Преобразователь перемещений

 

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике. Целью изобретения является повышение точности за счет уменьшения минимальной достоверно измеряемой величины перемещения, определяющей систематическую погрешность преобразователя. Сформированное оптической системой преобразователя когерентное световое излучение разделяется на измерительный и опорный потоки, распространяющиеся соответственно через одноименные одномодовые оптические волокна В 12 и 16 и затем вновь объединяемые в один поток, проходящий через элемент 20 визуализации интерференционной картины и щель (периодическую маску) 21 и воспринимаемый фотоприемником 23, выходной

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

<я)ю G 01 B 21/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4834504/28 (22) 05.06.90 (46) 30,03.93, Бюл, ¹ 12 (71) Самарский авиационный институт им. акад. С,П.Королева (72) Н.И.Лиманова и Н,Е.Конюхов (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1392365, кл, G 01 В 21/00. 1988, Агейкин Д.И., Констина Е.Н., Кузнецова

Н.Н, Датчики контроля и регулирования, Справочные материалы. M.; Машиностроение, 1965, с, 119-120, (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ (57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике. Целью изобрете„„5U „„1805291 А1 ния является повышение точности за счет уменьшения минимальной достоверно измеряемой величины перемещения, определяющей систематическую погрешность преобразователя. Сформированное оптической системой преобразователя когерентное световое излучение разделяется на измерительный и опорный потоки, распространяющиеся соответственно через одноименные одномодовые оптические волокна

В 12 и 16 и затем вновь объединяемые в один поток, проходящий ерез злемент 20 визуализации интерференционной картины и щель (периодическую маску) 21 и воспринимаемый фотоприемником 23, выходной

1805291

20

=Фо $1п ol, 30

40

45 сигнал которого детектируется амплитудным детектором 24. Измерительное ОВ 12 охватывает часть 25 внутреннего керна неподвижного сердечника 2 броневого типа, выполненную из магнитострикционного материала, Возбуждающая обмотка 3 сердечника запитывается генератором 1.

Якорь 4 (ферромагнитный диск) связан с

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для измерения различных перемещений, Цель изобретения — повышение точности измерений за счет уменьшения минимальной достоверно измеряемой величины перемещения, определяющей систематическую погрешность преобразователя, ограничивающую наряду с прочими факторами точность измерений, На чертеже представлена структурная схема электромагнитного преобразователя перемещений.

Электромагнйтный преобразователь 15 перемещений содержит пенератор 1, неподвижный сердечник 2 броневого типа с воз.буждающей обмоткой 3, подключенной к выходу гечератора 1, подвижный якорь 4.

Якорь 4 выполнен в виде ферромагнитного диска и связан с перемещающимся объектом. Устройство содержит также источник 5 оптического излучения, расположенные по ходу излучения коллиматор 6 и первый светоделитель 7. Светоделитель 7 формирует измерительный и опорный потоки излучения 8 и 9 соответственно.

По ходу измерительного потока 8 расположены первый фокусирующий микрообъектив 10, первый микропозиционер.11, измерительное одномодовое оптическое волокно 12 и первый выходной объектив 13. По . ходу опорного потока 9 расположены второй фокусирующий микрообъектив 14, второй микропозиционер 15, опорное одномодовое оптическое волокно 16 и второй выходной объектив 17. Преобразователь содержит также второй светоделитель 18, оптически сопряженный с опорным и измерительным потоками излучения 9 и 8 соответственно и формирующий выходной поток 19 излучения..

По ходу выходного потока излучения расположены элемент 20 визуализации интерференционной картины, экран 21 со щелью и, собирающей линзой 22, фотоприемник 23 и перемещающимся объектом. Положительный эффект обеспечивается использованием в качестве информационного параметра изменение фазы когерентного излучения путем изменения условий распространения оптического пути последнего с помощью магнитострикционного эффекта. 1 ил.

I амплитудный детектор 24, Источник излучения выполнен когерентным, Фотоприемник "23 оптически сопряжен с собирающей линзой 22, его выход соединен со входом амплитудного детектора 24.

Часть 25 внутреннего керна броневого сердечника 2 выполнена из магнитострикционного материала и охвачена измерительным одномодовым оптическим волокном 12.

Электромагнитный преобразователь перемещений работает следующим образом, Возбуждающая обмотка 3 запитывается синусоидальным током с частотой в:! =

=lpsIn в t от генератора 1. В магнитной системе сердечник 2 — якорь 4 возникает электромагнитное поле. Величину магнитного потока Ф, распространяющегося в магнитной системе, пренебрегая величинами маг- нитных сопротивлений сердечника 2 и якоря 4, а также величинами потерь в них на вихревые токи и гистерезис, можно описать выражением: ф ЯЯо So I ФЯoSo lo

2д 2д где Р/ — число витков возбуждающей обмотки 3;

I — величина тока, протекающего по возбуждающей обмотке 3; д — измеряемая величина — расстояние между сердечником 2 и якорем 4; ,ио — магнитная проницаемость воздуха,,ио =4л 10 Гн/м;

So — эффективная площадь сечения сердечника 2;

Cp — амплитуда магнитного потока Ф.

От величины Ф можно перейти к величине напряженности магнитного поля Н, согласно выражениям:

Н = В//, В =e/S,,, где  — величина индукции магнитного поля:

1805291

Н = sin e t.

W lo (2) Из выражения (2) видно, что при изменении величины д измеряемого переме- 5 щения меняется напряженность Н в сердечнике 2. Под действием магнитного поля происходят деформации участка 25, выполненного из мэгнитострикционного материала, помещенного в нерабочий воз-. 10 душный зазор сердечника 2. Участок 25 сердечника 2 охвачен измерительным воfloKHoM 12, например волокно нэвивается нэ магнитострикционный материал, причем от количества витков зависит чувствитель- 15 ность к деформациям магнитострикционного материала. Деформации приводят к изменению длины оптического пути света, распространяющегося в измерительном волокне 12. Фаза световой волны с выхода 20 измерительного волокна претерпевает гармонические изменения

Fs = Fso8ln o t+ F q, 25 где F. s — значение фазы световой волны в отсутствие внешнего сигнала, и —.частота генератора 1, F>< — амплитуда фазовой модуляции световой волны в измерительном волокне 30

12, пропорциональная величине д измеряемого перемещения.

Свет от источника 5 оптического излучения, который должен быть когерентным, например, возможно применение полупро- 35 водникового или газового лазера, через коллиматор 6 попадает на светоделитель 7, Микрообъективы 10 и 14 фокусируют оптические потоки на входные торцы измерительного и опорного одномодовых 40 оптических волокон 12 и 16 соответственно.

Для обеспечения эффективного ввода излучения в волокна 12 и 16 обязательно применение микропозиционеров 11 и 15 соответственно, так как диаметр сердцевины 45 одномодового волокна составляет 5 — 8 мкм.

Опорное волокно 16 находится в стабильных внешних условиях, чтобы исключить или уменьшить дрейф фазы Рг на выходе опорного волокна. Выходные объективы 13 и 17 превращают расходящиеся волновые фронты световых излучений, выходящих из измерительного и опорного волокон 12 и 16 соответственно, в плоские.

Светоделитель 18 применен для совме- 55 щения этих фронтов таким образом, чтобы в плоскости элемента 20 визуализации интерференционной картины можно было наблюдать картину интерференции опорной и измерительной волн 9 и 8 соответственно.

Щель в непрозрачном экране 21 ориентируют параллельно полосам интерференционной картины, а ериод интерференционной картины должен быть, как минимум, вдвое больше, чем ширина щели. Щель экрана 21 располагают таким образом, чтобы ее ось совпадала с границей темной и светлой полос. Вместо щели можно использовать периодическую маску. Часть энергии интерференционной картины детектируется фотоприемником 23, расположенным в фокусе собирающей линзы 22. Полезный электрический сигнал в цепи фотоприемника 23, можно описать выражением

aP qe

hv (3) где Р— оптическая мощность, попадающая на приемную площадку фотоприемника, е — заряд электрона, а — глубина модуляции (контраст) интерференционной картины, q — квантовая эффективность (число фотоэлектронов на один квант света) фотоприемника, h — постоянная Планка, т — частота излучения, Л F — фазовое рассогласование между измерительным и опорным плечами 12 и 16 интерферометра, Л F = Fs- Fr.

Величину ЛF можно описать выражением

Л F=mlH, (4) где m — коэффициент, зависящий от константы мэгнитострикции, напряженности постоянного поля подмагничивания в случае его необходимости (это зависит от типа применяемого магнитострикционного материала), длины волны светового излучения и оптических свойств волокна, l — длина рабочего оптического волокна.

Перепишем (3) с учетом (4) aP qeml Н

aP qemlWI, 1

2д з)n cut.

Из формулы (6) видно, что величина амплитуды тока фотоприемника 23 обратно пропорциональна величине д измеряемого перемещения.

Подставив (2) в (5), окончательно получим

1805291

Величину сигнала U на выходе фотоприемника 23 можно описать выражением

U=ki, где k — коэффициент преобразования.

Амплитудный детектор 24 выделяет ам- 5 плитудное значение величины U сигнала с фотоприемника 23, которое согласно (б) обратно пропорционально измеряемой величине д.

В качестве мэгнитострикционного мэ- 10 териала можно использовать мэгнитострикционные металлы (железо, никель, кобальт), а также сплавы на их основе и магнитострикционные металлические стеклэ (метглэсы). В первом случае часть 25 15 сердечника 2 непосредственно изготавливают из мэгнитострикционного металлэ, причем желательно тэк подобрать материалы сердечника 2 и участка 25, чтобы величина относительной магнитной прони- 20 цаемости,и мэгнитострикционного металла приближалась к величине р ферромэгнитного материала, из которого изготовлен сердечник 2, чтобы минимизировать потери в сердечнике 2 зэ счет введения участка 25. 25

Во втором случае участок 25 представляет собой каркас с лентой из метгласа. Необходимо отметить, что значение константы магнитострикции метглэсов на один-двэ порядка выше, чем у метэллов, поэтому при- 30 менение метгласов способствует дальнейшему уменьшению минимальной достоверно измеряемой величины перемещения.

При практической реализации устрой- 35 ства возникает ряд проблем, связанных со снижением различного рода шумов (источников излучения, а также обусловленных процессами, происходящими при перемагничивэнии мэгнитострикционного материа- 40

r.à 25, сердечника 2 и якоря 4, перепадами температур и вибрациями), Поэтому частоту е генератора 1 желательно выбирать в диапазоне от 1 до 10 кГц . (что является оптимальным и для питания 45 индуктивных преобразователей), тэк как в этом диапазоне частот незначительны шумы лазеров и шумы, вь1звэнные влиянием температуры и вибрациями, которые проявляются в более низкочастотном диапазоне. 50

Динамический диапазон устройства огрэничен амплитудой фазовой модуляции

Л смаке < K/2, Однако, даже для Ь FMggg =

=л /8 при la=20 мА, В/=500 витков, m =-10

-5

I = 2 м по формулам (4) и (2) величина r5 „55 составляет 180 мкм. При расчете в формулу (2) вместо lysin a t подставлялось эффективное значение lýôô = 4/ V2, Максимально измеряемое смещение дмакс огрэничивэет" ся шумами различного рода, уровень которых зависит от конструкции преобразователя перемещений в целом.

В работе подсчитэна величина минимально детектируемой напряженность Нм магнитного поля, которая составляет 13 10

А/м для никеля и 8 10 2 А!м для метгласов, что соответствует величинэм д = 2,7 10 м и д = 4,4 10 м соответственно в случае 1О =

11

=20 мА и W =500 витков. Однако в реальных устройствах практически достижим диапэзон д от 0 до 1 м, причем индуктивный датчик 2 необходимо экрэни ровать от воздействия внешнего магнитного поля. . Ниже приведены значения минимальной достоверно измеряемой величины перемещения Лд, измеряемой преобразователем при воздушном зазоре до между сердечником 2 и якорем 4, д01 = 0,1 мм и д02=" M.

Величина Нмин зависит от конкретной реализации устройства в целом, в частности от типа применяемого мэгнитострикционного материала. Как видно из конкретного числового примера, величина Лд описываемого преобразователя на несколько порядков меньше, чем у прототипа.

Величина Лд, приведенная в числовом примере, не является предельно достижимой для описываемого устройства.

Ее можно уменьшать и далее, если увеличивать габариты сердечника 2 и величину тока, протекающего по обмотке возбуждения 3. В случае, если не требуется высокая разрешающая способность, при значениивеличины Лд, равном 0,1 мкм, как у традиционных электромагнитных преобразователей и прототипа, можно значительно снизить габариты сердечника, а также снизить требуемую величину мощности генератора 1, вследствие снижения величины I то ; протекающего по возбуждающей обмотке

3 сердечника 2.

Формула изобретения

Преобразователь перемещений, содержащий генератор, неподвижный сердечник броневого типа с возбуждающей обмоткой подключенной к выходу генератора, подвижный якорь, выполненный в виде ферромагнитного диска и связываемый с перемещающимся объектом, источник оптического излучения, фотоприемник и амплитудный детектор, о т л и ч э ю шийся тем, что, с целью повышения точности, он снэбжен расположенными по ходу излучения коллиматором, первым светоделителем, расположенными соответственно по ходу измерительного и опорного потоков излучения, сформированных первым светоделите1805291

Составитель Н. Лиманова

Редактор Л. Народная Техред М, Моргентал Корректор М демчик

Заказ 934 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 лем, первым фокусирующим микрообъективом, первым микропозиционером, измерительным одномодовым оптическим волокном, первым выходным объективом, и вторым фокусирующим микрообъективом, вторым микропозиционером, опорным одномодовым оптическим BQRQKHoNt, вторым выходным объективом, вторым светоделителем, оптически сопряженным с опорным и измерительным потоками излучения, расположенными по ходу выходного потока излучения, сформированного вторым светоделителем, элементом визуализации интерференционной картины, экраном со щелью и собирающей линзой, источник излучения выполнен

5 когерентным, фотоприемник оптически сопряжен с собирающей линзой, его выход соединен с входом амплитудного детектора, а часть внутреннего керна броневого сердечника выполнена из магнитострикцион10 ного материала и охвачена измерительным одномодовым оптическим волокном.