Датчик перемещений

Датчик перемещений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к средствам контрольно-измерительной техники и быть использовано для регистрации параметров колебательных процессов В механических системах. Цель изобретения - повышение точности контроля за счет уменьшения погрешности регистрации смещения луча света, зеркально отраженного от объекта контроля . Это достигается включением в оптическую многоканальную схему регистрации зеркально отраженного от контролируемого объекта света поляризаторов с взаимно ортогональными осями поляризации и выполнением фотоприемника в виде последовательно связанных сумматора, анализаторов и фотоэлектронных преобразователей. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„141157 (594 G 01 В 11 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Й АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTHA (21) 3794718/25-28 (22) 01.10.84 (46) 23.07.88. Бюл. Ф 27 (72) В.М.Свищ и Ю.Г.Хижняк (53) 53 1.717(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР !!» 958851, кл. G 01 В 11/16, 1981. (54) ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЙ (57) Изобретение относится к средствам контрольно-измерительной техники и может быть использовано для регистрации параметров колебательных процессов в механических системах. Цель изобретения — повышение точности контроля за счет уменьшения погрешности регистрации смещения луча света, зеркально отраженного от объекта контроля. Это достигается включением в оптическую многоканальную схему регистрации зеркально отраженного от контролируемого объекта света поляризаторов с взаимно ортогональными осями поляризации и выполнением фотоприемника в виде последовательно связанных сумматора, анализаторов и фотоэлектронных преобразователей. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1411573

Изобретение относится к средствам контрольно-измерительной техники и может быть использовано для регистрации параметров колебательных процесI

5 сов в механических системах. (.

Целью изобретения я ляется повышение точности контроля за счет уменьшения погрешности регистрации смещения луча света, зеркально отраженного от объекта контроля.

На фиг. 1 представлена структурная схема датчика перемещений; на фиг. 2 — схема датчика с возможностью определения интегрального перемещения 15 частей; на фиг. 3 — схема датчика для измерения относительных перемещений объекта; на фиг. 4 — схема датчика для измерения протяженных объектов.

Датчик перемещений (фиг. 3) состо 20 ит из источника 1 монохроматического светового потока, светоделителя 2, закрепленного внутри датчика отражателя 3, поляризаторов 4 и 5 со взаим но ортогональными осями поляризации, 25 ( внешних отражателей 6 и 7, -внутренне го отражателя 8, сумматора 9 световых отоков, анализаторов 10 и 11 фоториемников 12 и 13 и корпуса 14, При этом измеряются перемещения объек-.- 3p а 15.

Источником 1 монохроматического ветового потока может быть светоиод, лазер или лампа накаливания о светофильтром. Светоделитель 2стеклянная пластинка, плоско направенная, установленная под,углом к ходному световому потоку. В зависиости от угла часть светового потока тражается, а другая часть проходит квоэь пластинку.

Поляризаторы 4 и 5 и анализато1зы 10 и 11 — органические пленки, которые пропускают световой поток с электрическими колебаниями, направленными вдоль их оси поляризации.

Сумматор представляет собой полупрозрачное зеркало, отражающее световой поток, попадающий на него с одной стороны, и пропускающее световой ноток, попадающий на него с другой стороны. Полупрозрачное зеркало устанав-; ливается так, что отраженный и прошедший световые потоки складываются и распространяются вдоль одного направления, и одна половина этого потока проходит через первый, и вторая через второй анализаторы.

Фотоприемники 12 и 13 представляют собой фотодиод или фотоумножитель, отражатели 3, 6 — 8 — зеркала с неметаллическими покрытиями, чтобы не изменяли поляризацию отраженного светового потока.

Корпус 14 выполнен непрозрачным с окнами для выходящих и входящих световых потоков.

Отражатель 6 установлен н точке контроля перемещения объекта 15 ис— следования, а отражатель 7 закреплен неподвижно относительно корпуса 14 датчика, но вблизи отражателя 6 на расстоянии, превышающем возможное перемещение объекта.

Для определения интегрального перемещения частей контролируемого объекта датчик перемещений (фиг. 2) содержит п (по числу и измеряемых точек объекта) последовательнб включенных пар отражателей, причем первые отражатели 61, 6,...,6„ каждой пары установлены на объекте исследования, а вторые отражатели 7, 7,...,7„ закреплены вне объекта исследования.

Датчик перемещений для измерения ш относительных перемещений (фиг. 3) содержит источник 1 монохроматического светового потока, светоделитель 2, отражатель 3, поляризаторы 4 и 5, отражатели 6„.. .,6,„, закрепленные в первых неподвижных точках объекта 15, внутренние отражатели 8„,...,3,„, светосумматоры 91,..., 9, анализаторы 10„,.. °,10„„ 11 „,..., 11ш, фотоприемники 12„,..., 12,„, 13,...,, 13

Кроме того, датчик содержит отражатели 16„,..., 16 закрепленные на корпусе 14, отражатели 7,...,7,„, закрепленные в других неподвижных точках объекта 15, по отношению к которым измеряется разность перемещений точек, где установлены отражатели 61, 6,..., 6 и линейки св е тодели т елей .,19 °

Датчик перемещений с возможностью контроля протяженных объектов (фиг ° 4) содержит также коплиматор 20 и два непрозрачных корпуса 21 и 17 с окнами, причем во втором из них помещены отражатели S сумматоры 9, анализаторы 10 и 11 и фотоприемники 12 и 13.

Светоделитель 2 установлен так, что делит на равные части световой монохроматический поток источника 1.

1411573

Первый выход делителя 2 оптически связан с входом первого поляризатора 4, а второй выход через отражатель

3 — с входом второго .поляризатора 5.

В датчике перемещений (фиг. 1) выходы поляризаторов 4 и 5 соответственно оптически связаны с отражателями 6 и 7, последний из которых непосредственно, а отражатель 6 через внутренний отражатель S оптически связаны с соответствующими входами сумматора 9, выход которого, з свою очередь, оптически связан с анализаторами 10 и 11 и далее с фотоприемниками 12 и 13 °

Для определения интегрального перемещения точек объекта (фиг. 2, 6

6 ) выход поляризатора 4 оптически связан с внутренним отражателем 3 по- 2р следовательно через отражатели 6,71, 6,7,6>, а выход поляризатора 5 оптически связан с соответствующим входом сумматора 9 через отражатель 7 .

Отражатели 7„- 7 > установлейы не- 25 подвижно вне объекта исследования.

При измерении относительных перемещений контролируемого объекта в датчике перемещений (фиг. 3) выход поляризатора 4 оптически связан с входом первого делителя 181 в первой линейке делителей. Первый выход делителя 13 оптически связан с входом следующего делителя 13 и так последовательно соединены все делители 18 линейки— первый выход предыдущего делителя 18 оптически связан с входом последующего делителя 18 +1 . Вторые выходы делителей 13 „,..., 13 щ линейки оптически связаны через соответствующие отражатели 6,,...,6 на исследуемом объекте 15 и отражатели 8,...,8 с первыми входами сумматоров 9,,...,9 „, светового потока.

Делители 181,...,18„„ в линейке .установлены под таким углом, что делят входящий на линейку световой поток на равные части в зависимости от исла делителей.

Выход поляризатора 5 оптически связан с входом первого делителя 191 в другой линейке, которая аналогична первой. Вторые выходы делителей

19 19 „оптически связаны через отражатели 16,,...,16 с вторыми вхо"

55 дами сумматоров 9,,...,9 оптических потоков.

Г Г

Отражатели о,...,а,„и 71, °...7 „ установлены в исследуемых точках объекта 15 исследования, отражатели

8,,...,З„„и 16,...,16, закреплены жестко относительно корпуса 14 датчика, причем отражатели 81,...,3 и сумматоры 9„,...,9 установлены так, что входные световые потоки, слагаясь в сумматорах 9,,...,9, однонаправлены, и первые половины световых потоков попадают на первые, а вторые на вторые анализаторы в парах.

Отражатели и делители выбираются из условия постоянства поляризации входных выходных световых потоков.

Выходы сумматоров 9„,...,9 оптически связаны попарно с входами пар анализаторов, соответственно, 10 1, .. °,10,„ и 11,...,11,„, 9, с 101 и

111, 9 с 10 и 11g 9Э с 10 и 11З и т,д. 9 с 10 и 11щ, которые установлены так, что по площади световые потоки с сумматоров делятся на равные части на анализаторах. Оси поляризации анализаторов 10„...,, 10 „„составляют угол 45О относительно плоскостей полязирации входящих световых потоков на сумматоры 91,... 9>. Анализаторы

11,,..., 11 установлены так, что их о оси поляризации составляют угол 67 относительно осей поляризации анализат оров 10,..., 1 0„,.

Датчик перемещений работает следующим образом

Исто 1ннк 1 светового потока излучает направленный монохроматический световой поток с круговой поляризацией на светоделитель 2.. Последний делит световой поток на две равные составляющие, одна из которых поступает на поляризатор 4, а вторая через отражатель 3 — на поляризатор 5. Поскольку оси поляризации поляризаторов 4 и 5 взаимно перпендикулярны, поляризаторы 4 и 5 вьщеляют плоскополяризованные световые потоки, плоскости поляризации которых взаимно перпендикулярны.

Плоскополяризованный световой поток с выхода поляризатора 4 попадает через окно в корпусе 14 датчика, отражатель 6, закрепленный на объекте 15 исследования, окно в корпусе 14 и отражатель 8 на первый вход сумматора 9 световых потоков.

Плоскополяризованный световой поток с выхода поляризатора 5 с плоскостью поляризации, перпендикулярной плоскости поляризации светового потока с выхода поляризатора 4, через окно

1411573

5 в корпусе 14 датчика, отражатель 7, неподвижно закр епле нный от носит ел ьно корпуса 14 датчика вблизи (но на расстоянии превышающем возможное пере—

Э

5 мещение объекта) отражателя 6, поступает йа второй вход сумматора 9 све товых потоков. С выхода сумматора 9 результирующий световой поток поступает на анализаторы 10 и 11, которые делят суммарный световой йоток по сечению на две равные составляющие. Оси поляризации их сдвинуты относительно друг друга на угол 67 и ось поляризации анализатора 10 составляет угол

45 с осями поляризации поляризаторов, а значит, и с плоскостями поляризации составляющих светового потока, поступающих на вход анализатора 10.

Поэтому при различном сдвиге фаз сос- 20 тавляющих светового потока, поступаю.щих на вход анализаторов 10 и 11, последние пропускают лишь составляющую, плоскость поляризации которой совпа(, дает или близка к оси поляризации анализатора 10 или 11. Яркость выход ного светового потока с анализаторов

10 и 11 изменяется в соответствии с изменением сдвига фаз составляющих входного светового потока. С выхода анализатора 10 световой поток поступает на вход фотоприемника 12, а с выхода анализатора 11 — на вход фото,приемника 13.

В исходном состоянии объект 15

35 неподвижен и для определенности бу-! дем считать, что оптические пути сос тавляющих световых потоков анализато-! ров 4 и 5 до сумматора 9 таковы, что сдвиг фаэ между составляющими равен О.

Кроме этого, ось анализатора установлена Так, что при сдвиге фаэ О свео топропускание анализатора максимально и сигнал с фотоприемника 12 максимален. При перемещении объекта 15, а

45 с ним и отражателя 6 так, что измене- . ние длины пути светового потока с поляризатор» 4 составляет половину длины волны jl/2 источника 1 светового потока, прошедший через анализатор 10

50 световой поток изменяется до минимума и снова возрастает до максимума. .1

При изменении длины пути светового потока на и фаза изменяется на 360

9 при этом световой поток после анализатора 10 изменяется от минимума до максимума дважды и дважды изменяется сигнал на выходе фотоприемника 12.

Аналогично изменяются световой поток на выходе авали затора 11 и сиг— нал на выходе фотоприемника 13, но со сдвигом и запаздыванием на 67 относительно сигнала с фотоприемника 12.

Прн перемещении в другую сторону объекта 15 запаздывание сигнала с фотоприемника 13 меняет знак, т.е. по знаку сдвига сигнала фотоприемника 13 относительно сигнала с фотоприемника

12 судят о направлении перемещения объекта 15, а по числу максимумов сигнала фотоприемника 12 судят о величине перемещения.

На точность измерения перемещений объекта 15 влияет относительное изменение оптической длины пути световых потоков от двух поляризаторов 4 и 5. Для уменьшения этой погрешности их делают близкими за счет установки отражателя 7 вблизи отражателя 6, но на расстоянии, превышающем амплитуду ожидаемого перемеще птя объекта.

Для измерения интегральных перемещений (фиг. 2) устанавливают дополнительно отражатели 7, 7, неподвижные относительно корпуса 14 датчика, и отражатели 6, 6 1 на объек— те 15 с сохранением оптической связи выхода поляризатора 4 с входом сумматора 9 световых потоков. В этом случае получаем на выходе датчика сигнал, пропорциональный алгебраической сумме перемещений точек объекта 15, в которых закреплены отражатели 6 -6 . Точек интегрированного замера может быть больше 6 „,...,6 „, 7,...,7 . Их количество определяет

n количество пар этих отражателей и расходимость светового потока источника 1.

Таким образом, датчик перемещений позволяет измерять перемещения объекта исследований с точностью до /2, причем позволяет измерять алгебраическую сумму перемещений нескольких точек объекта.

По сравнению с известным точность предлагаемого датчика выше, его функциональные возможности расширены за счет измерения алгебраической суммы перемещений, динамические характеристики датчика улучшены за счет уменьшения перемещаемых масс (лишь массы отражателей, закрепленных на объекте исследования), возмущения в движение объекта исследования практически не

7

14115 вносятся (сняты напряжения для создания давления в жидкости).

При измерении относительных перемещений датчик перемещений (фиг. 3)

5 работает следующим образом.

В исходном состоянии световой поток источника 1, разделенный на две равные составляющие делителем 2, попадает на входы поляризаторов 4 и 5, которые выделяют плоскополяризованные световые потоки вдоль их осей поляризации. Выходные взаимно перпендикулярно поляризованные световые потоки с выходов поляризаторов 4 и 5 попадают на линейки делителей световых потоков 18„,..., 18, и 19 „,..., 19, где разделяются на две равные в части в зависимости от количества делителей. Световой поток поляризатора 4 с делителей 18,...,18,„через отражатели 61,...,6 1 на объекте

15 и отражатели 8 ....,3 „ попадает на равные входы сумматоров 9,..., 9 „. Ha вторые входы этих сумматоров Z5 поступают световые потоки поляризатора 5 через делители 19„,..., 19 отражатели 16,,...,16 и закрепленные на объекте 15 отражатели 7,,..., 7>, 30

Таким образом, на входы сумматоров 9<, ° ...9»„ поступают взаимно перпендикулярно поляризованные световые потоки равной величины, отраженные от отражателеи в 1,...,о „„ и 7„,..., 35

7, закрепленных в разных точках объекта 15 исследования. Сумматорами

91,...,9 > они слагаются и одновременно анализирук тся анализатораМи

10„,...,!О „„и 111..... 11@. С выходов этих анализаторов световые потоки поступают на входы фотоприемников

1-2„...,,12 „„и 13,,...,13„,.

При изменении оптической длины пути по одному из входов одного из сум45 .маторов 9 1,...,9 относительно оптической длины пути светового потока по другому входу того же сумматора изменяется сдвиг фаэ составляющих выходного светового потока сумматоров. Это

50 вызывает. вращение плоскости поляризации результирующего светового потока, которое фиксируется анализаторами 1О.1,...,10, и 111,...,11 ., На выходе этих анализаторов меняется амплитуда светового потока., а значит, сигнал на выходе фотоприемников 12, ...,121„и 13 „..., 13 . Причем иэ-за установки анализаторов .1 О,,..., 10 1 со сдвигом пх осей поляризация на о

67 относительно осей поляризации соответственно анализаторов 11,..., 11, сигнал на выходе фотоприемников

13„,..., 13 „изменяется с задержкой отйосительно сигналов фотоприемников 12,...,12 . Знак задержки говорит о направлейии перемещений точек объекта !5, соа-.ветствующих отражателям 6,...,6 и 7 ...;,7 . Число переходов через максимум сигналов выхода фотоприемников 12„. ..,12„„ соответствует амплитуде относительного перемещения отражателей 6 „,...,6,„.

Один йереход через максимум соответствует относительному перемещению на половину длины волны 71/2 светового потока источника 1.

Для исследования протяженных объектов источник 1 связан с входом светоделителя 2 через коллиматор 20, Источник 1, коллиматор 20, отражатель 2, поляризаторы 4 и 5, делители 18 „, ..., 18,! 9,, ..., 19 „, отражатели 16,..., 16 размещаются в корпусе 21 с окнами, а отражатели 81,..., 8, сумматоры 9 1,...,9,„, анализаторы

10,..., 10,„, 11„,..., 11 „фотоприем1 новлены в корпусе 17 с окнам;. Корпусы 21 и 17 датчика могут разноситься на значительное расстояние друг от друга с обеспечением оптической связи между ними.

Первый корпус 21 устанавливается в одном месте вблизи объекта 15 исследования, а второй корпус 17 датчика— в другом месте вблизи объекта 15 исследования. С помощью отражателей на о объекте 15 исследований и отражателей вне его организуется оптическая связь ме:кду корпусами датчиков. Для учета изменений расстояния между корпусами может использоваться однокорпусной датчик или один из каналов этого же датчика.

Следовательно, датчик перемещений обладает точностью y/2 и позволяет измерять алгебраическую сумму перемещений различных точек объекта исследований по многим. каналам. Причем при выполнении в двух корпусах датчик позволяет производить исследование протяженных объектов. Таким образом, датчики перемещений обеспечивают измерение перемещений объекта исследований с точностью до g/2.

1411573

1О

Формула изобретения

1. Датчик перемещений, содержащий йсточник света, оптически связанный ф ним светоделитель, связанные с выхо-5 ом последнего несколько оптических аналов, каждый из которых выполнен виде последовательно оптически свя занных зеркал, по крайней мере одно йз которых предназначено для установ- 10

",ки на контролируемом объекте, и расположенный на выходе этих каналов фотоприемник, о т л и ч а ю IB и и с я

1ем, что, с целью повышения точности контроля,. он снабжен установленными на выходе светоделителя поляризаторами с взаимно ортогональиыми осями полязирации, а фотоприемник выполнен в виде последовательно оптически связанных светосумматора, анализаторов и фотоэлектронных преобразователей.

2, Датчик по и. 1, о т л и ч а ю— шийся тем, что он снабжен дополнительными светоделителями и фотоприемниками, установленными соответственно на выходах поляризаторов и

onтических каналов.

1411573

Ul Па

Составитель А.Духанин

Редактор О.Головач Техред .Я.Олийнык Корректор O,Kðàâöîâà

Заказ 3643/36

Тираж 680

Подпис ное

ВИИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1!3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4