Волоконно-оптический измерительный преобразователь абсолютного угла наклона
Полезная модель относится к оптико-электронному приборостроению и может быть использована для аппаратного контроля абсолютного углового положения элементов технических или естественных объектов. Особенно актуальна данная проблема для строительства, поскольку от вертикальности колонн, элементов каркаса, подпорных стенок конструкций в значительной степени зависит безопасность эксплуатации всего сооружения. В герметичный корпус емкости 1, заполненной на 2/3 вязкой жидкостью 2, встроены излучающий 3 и приемный 4 волоконные световоды (ВС). Излучаемый ВС 3 световой пучок отражается от границы раздела жидкость -воздух и попадает на торец приемного ВС 4. В результате наклон корпуса преобразователя приводит к перемещению отраженного светового пучка, и, как следствие, к изменению интенсивности излучения вводимого в приемный световод 4, что регистрируется фотоприемником 7 на выходе измерительного преобразователя.
Полезная модель относится к оптико-электронному приборостроению и может быть использована для аппаратного контроля абсолютного угла наклона технических или естественных объектов. Особенно востребована данная разработка в строительстве, поскольку от вертикальности колонн, элементов каркаса, подпорных стенок конструкций в значительной степени зависит безопасность эксплуатации всего сооружения.
Наиболее широко для контроля абсолютного углового положения применяются жидкостные электроизмерительные устройства [1, 2], главным недостатком которых является подверженность электромагнитным помехам и агрессивному воздействию внешней среды, что существенно ограничивает область их применения.
Известен угломер [3]. В нижней части резервуара, частично наполненного электропроводящей жидкостью, расположены электроды, ориентированные параллельно оси наклона датчика. При подаче переменного напряжения на два электрода возникает рассеянное поле. Снижение уровня жидкости, возникающее при наклоне датчика, вызывает "стягивание" (редуцирование) этого поля. Это, в свою очередь, вызывает пропорциональное уровню жидкости изменение электрического сопротивления электролита, обладающего постоянным электропроводящим свойством. Расположив в нижней части в правой и левой половине резервуара две пары электродов, оказывается возможным, благодаря известному дифференциальному принципу измерения, обеспечивать на выходе датчика знакозависимый сигнал пропорциональный углу наклона.
Недостатком такого угломера является его подверженность электромагнитным помехам, что отрицательно сказывается на его метрологических характеристиках и не позволяет эффективно проводить дистанционные измерения.
Известен также волоконно-оптический преобразователь абсолютного угла наклона [4], содержащий герметичную емкость, заполненную на 2/3 вязкой жидкостью, со встроенными излучающим и приемным световодами, фотоприемник, селективный усилитель, индикатор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и персональный компьютер (ПК). Излучающий световод соединен с источником излучения, подключенным к генератору амплитудно-модулированного напряжения. Приемный световод соединен с входом фотоприемника, выход которого соединен с входом селективного усилителя, первый выход которого соединен с входом АЦП, подключенного к ПК. Второй выход селективного усилителя соединен с входом индикатора. Герметичная емкость выполнена в виде полого цилиндра.
Данное техническое решение по своему функциональному назначению и по своей технической сущности является наиболее близким к заявляемому и принято за прототип.
Недостатком известного преобразователя является погрешность измерения, связанная с формой герметичной емкости, выполненной в виде полого цилиндра. При наклоне измерительного преобразователя изменяется угол между внутренней стенкой емкости и поверхностью жидкости, что приводит к изменению условий взаимодействия между жидкостью и материалом внутренней поверхности емкости, тем самым, обуславливая нестабильность результатов измерения абсолютного угла наклона.
В основу полезной модели положена задача создания такого волоконно-оптического измерительного преобразователя абсолютного угла наклона,
который позволяет обеспечить постоянный угол между поверхностью жидкости и внутренней стенкой содержащей ее емкости.
Для решения поставленной задачи предлагается волоконно-оптический измерительный преобразователь абсолютного угла наклона, содержащий герметичную емкость в виде сферы, заполненную вязкой жидкостью, со встроенными излучающим и приемным световодами, источник излучения, фотоприемник, селективный усилитель, индикатор, АЦП и ПК. При этом излучающий световод соединен с источником излучения, приемный световод соединен с фотоприемником, выход которого соединен с входом селективного усилителя, первый выход которого соединен через АЦП с ПК, второй выход селективного усилителя соединен с индикатором.
В заявленном волоконно-оптическом измерительном преобразователе абсолютного угла наклона общими признаками для него и для его прототипа являются:
- герметичная емкость, заполненная вязкой жидкостью со встроенными в нее излучающим и приемным волоконными световодами;
излучающий световод соединен с источником излучения, подключенным к генератору амплитудно-модулированного напряжения;
- фотоприемник;
- селективный усилитель;
- индикатор, АЦП и ПК;
- приемный световод соединен с входом фотоприемника, выход которого соединен с входом селективного усилителя, первый выход которого соединен через АЦП с ПК, второй выход селективного усилителя соединен с индикатором.
Сопоставительный анализ заявляемого технического решения и прототипа показывает, что первое имеет в отличие от прототипа следующие существенные признаки:
- корпус герметичной емкости выполнен в виде сферы, что позволяет обеспечить одинаковый угол между поверхностью жидкости и внутренними стенками содержащей ее емкости.
Совокупность существенных признаков заявленной полезной модели имеет причинно-следственную связь с достигаемым техническим результатом.
Сущность технического решения поясняется чертежами, где: на фиг.1 представлена структурная схема волоконно-оптического измерительного преобразователя абсолютного угла наклона; на фиг.2 - зависимость интенсивности выходного оптического сигнала от угла наклона.
На чертежах обозначены:
1 - емкость;
2 - вязкая жидкость;
3 - излучающий волоконный световод;
4 - приемный волоконный световод;
5 - источник излучения;
6 - генератор;
7 - фотоприемник;
8 - селективный усилитель;
9 - индикатор;
10 - аналого-цифровой преобразователь;
11 - персональный компьютер.
В герметичный корпус емкости 1, заполненной на 2/3 вязкой жидкостью 2, встроены излучающий 3 и приемный 4 волоконные световоды (ВС). Излучаемый ВС 3 световой пучок отражается от границы раздела сред жидкость- воздух и попадает на торец приемного ВС 4. В результате наклон корпуса преобразователя приводит к перемещению отраженного светового пучка, и, как следствие, к изменению интенсивности излучения вводимого в
приемный световод 4, что регистрируется фотоприемником 7 на выходе измерительного преобразователя.
В случае возбуждения ВС 3 центрально-симметричным гауссовым распределением интенсивности светового поля, соосным с сердцевиной ВС, используя данные работ [5, 6] можно показать, что распределение интенсивности отраженного светового потока в плоскости регистрации может быть рассчитано в виде:
где r - полярный радиус в плоскости регистрации, Im - максимальное значение интенсивности отраженного светового потока в этой плоскости, r 0=NA·z - радиус распределения интенсивности отраженного светового потока в плоскости регистрации NA - числовая апертура ВС 3, z - удвоенное расстояние от плоскости регистрации до поверхности жидкости (фиг.1).
При наклоне чувствительного элемента на некоторый угол 
отраженный световой поток переместится на расстояние ·z. Учитывая, что входной торец ВС 4 смещен относительно выходного торца ВС 3 на ненулевое расстояние r'=0·z, на основании выражения (1) интенсивность света, вводимого в ВС 4 в зависимости от угла наклона измерительного преобразователя (ИП), можно представить в следующем виде:
где Im' - максимальное значение интенсивности вводимого в ВС 4 излучения, - абсолютный угол наклона ИП.
Рассчитанная в соответствии с выражением (2) зависимость интенсивности оптического сигнала на выходе измерительного
преобразователя от угла его наклона для ВС с параметрами - NA=0.25, р=0.15 мм, представлена на фиг.2.
В ходе экспериментальных исследований для углового перемещения чувствительного элемента использовано прецизионное юстировочное устройство, обеспечивающее точность угловых перемещений - 0,005°.
Результаты экспериментального исследования зависимости интенсивности оптического сигнала на выходе измерительного преобразователя от абсолютного угла наклона представлены на фиг.2. Видно хорошее совпадение результатов измерений с результатами расчета. Пороговая чувствительность измерительного преобразователя не менее 0,005°. Диапазон измеряемых углов составил от -10° до 15°, динамический диапазон - 50 дБ. Вследствие сферической формы корпуса измерительного преобразователя между поверхностью жидкости и внутренними стенками корпуса сохраняется постоянный угол, что обеспечивает стабильность результатов измерений во всем диапазоне измеряемых углов.
Таким образом, разработан, теоретически и экспериментально исследован волоконно-оптический измерительный преобразователь абсолютного угла наклона. Высокая чувствительность и стабильность чувствительного элемента позволяют применять его для прецизионных дистанционных измерений абсолютного углового положения элементов строительных сооружений, гидротехнических конструкций, а также широкого круга конструкционных узлов машин и механизмов.
Источники, принятые во внимание:
1. Kibrick R., Robinson L., Cowley D. // Proc. SPIE. - 1995. - V. 2479. - P. 341.
2. Puccio M. R. // Sensors Magazine. - 2004. - V. 21. - Р. 64.
3. http://www.megasensor.com/product_info.php /products_id/22
4. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Дышлюк А.В. // Измерительная техника. - 2006. №4. - С.41-45 (Принято за прототип)
5. Борн M., Э.Вольф. Основы оптики / пер. с английского - M.: Наука,
1973.
6. Снайдер Д., Лав Дж. Теория оптических волноводов - M.: Радио и связь, 1987.
Волоконно-оптический преобразователь абсолютного угла наклона, содержащий герметичную емкость со встроенными излучающим и приемным световодами, источник излучения, генератор, фотоприемник, селективный усилитель, индикатор, АЦП и ПК, при этом излучающий световод соединен с источником излучения, подключенным к генератору, приемный световод соединен с входом фотоприемника, выход которого соединен с входом селективного усилителя, первый выход которого соединен через АЦП с ПК, второй выход селективного усилителя соединен с индикатором, отличающийся тем, что корпус герметичной емкости выполнен в виде сферы.
