Устройство измерения линейных перемещений объектов с плоской зеркально-отражающей поверхностью

 

Использование: контрольно-измерительная техника, в волоконно-оптических измерительных системах для бесконтактных измерений различных физических величин, например, давления, температуры, линейных перемещений и др. Устройство содержит центральный световод 1 и n пар периферийных световодов 2, 3, 4, 5, 6, 7 (на фиг.1 n = 3), каждая из которых расположена симметрично относительно центрального световода 1. Световоды 1 - 7 расположены по прямой, длина которой равна диаметру основания конуса, отраженных от зеркальной поверхности лучей в плоскости торцов световодов 1-7. R - радиус основания конуса. Сформированный коллимационным устройством 13 пучок света от источника 14 с числовой апертурой 0 через подводящий торец центрального световода 1 попадает на отражающую поверхность 8. При расстоянии z от поверхности 8 до торцевых граней световодов 1 - 7, равном нулю, отраженный от поверхности пучок света полностью возвращается в центральный световод 1 (фиг.2). По мере возрастания z отраженный от поверхности 8 пучок света попадает на периферийные световоды таким образом, что сперва освещаются световоды 5, 1, 2, затем 6, 5, 1, 2, 3 и т.д. При наличии двух, трех и более пар периферийных световодов, диапазон измеряемых перемещений увеличивается в n раз, где n - число пар периферийных световодов, расположенных по прямой симметрично, относительно центрального световода. 2 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 определения линейных перемещений объекта с плоской зеркально-отражающей поверхностью, содержащее центральный световод с разветвителем, два периферийных отводящих волоконных световода, расположенных симметрично относительно центрального световода одинаковым апертурным углом , фотоприемники, оптически связанные с центральным и периферийными волоконными световодами соответственно, блок измерения полусуммы сигналов, электрически связанный с фотоприемниками периферийных световодов, блок формирования отношения сигналов, к которому подключены блок измерения полусуммы сигналов и фотоприемник центрального световода, коллимационное устройство, расположенное между источником излучения и центральным волоконным световодом с апертурным углом 0, связанным с соотношением -0 2mах, mах - максимально возможное угловое отклонение отражающей поверхности от заданного исходного положения (см. патент РФ №1774233 класс G01N 21/55 07.11.1992 Бюл. №41).

Недостатком известного устройства является то, что оно имеет малый диапазон измерений линейных перемещений. Согласно законам геометрической оптики, он определяется выражением:

где d - диаметр торцевой грани периферийного световода, площадь которой равна S. Текущее значение zi,< zmax1 количественно определяется по величине отношения Pi зарегистрированных потоков излучения с периферийных и центрального световодов, численно равного:

где Si - площадь освещенной части торцевой грани периферийного световода, конусом отраженных от зеркальной поверхности лучей, -радиус торцевой грани световода.

Из последнего выражения следует, что площадь Si освещенной части торцевой грани периферийного световода при zi,= zmax1, равна площади самой торцевой грани S т.е. Si = S. По мере дальнейшего роста zi,> zmax1 площадь освещенной торцевой грани периферийного световода остается величиной постоянной, выходной сигнал стабилизируется, т.е. отношение

перестает быть функцией zi .

Цель настоящего технического решения - увеличение диапазона измеряемых линейных перемещений объектов с плоской зеркально-отражающей поверхностью.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в устройстве измерения линейных перемещений объектов с плоской зеркально-отражающей поверхностью, содержащем центральный световод с разветвителем, периферийные отводящие волоконные световоды, расположенные симметрично относительно центрального световода с

одинаковым апертурным углом , фотоприемники, оптически связанные с центральным и периферийными волоконными световодами соответственно, блок измерения полусуммы сигналов, электрически связанный с фотоприемниками периферийных световодов, блок формирования отношения сигналов, к которому подключены блок измерения полусуммы сигналов и фотоприемник центрального световода, коллимационное устройство, расположенное между источником излучения и центральным волоконным световодом с апертурным углом 0, связанным с соотношением -02mах, где mах - максимально возможное угловое отклонение отражающей поверхности от заданного исходного положения, две и более пар периферийных световодов размещены по прямой, проходящей через центр центрального световода, при этом блок измерения полусуммы сигналов электрически связан с фотоприемниками парных периферийных световодов, а к блоку формирования отношения сигналов подключены блок измерения полусуммы сигналов от периферийных световодов и фотоприемник центрального световода.

На фиг.1 представлено устройство вид сверху, на фиг.2 -функциональная схема устройства.

Устройство содержит центральный световод 1 (фиг.1) и n пар периферийных световодов 2 и 5, 3 и 6, 4 и 7 и т.д. (на фиг 1 n = 3), каждая из которых расположена симметрично относительно центрального световода 1. Световоды 1-7 расположены по прямой, длина которой равна диаметру основания конуса отраженных от зеркальной поверхности лучей в плоскости торцов световодов 1-7, R - радиус основания конуса.

На фиг.2 изображен центральный световод 1 с разветвителем, отводящие световоды 2, 3, 4 и 5, 6, 7 (выбор числа пар периферийных световодов определяется диапазоном измерения линейных перемещений). Торцы

световодов 1-7, обращенные к отражающей поверхности 8, лежат в одной плоскости. Кроме того, устройство содержит фотоприемники 9-10, оптически связанные с волоконными световодами 1 и 2 - 7 соответственно, блок 11 измерения полусуммы сигналов, электрически связанный с фотоприемниками 9 и 10, блок 12 формирования отношения сигналов, к которому подключены блоки 9 и 11, коллимационное устройство 13 и источник излучения 14.

Устройство работает следующим образом:

Сформированный коллимационным устройством 13 пучок света от источника 14 с числовой апертурой 0 через подводящий торец центрального световода 1 попадает на отражающую поверхность 8. При расстоянии z от поверхности 8 до торцевых граней световодов 1 - 7, равном нулю, отраженный от поверхности пучок света полностью возвращается в центральный световод 1. По мере возрастания z отраженный от поверхности 8 пучок света попадает на периферийные световоды таким образом, что сперва освещаются световоды 5,1,2, затем 6, 5, 1, 2, 3 и т.д. Пусть Z- расстояние, при котором полностью освещены световоды 5, 1, 2. Тогда блок 11 суммирует сигналы, пропорциональные световым потокам, зарегистрированным световодами 5, 2. В блоке 12 формируется отношение Р1 сигналов, снимаемых с фотоприемника 9 и блока 11: , где I1,2,5 - интенсивности световых потоков, зарегистрированных световодами 1, 2, 5 соответственно. При zi>zmax1 освещаются дополнительно торцы второй пары периферийных световодов 6, 3. В блоке 11 происходит суммирование сигналов, пропорциональных световым потокам, зарегистрированных световодами 2, 5, 3, 6. В блоке 12 формируется отношение:

где l3,6 - интенсивности световых потоков, зарегистрированных световодами 3 и 6 соответственно. В случае, когда торцы второй пары периферийных световодов освещены полностью, соответствующий диапазон линейных перемещений:

При дальнейшем увеличении zi>Zформирование отношений Pi аналогично.

Таким образом, размещение периферийных световодов так, как показано на фиг.2, позволяет увеличить диапазон измеряемых перемещений zi. При наличии только одной пары периферийных световодов, как отмечалось выше,

При наличии двух, трех и более пар диапазон измеряемых перемещений увеличивается в n раз:

где n - число пар периферийных световодов.

Количественно диапазон измерения линейных перемещений определяется по отношению P1,2,...,n. При этом в предлагаемом устройстве исключается влияние угловых перемещений при наклонах зеркально-отражающей поверхности относительно оси вращения, проходящей через торцы световодов 1-7.

Таким образом, предложенное решение увеличивает диапазон измерений линейных перемещений объектов с зеркальной отражающей поверхностью.

Устройство измерения линейных перемещений объектов с плоской зеркально-отражающей поверхностью, содержащее центральный световод с разветвителем, периферийные отводящие волоконные световоды, расположенные симметрично относительно центрального световода с одинаковым апертурным углом , фотоприемники, оптически связанные с центральным и периферийными волоконными световодами соответственно, блок измерения полусуммы сигналов, электрически связанный с фотоприемниками периферийных световодов, блок формирования отношения сигналов, к которому подключены блок измерения полусуммы сигналов и фотоприемник центрального световода, коллимационное устройство, расположенное между источником излучения и центральным волоконным световодом с апертурным углом 0, связанным с соотношением -0 2max, где max - максимально возможное угловое отклонение отражающей поверхности от заданного исходного положения, отличающееся тем, что устройство содержит две и более пар периферийных световодов, размещенных по прямой, проходящей через центр центрального световода, при этом блок измерения полусумммы сигналов электрически связан с фотоприемниками парных периферийных световодов, а к блоку формирования отношения сигналов подключены блок измерения полусуммы сигналов от периферийных световодов и фотоприемник центрального световода.



 

Наверх