Лазерный интерферометрический преобразователь силы (варианты)

 

Изобретение предназначено для измерения сил с использованием лазерных интерферометрических принципов. Лазерный интерферометрический преобразователь силы для измерения однонаправленной нагрузки выполнен из одного куска материала для минимизации гистерезиса и включает земляной конец, жестко соединенный с фиксированной опорной плоскостью, и метрический конец для приложения нагрузки. Преобразователь содержит основные изгибные элементы, разделяющие его земляной и метрический концы, изгибные элементы усиления, кронштейн отражателей и обратные отражатели, первый из которых установлен на метрическом конце, а второй - на земляном конце преобразователя. К кронштейну отражателей прикреплено множество зеркал поворота лучей и множество отражателей контроля пространственного смещения. Согласно второму варианту изобретения к кронштейну отражателей прикреплено множество зеркал поворота лучей, а к изгибным элементам усиления прикреплен рычаг усиления смещения, к которому прикреплены первый и второй обратные отражатели. Технический результат заключается в высокой степени точности, повторяемости и разрешающей способности преобразователя. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 10 ил.

Изобретение касается способа и устройства для измерения сил с использованием лазерных интерферометрических принципов.

Предшествующий уровень техники Во многих применениях требуется измерение больших нагрузок, как сил, так и моментов, с малой неточностью. Один такой пример заключается в измерении встречаемых нагрузок посредством масштабной модели при испытании в аэродинамической трубе, где ошибки и неточности усиливаются посредством осуществления натурных корреляций. Типично, устройства, используемые для измерения этих нагрузок, известные как весы, представляют следующие два общих типа: коромысло измерения и(или) взвешивания деформации. В первом типе имеются две общие разновидности, в одной из которых используются изгибные элементы, а в другой используются динамометрические датчики. Независимо от того, какая разновидность или комбинация используется, точность, повторяемость и разрешающая способность ограничиваются использованием измерителей деформации и точностью отсчета соответственного выходного напряжения. Неотъемлемым для датчика измерения деформации является необходимость конструировать для уровней напряжения, которые дают адекватную деформацию в местоположении установки измерителя деформации. Эти уровни напряжения часто приводят к усталости изгибных элементов и нуждаются в частых калибровках для гарантии того, что сами измерители деформации действительно надежно закреплены. В рычажных весах используют ряд точек опоры и рычагов для снижения прикладываемых нагрузок до величин, которыми можно манипулировать с помощью электромеханических катушек для возврата системы в исходное положение нагрузки и (или) прецизионных динамометрических преобразователей. Хотя уровни напряжения можно значительно снижать от уровней весов измерителя деформации, рычажные весы в общем являются более универсальными. Эта универсальность приводит к перемещению и вращению центра калибрования баланса и при этом вводится другая неточность. Кроме того, в случае рычажных весов требуются большие объемы для размещения рычагов снижения нагрузки.

Известная патентная литература включает в себя патент Германии (патентное описание) N 138704, в котором описаны весы, использующие устройство лазерной интерферометрии дли измерения прикладываемых нагрузок, используя зажатую проволоку для измерения сил в нисходящем направлении.

В противоположность этому, соответствующий настоящему изобретению измерительный прибор является прецизионными, многодетальными однонаправленными весами, способными измерять как растягивающие, таи и сжимающие (двунаправленные) нагрузки, не учитывая направление силы тяжести.

Кроме того, в противоположность этому, соответствующий настоящему изобретению измерительный прибор имеет однодетальный путь нагрузки, устраняя тем самым гистерезис на макроуровне и ограничивая его гистерезисом, испытываемым на молекулярном уровне, величина которого значительно меньше испытываемого в многодетальных измерительных приборах.

Далее в противоположность патенту Германии (патентное описание) N 138704, связи, при которых выравнивание является критичным, не используются; скорее, отклонение ограничивается особой областью по мере изгиба взвешивающего коромысла, и используется усиливающий рычаг для усиления небольших отклонений и для отделения измерения к центру изгиба, давая улучшенную характеристику точности системы.

В качестве прототипа описывается патент DD N 143,956, кл. 601 L 1/24, 10.07.79, в котором описывается лазерный интерферометрический преобразователь силы для измерения однонаправленной нагрузки, использующий показанный на фиг. 12Е Z-обраэный элемент двойного изгиба; однако, в нем не используется усилительный рычаг для усиления небольших изгибов.

Раскрытие изобретения Измеряется линейное преобразование двух точек на упругом материале в случае постепенно увеличивающихся прилагаемых точных нагрузок, используя лазерный интерферометр с расщепленным лучом. Другое интерферометрическое измерение осуществляется путем вращательного и поступательного перемещения нагруженной системы относительно лазерного источника вследствие деформации от нагрузки; таким образом, для определения истинного отклонения, вызываемого прилагаемой нагрузкой, осуществляют коррекцию предполагаемых измерений. Определение соотношения изгиба и прикладываемой нагрузки с использованием лазерного интерферометра дает датчик силы и момента с высокой степенью точности, повторяемости и разрешающей способности.

Дополнительное использование механического рычага усиления смешения обеспечивает даже более жесткий измерительный прибор с дополнительным преимуществом лучшей точности, повторяемости и разрешающей способности.

Краткое описание чертежей В дальнейшем изобретение поясняется конкретным вариантом его выполнения, со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых: фиг. 1A и 1B представляют изометрические виды спереди и сзади варианта осуществления соответствующей настоящему изобретению системы с установленным рычагом усиления смещения; фиг. 2A и 2B представляют изометрические виды соответствующей настоящему изобретению системы, при использовании ее без рычага усиления смещения; на фиг. 3A и 3B изображена траектория лазерного луча при использовании рычага усиления смещения, тогда как на фиг. 4A и 4B демонстрируются траектории лучей без рычага усиления; фиг. 5 представляет изображение принципа действия рычага усиления смещения; фиг. 6 изображает способ проведения обычного испытания на прототипе.

Вариант наилучшего осуществления изобретения
Согласно настоящему изобретению преобразователь выполнен из одного куска материала для минимизации гистерезиса, вызванного скольжением в месте соединения, и включает земляной конец, жестко соединенный с фиксированной опорной плоскостью, и метрический конец для приложения нагрузки, основные изгибные элементы, разделяющие земляной и метрический концы преобразователя, и изгибные элементы усиления, кронштейн отражателей и первый и второй обратные отражатели, прикрепленные к преобразователю, а также прикрепленные к кронштейну отражателей множество зеркал поворота лучей и множество отражателей контроля пространственного смещения, при этом первый обратный отражатель установлен на метрическом конце, а второй обратный отражатель установлен на земляном конце преобразователя силы.

Согласно другому варианту воплощения изобретения преобразователь выполнен из одного куска материала для минимизации гистерезиса, вызванного скольжением в месте соединения, и включает земляной конец, жестко соединенный с фиксированной опорной плоскостью, и метрический конец для приложения нагрузки, основные изгибные элементы, разделяющие земляной и метрический концы преобразователя, и изгибные элементы усиления, кронштейн отражателей и первый и второй обратные отражатели, прикрепленные к преобразователю, а также прикрепленные к кронштейну отражателей множество зеркал поворота лучей, при этом к изгибным элементам усиления прикреплен рычаг усиления смещения, к которому прикреплены первый и второй обратные отражатели.

Желательно, чтобы в лазерном интерферометрическом преобразователе силы рычаг усиления смещения был установлен на прямоугольном стержне.

Лазерный интерферометрический преобразователь силы обеспечил конструкцию для создания прогиба на полную шкалу, равного 0,007 дюйма (0,1778 мм) при нагрузке 300 фунтов (112,0 кг), давая разрешающую способность, равную 0,013 фунтов (0,048 кг). Эту разрешающую способность можно улучшить, используя более передовую систему отсчета интерференционных полос интерферометра и(или) используя рычаг усиления смещения 3.

На фиг. 2A, 2B, 4A и 4B основная система работает без рычага усиления смещения. Преобразователь силы 1 изготовлен из единого куска материала (для минимизирования гистерезиса, наводимого проскальзыванием в месте соединения) и состоит из земляного конца, метрического конца, основных изгибов 4 и усилительных изгибов 2. К преобразователю силы прикреплены отражательный кронштейн 5 и обратные отражатели 6 и 7. На отражательном кронштейне находятся поворачивающие луч зеркала 8, 9, 10 и 11, наряду с обратными отражателями 12, 13 и 14 контроля пространственного смещения. На фиг. 4A и 4B можно видеть, что траектория луча света A, идущего в направлении -y, попадает на зеркало 9, поворачивается на 90^o в направление -x, попадая на зеркало 8, которое поворачивает луч на 90^o в направлении - Z, и, наконец, попадает на обратный отражатель 6, который прикреплен к метрическому концу преобразователя силы 1. Обратный отражатель 6 поворачивает луч А на 180^oC и возвращает его через те же зеркала (в обратном порядке) к источнику. Таким же образом луч В проходит путь через зеркала 10, 11 к обратному отражателю 7, где он также отсылается обратно к источнику. Первоначально, оба пути света A и B имеют одинаковую номинальную длину. Когда прикладывают растягивающую нагрузку P, можно заметить, что путь света A становится длиннее, тогда как путь света B остается фактически неизменным по длине. При таком способе осуществляют испытание и подсчет интерференционных полос на счетчике полос, позволяющем установить связь между нагрузкой и интерференционными полосами, которая пропорциональна относительному перемещению в направлении Z двух обратных отражателей 6 и 7, оставаясь относительно невосприимчивой к асимметричным аномалиям смещения. В этом случае при приложении нагрузки P определяют суммарное относительное смещение ΔZ между обратными отражателями 6 и 7. Таким образом, разрешающая способность становится функцией относительного смещения ΔZ, прикладываемой нагрузки P и того смещения, которое соответствует одному счету полос, в этом случае 3E-07 дюйма (3 · 10^-7 дюйма = 8 · 10^-7 см), то есть

или

(300 фунтов = 136,077 кг, 7E-07 дюйма = 0,1778 · 10^-5 мм), что дает разрешающую способность 0,013 фунта (0,005897 кг). Из приведенного соотношения видно, что если требуется анализировать нагрузки меньших величин для данного диапазона нагрузок P, то либо можно получить лучший счетчик интерференционных полос, который фактически считает и (или) диспергирует отдельные полосы на фракционные полосы, увеличивая относительное смещение ΔZ, или увеличить смещение ΔZ, как это осуществляется в случае использования рычага усиления смещения 3.

Обращаясь к фиг. 1A и 1B, отметим, что здесь обратные отражатели 6 и 7 заменены на обратные отражатели 15 и 16, которые размещены непосредственно на рычаге усиления смещения 3. На фиг.5 можно видеть, что рычаг усиления смещения 3 прикреплен к земляному и метрическому концам преобразователя силы 1 через изгибы 2 усиления смещения, которые отделены друг от друга расстоянием Lf. Если метрический конец отклоняется вниз на расстояние ΔZ, можно видеть, что обратный отражатель 15 отклоняется вниз, а обратный отражатель 16 отклоняется вверх. Фактически рычаг усиления смещения осуществляет вращение на Θ градусов в плоскости x-Z, и перемещение на ΔZ/2 в направлении - Z. Таким образом, для нас представляет интерес только относительное смещение между обратными отражателями 15 и 16, которое происходит из-за поворота рычага усиления смещения 3, которое определяется уравнением
ΔZʹ= ΔZ(Lf/Lr)cos(Θ).
Для маленьких смещений ΔZ угол Θ маленький (приблизительно 0,5^o, таким образом cosΘ ≈ 1), а ΔZʹ можно приблизительно выразить уравнением
ΔZʹ= ΔZ(Lf/Lr).
В этом случае отношение Lf/Lr было равно 10, давая таким образом порядок увеличения значения разрешающей способности или способность разрешать 0,0013 фунтов (0,0048 кг) в системе, имеющей полую шкалу 300 фунтов (112 кг). Это соответствует разрешающей способности 0,0004% от полной шкалы. Рассматривая фиг. 3A и 3B, можно видеть, что оптические пути A и B действительно не отличаются от конфигураций, в которых не используется рычаг увеличения смещения; и наоборот, обратные отражатели 15 и 16 оба подвергаются смещению, в результате чего оптическая длина пути луча A получается больше, в то время как путь B получается короче.

Кроме того, было обнаружено, что добавление рычага увеличения смещения обеспечило улучшение разрешающей способности, подобное получаемой в огибающей 2 σ неповторяемости:
2σ = 0,0285 фунта (0,0106 кг)
или
2σ = 0,0095% от всей шкалы.
Обратные отражатели 12, 13 и 14 использовали на всех этапах исследования для контроля и коррекции относительных изменений пространственного ориентирования между интерферометром и преобразователем силы. Перемещения вдоль оси y, которые дают более длинные или более короткие оптические пути, не оказывали вредного воздействия на данные, поскольку оба пути A и B изменялись на одну и ту же величину и в одном направлении. Однако, когда систему нагружали, любой поворот испытательного стенда 17 на фиг. 6 (на этом чертеже преобразователь силы сконструирован для применений растягивающих нагрузок) относительно оси Z (перемещение с помощью реечной передачи) или вокруг оси y (наклон) может ошибочно показывать отклонение вследствие нагрузок, которых нет, поскольку оптические длины путей А и В могут изменяться в дифференциальной форме. Благодаря использованию обратных отражателей 12, 13 и 14 для описания и контроля плоскости x-Z, имеется возможность корректировать эти аномалии. Кроме того, преобразователь силы и матрица манипулирования лазерным лучом зеркал и обратных отражателей были сконструированы таким образом, что поддерживалась симметрия, минимизируя и тем самым также влияния, которые в противном случае могли бы оказываться вследствие дифференциального роста температуры.

Преобразователь силы в прототипе можно использовать в виде двух различных конфигураций, как показано на фиг. 1 и 2. В каждой конфигурации измерение силы возможно из-за относительного смещения между метрическим и земляным концами. Это смещение происходит посредством изгибов 4 в осевом направлении, а в других направлениях изгибы имеют очень маленькое смещение, даже если имеются поперечные силы. Смещение в прототипе составляло порядка ± 0,010 дюйма (0,254 мм) в осевом направлении. Для измерения предполагаемых очень маленьких расстояний использовали лазерный интерферометр.

Рассмотрим конфигурацию на фиг.2. Двойные лазерные лучи приходят издалека и отражаются под углом 45^o зеркалами 9 и 10. Затем лучи попадают на другую пару 45^o зеркал 8 и 11 (зеркала 8, 9, 10 и 11 держатся на земляном конце с помощью кронштейна 5), которые посылают их к паре обратных отражателей 6 и 7. После этого свет проходит тот же путь назад, где он захватывается интерферометром. Интерферометр определяет изменение количества длин волн, которое соответствует световому пути. Если световой путь растет или сокращается, можно использовать компьютер для регистрации изменения с помощью подсчета количества проходивших длин волн. Атмосферные возмущения света компенсируются с помощью двойных лучей, поскольку лучи расположены близко друг к другу, они должны испытывать почти одинаковые изменения, вызываемые атмосферными возмущениями. Измерение относительного перемещения между земляным и метрическим концами рассчитывается на основании разницы в видимом изменении пути у двух лучей. Если атмосфера вызывает какое-либо изменение в видимой длине пути, это воздействует на оба луча, и разница между ними будет нулевой. Используемые нами интерферометры были способны производить измерения с разрешающей способностью в 0,0000003 дюйма (0,00000762 мм), что теоретически должно давать ± 33,333 отсчета разрешающей способности при отклонении на ± 0,010 дюйма (± 0,254 мм) нашего прототипа. Изгибы можно сконструировать для значительно большего прогиба, который дает соответствующее увеличение разрешающей способности.

Отличие конфигурации на фиг. 1 заключается в добавлении механического усилителя, к которому прикреплены обратные отражатели 15 и 16. Усилитель состоит из рычага 3, который подсоединен к прямоугольному стержню 17 с помощью двух конических соединений и двух болтов. Прямоугольный стержень 17 также представляет одно целое с изгибами 2. Один изгиб представляет одно целое с земляным концом, тогда как другой является одним целым с метрическим концом. Измеряемое смещение возле обратных отражателей 15 и 16 увеличивается на отношение Lr : Lf по сравнению со смещением между земляным и метрическим концами (см. фиг. 5). Преимущество использования механического усилителя заключается в увеличении разницы в длинах пути двойных лазерных лучей без увеличения смещения между земляным и метрическим концами, дающем увеличение разрешающей способности, точности и повторяемости по сравнению с конфигурацией без механического усилителя. Единственным известным недостатком механического усилителя является увеличенная чувствительность к динамическому приложению нагрузки. В зависимости от условий измерения нагрузки, точности используемого интерферометра и требований к измерению, механический усилитель может оказаться необходимым или нет.

Ключевой особенностью прототипа является конструкция в виде одной детали. Это предотвращает любое проскальзывание через место соединения, которое может вводить ошибку в измерение. Детали, которые не несут другую нагрузку, чем их собственный вес, закреплены болтами и штифтами прессовой посадки для предотвращения любого относительного смещения по месту соединения. Рычаг 3 прикреплен к прямоугольному стержню 17 двумя коническими соединителями (которые обращены друг к другу) и двумя болтами. Обратные отражатели 15 и 16 удерживаются в их гнездах с помощью пружинных зажимов (не показанных). Зеркала 8, 9, 10 и 11 удерживаются в своих отверстиях с помощью двух установочных винтов каждое.

Второй ключевой особенностью прототипа является устройство земляного и метрического концов с изгибами 4. Эта конфигурация создает конструкцию, которая очень жесткая во всех направлениях за исключением направления Z. Это делает прототип очень нечувствительным к силам и моментам, за исключением силы в направлении Z. Жесткостью в направлении Z можно управлять с помощью выбора соответствующей конфигурации и количества изгибов. Конструктор может управлять жесткостью, максимальным прогибом под действием максимальной нагрузки и уровнем у напряжения для данного применения. С помощью конструирования для конкретного уровня напряжения можно избежать проблем, которые досаждают преобразователям сил тензодатчиков. Напряжения можно снизить до уровней ниже напряжений, которые могут вызывать проблемы усталости, деформации ползучести или неупругости. Можно использовать менее дорогостоящий или альтернативный материал со специальными свойствами посредством управления уровнем напряжения, для приспосабливания этого материала.

Обратные отражатели 12, 13 и 14, смонтированные на кронштейне 5, используются тремя лазерными лучами, которые также проходят к независимым интерферометрам. Любое смещение обратных отражателей определяется интерферометрами и может запоминаться в памяти вычислительной машины. Эта информация используется для определения любого перемещения в земляном конце, а также для компенсации любого слабого нарушения в зеркалах и другом оптическом оборудовании, которое направляет лазерные лучи. Вычислительная машина может компенсировать эти действия с помощью программы "жесткого твердого тела". Программа рассчитывает необходимые постоянные, когда зеркало намеренно расстраивают во время установки. Эффект от использования программы "жесткого твердого тела" заключается в меньшей чувствительности к смещению в оборудовании оптических и конструктивных держателей.

Преимущество использования интерферометров заключается в их цифровом выходном сигнале, который можно обрабатывать с помощью не подверженных помехам цифровых вычислительных машин. Преимуществом лазерного света по сравнению с тензодатчиками является их неограниченный температурный диапазон, лимитируемый только материалом обратных отражателей. Поскольку в обратный отражатель вносится лишь небольшое количество напряжения, проблем усталости или связи не существует.

Из вышеизложенного специалистам в данной области техники должно быть ясно, что существуют другие пути использования концепций настоящей измерительной системы; например, преобразователи давления или крутящего момента, системы инерциального наведения, и для одновременного измерения нескольких сил и моментов. В аэродинамических трубах следует определять три силы и три момента, которые действуют на модель. С помощью размещения ряда однокомпонентных преобразователей силы можно измерять три составляющие силы и три составляющие момента в модели аэродинамической трубы или других системах.

Формула изобретения

1. Лазерный интерферометрический преобразователь силы для измерения однонаправленной нагрузки, отличающийся тем, что преобразователь выполнен из одного куска материала для минимизации гистерезиса, вызванного скольжением в месте соединения, и включает земляной конец, жестко соединенный с фиксированной опорной плоскостью, и метрический конец для приложения нагрузки, основные изгибные элементы, разделяющие земляной и метрический концы преобразователя, и изгибные элементы усиления, кронштейн отражателей и первый и второй обратные отражатели, прикрепленные к преобразователю, а также прикрепленные к кронштейну отражателей множество зеркал поворота лучей и множество отражателей контроля пространственного смещения, при этом первый обратный отражатель установлен на метрическом конце, а второй обратный отражатель установлен на земляном конце преобразователя силы.

2. Лазерный интерферометрический преобразователь силы для измерения однонаправленной нагрузки, отличающийся тем, что преобразователь выполнен из одного куска материала для минимизации гистерезиса, вызванного скольжением в месте соединения, и включает земляной конец, жестко соединенный с фиксированной опорной плоскостью, и метрический конец для приложения нагрузки, основные изгибные элементы, разделяющие земляной и метрический концы преобразователя, и изгибные элементы усиления, кронштейн отражателей и первый и второй обратные отражатели, прикрепленные к преобразователю, а также прикрепленные к кронштейну отражателей множество зеркал поворота лучей, при этом к изгибным элементам усиления прикреплен рычаг усиления смещения, к которому прикреплены первый и второй обратные отражатели.

3. Лазерный интерферометрический преобразователь силы по п.2, отличающийся тем, что рычаг усиления смещения установлен на прямоугольном стержне.

РИСУНКИ

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