ОПТИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2002 года по МПК G01L1/04 G01B11/16 

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

Известен способ, основанный на использовании эффекта изменения показателя преломления ряда свстопрозрачных материалов (стекла, кристаллов, пластмасс) под воздействием нагрузки (заявка ЕПВ 0119592, МПК G 01 G 3/12, опубл. 1984).

Недостатком 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.

Известен способ измерения силы, вызывающий перемещение чувствительного элемента с экраном, на светоотражающее покрытие которого направляют световой поток, а затем проецируют его в плоскость размещения двух фотоприемников и регистрируют на них разность интенсивности световых потоков при перемещении экрана (заявка Франции 2172445, МПК G 01 B 11/00, опубл. 1973).

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 временной и пространственной нестабильности тракта регистрации и светового источника.

Известен оптический способ измерения силы, заключающийся в том, что световой поток направляют на экран, являющийся частью деформируемого под действием силы чувствительного элемента, осуществляют частичное затенение одного из двух фотоприемников, в плоскость размещения которых проецируют указанный световой поток, и при определении измеряемой нагрузки по определенной формуле используют величины сигналов F₁ и F₂ с выходов обоих фотоприемников, измеренные при воздействии на чувствительный элемент эталонной нагрузки, измеряемой нагрузки, а также при отсутствии нагрузки (патент РФ 2115100, МПК G 01 L 1/24, G 01 B 11/00, опубл. 10.07.98). Способ обеспечивает повышенную точность за счет учета опорного светового потока, претерпевающего те же изменения, что и основной, для компенсации нестабильности светового излучения и тракта регистрации.

Недостатком этого способа является снижение достоверности полученного результата измерения при длительном нагружении чувствительного элемента, когда нет возможности проверить измерительное устройство за счет снятия нагрузки, т. е. произвести "обнуление". Другим недостатком является пониженная достоверность результата измерения при невозможности провести его калибровку приложением эталонной нагрузки непосредственно перед измерением.

Поставленная задача заключается в создании оптического способа измерения силы, обеспечивающего высокую точность измерения при длительном (до многих лет) нагружении чувствительного элемента датчика, когда нет возможности сбрасывать нагрузку и когда неизбежен дрейф параметров датчика.

Поставленная задача решается тем, что в оптическом способе измерения силы, заключающемся в том, что световой поток направляют на экран, являющийся частью деформируемого под действием силы чувствительного элемента, осуществляют частичное затенение одного из двух фотоприемников, в плоскость размещения которых проецируют указанный световой поток, и при определении измеряемой нагрузки, учитывают величины сигналов F_1э, F_2э и F₁, F₂ с выходов первого и второго фотоприемников, измеренные при воздействии на чувствительный элемент эталонной нагрузки Р_эт и измеряемой нагрузки Р_изм, соответственно, согласно изобретению в течение определенного времени освещают дополнительным световым потоком без затенения обоих фотоприемников, определяют пропорциональные дополнительному световому потоку сигналы F_1дэ, F_2дэ и F_1д, F_2д с выходов фотоприемников на моменты времени, соответствующие измерениям эталонной и измеряемой нагрузок соответственно, и определяют последнюю по формуле
Р_изм=Р_эт•(1-Z₂/Z₁)/(1-Z_2э/Z_1э),
где Z₂=F₂/F_2д; Z₁=F₁/F_1д Z_2э=F_2э/F_2дэ; Z_1э=F_1э/F_1дэ.

Технический результат заключается в том, что при введении дополнительного освещения, учитываемого при определении результата измерения, исчезает необходимость в проведении предварительного обнуления датчика, поскольку дрейф его параметров будет непрерывно учитываться при приложенной нагрузке. При этом измерение эталонной нагрузки (калибровка датчика) производится заблаговременно перед приложением измеряемой нагрузки и принимается неизменной на весь период приложения измеряемой нагрузки.

Второй вариант направлен на создание оптического способа измерения силы, обеспечивающего дальнейшее повышение точности и достоверности за счет введения калибровки.

Для этого в оптическом способе измерения силы, заключающемся в том, что световой поток направляют на экран, являющийся частью деформируемого под действием силы чувствительного элемента, осуществляют частичное затенение одного из двух фотоприемников, в плоскость размещения которых проецируют указанный световой ноток, и при определении измеряемой нагрузки, учитывают величины сигналов F₁ и F₂ с выходов первого и второго фотоприемников, измеренные при воздействии па чувствительный элемент измеряемой нагрузки P_изм, согласно изобретению в течение определенного времени осуществляют освещение дополнительным световым потоком без затенения обоих фотоприемников, определяют пропорциональные ему сигналы F_1д и F_2д с выходов фотоприемников на моменты времени, соответствующие измерению измеряемой нагрузки, затем прикладывают эталонную нагрузку Р_эт непосредственно к измеряемой нагрузке Р_изм, измеряют сигналы, соответствующие суммарной нагрузке P_Σ с выходов обоих фотодатчиков F_1Σ, F_2Σ и F_1дΣ, F_2дΣ при освещении их основным и дополнительным световыми потоками, соответственно, и определяют измеряемую нагрузку по формуле
Р_изм=Р_эт•А/(1-А),
при этом A = (1-Z₂/Z₁)/(1-Z_2Σ/Z_1Σ),
где Z₂=F₂/F_2д; Z₁= F₁/F_1д; Z_2Σ= F_2Σ/F_2дΣ; Z_1Σ= F_1Σ/F_1дΣ.
Технический результат заключается в том, что калибровка датчика осуществляется с помощью эталонной нагрузки, но без снятия измеряемой нагрузки, что позволяет существенно повысить точность и достоверность результата измерения.

Как в том, так и в другом вариантах, освещение дополнительным световым потоком осуществляют от одного вспомогательного источника света.

При этом при дополнительном освещении основное не производится.

Дополнительное освещение фотоприемников можно осуществлять не только одновременно, но и попеременно.

Способ проиллюстрирован чертежом, где на пути основного светового потока от источника 1 установлен экран 2, связанный с чувствительным элементом 3, воспринимающим силу Р. С помощью объектива 4 изображение плоскости А, в которой размещен экран 2, переносят в перевернутом виде в плоскость Б, где размещены фотоприемники 5 и 6, выходные сигналы которых обрабатывает по заданному алгоритму электронное устройство 7. Дополнительный световой поток получают от дополнительного источника 8. Размеры и форма экрана 2 выбраны таким образом, чтобы он, имея четко очерченную кромку во всем диапазоне измеряемых нагрузок, затенял от основного светового потока ту или иную часть фотоприемника 6, оставляя фотоприемник 5 полностью незатененным. В то же время экран 2 не мешает дополнительному световому потоку освещать оба фотоприемника. Дополнительное освещение можно организовать освещением либо целиком обоих фотоприемников, либо какой-то их части, заведомо незатеняемой экраном. Оно может осуществляться одновременно для обоих фотоприемников, либо попеременно.

Сигналы с фотоприемников пропорциональны падающим на них световым потокам. Сигнал F₁, снимаемый с незатеняемого (первого) фотоприемника 5, прямо пропорционален плотности светового потока J₀ от основного источника света 1 и коэффициенту чувствительности K₁ фотоприемного тракта первого фотоприемника 5:
F₁=K₁•J₀•S₁, (1)
где S₁ - площадь освещаемой области, соответствующая области чувствительности первого фотоприемника 5.

Сигнал с затеняемого фотоприемника 6 F₂ от основного освещения равен:
F₂=K₂•J₀•(S₂-X•L), (2)
где S₂ - площадь освещаемой области, соответствующая области чувствительности второго фотоприемника 6, Х - величина смещения экрана 2, L - ширина освещаемой области, К₂ - коэффициент чувствительности затеняемого фотоприемника.

Сигнал F_1д, снимаемый с первого фотоприемника 5 от дополнительного освещения с плотностью светового потока J_д, равен:
F_1д=K₁•J_д•S₁. (3)
Для сигнала F_2д со второго фотоприемника 6 от дополнительного освещения имеем:
F_2д=К₂•J_д•S₂. (4)
Для исключения влияния светового потока используем следующее соотношение сигналов:
Z₂=F₂/F_2д=J₀•(S₂-X•L)/(J_д•S₂), (5)
Z₁=F₁/F_1д=J₀/J_д, (6)
Из (5) и (6) следует:
X=(1-Z₂/Z₁)•S₂/L. (7)
Нагрузка Р на чувствительный элемент 3 связана со смещением Х экрана 2 соотношением:
Р=b•X, (8)
где b - коэффициент упругости чувствительного элемента.

Таким образом, из (7) и ( 8) следует:
P_изм=b•S₂•(1-Z₂/Z₁)/L. (9)
При приложении эталонной нагрузки Р_эт на чувствительный элемент, осуществляемом до приложения измеряемой нагрузки, имеем:
P_эт=b•S₂•(1-Z_2э/Z_1э)/L, (10)
где значения Z_2э и Z_1э соответствуют измерениям при нагружении эталонной нагрузкой.

Таким образом, имеем окончательно:
Р_изм=Р_эт•(1-Z₂/Z₁)/(1-Z_2э/Z_1э). (11)
Данное выражение справедливо для измерения приложенной нагрузки без "обнуления" (снятия нагрузки) датчика.

При необходимости проведения калибровки датчика непосредственно в процессе измерения дополнительно к измеряемой нагрузке прикладывают известную эталонную нагрузку, и на чувствительный элемент датчика воздействует сила, равная P_Σ = P_изм+P_эт.

В этом случае вместо (10) имеем:
P_Σ = b×S₂×(1-Z_2Σ/Z_1Σ)/Z, (12)
где значения Z_2Σ и Z_1Σ соответствуют измерениям при нагружении P_Σ и равны:
Z_2Σ= F_2Σ/F_2дΣ; Z_1Σ= F_1Σ/F_1дΣ (13)
Из (9) и (12) следует окончательно:
Р_изм=Р_эт•А/(1-А), (14)
где A = (1-Z₂/Z₁)/(1-Z_2Σ/Z_1Σ). (15)
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет существенно расширить область применения оптического способа измерения силы без заметного усложнения датчика, сохранив повышенную (прецизионную) точность и достоверность измерений в течение сколь угодно долгого процесса измерения.

Изобретение относится к средствам измерения сил и деформаций тел. В первом варианте на экран, являющийся частью деформируемого под действием силы чувствительного элемента, направляют основной световой поток так, чтобы осуществлялось частичное затенение одного из двух фотоприемников, размещенных в плоскости проецирования светового потока, и измеряют сигналы с выходов обоих фотоприемников, соответствующие эталонной и измерительной нагрузкам. Кроме этого, в течение некоторого времени эти же фотоприемники освещают дополнительным световым потоком, но без затенения, и измеряют соответствующие ему выходные сигналы фотоприемников также для эталонной и измеряемой нагрузок. Все измеренные параметры, преобразованные в относительные величины, учитывают при вычислении по определенной формуле величины измеряемой нагрузки. Во втором варианте аналогичные измерения проводят для измеряемой нагрузки и для нагрузки, являющейся суммой измеряемой и эталонной, преобразуют их в относительные параметры и вычисляют измеряемую нагрузку по соответствующей формуле. Технический результат - повышение точности и достоверности измерений. 2 с. и 6 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Оптический способ измерения силы, заключающийся в том, что световой поток направляют на экран, являющийся частью деформируемого под действием силы чувствительного элемента, осуществляют частичное затенение одного из двух фотоприемников, в плоскость размещения которых проецируют указанный световой поток, и при определении измеряемой нагрузки учитывают величины сигналов F_1э, F_2э и F₁, F₂ с выходов первого и второго фотоприемников, измеренные при воздействии на чувствительный элемент эталонной нагрузки Р_эт и измеряемой нагрузки Р_изм соответственно, отличающийся тем, что в течение определенного времени освещают дополнительным световым потоком без затенения обоих фотоприемников, определяют пропорциональные дополнительному световому потоку сигналы F_1дэ, F_2дэ и F_1д, F_2д с выходов фотоприемников на моменты времени, соответствующие измерениям эталонной и измеряемой нагрузок соответственно, и определяют последнюю по формуле
Р_изм= P_эт•(1-Z₂/Z₁)/(1-Z_2э/Z_1э),
где Z₂= F₂/F_2д;
Z₁= F₁/F_1д;
Z_2э= F_2э/F_2дэ;
Z_1э= F_1э/F_1дэ. 2. Оптический способ измерения силы по п. 1, отличающийся тем, что дополнительный световой поток получают от одного вспомогательного источника света. 3. Оптический способ измерения силы по п. 1 или 2, отличающийся тем, что при дополнительном освещении основное освещение не производят. 4. Оптический способ измерения силы по п. 1, 2 или 3, отличающийся тем, что дополнительное освещение фотоприемников осуществляют попеременно. 5. Оптический способ измерения силы, заключающийся в том, что световой поток направляют на экран, являющийся частью деформируемого под действием силы чувствительного элемента, осуществляют частичное затенение одного из двух фотоприемников, в плоскость размещения которых проецируют указанный световой поток, и при определении измеряемой нагрузки учитывают величины сигналов F₁ и F₂ с выходов первого и второго фотоприемников, измеренные при воздействии на чувствительный элемент измеряемой нагрузки Р_изм, отличающийся тем, что в течение определенного времени освещают дополнительным световым потоком без затенения обоих фотоприемников, определяют пропорциональные ему сигналы F_1д и F_2д с выходов фотоприемников на моменты времени, соответствующие измерению измеряемой нагрузки, затем прикладывают эталонную нагрузку Р_эт непосредственно к измеряемой нагрузке, измеряют сигналы, соответствующие суммарной нагрузке P_Σ с выходов обоих фотодатчиков F_1Σ, F_2Σ и F_1дΣ, F_2дΣ при освещении их основным и дополнительным световыми потоками соответственно и определяют измеряемую нагрузку по формуле
Р_изм= Р_эт•А/(1-А),
при этом A = (1-Z₂/Z₁,)/(1-Z_2Σ/Z_1Σ),
где Z₂= F₂/F_2д;
Z₁= F₁/F_1д;
Z_2Σ= F_2Σ/F_2дΣ;
Z_1Σ= F_1Σ/F_1дΣ.
6. Оптический способ измерения силы по п. 5, отличающийся тем, что дополнительный световой поток получают от одного вспомогательного источника света. 7. Оптический способ измерения силы по п. 5 или 6, отличающийся тем, что при дополнительном освещении основное освещение не производят. 8. Оптический способ измерения силы по п. 5, 6 или 7, отличающийся тем, что дополнительное освещение фотоприемников осуществляют попеременно.