измерений при помощи измерительных средств (например, линейки, штангенциркуля, плиток) определяется начальное расстояние x от поверхности исследуемого объекта 5 до торцов приемного и осветительного световодов 3, 4. При помощи осциллографа 8 определяется уровень выходного сигнала U с ФЭУ 7, соответствующего данному расстоянию x
При проведении измерений в любой момент времени перемещение поверхности исследуемого объекта 5 может быть определено по формуле (1), необходимо лишь измерить уровень выходного сигнала U с ФЭУ 7 при помощи осциллографа 8, подав импульс с генератора 1 на светодиод 2.
Были проведены лабораторные исследования, показавшие работоспособность способа измерения линейных перемещений.
Состав лабораторной установки, представленной на фиг.1:
- генератор импульсов Tabor Electonics 8551, параметры импульса: U=3 B, τ=50 мкс;
max
λmax
- светодиод синий λ=450 нм, Ф=40 мВт;
a
- световоды кварц-полимерные, ⌀жилы=0,65 мм, N=0,3;
H
- ФЭУ СНФТ-3, линейность импульсной характеристики 1,5 А (R=75 Ом);
- осциллограф Tektronix TDS 2024.
Установка была собрана на стенде, имеющем независимую отсчетную шкалу в миллиметрах и позволяющем контролировать расстояние от поверхности исследуемого объекта 5 до торцов световодов 3 и 4.
Торцы осветительного и приемного световодов 3 и 4 были размещены на расстоянии от поверхности исследуемого объекта 5, равном 30 мм. В процессе исследований расстояние между световодами 3 и 4 и поверхностью исследуемого объекта 5 последовательно уменьшалось. При помощи шкалы измерялось расстояние от поверхности исследуемого объекта 5 до световодов 3 и 4. Соответствующий этому расстоянию уровень выходного напряжения с ФЭУ измерялся осциллографом 8.
Перемещение поверхности исследуемого объекта 5 Δx определялось двумя способами:
стенд
- при помощи шкалы, расположенной на стенде Δx;
расчет
- по формуле (1) Δx.
Рассчитывалась погрешность измерений Δ по формуле
<mrow><mi>Δ</mi><mo>=</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>x</mi><mrow><mi>с</mi><mi>т</mi><mi>е</mi><mi>н</mi><mi>д</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>x</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>с</mi><mi>ч</mi><mi>е</mi><mi>т</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>x</mi><mrow><mi>с</mi><mi>т</mi><mi>е</mi><mi>н</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>×</mo><mn>100</mn><mi>%</mi><mo>.</mo></mrow>
В области работы устройства (участок BC на фиг.2) отличия в измерении перемещений абсолютным методом (при помощи шкалы) от предложенного расчетного способа (по формуле (1)) не превышали 3%.
Заявляемый способ позволил добиться расширения диапазона измеряемых перемещений благодаря новому алгоритму расчетов и использованию импульсной системы измерений.
Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность осуществления способа измерения линейных перемещений и способность обеспечения достижения усматриваемого заявителем технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».