Оптоинтегральный цифровой датчик линейных микроперемещений

 

Оптоинтегральный цифровой датчик линейных микроперемещений относится к области измерительной техники. Технический результат - уменьшение габаритов датчика. Для этого датчик содержит оптически связанные измерительный и неподвижный растры с равной шириной элементов растров и с отношением периода измерительного растра к периоду неподвижного, равным cosα , где α - угол относительного углового смещения растров. Растры выполнены в виде волноводных структур неподвижного и измерительного оптоинтегральных модулей. Неподвижный модуль содержит последовательно оптически связанные волноводный разветвитель, имеющий один вход и 2N выходов, где N - разрядность датчика, и волноводный растр, состоящий из 2N трехмерных волноводов с показателем преломления n₁. Измерительный модуль связан с объектом измерения и содержит кодирующий волноводный растр из участков трехмерных волноводов с показателем преломления n₂, большим n₁, расположенных в соответствии с двоичным кодом. Входом для подачи излучения является вход волноводного разветвителя неподвижного модуля, а выходом датчика являются выходы волноводного растра того же модуля. 1 табл., 5 ил.

Изобретение относится к аналого-цифровым преобразователям (АЦП) и измерительной технике и может применятся при измерениях в машиностроении.

Известны измерительные преобразователи перемещений, содержащие источник излучения, формирователь параллельного потока света (коллиматор), неподвижный растр, измерительный растр, оптическое кодирующее устройство и блок фотоприемников. В таких преобразователях измеряемое перемещение преобразуется в движение светового растра, находящегося в сопряжении с неподвижным растром преобразователя, а положение образующейся в результате сопряжения комбинационной (при нониусном сопряжении растров) или муаровой (при муаровом сопряжении) полосы преобразуется в выходной параллельный оптический код при помощи оптического кодирующего устройства, который при необходимости используется для выработки электрического кода блоком фотоприемников.

Такого рода цифровые преобразователи перемещений обладают высоким быстродействием за счет кодирования в оптическом тракте и высокой разрешающей способностью за счет оптического усиления перемещений. Однако они имеют и существенный недостаток: большое число составных частей в оптическом тракте, которые нуждаются в подгонке друг к другу, юстировке, что усложняет конструкцию и снижает ее технологичность, а также относительно большие габариты.

Предлагаемый оптоинтегральный цифровой датчик линейных микроперемещений, содержащий оптически связанные измерительный и неподвижный растры с равной шириной элементов растров, с отношением периода измерительного растра к периоду неподвижного равным cosα, где a угол относительного углового смещения растров, выполнен в виде неподвижного и измерительного оптоинтегральных модулей, первый из которых содержит последовательно оптически связанные волоконный разветвитель, имеющий один вход и 2N выходов, где N - разрядность датчика, и волноводный растр, состоящий из 2N трехмерных волноводов с показателем преломления n₁, а второй связан с объектом, перемещение которого измеряется и содержит кодирующий волноводный растр из участков 2N трехмерных волноводов с показателем преломления n₂, большим n₁, расположенных в соответствии с двоичным кодом, причем входом для подачи излучения является вход волноводного разветвителя неподвижного модуля, а выходом датчика являются выходы волноводного растра того же модуля.

Повышение технологичности, упрощение конструкции и уменьшение габаритов может быть получено за счет выполнения неподвижного и измерительного растра в виде оптоинтегральных волноводных структур при том, что оптическое кодирующее устройство функционально объединено с измерительным растром в виде кодирующего растра, формирователь светового потока выполнен в виде волноводного разветвителя, объединенного в одном модуле с неподвижным растром, а вход для подачи излучения и выход для снятия оптического кода находятся на одном и том же модуле.

На фиг. 1 приведена структурная схема датчика; на фиг. 2 вид неподвижного модуля; на фиг. 3 вид измерительного модуля; на фиг. 4 вид измерителя давления на основе предлагаемого датчика; на фиг. 5 схема включения измерителя давления.

Оптоинтегральный цифровой датчик линейных микроперемещений содержит неподвижный модуль 1 и измерительный модуль 2, жестко связанный с объектом, перемещение которого измеряется. В зазоре между модулями 1 и 2 находится иммерсионная жидкость 3.

Источником излучения может служить лазерный диод, светодиод, непосредственно подсоединенные к входу неподвижного модуля 1, либо оптоволоконная линия для дистанционного подвода световой энергии к датчику (на фиг. 1 не показана). Приемником излучения, подключенным к параллельным цифровым прямому и инвертированному оптическим выходам датчика (показаны на фиг. 1 как I₀. I₂ и , соответственно), может быть линейка фотоприемников либо оптоволоконная линия для дистанционной передачи кодовых групп выходных сигналов.

Неподвижный модуль 1 (на фиг. 2 показан модуль трехразрядного датчика) представляет собой оптоинтегральную структуру, содержащую волноводный разветвитель 4 и волноводный растр 5 на подложке 6. Коэффициент преломления трехмерных волноводов разветвителя 4 и растра 5 n₁, коэффициент преломления материала подложки 6 n₀₁.

Измерительный модуль 2 (фиг. 3) также представляет собой оптоинтегральную структуру, содержащую кодирующий волноводный растр, совмещенный технологически с подложкой 7 с коэффициентом преломления n₂. Коэффициент преломления нанесенного верхнего слоя 8 n₀₂.

Соотношения размеров и технологических параметров (коэффициентов преломления) следующие.

Исходными данными для расчета являются любые две величины из соотношения Q D/2^N (1), где Q разрешающая способность датчика (квант перемещения); D диапазон измеряемого перемещения; N разрядность.

Шаг щелей растра 5 неподвижного модуля 1 W₁ D (2).

Угол смещения измерительного растра 7 относительно щелей растра 5 неподвижного модуля 1 α = arctg((2N - 1)^-1) (3) Соответственно ширина щелей измерительного растра 7 W₂ = W₁cosα (4) Ширина обоих растров 5 и 7 W и их высота H W H W₁(2N 1) (5).

Высота участка кодирующего растра 7 для нулевого разряда H₀ H/2^N (6)
и для каждого последующего n-го разряда
H_n H₀2ⁿ (7)
ширина трехмерных волноводов растров 5 и 7 обоих модулей
d = H_osinα/(cosα + 1) (8)
Коэффициенты преломления должны отвечать следующему соотношению
n₂ > n₁ > n₀₁ > n₀₂ (9).

В таблице приведены параметры трех конкретных вариантов выполнений датчика.

Оптоинтегральные модули изготавливаются на основе стеклянных либо полимерных подложек с нанесением рисунка методами диффузии либо напылением [3] для обеспечения условия (9).

Пример. Практически предлагаемый датчик может быть применен в измерителе давления (фиг. 4). Измеритель давления содержит мембрану 9, которая через шток 10 жестко связана с измерительным модулем 2, прижимаемым пружиной 11 к неподвижному модулю 1, приклеенному к прокладке 12, укрепленной на корпусе 13. Измеритель снабжен фланцем 14 для крепления в изделии. Подвод энергии и снятие кода осуществляется посредством оптоволоконных световодов, объединенных в жгут 15.

На фиг. 5 показана схема включения измерителя давления на основе оптоинтегрального датчика микроперемещений. Измеритель 16 укреплен на объекте 17, связь с пунктом приема информации осуществляется посредством оптоволоконной линии 18. На пункте приема информации находятся лазер Л, связанный с входом 1 неподвижного модуля 1, фотоприемники ФПО.ФП2, связанные соответственно с выходами I₀.I₂, и фотоприемники связанные с выходами Пункт включает в себя также компараторы K1.K2, с выхода которых снимается стандартный электрический параллельный двоичный код.

Принцип работы датчика аналогичен прототипу. Состояние кодовых групп на выходе зависит от смещения X измерительного модуля (фиг. 1). При этом состояние n-го разряда определяется как "1", если и "0" при обратном соотношении. В свою очередь, I_n является минимальным при максимальном наложении участка кодирующего растра 7 измерительного модуля 2 на волновой растр 5 (при этом максимальна утечка световой энергии из волновода неподвижного растра в волновод измерительного), а максимальным при отсутствии наложения. Выработка электрического кода стандартных уровней производится при помощи компарации сигналов с выходов блока фотоприемника, либо на основе применения оптических бистабильных элементов (в чисто оптических измерительных системах).

Предлагаемое устройство обеспечивает высокую помехоустойчивость и может работать в условиях сильных электромагнитных помех благодаря оптической развязке входа от выхода и возможности передачи выходной информации в виде оптического кода и питания датчика по оптоволоконной линии.

Формула изобретения

Оптоинтегральный цифровой датчик линейных микроперемещений, содержащий оптически связанные измерительный и неподвижный растры с равной шириной элементов растров, с отношением периода измерительного растра к периоду неподвижного растра, равным cosα, где α - угол относительного углового смещения измерительного и неподвижного растров, отличающийся тем, что эти растры выполнены в виде волноводных структур неподвижного и измерительного оптоинтегральных модулей, при этом неподвижный модуль содержит последовательно оптически связанные волноводный разветвитель, имеющий один вход и 2N выходов, где N разрядность датчика, и волноводный растр, состоящий из 2N трехмерных волноводов с показателем преломления n₁, а измерительный модуль связан с объектом, перемещение которого измеряется, и содержит кодирующий волноводный растр из участков 2N трехмерных волноводов с показателем преломления n₂, большим n₁, расположенных в соответствии с двоичным кодом, причем входом для подачи излучения является вход волноводного разветвителя неподвижного модуля, а выходом датчика являются выходы волноводного растра того же модуля.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6