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.. Сущность решения: Предложено конструктивное решение устройства измерения линейных перемещений объектов с плоской зеркально-отражающей поверхностью с использованием волоконно-оптического кабеля с подводящими и отводящими оптическими волокнами. Обоснован выбор участка функции преобразования устройства, который обладает наибольшей крутизной и линейностью при заданных параметрах устройства. Показано, что повышение точности и расширение диапазона измерений достигается за счет такого размещения зеркально-отражающей поверхности в зоне измерений, где освещенность зеркально-отражающей поверхности остается однородной во всем диапазоне перемещений относительно торцевой грани волоконно-оптического кабеля, 3 ил.

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.

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 _NA, 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 Х₀ >_кр, где _кр - 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.

Большое практическое значение имеет модулирующее устройство - зеркально-отражающая поверхность ЗП 9. При этом определяющим является обоснованный выбор начального расстояния Х₀ 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_i 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 _кр, 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.

Таким образом, местоположение данной плоскости выбирается из условия Х₀>_кр на основе математической модели распределения передаваемой мощности излучения в зависимости от X_i и внешнего радиуса кольца освещенной зоны.

Устройство работает следующим образом.

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 ₀>_кр.

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.

Лучи света от ПОВ проходят до ЗП, отражаются от нее в направлении ООВ под апертурным углом _NA к оптической оси волокна. При этом в плоскости ООВ наблюдается освещенная кольцевая зона, внешний радиус которой

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_np приемных торцов ООВ, освещенных отраженным от ЗП световым потоком.

Функция преобразования имеет вид:

,

где К_ис - коэффициент передачи тракта «источник излучения - ПОВ»,

К _сn - коэффициент передачи тракта «ООВ - фотоприемник»,

К(х) - коэффициент преобразования тракта «ПОВ-ЗП-ООВ»,

Ф₀ - световой поток, введенный в зону измерений от источника излучения 12.

Значение коэффициентов К_ис, К_сn 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

,

где К₁ - коэффициент, характеризующий распределение освещенности в зоне измерения;

К ₂(х) - передаточная функция тракта «ПОВ-ЗП-ООВ», которая имеет вид

,

где - коэффициент отражения ЗП 9,

S_np - суммарная освещенная площадь торцов ООВ,

S_к - площадь кольцевой зоны в плоскости приемных торцов ООВ

,

где r_с - радиус сердцевины световода.

Окончательно для функции преобразования получим выражение:

.

Таким образом, функция преобразования определяется двумя параметрами S_np и S_к , при этом S_np определяется конструктивными параметрами датчика, a S_к - оптическими параметрами оптической системы.

Отсюда следует, что вид функции преобразования в общем случае зависит от следующих исходных данных:

- числовой апертуры световода _NA;

- расстояния Д между ПОВ и ООВ;

- радиуса сердцевины ООВ r_с;

- числа и расположения ПОВ и ООВ в ВОК.

Очевидно, что при заданных значениях исходных данных, основным параметром, определяющим изменение интенсивности светового потока на выходе ООВ в процессе измерений, является переменное расстояние X_i между ЗП и общим торцом ВОК, определяемое как

,

где - измеряемое перемещение.

Под действием перемещений ЗП в направлении X изменяется положение кольцевой зоны относительно ООВ в направлении Z, перпендикулярном X, что приводит к изменению площади S_np приемных торцов ООВ, освещенной отраженным от ЗП световым потоком, и площади самой кольцевой зоны S_к, фиксируемой на торце ВОК.

Зависимость фототока Y от X, в этом случае представлена на фиг.3.

Для малых кривая имеет нелинейную зависимость. При увеличении расстояния X_i 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_m выходной сигнал практически не зависит от расстояния до ЗП.

Поэтому рабочая точка X₀ (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/d=max.

Тогда значение Х₀, соответствующее данному условию, принимается за начало отсчета, то есть ЗП устанавливается относительно торцевой грани ВОК на расстоянии Х₀ (например, относительно точки с).

Эксперименты показали, что данная конструкция датчика линейных перемещений обладает высокой чувствительностью. Так, изменение расстояния Х₀ 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.

Устройство измерения линейных перемещений объектов с плоской зеркально-отражающей поверхностью, содержащее центральный световод, периферийные отводящие волоконные световоды с одинаковым апертурным углом _na, коллимационное устройство, расположенное между источником излучения и центральным волоконным световодом, отличающееся тем, что центральный и периферийные световоды образуют волоконно-оптический кабель, содержащий подводящие оптические волокна, сопряженный с источником излучения, и отводящие оптические волокна, сопряженные с фотоприемником, при этом зеркально-отражающая поверхность отстоит от торца волоконно-оптического кабеля на расстоянии Х₀>_кр, где _кр - дистанция формирования пучка света от источника излучения, а численное соотношение подводящих и отводящих оптических световодов в волоконно-оптическом кабеле равно 3:4.