Волоконно-оптический тахометр

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости вращения и контроля знака вращения подводных самодвижущихся объектов. Сущность изобретения: на контролируемый вал насаживается кодирующее устройство, выполненное в виде зубчатого диска. Вокруг диска устанавливается неподвижно обечайка, соосная валу. Внутри обечайки расположена сигнальная катушка, а вне обечайки - опорная катушка волоконно-оптического интерферометра. При вращении диска на сигнальную катушку интерферометра будут воздействовать импульсы давления, преобразуемые интерферометром в импульсы фототока. Частота импульсов фототока несет информацию о частоте вращения вала. Для определения знака вращения зубцы диска располагают по монотонной зависимости от оси вращения. Импульсы на выходе интерферометра будут различной амплитуды. Закон изменения импульсов (ее уменьшение или увеличение) несет информацию о знаке направления вращения. Технический результат - увеличение срока эксплуатации волоконно-оптического тахометра в агрессивной среде. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости вращения и контроля знака вращения валов подводных самодвижущихся объектов.

Известно устройство аналогичного назначения, содержащее кодирующий диск, на торец которого нанесены отражающие и поглощающие слои, волоконный световод, торец которого установлен напротив кодирующего диска, источник света и фотоприемник, оптически согласованные с кодирующим диском, усилитель фототока, подключенный к выходу фотоприемника, и частотомер, соединенный с выходом усилителя фототока. [Пат. Великобритании №2155619, кл. G 1 A, U 1 S (G 01 P 3/486), 1985].

Недостатком известного аналога является невозможность с его помощью измерять направление вращения и трудности работы в воде, связанные с ухудшением со временем отражательной способности отражающих слоев кодирующего диска (особенно в мутной воде).

Известен волоконно-оптический тахометр, содержащий кодирующее устройство в виде зубчатого диска, насажанного на контролируемый вал, считывающее устройство в виде двух оптических волокон, причем чувствительная часть одного оптического волокна установлена напротив торцов зубцов диска, источника когерентного света и фотоприемника, оптически связанных с оптическими волокнами, а также усилитель фототока, частотомера и регистратора знака направления вращения, при этом выход фотоприемника подключен к усилителю фототока /Патент США №4 580 130, кл.340-347 (П01313.00), 1986/

Данное устройство принято за прототип. В прототипе одно оптическое волокно выполнено передающим, а второе - в виде двух приемных волокон, сдвинутых относительно зубцов диска на четверть шага. Зубцы диска выполнены с отражающей торцевой поверхностью.

Недостатком прототипа являются трудности работы в воде, связанные с уменьшением отражательной способности зубцов диска, особенно в агрессивной среде, например морской воде.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является устранение данного недостатка, т.е. перевод работы тахометра с регистрацией оптического сигнала на регистрацию звукового сигнала (волн давления). В последнем случае наличие на торцах зубцов диска отражающей поверхности не требуется.

Данный технический результат достигают за счет того, что в известный волоконно-оптический тахометр (ВОТ), содержащий кодирующее устройство в виде зубчатого диска, закрепленного на контролируемом валу, считывающее устройство в виде двух оптических волокон, причем приемная часть одного оптического волокна установлена напротив торцов зубцов диска, источника когерентного света и фотоприемника, оптически связанных с оптическими волокнами, а также усилителем фототока, частотомера и регистратора знака направления вращения, при этом выход усилителя фотоприемника подключен к усилителю фототока, дополнительно введены фильтр низких частот (ФНЧ), дифференциатор, усилитель-ограничитель, а также неподвижная обечайка с внутренним диаметром, превышающим внешний диаметр зубчатого диска, установленная соосно с валом напротив торцов зубцов диска, причем приемные части оптических волокон свернуты в волоконные катушки, оптически согласованные в интерферометр с источником когерентного света и фотоприемником, при этом одна из волоконных катушек установлена внутри, а другая - вне обечайки, а расстояние от зубцов диска до его оси вращения изменяется по монотонной зависимости, причем выход усилителя фототока через усилитель-ограничитель параллельно подключен к частотомеру и к выходу ФНЧ, соединенного выходом через дифференциатор с регистратором знака направления вращения.

В частном случае расстояние от зубцов диска до его оси вращения изменяется согласно спирали Архимеда.

В одной их волоконных катушек установлено фазосдвигающее устройство.

На фиг.1 представлена оптико-электронная схема ВОТ; на фиг.2 - пример конструкции зубчатого диска; на фиг.3 - временные диаграммы, поясняющие работу тахометра.

Волоконно-оптический тахометр содержит по аналогии с прототипом кодирующее и считывающее устройства.

Считывающее устройство (фиг.1) выполнено в виде оптических волокон, приемные части которых свернуты в волоконные катушки 1, 2 оптически согласованные с источником 3 когерентного света и фотоприемником 4 в интерферометр. В одной из волоконных катушек установлено фазосдвигающее устройство 5.

Кодирующее устройство (фиг.2) выполнено в виде зубчатого диска 6, насаженного на контролируемый вал 7, и неподвижной цилиндрической обечайки 8 с внутренним диаметром, превышающим внешний диаметр зубчатого диска 6 и соосной с валом 7.

Волоконная катушка 1 (сигнальная или предметная) расположена внутри обечайки 8. Волоконная катушка 2 (опорная) расположена вне обечайки 8, но в той же рабочей среде, что и сигнальная катушка 1.

Для определения направления вращения расстояние от зубцов диска 6 до его оси вращения, а значит, и до обечайки 8 изменяется по монотонной зависимости, например, задаваемой законом спирали Архимеда, как показано на фиг.2.

Для получения удобного для обработки сигнала с выхода интерферометра (фотоприемника 4) спираль Архимеда не должна быть слишком крутой, а зубцы диска 6 - достаточно глубокими, чтобы глубина впадин зубчатого диска превышала разницу между максимальным и минимальным радиусами спирали Архимеда.

Электронная схема ВОТ включает в себя усилитель 9 фототока, подключенный к выходу фотоприемника 4, усилитель-ограничитель 10 и ФНЧ 11, подключенный параллельно к усилителю 9 фототока, частотомер 12, соединенный с выходом усилителя-ограничителя 10, дифференциатор 13 и регистратор 14 знака направления вращения, подключенный через дифференциатор 13 к выходу ФНЧ 11 (ФНЧ 11 может быть заменен детектором).

Регистратор 14 знака направления вращения может быть выполнен в виде индикатора полярности сигнала, например, на основе нуль-индикатора.

Другие электронные блоки особенностей не имеют.

Количество витков в сигнальной и опорной волоконных катушках выбирается таким, чтобы интерферометр не выходил из гомодинного режима работы, когда входной сигнал на него не превышает по разности фаз интерферирующих лучей ±45°. При этом начальную разность фаз подбирают равной 90°. Для устранения возможных сбоев начальной разности фаз в интерферометре предусмотрено фазосдвигающее устройство 5.

ВОТ работает следующим образом. При вращении контролируемого вала 7 зубцы и впадины диска 6 поочередно проходят мимо сигнальной волоконной катушки 1.

Когда у катушки 1 находится торец зубца диска, на нее воздействует импульс давления, обусловленный наличием обечайки 8, когда впадина давление, воздействующее на катушку, 1 резко уменьшается. Поэтому при вращении зубчатого диска 6 на выходе фотоприемника 4 появляется последовательность импульсов фототока, частота которых (после усиления в усилителе - фототока 9 и ограничения в усилителе-ограничителе 10) измеряется частотомером 12, отградуированного в единицах частоты вращения (обороты в секунду).

Для определения направления вращения используют параллельную блокам 10, 12 цепочку блоков 11, 13, 14.

В связи с тем, что расстояние между торцами зубцов диска 6 и обечайкой 8 монотонно изменяется, например, по спирали Архимеда, воздействующее на сигнальную катушку 1 давление также будет монотонно изменяться.

Если диск 6 вращается против часовой стрелки (на фиг.3 обозначено "влево"), то амплитуда выходного сигнала 15 будет монотонно уменьшаться, как показано на фиг.3,а, слева. Если диск 6 вращается по часовой стрелке, то амплитуда будет увеличиваться по тому же закону (фиг.3,а, справа).

ФНЧ 11, выполняющий роль детектора, выделяет низкочастотную составляющую сигнала 16 (фиг.3,б), которая после дифференцирования дифференциатором 13 будет иметь различную полярность, зависящую от направления вращения (сигналы 17 на фиг.3,в).

Регистратор 14 показывает направление вращения. При этом поскольку сигнальная и опорная волоконные катушки 1, 2 находятся в одной среде, на показания ВОТ не будут оказывать влияние изменение гидростатического давления, температуры, солености и плотности морской воды.

Таким образом, в отличие от прототипа в рассматриваемом тахометре нет необходимости нанесения отражающей поверхности на торцы диска и юстировки оптической схемы устройства. Что приводит к увеличению срока эксплуатации ВОТ в агрессивной среде, которой является морская вода.

1. Волоконно-оптический тахометр, содержащий кодирующее устройство в виде зубчатого диска, закрепленного на контролируемом валу, считывающее устройство в виде двух оптических волокон, причем приемная часть одного оптического волокна установлена напротив торцов зубцов диска, источника когерентного света и фотоприемника, оптически связанных с оптическими волокнами, а также усилитель фототока, частотомер и регистратор знака направления вращения, при этом выход фотоприемника подключен к усилителю фототока, отличающийся тем, что дополнительно содержит фильтр низких частот, дифференциатор и усилитель-ограничитель, а также неподвижную обечайку с внутренним диаметром, превышающим внешний диаметр зубчатого диска, установленную соосно с валом напротив торцов зубцов диска, причем приемные части оптических волокон свернуты в волоконные катушки, оптически согласованные в интерферометр с источником когерентного света и фотоприемником, при этом одна из волоконных катушек установлена внутри, а другая - вне обечайки, а расстояние от зубцов диска до его оси вращения изменяется по монотонной зависимости, причем выход усилителя фототока параллельно подключен к усилителю-ограничителю и к входу фильтра низких частот, выход усилителя-ограничителя соединен с частотомером, а к выходу фильтра низких частот через дифференциатор подключен регистратор знака направления вращения.

2. Волоконно-оптический тахометр по п.1, отличающийся тем, что расстояние от зубцов диска до его оси вращения изменяется согласно спирали Архимеда.

3. Волоконно-оптический тахометр по п.1, отличающийся тем, что в одной из волоконных катушек установлено фазосдвигающее устройство.