ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Российский патент 1995 года по МПК G01B11/00 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при бесконтактном измерении продольных перемещений в диапазонах 0-1000 мм.

Известно устройство для измерения перемещений объектов [1] содержащее источник излучения, основную оптическую систему, формирующую первый пучок лучей, дополнительную оптическую систему, формирующую второй пучок лучей, два основных и дополнительный фотоприемники, блок преобразования информации.

Недостатки устройства следующие:
при измерении больших (свыше 100 мм) перемещений устройство будет иметь большие габаритные размеры;
источник излучения должен быть достаточно мощным (лазер), т. е. будет значительна потребляемая мощность, кроме того, устройство практически не будет работоспособно в условиях воздействия механических факторов.

Известен прибор для определения качества поверхности [2] содержащее осветитель, фоторезисторы, расположенные по дуге на внутренней поверхности корпуса, а осветитель установлен под углом к поверхности изделия.

Недостатки указанного прибора аналогичны, кроме того, точность измерения будет невысока из-за дискретности измерения перемещений.

Известен датчик линейных перемещений [3] содержащий источник света, оптическую систему и два фотоприемника, симметрично расположенных относительно источника излучения.

Недостатки следующие:
при измерении продольных перемещений изменение углового положения контролируемого объекта, на котором закреплен отражатель, приведут к значительной погрешности измерения;
прибор может быть применен для измерения небольших перемещений (не более 100 мм);
для расширения диапазона необходимо использование лазера.

Известен оптический дальномер [4] содержащий оптическую передающую систему в виде источника света, установленного в фокусе линзы малого диаметра в зеркальной трубке малого диаметра, оптическую приемную систему в виде приемника излучения, установленного в фокусе линзы большого диаметра в зеркальной трубке большого диаметра.

Основной недостаток дальномера следующий:
небольшой диапазон измерения из-за значительной потери светового потока, идущего от объекта к приемнику излучения на передающей трубке.

Наиболее близким по конструктивному исполнению к изобретению является устройство для измерения перемещений [5] содержащее четыре источника излучения, установленных таким образом, что их оптические оси пересекаются в фокусе объектива, в котором расположен фотоприемник.

Недостатки такого конструктивного исполнения следующие:
световой поток светодиодов распространяется в пределах некоторого апертурного угла (например, для светодиодов ЗЛ107Б 60^о). Пройдя через объектив, световой поток светодиодов, установленных не в фокусе линзы, будет распространяться не параллельным пучком, а также в пределах некоторого апертурного угла, причем основная часть светового потока, отраженного от отражателя, не попадает на фотоприемник, а рассеется в пространстве. Указанное устройство для измерения больших перемещений использовано быть не может;
так как светодиоды излучают попарно, то угловые отклонения отражателя приведут к значительной погрешности измерения продольных перемещений;
Конструктивное исполнение устройства из-за конечных размеров светодиодов требует применения длиннофокусной линзы. Иными словами, продольные габариты устройства будут значительны, что с одной стороны само по себе существенный недостаток, а с другой стороны увеличивается путь, пройденный отраженным световым потоком до фотоприемника (т. е. снижается диапазон измерения).

Изобретение направлено на расширение диапазона измерения и повышение точности измерения продольных перемещений.

Согласно изобретению в оптическом датчике перемещений, содержащем последовательно установленные фотоприемник и четыре светодиода, расположенных симметрично относительно его оптической оси, собирающую систему, в фокусе которой размещен фотоприемник и отражатель, предназначенный для закрепления на объекте, оптическая собирающая система выполнена в виде пяти линз, в фокусе соответственно четырех из которых расположены светодиоды таким образом, что их оптические оси направлены в сторону отражателя и образуют с оптической осью фотоприемника угол α.

Угол α выбирается из следующих соображений.

В начале диапазона измерения на фотодиод должен падать как можно меньший световой поток, а в конце диапазона как можно больший, что компенсирует резкое его затухание в пространстве с удалением контролируемого объекта. Отсюда следует, что угол α между оптическими осями источника излучения и приемника излучения должен быть сходящимся в конце диапазона измерения.

Конечные размеры составных элементов конструкции также накладывают определенные требования к указанному углу. Для уменьшения поперечных размеров необходимо, чтобы источники и приемник излучения располагались как можно ближе друг к другу. Указанное расстояние зависит от внешних диаметров линз 2 и 4.

Для нахождения угла α рассмотрим треугольник Δ АВС. В нем сторона ВС равна контролируемому перемещению и, исходя из первого условия, ее максимальное значение соответствует диапазону измерения D. Размер стороны АС определяется размерами линз 2 и 4, d₂ и d₄ и расстоянием h между ближайшими точками их диаметров, который стремятся выбирать как можно меньше. Для малых углов (меньше 10^о) с достаточной точностью можно принять
AC ≈ + + h (мм) (1)
Тогда
tgα ≈ + + h/D
(2)
или
α ≈ arctg + + h
(3)
d₂ ≈ d_пи, d₄=2·f_и·tg
(4) где f_u фокусное расстояние линзы 4;
γ апертурный угол источника излучения,
d_пи внешний диаметр приемника излучения,
h расстояние между ближайшими точками торцовых поверхностей линзы приемника излучения и линзы источника излучения.

Окончательно имеем
α ≈ arctg + f_и·tg + h
(5)
Размер h должен быть как можно меньше, его минимальный размер ограничивается способами крепления линзы. Если линзы завальцовываются, то h ≈1-1,5 мм.

Так как D в рекомендуемом варианте лежит в пределах 300.1500 мм, то окончательно имеем
+ f_и·tg + h α + f_и·tg + h
(6)
Расчетным путем установлено, что, чем больше диапазон измерения, тем меньше угол α.

В рекомендуемом варианте α≈3^о (в качестве источников излучения использовались светодиоды ЗЛ107Б, а в качестве фотоприемника фотодиод ФД-20-32К и собирающие линзы диаметром 14 мм с фокусом f 15,7 мм, при этом габаритные размеры оптоэлектронного узла составили 40 х 30).

На чертеже приведена конструктивная схема датчика, поясняющая ход лучей и принцип работы датчика.

Датчик содержит приемник излучения 1, установленный в фокусе собирающей линзы 2, четыре светодиода 3, каждый из которых установлен в фокусе одной из четырех собирающих линз 4, диффузную отражающую поверхность 5, расположенную на перемещающемся объекте.

Датчик работает следующим образом.

Четыре световых потока всех светодиодов 3 одновременно параллельными пучками падают на отражающую поверхность 5 под углом α Отраженный суммарный световой поток поступает на приемник излучения, где преобразуется в электрический сигнал. При перемещении отражателя 5 вдоль оптической оси приемника излучения 1 изменяется интенсивность светового суммарного потока, поступающего от отражателя на приемник излучения.

Предложенная конструкция датчика позволяет снизить погрешность, обусловленную угловыми отклонениями отражателя. Это объясняется тем, что уменьшение светового потока одного светодиода, поступающего на приемник излучения, отраженного от объекта, компенсируется увеличением светового потока другого светодиода. Суммарный световой поток, попадающий на фотоприемник, практически не меняется, но при этом должно выполняться условие n ≥ 4, где n количество светодиодов. В противном случае компенсация будет не полной. Так как основная часть светового потока, отраженного от объекта, сходится в направлении приемника излучения, то увеличивается интенсивность светового потока, поступающего на приемник излучения и соответственно чувствительность преобразования в сравнении с датчиком, в котором световой поток расходится или идет параллельным пучком, поэтому диапазон измерения будет больше.

Изобретение может быть использовано при бесконтактном измерении продольных перемещений в диапазонах 0-1000 мм. С целью расширения диапазона измерения и повышение точности измерения в датчике приемник излучения устанавливают в фокусе собирающей линзы, четыре светодиода соответственно в фокусе одной из четырех собирающих линз так, что их оптические оси расположены под углом α к оптической оси фотоприемника и сходятся в сторону отражателя, а диффузную отражающую поверхность располагают на перемещающемся объекте. 1 ил.

ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащий последовательно установленные фотоприемник и четыре светодиода, расположенные симметрично относительно его оптической оси, оптическую собирающую систему, в фокусе которой размещен фотоприемник, и отражатель, предназначенный для закрепления на объекте, отличающийся тем, что оптическая собирающая система выполнена в виде пяти линз, в фокусе соответственно четырех из которых расположены светодиоды так, что их оптические оси направлены в сторону отражателя и образуют с оптической осью фотоприемника угол α, определяемых из соотношения


где d_п.и диаметр фотоприемника;
γ апертурный угол светодиода;
f_и фокусное расстояние линзы.