Волоконно-оптический датчик перемещений
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещений. Целью изобретения является повышение точности при воздействии дестабилизирующих факторов Вращение диска 16 при измерении перемещений приводит к возвратно-поступательному перемещению штоков 14 и 15, которое регистрируется посредством двух пар воло конно-оптических датчиков 2 и 3 смещения. По сигналам с выходов волоконно-оптических датчиков электронный блок 20 определяет величину перемещения. 2 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
„„SU „„1747875 А1
° (н)ю G 01 В 11/00
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР T ging
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ., .;.;;:,-,,::. „ .„", 1
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ:,,. 4".:4:,-",-.". ., .
Известен волоконно-оптический датчик перемещений, содержащий корпус, установленный в нем дифференцированный чувствительный элемент в виде двух . многовитковых участков волоконных световодов, оптически связанных с соответствующими источниками излучения и фотоприемниками, примененный в измерителе скоростного напора. (21) 4834517/28 (22) 04.06,90 (46) 15.07.92. Бюл, N. 26 (71) Алма-Атинский энергетический институт (72) А.ll,Патлах и В.А.Рыбин (53) 531.71(088,8) . (56) Патлах А.Л,и др, Волоконный датчик линейных перемещений. Информационный листок о научно-технических достижениях
КАЗНИИНТИ, М 88-27, стр, 59,31.31 АлмаАта, 1988.
Иванов Б.Н. Измерение линейных размеров методом обкатывания роликом, М.:
Машиностроение, 1973, стр. 31-52.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения механических реверсивных перемещений в широком диапазоне.
Известен датчик перемещений, содержащий источник излучения, волоконно-оптическую лйни о связи, чувствительный элемент в виде полувитка световода и фотоприемник.
Недостатком укаэанного датчика является его сравнительно низкая чувствительность, (54) ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК.
ПЕРЕМЕЩЕНИЙ . (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещений. Целью изобретения является повышение точности при воздействии дестабилизирующих факторов, Вращение диска 16 при измерении перемещений приводит к возвратно-поступательному перемещению штоков 14 и 15, которое регистрируется посредством двух пар волоконно-оптических датчиков 2 и 3 смещения.
По сигналам с выходов волоконно-оптических датчиков электронный блок 20 определяет величину перемещения. 2 ил, Недостатком этого датчика является малый диапазон измеряемых перемещений„. порядка единиц миллиметрбв.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения перемещейий, содержащее корпус, ролик, установленный в корпусе с вЪзможностью поворота вокруг своей оси, датчик угла поворота, кинематически свя. занный с роликом, блок обработки, вход которого подключен к вйходу датчика угла поворота, Указанное устройство имеет фотоэлектрический датчик угла поворота ролика; вы- . полненный в виде диска с круговой дифракционной решеткой. В процессе вра-: щения диска вырабатываются, в конечном итоге, импульсы, количество которых Ilpoпорционально углу поворота измерительного ролика, связанного с линейным перемещением объекта. Эти импульсы подсчитываются электронным счетчиком.
1747875
Это устройство позволяет измерять линейные перемещения контролируемого объекта в широком диапазоне перемещений. Однака в известном техническом решении предъявляются высокие требования к точности изготовления дифракционной решетки; причем, при повышении точности из.. мерения,габариты решетки тоже растут.
В известном устройстве фотоэлектрический преобразователь содержит открытый канал фотоизлучения и фотоприемника, чувствительные к загрязйению пылью, аэрозолями. Известное техническое решение не позволяет использовать его в пыльных, агрессивных взрыво- и пожароопасных средах, а также при воздействии электромагнитных помех, поскольку электрические элементы фотоэлектрического преобразователя непосредственно находятся в измерителе. В известном решении отсчет положения производится всегда только от начала координат. Для определения другого положения необходимо возвратить всю систему в начало координат и начать измерение оттуда, Определение положения при реверсивном перемещении объекта невозможно. 8 данном устройстве. нет возможности судить об угловом положении ролика, когда он находится в покое или перемещается с малой скоростью. Это не позволяет вводить поправки на угловое положение в случае эксцентриситета измерительного ролика.
Перечисленные недостатки могут существенно снижать точность измерения линейных перемещений.
"Цель изобретения - повышение точности измерения линейных перемещений.
Указанная цель достигается тем, что в датчике перемещений, содержащем корпус, ролик, установленный в корпусе с возможностью поворота вокруг своей оси, датчик угла поворота, кинематически связанный с роликом, блок обработки, вход которого подключен к выходу датчика угла поворота, датчик угла поророта выполнен в виде диска, эксцентрично скрепленного с роликом, двух штоков, установленных в корпусе с возможностью смещения вдоль оси их симметрии так, что эти оси перпендикулярны друг другу и оси поворота ролика, двух пар волоконно-ойтических датчиков смещения, каждая из которых сопряжена с соответствующим штоком, выходы волоконно-оптических датчиков в каждой паре подключены к соответствующим входам блока обработки по дифференциальной схеме, а каждый волоконно-оптический датчик выполнен в виде волоконного световода с многовитковым участком, излучателя, оптически связанного со входным торцом волоконного световода, и фотоприемника, оптически связанного с выходным торцом волоконного свето вода.
5 Новым признаком предлагаемого изо.бретения является выполнение датчика угла поворота в виде диска, эксцентрично скрепленного с роликом, двух штоков, установ- ., ленных в корпусе с возможностью
10 смещения вдоль оси их симметрии так; что эти оси перпендикулярны друг другу и оси поворота ролика, двух пар волоконно-оптических датчиков смещения, каждая из которых сопряжена с соответствующим штоком, 15 выходы волоконно-оптических датчиков s каждой паре подключены к соответствующим входам блока обработки по дифференциальной схеме, а каждый волоконно-оптический датчик выполнен в
20 виде волоконного световода с многовитко- . вым участком, излучателя, оптически связанного со входным торцом волоконного световода, и фотоприемника, оптически связанного с выходным торцом волоконно25 го световода.
И именно указанное исполнение уст-ройства обеспечивает достижение положительного эффекта - павышение точности измерения перемещения.
30 На фиг, 1 представлена упрощенная конструкция предлагаемого датчика; на фиг.
2 — геометрия взаимного расположения составных частей датчика угла поворота, Датчик (фиг, 1) содержит корпус 1, в
35 котором размещены две пары волоконнооптических датчиков смещения 2 и 3, каждый из которых выполнен в виде многовитковых участков волоконных световодов 4 и 5, которые оптически связывают
40 между собой соответствующие излучатели
6, 8, 10 и 12 и фотоприемники 7, 9, 11 и 13.
Оба многовитковых участка 4 и 5 датчиков смещения 2 и 3 механически сопряжены с подпружиненными штоками 14 и 15, распо45 ложенными перпендикулярно друг другу и, оба перпендикулярно оси эксцентрического диска 16, Диск 16 закреплен на одной оси с роликом 17, который соприкасается с повер.. хностью 18 контролируемого объекта, Излу50 чатели 6, 8, 10 и 12, а также фотоприемники
7, 9, 11 и 13 соединются электрически с входом блока преобразования 19, а выход блока 19 информационно связан со входом блока обработки 20, который вычисляет те-
5 кущее положение датчика. Штокй 14 и 15 для устранения люфта снабжены пружинами 21. Диск 16 выполнен в виде цилиндрического кулачка, эксцентрично закрепленного на оси вращения ролика 17.
Электронный блок преобразования 19 со1747875 держит питание излучателей и усилитель, осуществляющий масштабное преобразование сигналов с выхода попарно-дифференциально включенных фотоприемников 7 и 9, 11 и 13 для согласования их со входом 5 блока обработки 20. который предназначен для осуществления математических операций с целью получения информации об измеряемом перемещении путем соответствующей обработки сигналов с вы- 10 хода электронного блока 19 и может представлять собой микропроцессорное устройство или ПЭВМ. В исходном состоянии при. отсутствии перемещения корпуса 1 датчика относительно поверхности 18 што- 15 ки 14 и 15 неподвижйы. При этом степень деформации витков участков волоконных световодов 4 и 5 не изменяется, светопропускание их остается постоянным, неизменными остаются и сигналы с выходов 20 фотоприемников 7, 9, 11, 13, В блоке обработки 20 фиксируется исходное значение начальной координаты датчика.
Датчик перемещения работает следующим образом. 25
При появлении перемещения корпуса 1 датчика относительно поверхности 18 ролик
17 без проскальзывания катится по поверхности 18, преобразуя линейное перемещение корпуса 1 во вращательное движение 30 диска 16. Вращение диска 16 приводит к возвратно-поступательному перемещению штоков 14 и 15, воспринимающие торцы которых с помощью пружины 21 прижимаются к поверхности диска 16.. 35
Возвратно-поступательное перемещение штоков 14 и l5 вызывает периодическую энзкопеременную деформацию витков участков волоконных световодов 4 и
5 датчиков смещения 2 и 3, что приводит к 40 соответствующему изменению светопропускания последних и к изменению дифференциального сигнала - на выходе фотоприемников 7 и 9, 11 и 13. Выбранное расположение и конструкция датчиков сме- 45 щения 2 и 3 обеспечивают то, что сигналы с выхода электронного блока преобразования 19 при линейном перемещении корпуса
1 относительно поверхности 18 представляют собой напряжения, величина которых иэ- 50 меняется по закону синуса и косинуса в зависимости от перемещения соответственно штоков 14 и 15.
Блок обработки 20 преобразует электрические сигналы с выхода. блока 19 в коор- 55 динату текущего положения корпуса 1 датчика относительно поверхности 13.
Перпендикулярное расположение дат-. чиков перемещения 2 и 3 друг относительно . друга и перпендикулярно оси диска 16 позволяет измерять величину перемещения и определять направление перемещения. ,Цля пояснения принципа работы датчика перемещения получим его функцию преобразования (фиг. 2).
Ролик 11 радиусом R беэ скольжения. катится по поверхности 18. На одной оси О с роликом 17 закреплен диск 16. Смещение (эксцентриситет) оси вращения диска относительно его геометрической оси 0 равна а, а радиус диска 16 равен R>.
Точку соприкосновения диска 16 и воспринимающего торца штока 15 обозначим
А, расстояние от торца оси ОХ-hy. а угол между 00 и ОХ через ро Тогда
hy = Rg + a. sion p,, При перемещении ролика 17 вправо иэ положения S1 в положение Sz на малое расстояние AI ролик 17 повернется по чзсовой стрелке на малый yrorr Лр, при этом воспринимающий торец штока 15 переместится нз малую высоту Л hy, Величина
Al Л!
Л р = - 2 x = радиан.
Тогда величина Л hy определяется выражением;
A hy = a (sin (ро+ Л у) — sin p, ) = 2а sin
Лр соэ о+
Для штока 14, расположенного перпендикулярно штоку 15, расстояние от торца до оси Оу обозначим Ь» Тогда, h» = R<-а cos p<
А малое изменение этого расстояния Л h> при перемещении ролика 17 из положения
Sg в положение Яг будет:
Лйх = -a(cos(+ Лр )-cos ро ) = 2а
;,„ .+4 ).„„ „,, Если теперь взять отношение Л hy к Л h» то получим: ,* -, ().
Без нарушения общности, можно считать, что в исходном состоянии p< = О. Тогда имеем:
Л hy/ À h» = ig AP /2 2 и
Л
Отсюда получим выражениедля величины малого перемещения hl:
Л = 2R arctg — "-. (1)
hh
Лх
Таким образом малое перемещение Л корпуса 1.относительно поверхности 18 мо1747875
15 мерения перемещения.
20 В реализованном макете датчика пол25 гут быть измерены путем пересчета малых перемещений штоков 14 и 15 по формуле (1).
Можно предположить, что для измерения перемещения Л I достаточно измерять перемещение одного из штоков 14 и 15 (только Л hx или только Ahy). Однако, поскольку в. области максимумов (минимумов)функций sin р или cos p изменение аргумента р на + Л р приводит к изменению функции одного знака, это не дает воэможности определять направление перемещения корпуса 1 или знак приращения AI, Вычисление же арктангенса позволяет определять направление и величину вектора перемещения.
Большие перемещения hL вычисляются накопителем, интегрированием (цифровым или аналоговым) малых перемещений
Ж п
Ж.-i.+ g Al, (2)
i =1.
Или..., tn
hL=4+ J AI(t)dt, (2а) è где Ео — начальное; исходное значение координаты положения корпуса 1 датчика относительно поверхности 18;
n — количество отсчетов элементарных перемещений hli, tp — начальный момент времени;
t> — момент времени отсчета положения датчика, Таким образом, имея линейную зависимость напряжения на выходе блока преобразования 19 от положения воспринимающих торцов перпендикулярно расположенных штоков 14 и 15, с помощью блока обработки 20 вычисляются текущие координаты положения корпуса 1 датчика относительно поверхности 18, т,е. измеряемое перемещение.
Сравнительный анализ предлагаемого решения и известного позволяет выявить следующие преимущества предлагаемого.
В предлагаемом решении отсутствует дорогостоящая и сложная в изготовлении инфракционная решетка. Кроме того, оптические каналы волоконно-оптического преобразователя полностью изолированы от воздействия среды.
Предлагаемое устройство может быть использовано в пыльных, агрессивных взрыво- и пожароопасных средах, а также
50 при воздействии на него электрических по-. мех, поскольку источник излучения, фотоприемники и электронная схема полностью вынесены за пределы преобразователя на длину оптических волоконных линий, которая может достичь несколько сотен метров.
В данном устройстве возможно определе- ние положения контролируемого. объекта при любом, в том числе, и реверсивном, перемещении объекта. Это устройство позволяет непрерывно определять текущие угловые положения измерительного ролика, также и в том случае, когда ролик неподвижен, что существенно для введения поправок на угловые положения в случае зксцентриситета измерительного ролика, Таким образом, предложенный датчик позволяет избежать снижения точности изучен диапазон измерения перемещения от
0 до 400 мм с погрешностью, не превышаюшей 1)ь.
Формула изобретения
Волоконно-оптический датчик перемещений, содержащий корпус, ролик, установленный в корпусе с возможностью поворота вокруг своей оси, датчик угла поворота, кинематически связанный с роликом, блок обработки, вход которого подключен к выходу датчика угла поворота, о т л и ч а ю щ и и ся тем, что. с целью повышения точности, датчик угла поворота выполнен в виде диска, эксцентрично скрепленного с роликом, двух штоков, установленных в корпусе с воэможностью смещения вдоль оси их симметрии так, что эти оси перпендикулярны друг другу и оси поворота ролика, двух пар волоконно-оптических датчиков смещения, каждая из . которых сопряжена с соответствующим штоком, выходы волоконно-оптических датчиков в каждой паре подключены к соответствующим входам блока обработки по дифференциальной схеме, а каждый волоконно-оптический датчик выполнен в виде волоконного световода с многовитковым участком, излучателя, оптически связанного с входным торцом волоконного световода, и фотоприемника. оптически связанного с выходным торцем волоконного световода.
1747875
l7 1Е 10 1Ч 21 йиг.1
