Волоконно-оптический преобразователь перемещений

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, а именно к волоконной оптике, и предназначено 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. Для решения технической задачи предлагается 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. 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 первично оптическом

преобразователе перемещений может быть выполнен двухкоординатным или однокоординатным. При выполнении его двухкоординатным число выходных оптических каналов четыре, а при выполнении его однокоординатным - два.

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.

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_воп2 =0,9 К_воп1=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.

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 O₁ 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_a, F _b, F_c, F_d соответственно. Далее сигналы F_a, F_b , F_c, F_d поступают на входы коммутатора 10. С выхода коммутатора 10 сигнал поступает на усилитель

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_x и t_y по формулам:

После определения параметров t_x и t_y процессор 13 вычисляет координаты X и Y смещения центра светового пятна O₁ относительно системы координат XOY, связанной с градиентными четвертьволновых линзами 7. Абсцисса Х центра O ₁ светового пятна определяется нечетной статической характеристикой преобразования f(t_x) в виде полинома, степень которого определяется в зависимости от остаточной суммы квадратов аппроксимации с постоянными коэффициентами а_0x , a_1x, a_2х, ...

Аналогично определяется ордината Y центра O ₁ светового пятна нечетной статической характеристикой преобразования f(t_y) в виде полинома, степень которого определяется в зависимости от остаточной суммы квадратов аппроксимации с постоянными коэффициентами а_0y , a_1y, а_2y, ...

Значения постоянных коэффициентов а ₀, a₁, а₂, а₃ ... 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

характеристики средств автоматизации ГСП.» Результат, вычисленный процессором, поступает на интерфейс 14, предназначенный для передачи данных измерения в стандартном виде. Электрические сигналы F_a , F_b, F_c, F _d 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).

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_a и F_b. Сигналы F_a и F_b 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_x по формуле:

После определения t_x процессор 13 вычисляет координату Х смещения центра светового пятна O ₁ относительно начала координат О оси ОХ по статической характеристике преобразования:

где a₁=0,46429 мм а ₂=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_x} 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 _ап² удовлетворяет условию 3_ап<0,2_д, где _д=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_a+F _b 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.

Применение только двух коэффициентов a₁ и а ₂ 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.

1. Волоконно-оптический преобразователь перемещений, содержащий последовательно расположенные источник оптического излучения, механизм перемещения, фотоприемные устройства, которые своими выходами электрически соединены с коммутатором, усилителем, аналого-цифровым преобразователем, процессором, интерфейсом, а также сумматором, который последовательно соединен со стабилизатором оптической мощности, выход которого подключен к источнику оптического излучения, количество выходов сумматора соответствует числу приемных оптических каналов, при этом он выполнен из двух пространственно разнесенных частей, отличающийся тем, что одна из пространственно разнесенных частей является первичным оптическим преобразователем перемещений, содержащим оптический разъем, согласованный с излучающим оптическим волокном, на выходе которого расположен фокон находящийся на механизме перемещения, неподвижные приемные оптические каналы с приемными оптическими волокнами, на входе которых расположены фоконы, а на выходе приемных оптических волокон расположены оптические разъемы, вторая пространственно-разнесенная часть является вторичным оптоэлектронным преобразователем перемещения, включающим фотоприемные устройства, которые своими выходами электрически соединены с входами коммутатора, выход которого подключен к усилителю, последовательно соединенному с аналого-цифровым преобразователем, процессором и интерфейсом, а также 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 первичного оптического преобразователя перемещений, соединенного с оптоэлектронным преобразователем перемещений 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.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что механизм перемещений первичного оптического преобразователя перемещений выполнен двухкоординатным, при этом число приемных оптических каналов равно четырем и коммутатор имеет четыре входа.

3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что механизм перемещений первичного оптического преобразователя перемещений выполнен однокоординатным, при этом число приемных оптических каналов равно двум и коммутатор имеет два входа.