Оптический датчик перемещений

Оптический датчик перемещений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к. измерительной технике и может быть использовано в датчиках линейных перемещений, Целью изобретения является повышение точности измерений за счет исключения влияния температурных флуктуации. Часть..светового потока попадает на компенсационный фотоприемник , установленный ортогонально оси источника излучения, а остальная часть излучения направляется линзой малого размера на контролируемый объект, и отраженный пучок через сквозное отверстие в корпусе фокусируется линзой большого раз мера на рабочий фотоприемник. Выходным сигналом датчика является разность фаз суммарного сигнала с обоих фотоприемников и сигнала с компенсационного фотоприемника . 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)ю G 01 В 21/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

h= — Π— 4

2 (61) 1562688 (21) 4684553/28 (22) 25.04.90 (46) 07.03.92. Бюл. ЬЬ 9 (71) Научно-исследовательский институт фйзических измерений (72) Т.И.Мурашкина и О.В,Преснякова (53).531.717.(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1562688, кл, G 01 В 21/00; 1988. (54) ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в датчиках линейных перемещений, Целью

Изобретение относится к контрольноизмерительной. технике и может быть использовано при конструировании оптических датчиков линейных перемещений.

rlo основному авт.св. М 1562688 известен оптический датчик перемещений, содержащий цилиндрический корпус, крепежную деталь, две линзы, источник излу. чения и фотоприемник.

Недостаток укаэанного датчика заключается в низкой точности измерения. обусловленной колебаниями мощности излучения источника-излучения (например. при измене.нии температуры в диапазоне +50 С для серийно выпускаемых светодиодов. мощность их излучения может меняться на 30%).

Целью изобретения является повышение точности измерений оптических датчи- . ков перемещений.

Поставленная цель достигается тем. что оптический датчик перемещений снабжен

„„5U„„1717959 А2 изобретения является повышение точности измерений за счет исключения влияния температурных флуктуаций. Часть ..светового потока попадает на компенсационный фотоприемник, установленный ортогонально оси источника излучения, а остальная часть излучения направляется линзой малого размера на контролируемый объект, и отраженный пучок через сквозное отверстие в корпусе фокусируется линзой большого размера на рабочий фотоприемник. Выходным сигналом датчика является разность фаз суммарного сигнала с обоих фотоприемников и сигнала с компенсационного фотоприемника. 3 ил.

I вторым фотоприемником, установленным внутри крепежной детали так, что его оптическая ось и оптическая ось источника излучения взаимно перпендикулярны и лежат в одной плоскости, а расстояние h от оптической оси источника излучения до светочувствительной площадки второго фотоприемника и расстояние 1 от излучающей площадки источника излучения до оптической оси второго фотоприемника определяются выражениями

h tg + — l f — —.

180 — Я с1, 4 и

2 2 2

Установка в крепежной детали второго фотоприемника, обращенного своей светочувствительной площадкой к светоизлучающей площадке источника излучения и

1717959

Источник 4 излучения установлен в фокусе линзы 3 на расстоянии h таким образом, что через линзу проходит не менее половины мощности излучения (для источ5 ника излучения ЗЛ107Б в угле 60 ). Внутренний диаметр полости втулки 0 крепежной детали 2 равен диаметру линзы

3. Второй фотоприемник 5 установлен так, чтобы он не перекрывал световой поток, 10 идущий к контролируемому объекту в пределах телесного угла а (фиг, 2) половинной мощности (для ЗЛ107Б а = 60 ), и чтобы на

его светочувствительную площадку падал максимально возможный световой поток ис15 точника излучения, распространяющийся эа пределами угла а, но в пределах угла Р (где P — максимальный телесный угол индикатрисы источника излучения), на фиг. 2 обозначен через у. а < y < ф (для ЗЛ107Б

20 60 <а<120 ).

Такому требованию соответствует положение второго фотоприемника; приведенное на фиг. 2, когда его светочувствительная площадка расположена на расстоянии h от

25 оптической оси источника излучения и его внешний диаметр d полностью вписан в диаметр внутренней поверхности втулки крепежной детали, и на расстоянии относительно излучающей поверхности ис30 точника излучения, Из ЬАВС расстояние

h — D — d

2 . 2

На фиг. 2 расстояние

35 . о

+а, 2 где бпи — внешний диаметр второго фотоприемникаа;. а — расстояние от светоизлучающей по40 верхности источника излучения до второго фотоприемника.

Из ADEF расстояние

h - — D — о, 2

a=h щф, 45

180 где ф2

Тогда где! — расстояние от оптической оси второго фотоприемника до излучающей площадки 50 источника излучения; сии — внешний диаметр второго фотоприемника;

f — фокусное расстояние линзы малого диаметра;

P — максимальный телесный угол индикатрисы источника излучения.

Указанные расстояния.h u I выбирались из следующих соображений (фиг, 2). воспринимающего только световой поток источника излучения, дает возможность скомпенсировать изменения мощности излучений источника излучения.

На фиг. 1 показан предлагаемый датчик, общий вид и разрез А-А; на фиг. 2 — конст. руктивная схема, поясняющая определение места расположения второго фотоприемника; на фиг, 3 — векторная диаграмма сигналов на выходе датчика.

Датчик (фиг. 1) содержит цилиндрический корпус 1, внутри которого вдоль продольной оси Х соосно с ней последовательно расположены деталь 2, в полости которой расположена линза 3. малого диаметра, в фокусе линзы 3 — источник 4 излучения, второй фотоприемник 5, его оптическая ось и оптическая ось источника излучения взаимно перпендикулярны и лежат в одной плоскости, причем второй фотоприемник не перекрывает световой поток, идущий к контролируемому объекту; линзу 6 большого диаметра и в фокусе линзы б фотоприемник 7.

Светочувствительная площадка второго фотоприемника 5.расположена относительно центра оптической оси источника. излучения на расстоянии h, которое определяется выражением где h — расстояние от оптической оси источника излучения до площадки второго фотоприемника;

0 — внутренний диаметр полости крепежной детали; б — диаметр светочувствительной площадки второго фотоприемника, а оптическая ось второго фотоприемника— на расстоянии l относительно излучающей поверхности источника излучения, определяемом выражением

18ОΠ— + бпи l S f- — dnè (2) ,2 2 2

В Ю,а.. «,, d.. g.Уменьшение расстояния h нецелесообразно, так как уменьшается световой поток, идущий к объекту контроля, а увеличение приводит к снижению светового потока, поступающего на второй фотоприемник.

Расстояние 1 выбирается из условия обеспечения чувствительности преобразо1717959

Upt = К(Up, и, =КО, t (4) (5) 15

25

35

40 (3) p= агст9

cos ура +—

О

О, 45

n= — î -s, 2 вания второго фотоприемника, достаточной для вторичного преобразования.

Перед линзой 3 (фиг. 1) малого диаметра располагается контролируемая поверхность объекта 8, имеющая возможность перемещения параллельно оси Х корпуса 1.

Деталь 2 центрируется в корпусе 1 своей внешней цилиндрической поверхностью и фиксируется в нем. Фиксация может осуществляться любым способом: посадка с натягом, клеевое соединение, реэьбовое соединение и т.д.

Полость, служащая для размещения линзы 3, источника 4 излучения и второго фотоприемника 5, выполнена в специальном выступе детали 2, имеющем минимальную площадь торцевой поверхности с. цел ью обеспечения и рохождения максимально возможного светового потока через сквозное окно и попадающего на линзу 6 большого диаметра. Датчик работает следующим образом.

Световой поток источника 4 излучения (фиг. 1), промодулированный по синусоидальному закону и сфокусированный линзой 3 малого диаметра, попадает на поверхность контролируемого объекта 8, а часть светового потока — на светочувствительную площадку второго фотоприемника

5, с выхода которого снимается синусоидальный сигнал. 0». Световой поток, отразившись от контролируемого объекта 8, через сквозное отверстие в детали 2 фокусируется линзой 6 большого диаметра на светочувствительную площадку фотоприемника 7, с выхода которого снимается синусоидальный сигнал Up. Выходным сигналом датчика является фаза рсуммарного гармонического сигнала О. относительно одного из суммируемых.сигналов, в нашем случае компенсационного О».

Фаза выходного сигнала р определяется выражением где фри — угол сдвига фаз между сигналами

U» u Up.

Угол ур формируется с помощью фа- - 0 зосдвигающего устройства.

На векторной диаграмме (фиг. 3) напря- . жения с индексом "н" соответствуют напряжениям в начале диапазона измерения, с индексом "к" — в конце диапазона измере- 55 ния, а с индексом "t" — при воздействии температуры.

Как видно из векторной диаграммы (фиг. 3), при перемещении контролируемого объекта 8 изменяется сигнал Up, а следовательно, изменяется величина и направление суммарного напряжения О" и О,(р< и р<).

Рассмотрим случай. когда чувствительность всех фотоприемников постоянная.

При воздействии температуры изменяется мощность светового потока излучения и, следовательно, равноп ропорционально изменяются напряжения Ор и О»: где Kt — температурный коэффициент.

При этом изменяется величина суммарных сигналов Uz, но их направление остается неизменным (p" =р" p< - p< ), Используя выражение (3), запишем

Р- — " - . ()

cos р + — - - —

К(р

Следовательно, погрешность от воздействия температуры при равнопропорциональных изменениях сигналов Ор и U» в процессе измерения перемещения не вносится (Vð= p ).

Технико-экономическим преимуществом предлагаемого датчика по сравнению с прототипом является повышение точности измерений за счет снижения погрешности, обусловленной колебанием мощности излучения источника излучения.

Формула изобретения

Оптический датчик перемещений по авт. св. М 1562688, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, он снабжен вторым фотоприемником, установленным внутри крепежной детали так, что его оптическая ось и оптическая ось источника излучения взаимно перпендикулярны и лежат в одной плоскости, а расстояние h от оптической оси исто ника излучения до светочувствительной площадки второго фотоприемника и расстояние1от излучающей площадки источника излучения до оптической оси второго фотоприемника определяются выражениями д „а,, d„„

2 2 2 где 0 — внутренний диаметр полости втулки крепежной детали;

1717959

d — диаметр светочувствительной площадки второго фотоприемника;

d>< — внешний диаметр второго фотоприемника;

f — фокусное расстояние линзы малого диаметра;

P — максимальный телесный угол индикатрисы источника излучения.

1717959

Составитель 8. Климова

Редактор О. Юрковецкая Техред М.Моргентал Корректор Н, Ревская

Заказ 869 Гираж Подписное . ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101