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 состоит в том, что центральный световод выполнен в виде волоконно-оптического кабеля, содержащего подводящие оптические волокна, сопряженные с источником излучения, и отводящие оптические волокна, сопряженные с приемником излучения, и окруженного периферийными отводящими оптическими волокнами так, что к блоку формирования отношения сигналов подключены сигналы как с отводящих оптических световодов волоконно-оптического кабеля центрального световода, так и с периферийных волоконных световодов, собранных в один жгут, при этом численное соотношение подводящих и отводящих волоконных световодов в волоконно-оптическом кабеле равно 3:4, а зеркально-отражающая поверхность расположена относительно торца волоконно-оптического кабеля на расстоянии х₀>кр, где _кр - дистанция формирования луча, 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 решением является устройство измерения линейных перемещений объектов с плоской зеркально-отражающей поверхностью, содержащее центральный световод, периферийные отводящие волоконные световоды с одинаковым апертурным углом , фотоприемники, оптически связанные с центральным и периферийными световодами, коллимационное устройство, расположенное между источником излучения и центральным волоконным световодом (см. патент РФ 78946, класс G01N 21/55).

Недостатком аналога является низкая точность измерений, связанная с погрешностями, обусловленными энергетическими потерями в блоках и узлах устройства и их нестабильностью.

Основной вклад в энергетические потери системы вносят:

- узел ввода оптического излучения от источника излучения в подводящие оптические волокна;

- затухание излучения в поводящих оптических волокнах;

- информативные и неинформативные потери оптической мощности в измерительном преобразователе;

- затухание излучения в отводящих оптических волокнах;

- узел ввода оптического излучения из отводящих оптических волокон в фотоприемник.

Цель настоящего технического решения - компенсация вносимых оптических потерь и повышение точности измерений и чувствительности устройства.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что центральный световод выполнен в виде волоконно-оптического кабеля (ВОК), содержащего подводящие оптические волокна (ПОВ), сопряженные с источником излучения, и отводящие оптические волокна (ООВ), сопряженные с приемником излучения, а к блоку формирования отношения сигналов подключены сигналы с ООВ ВОК центрального световода и периферийных волоконных световодов, собранных в один жгут, при этом численное соотношение ПОВ и ООВ в ВОК равно 3:4, а зеркально-отражающая поверхность (ЗП) расположена относительно торца ВОК на расстоянии x₀>кр, где _кр - дистанция формирования луча.

На фиг.1 представлено устройство, вид сверху, то есть взаимное расположение световодов, расположенных в одной плоскости торцевой грани ВОК, на фиг.2 представлена функциональная схема устройства.

Устройство (фиг.1) содержит центральный световод, выполненный в виде волоконно-оптического кабеля 1, содержащего ПОВ и ООВ. Вокруг ВОК размещены дополнительные (периферийные) ООВ, собранные в один жгут 2.

Подводящие оптические волокна 3, 4, 5, собранные в жгут, и отводящие оптические волокна 6, 7, 8, 9 размещены в ВОК так, как показано на фиг.1.

Дополнительные (периферийные) ООВ 10 размещены вокруг ВОК 1, что позволяет минимизировать потери оптического излучения при его отражении от ЗП. Торцы всех световодов 3-10 лежат в одной плоскости и обращены к ЗП.

Число и расположение ПОВ и ООВ в ВОК неслучайны. Из всех возможных вариантов размещения ПОВ и ООВ в торце ВОК (1:6, 4:3, 3:4 и др.) предложенное расположение волокон (3:4) обладает максимальной эффективностью.

При таком расположении ПОВ и ООВ достигается максимальная чувствительность устройства и обеспечивается на выходе максимальная выходная мощность оптического сигнала, то есть только в этом случае каждое из излучающих волокон (ПОВ) даст максимальный вклад в отклик приемника излучения. Кроме того, предлагаемое соотношение ПОВ и ООВ (3:4) минимизирует потери при сопряжении источника излучения (ИИ) и ПОВ и облегчает настройку по уровню выходного сигнала при угловом рассогласовании диаграммы направленности ИИ с входным торцом ПОВ.

На фиг.2 изображен ВОК 1, содержащий ПОВ 3, 4, 5 и ООВ 6, 7, 8, 9. Вокруг ВОК 1 размещены дополнительные (периферийные) ООВ 10, собранные в жгут 11. ИИ 12 через коллимационное устройство 13 сопряжен с ПОВ 3, 4, 5. В свою очередь ООВ 6, 7, 8, 9 состыкованы с фотоприемником 14, периферийные ООВ, собранные в жгут 2, состыкованы с фотоприемником 15. К блоку формирования отношения сигналов 16 подключены фотоприемники 14 и 15.

Отражающая зеркальная поверхность 17 размещена относительно торца ВОК 1 на некотором расстоянии x₀>кр, где _кр- расстояние по оси X от торца ВОК до ЗП 17, при котором отраженный от ЗП 17 световой поток представляет собой кольцо, формирующее равномерную освещенность в плоскости Z, перпендикулярной X, _кр называется дистанцией формирования пучка света.

Устройство работает следующим образом (фиг.2).

Сформированный коллимационным устройством 13 пучок света от источника излучения 12 через ПОВ 3, 4, 5 попадает на зеркально-отражающую поверхность ЗП 17, отражается от нее, возвращается на выходной торец ВОК 1 и далее через ООВ 6, 7, 8, 9 и дополнительный жгут ООВ 2 попадает на фотоприемник 14 и фотоприемник 15 соответственно.

Блок обработки сигнала 16 формирует отношение сигналов, снимаемых с фотоприемников 14 и 15. Если торец ВОК 1 контактирует с ЗП 17, то есть х=0, то световой поток, отраженный от ЗП 17, не попадает ни на торцы ООВ 6, 7, 8, 9, ни на торцы периферийных ООВ 2. По мере роста х площадь отраженного от ЗП 17 «пятна» увеличивается и, следовательно, увеличивается мощность светового потока, передаваемого на торец ВОК 1.

При х=_кр отраженное пятно на торце ВОК 1 представляет собой кольцо, внешний радиус которого R_вн(x)=2·x·tg_NA, а внутренний R_внm(x)=R_вн (x)-2·r_c,

где r_c - радиус световода. Площадь кольца составит

и будет зависеть от расстояния х между торцом ВОК 1 и ЗП 17.

Внутри кольца освещенность торцевой грани ВОК 1 равномерна.

По мере дальнейшего возрастания х отраженное от ЗП 17 световое «кольцо», перемещаясь по торцевой грани ВОК 1, доходит до периферийных ООВ 2, освещает их торцы, фотоприемник 15 фиксирует прошедшую через жгут 2 мощность светового потока. Блок 16 фиксирует отношение сигналов, снимаемых с фотоприемников 14 и 15.

Функция преобразования устройства представляет собой сложную многоступенчатую зависимость тока фотоприемника I(х) от внешних воздействий (перемещений). Для отводящих оптических волокон ООВ 3 она имеет вид

,

где Ф₀ - интенсивность излучения источника света;

Ф_ип1(х) - функция преобразования для тракта «ПОВ-ЗП-ООВ»;

К₁ - коэффициент потерь мощности оптического излучения на участке от источника излучения 12 до фотоприемника 14;

Q₁ - интегральная чувствительность фотоприемника 14.

Величина коэффициента K₁ определяется из соотношения:

,

где k₁ - коэффициент потерь мощности излучения при сопряжении источника излучения 12 с ПОВ;

k₂ - коэффициент затухания мощности излучения в ПОВ;

k₃ - информативные и неинформативные потери мощности излучения от ЗП 17 до торца ВОК 1;

k₄ - коэффициент затухания мощности излучения в ООВ;

k₅ - коэффициент потерь мощности излучении при сопряжении ООВ с фотоприемником 14.

Функция преобразования Ф_ИП1(х) записывается в виде

,

где - коэффициент отражения ЗП 17,

S_ИП1(x) - суммарная освещенная площадь торцов ООВ, полностью или частично находящихся в освещенной зоне,

S_K(x) - полная площадь зоны торца ВОК 1, освещенной отраженным от ЗП 17 световым потоком, проецирующимся в кольцо.

Окончательно получаем

.

Из выражения (1) следует, что нестабильность выходного сигнала I₁(x) при постоянном значении входных параметров устройства определяется нестабильностью параметров k_1,2,3,4,5.

Если не предпринимать специальных мер по их стабилизации, то нестабильность выходного сигнала I ₁(x) может быть существенной, что снижает точность измерений и их достоверность.

С целью стабилизации выходного сигнала в схему введен дополнительный жгут ООВ 2.

Аналогично выражению (1), для фототока, снимаемого с фотоприемника 15, справедливо выражение

,

где Ф_ИП2(х) - функция преобразования для тракта «ПОВ-ЗП-ООВ» для периферийных ООВ, собранных в жгут 2;

К₂ - коэффициент потерь мощности оптического излучения на участке от источника излучения 12 до фотоприемника 15;

Q₂ - интегральная чувствительность фотоприемника 15.

Величина коэффициента К₂ описывается выражением

,

где k₆ - коэффициент потерь мощности излучения в дополнительном жгуте 2,

k ₇ - коэффициент потерь мощности излучении при сопряжении фотоприемника 15 с выходным торцом дополнительного жгута 2.

Функция преобразования Ф_ИП2(х) записывается в виде

,

где S_ИП2(x) - суммарная освещенная площадь торцов ООВ в дополнительном жгуте 2, полностью или частично находящихся в освещенной зоне.

Окончательно получим

.

Отношение фототоков , фиксируемое в блоке 16, равно Р (согласно формулам (1) и (2))

.

Из выражения (3) следует, что параметр Р не зависит от основных дестабилизирующих факторов: нестабильности интенсивности излучения источника света Ф₀, нестабильности коэффициента отражения ЗП 17 и, следовательно, от S_K.

Из выражения (3) также следует, что если ВОД линейных перемещений содержит идентичные фотоприемники, у которых интегральная чувствительность Q₁Q₂, а световоды выполнены из одного и того же материала, то есть k₄k₆, и при этом потери при сопряжении с фотоприемниками 14 и 15 жгутов 6, 7, 8, 9 и 2 соответственно одинаковы, то есть достигнуто примерное равенство k₅k₇, то выражение (3) приводится к виду

.

На фиг.3 приведены типовые графики функций I₁(x), I₂(x), Р(х).

График функции Р(х) на восходящем участке при х>х₀ резко возрастает до некоторого максимального значения, после чего глубина модуляции резко падает.

Из выражения (4) следует, что крутизна характеристики Р(х) и диапазон измерений входных воздействий зависят от численного соотношения ООВ в ВОК 1 и периферийных ООВ в дополнительном жгуте 2, освещенных заданным числом ПОВ в ВОК 1.

Таким образом, предложенное техническое решение отличается от аналога расширенными функциональными возможностями, то есть позволяет удовлетворить априорно заданным требованиям к ВОД за счет численного соотношения ПОВ и ООВ и соответствующего их размещения, при высокой точности измерений и чувствительности устройства.

Устройство измерения линейных перемещений объектов с плоской зеркально-отражающей поверхностью, содержащее центральный световод, периферийные отводящие волоконные световоды с одинаковым апертурным углом _NA, фотоприемники, оптически связанные с центральным и периферийными световодами соответственно, блок формирования отношения сигналов, коллимационное устройство, расположенное между источником излучения и центральным волоконным световодом, отличающееся тем, что центральный световод выполнен в виде волоконно-оптического кабеля, содержащего подводящие оптические волокна, сопряженные с источником излучения, и отводящие оптические волокна, сопряженные с фотоприемником, а к блоку формирования отношения сигналов подключены сигналы с отводящих оптических волокон волоконно-оптического кабеля центрального световода и периферийных волоконных световодов, собранных в один жгут, при этом численное соотношение подводящих и отводящих оптических волокон в волоконно-оптическом кабеле равно 3:4, а зеркально-отражающая поверхность расположена относительно торца волоконно-оптического кабеля на расстоянии х₀ >_кр, где _кр - дистанция формирования луча.