ОПТИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ Российский патент 1998 года по МПК G01L1/24 G01B11/00 

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к средствам измерения силы, вызывающей деформацию или перемещение чувствительного элемента, регистрируемые оптическими средствами.

Существует большое разнообразие измерительных устройств, реализующих способы, основанные либо на анализе изменения оптических свойств чувствительных элементов, испытывающих деформацию под воздействием измеряемой силы, либо на измерении с помощью светового луча перемещения чувствительного элемента.

В частности, известен способ измерения давления, в соответствии с которым свет пропускают от источника света до фотоприемника по оптическому волокну, испытывающему деформации под воздействием измеряемой силы (давления), вызывающие изменение его светопропускающих свойств, и преобразуют освещенность фотоприемника в электрический сигнал.

Такой способ реализован, например, в устройствах, описанных в заявке ЕПВ 0082820, МПК G 01 L 1/24, G 01 B 11/16, 1983; в патенте США N 4459477, МПК G 01 L 1/24, 1984; в заявке ФРГ N OS 3230615, МПК G 01 L 1/04, 1984.

Недостатками такого способа являются значительная нелинейность зависимости выходного сигнала от измеряемой величины; определенное влияние на результаты измерений возможных изгибов, перемещений оптических волокон в процессе работы и эксплуатации, в целом приводящие к относительно невысокой точности измерений.

Известен оптический способ измерения силы, заключающийся в анализе интерференционного изображения, формируемого оптическими клиньями и пластинами, выполненными из кварца, которые перемещают, воздействуя на них измеряемым усилием.

Данный способ реализован в устройстве, описанном в заявке Великобритании N 1423699, МПК G 01 L 1/04, 1976.

Недостатком такого способа является низкая технологичность реализации и точность, принципиально ограниченная четвертью длины волны используемого излучения.

Известен также способ, основанный на использовании эффекта изменения показателя преломления ряда светопрозрачных материалов (стекла, кристаллов, пластмасс) под воздействием нагрузки.

Такой способ реализован, например, в устройство, описанном в заявке ЕПВ N 0119592, МПК G 01 G 3/12, 1984.

Недостатком такого способа является принципиальная невозможность обеспечения линейной зависимости интенсивности света, реагирующего на изменение показателя преломления на участке оптического тракта, от приложенной нагрузки и нестабильность результатов измерения при воздействии климатических и временных факторов.

Прототипом выбран способ измерения силы, вызывающий перемещение чувствительного элемента с экраном, на который направляют световой поток, а затем проецируют его в плоскость размещения двух фотоприемников (заявка Франции N 2172445, МПК G 01 B 11/00, 1973).

Световой поток, отраженный от светоотражающего покрытия экрана, имеет некоторое пространственное распределение интенсивности светового потока в плоскости размещения фотоприемников. При перемещении экрана регистрируется разность интенсивностей световых потоков на фотоприемниках.

Недостатком данного способа является то, что его реализация требует использования относительно сложной оптической системы для формирования прямых и отраженных световых потоков. Кроме того, способ не исключает влияния на результаты измерения пространственной и временной нестабильностей тракта регистрации и светового источника.

Настоящее изобретение направлено на создание оптического способа измерения силы, обладающего простотой реализации, дешевизной, универсальностью и высокой точностью.

Для этого в известном оптическом способе измерения силы, по которому световой поток направляют на экран, являющийся частью чувствительного деформируемого элемента, а затем проецируют его в плоскость размещения двух фотоприемников, согласно изобретению, экраном осуществляют частичное затенение первого фотоприемника при полном отсутствии затенения второго, и преобразуют сигналы F₁ и F₂ с выходов первого и второго фотоприемников, соответственно, в величину y = F₁/F₂, при этом определяют y_эт при воздействии на чувствительный элемент эталонной нагрузки p_эт, y_о- при отсутствии нагрузки на чувствительный элемент и y_изм при воздействии на чувствительный элемент измеряемой нагрузки p_изм., которую определяют из выражения:
p_изм = (y_о-y_изм) • p_эт/(y₀-y_эт).

Техническим результатом предложенного способа является учет опорного светового потока (не изменяемого экраном), претерпевающего те же изменения, вызванные нестабильностью светового излучения и тракта регистрации, что и основной световой поток, несущий полезную информацию. При этом формирование световых потоков по принципу затенения может быть осуществлено очень простыми техническими средствами, т. к. отсутствует необходимость в отраженных световых потоках, а следовательно, и в сложной оптической системе с зеркальными элементами. Перенос изображения (проецирование) плоскости размещения экрана в плоскости фотоприемников может быть осуществлен с помощью обычного оптического объектива. Такой перенос изображения позволит избавиться от нежелательного явления дифракции на кромке затеняющего экрана, стоящего на пути светового потока, что способствует однозначности выходных электрических сигналов фотоприемников.

Кроме того, для компенсации погрешности измерения, вызванной временной нестабильностью коэффициентов преобразования фотоприемников, вводят дополнительную операцию, которая заключается в следующем.

Кратковременно вводимым в световой поток телом затеняют участок площади известной величины, по крайней мере, одного из фотоприемников. Определяют отношение сигналов с фотоприемников y_т на моменты времени, соответствующие разным операциям измерения. Эти результаты учитывают при определении p_изм путем введения в выражение дополнительного коэффициента пропорциональности.

Введение дополнительной операции также целесообразно для проверки работоспособности преобразующей части устройства, реализующего способ, после длительных перерывов в работе.

Способ проиллюстрирован чертежом, где на пути потока света от источника 1 установлен экран 2, связанный с чувствительным элементом 3, воспринимающим силу p. С помощью объектива 5 изображение плоскости A, в которой размещен экран 2, переносят (в перевернутом виде) в плоскость Б, где размещены фотоприемники 5, 6, электрические выходные сигналы которых обрабатывает по заданному алгоритму электронное устройство 7. Размеры и форму экрана 2 выбирают таким образом, чтобы он, имея четко очерченную (острую) кромку, во всем диапазоне измеряемых нагрузок затенял ту или иную часть площади фотоприемника 6, оставляя фотоприемник 5 полностью незатененным. Поэтому когда поток света от источника 1 направляют на экран 2, перемещаемый вследствие деформации чувствительного элемента 3 под действием силы p, он по-разному воспринимается фотоприемниками 5 и 6. Сигналы, снимаемые с фотоприемников, пропорциональны падающим на них световым потокам. Так, сигнал F₁, снимаемый с фотоприемника 5, прямо пропорционален плотности светового потока J_о в плоскости Б и коэффициенту чувствительности K₁ первого фотоприемного тракта:
F₁ = K₁ • J_о.

В то же время сигнал F₂ с затеняемого фотоприемника 6 равен:
F₁ = K₂ • J_о • (S₀ - x • L),
где
S₀ - регистрируемая часть засвечиваемой площади, не затеняемая экраном 2 при отсутствии нагрузки; x - величина смещения экрана 2 при приложении нагрузки; L - ширина засвечиваемой области в плоскости Б; K₂ - коэффициент чувствительности второго затеняемого фотоприемника 6.

Для исключения влияния параметров тракта прохождения светового потока используют параметр y(x), выраженный отношением сигналов с фотоприемников 5, 6:
y(x) = F₂/F₁ = K₂/K₁ • (S₀-x•L) = A • (S₀-x•L);
При отсутствии нагрузки, т.е. когда смещение экрана 2 равно нулю, отношение сигналов составит:
y₀ = S₀•(K₂/K₁)₀ = S₀•A₀;
где
A₀ - отношение коэффициентов чувствительности фотоприемников, соответствующее моменту времени измерений с нулевой нагрузкой.

Из (1, 2) следует:
y₀ - y(x) = S₀•A₀ - A•(S₀-x•L) = (A₀-A)•S₀ + x•L•A = y₀ • (x•L•A/(S₀ • A₀) + (A₀-A)/A₀);
Нагрузка p на чувствительный элемент связана со смещением экрана x при деформации чувствительного элемента соотношением p = b•x, где b - коэффициент упругости чувствительности элемента 3. Поэтому для измеряемой и эталонной нагрузок p_изм и p_эт выражение (3) примет вид:
y₀-y_изм = y₀• (p_изм•L•A_изм/(b•S₀•A₀) + (A₀-A_изм)/A₀);
где
A_изм - отношение K₂/K₁ на момент времени измерения сигналов с фотоприемников при воздействии измеряемой нагрузки, и
y₀-y_эт = y₀•(p_эт • L•A_эт/(b•S₀•A₀) + (A₀-A_эт)/A₀);
где
A_эт - отношение K₂/K₁ на момент времени измерения сигналов с фотоприемников при воздействии эталонной нагрузки.

При условии, что измерения следуют друг за другом без интервалов, т.е. когда временная нестабильность сведена к минимуму и A₀ = A_эт = A_изм, из (4) и (5) сдедует:
y₀-y_изм = y₀ • p_изм• L/(b•S₀);
y₀-y_эт = y₀ • p_эт• L/(b•S₀)
Отсюда p_изм = p_эт • (y₀-y_изм)/ (y₀-y_эт);
Выражение (8) будет с достаточно высокой точностью учитывать результаты измерения, если значения y₀ и y_эт определяют непосредственно до или после измерения неизвестной нагрузки.

В случае, когда имеют место значительные временные промежутки между замерами, влияние отношения A на результат измерения в случае его временной нестабильности может оказаться ощутимым.

Для компенсации этого влияния кратковременно затеняют известную величину S_Т участка площади, по крайней мере, одного из фотоприемников (5 или 6) кратковременным введением в световой поток дополнительного тела как в процессе калибровки при замере эталонной нагрузки, так и в процессе измерения неизвестной нагрузки. При этом определяют отношение сигналов с фотоприемников y_т при кратковременном затенении вводимым телом на момент времени t_эт, соответствующий калибровке, и на момент времени t_изм, соответствующий процессу измерения, и учитывают эти результаты при определении p_изм.

В качестве примера рассмотрим случай, когда процесс калибровки существенно разнесен по времени с процессом непосредственного измерения неизвестной нагрузки. Опустив предшествующие преобразования, приведем выражение для измеряемой нагрузки:

где
- отношения K₂/K₁ при нулевой нагрузке в моменты времени калибровки t_эт и измерения t_изм, соответственно, а отношение сигналов с фотоприемников в моменты времени t_изм и t_эт, соответственно. Для определения отношения выполняют следующие операции.

При введении в измерительный канал вспомогательного тела отношение сигналов с фотоприемников y_т составит:
y_т= (S₀-S_Т)•A₀;
где
S_Т - известная заранее площадь затененного участка фотоприемника.

На момент калибровки проводят два измерения при нулевой нагрузке с введением вспомогательного тела:

и без него:

Из (11) и (12) следует:

На момент t_изм также проводят два измерения при нулевой нагрузке с введением вспомогательного тела и без него:


Отсюда:

Из (13) и (16) следует:

Таким образом, осуществив измерение дополнительных параметров, можно компенсировать временной уход коэффициентов чувствительности фотоприемников и тем самым обеспечить прецизионную точность измерений.

Способ предназначен для использования в измерительной технике. Световой поток направляют на являющийся частью деформируемого элемента экран, которым осуществляют частичное затенение одного из двух фотоприемников, размещенных в одной плоскости. Плоскость размещения затеняющего экрана переносят в плоскость размещения фотоприемников проецированием. Сигналы F₁ и F₂ с выходов первого и второго фотоприемников преобразуют в величину Y = F₁ / F₂. Определяют Y_эт. для эталонной нагрузки P_эт., Y_о - при отсутствии нагрузки и Y_изм. для измеряемой нагрузки P_изм., которую вычисляют из выражения, приведенного в описании. Технический результат заключается в учете опорного светового потока, претерпевающего те же изменения, что и основной, для компенсации нестабильности светового излучения и тракта регистрации. Способ обеспечивает повышенную точность, простоту реализации и универсальность. 1 з.п. ф-лы, 1ил.

1. Оптический способ измерения силы, заключающийся в том, что световой поток направляют на экран, являющийся частью деформируемого под действием силы чувствительного элемента, и проецируют его в плоскость размещения двух фотоприемников, отличающийся тем, что экраном осуществляют частичное затенение одного фотоприемника при полном отсутствии затенения другого, а измеряемую нагрузку Р_изм определяют, используя параметр Y, Y выраженный отношением сигналов F₁ и F₂ с выходов фотоприемников, по формуле
Р_изм. = Р_эт. • (Y_о - Y_изм.) / (Y_о - Y_эт.),
где Y_о, Y_эт., Y_изм. - отношение сигналов с выходов фотоприемников соответственно при отсутствии нагрузки на чувствительный элемент, при воздействии на чувствительный элемент эталонной нагрузки Р_эт. и при воздействии на чувствительный элемент измеряемой нагрузки Р_изм.. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что кратковременно вводимым в световой поток телом затеняют участок площади известной величины по крайней мере одного из фотоприемников, определяют отношение сигналов Y_т с фотоприемников на моменты времени t_эт. и t_изм., соответствующие измерению эталонной и измеряемой нагрузки, и учитывают эти результаты при определении измеряемой нагрузки Р_изм. путем введения дополнительного коэффициента пропорциональности.