Датчик абсолютных колебаний

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к области виброметрии. Техническим результатом при использовании устройства является повышение чувствительности и точности измерений. Датчик снабжен установленной на корпусе с возможностью перемещения платформой, механизмом ориентации платформы, причем на платформе жестко закреплен фотодиод, а на инерционной массе - светодиод, при этом светодиод и фотодиод направлены навстречу друг другу, а их продольные оси параллельны между собой и находятся на расстоянии от 3/8 R до R, где R - радиус светодиода. 2 ил.

Изобретение относится к области виброметрии и может быть использовано в качестве датчика абсолютных колебаний как в условиях лабораторных, так и промышленных испытаний машин и механизмов.

При исследовании вопроса балансировки шпинделей особоточных станков возникла необходимость в измерении амплитуды абсолютных колебаний станины станка в области низких частот 20-40 Гц с точностью до 0,01 мкм. Использование для этих целей серийных пьезоэлектрических датчиков оказалось невозможным, поскольку: пьезоэлектрические датчики и области низких частот обладают малой чувствительностью, что приводит к необходимости использования усилителя с высоким коэффициентом усиления. При этом возникают сложности в обеспечении стабильности низких собственных шумов усилителя и всей измерительной системы, а также ее линейности в области низких частот; АЧХ пьезоэлектрических датчиков в области низких частот нелинейна.

Известен световолоконный датчик колебаний, содержащий установленную на корпусе на плоскопараллельных пружинах инерционную массу, коаксиальный провод, светодиод и фотодиод (авторское свидетельство СССР N 1700384, кл. G 01 Н 9/00, 1991.) Недостатками датчика являются снижение чувствительности из-за потускнения отражающей площадки с течением времени, большие размеры, поскольку светодиод имеет подводящий и отводящий рукава, защитный кожух и т.д. необходимость применения коаксиального световода из кварца, стоимость которого составляет 94% стоимости всей конструкции.

Таким образом, не один из известных датчиков абсолютных колебаний не позволяет достигать точность до 0,01, мкм при измерении колебаний в области низких частот 20-40 Гц.

Техническим результатом использования предложения является повышение чувствительности и точности измерений.

Сущность изобретения заключается в том, что датчик снабжен установленной на корпусе платформой с механизмом ее ориентации и перемещения, причем на платформе жестко закреплен фотодиод, а на инерционной массе светодиод, при этом светодиод и фотодиод направлены навстречу друг другу, а их продольные оси параллельны между собой.

Ось источника оптического питания светодиода проходит через зону фотодиода, имеющую наивысший градиент чувствительности. Кроме того, отсутствие промежуточных элементов (например, отражающих поверхностей) резко повышает точность и чувствительность датчика.

На фиг. 1 представлен общий вид датчика, на фиг. 2 электрическая схема подключения.

Датчик содержит установленную на корпусе 1 на плоскопараллельных пружинах 2 инерционную массу 3, расположенную на корпусе 1 с возможностью перемещения платформы 4 и механизм 5 ориентации платформы 4. На платформе 4 жестко закреплен фотодиод 6, а на инерционной массе 3 светодиод 7, направленные навстречу друг другу, а их продольные оси параллельны между собой. При помощи болтов 8 датчик может быть закреплен на исследуемом объекте. Поз. 9 показаны электрические провода, жесткость которых значительно ниже жесткости пружин 2. Платформа 4 крепится к корпусу 1 так, что механизм 5 ориентации позволяет изменять положение платформы 4 относительно корпуса 1, а следовательно менять взаимное расположение фотодиода 6 относительно светодиода 7, добиваясь максимальной чувствительности датчика, т.е. производить настройку. Механизм 5 может быть выполнен, например, в виде винтовой пары.

Устройство работает следующим образом.

При колебаниях инерционной массы 3 относительно корпуса 1, вызванных колебаниями последнего, происходит изменение взаимного расположения светодиода 7 и фотодиода 6, что в свою очередь приводит к изменению электрического сигнала пропорционально амплитуде колебаний инерционной массы 3.

Питание светодиода Д1 осуществляется постоянным стабилизированным напряжением + 10В. В цепь светодиода включен резистор R= 91 Ом, который служит для ограничения тока в цепи светодиода до максимально допустимого. Фотодиод Д2 включен в режиме фотосопротивления. Фотодиод питается от того же напряжения, что и светодиод + 10В. В качестве преобразователя тока в напряжение используется резистор переменного сопротивления R= 40 КOм. Рабочий сигнал снимается с резистора R2 и величина его переменной составляющей характеризует амплитуду колебаний инерционной массы, а следовательно, и исследуемого объекта.

Расстояние между осями фотодиода 6 и светодиода 7 от 3/8 до R выбрано экспериментальным путем, т.е. выбрана зона наивысшей чувствительности, которая несколько смещена от продольной оси (наивысшая чувствительность фотодиода имеет место, когда сигнал проходит через край округления корпуса, а не строго по продольной оси).

Результаты испытаний предлагаемого датчика показали, что его рабочий частотный диапазон составляет 20.10000 Гц, при этом чувствительность датчика составляет не менее 29 мБ/мим (у прототипа только 10 мВ/мкм). Нижнюю границу частотного диапазона можно уменьшать, изменяя величину инерционной массы и жесткость плоскопараллельных пружин.

Формула изобретения

Датчик абсолютных колебаний, содержащий установленную в корпусе на плоскопараллельных пружинах инерционную массу, светодиод и фотодиод, отличающийся тем, что он снабжен установленной в корпусе с возможностью перемещения платформой, механизмом ориентации платформы, причем на платформе жестко закреплен фотодиод, а на инерционной массе светодиод, при этом светодиод и фотодиод направлены навстречу друг другу, а их продольные оси параллельны между собой и находятся на расстоянии от 3/8 до 1 радиуса светодиода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2