СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Российский патент 2014 года по МПК G01B11/00 G01B11/14 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения линейных перемещений.

Известен способ измерения линейных перемещений («Волоконно-оптические измерительные преобразователи скорости и давления», М., Энергоатомиздат, 1987 г., стр.15), заключающийся в том, что направляют излучение на объект, измеряют отраженный поток излучения и по величине этого потока судят о перемещении.

Недостатком данного способа является относительно низкая точность измерений и недостаточный диапазон измеряемых перемещений.

Известен также способ измерения линейных перемещений, реализуемый устройством, описанным в а.с. №1767327, МПК G01B 21/00, опубл. 07.10.1992 г. под названием «Оптический датчик перемещений», выбранный в качестве прототипа и включающий формирование подаваемого на поверхность исследуемого объекта потока светового излучения, регистрацию в фиксированной точке отраженного света, преобразование его в электрический сигнал, величину которого используют для определения расстояния от поверхности исследуемого объекта.

К недостаткам данного технического решения относится малый диапазон измеряемых перемещений, решения предназначены для измерения перемещений вблизи контролируемой поверхности, где амплитуда выходного сигнала с фотоприемника пропорциональна расстоянию до поверхности исследуемого объекта.

Целью изобретения является расширение диапазона измерений линейных перемещений.

Это достигается тем, что в способе измерения линейных перемещений, заключающемся в формировании подаваемого на поверхность исследуемого объекта потока светового излучения, регистрации в фиксированной точке отраженного света, преобразовании его в электрический сигнал, величину которого используют для определения перемещения контролируемой поверхности Δx, согласно изобретению это перемещение определяют по формуле:

$$\Delta x=x_0-\sqrt{\frac{x_0^{2}U{}_0}{U}}\text{, (1)}$$

где x₀ - начальное расстояние от поверхности исследуемого объекта до фотоприемника;

U₀ - амплитуда выходного сигнала с фотоприемника, соответствующая x₀;

U - амплитуда выходного сигнала с фотоприемника, соответствующая Δx.

Технический результат заключается в том, что удалось определить перемещение контролируемой поверхности в любой момент времени по выведенной формуле, для этого необходимо лишь измерить уровень выходного сигнала U с ФЭУ при помощи осциллографа, подав импульс с генератора на светодиод.

Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».

Новые признаки (определение линейного перемещения, осуществляемое по формуле:

$$\Delta x=x_0-\sqrt{\frac{x_0^{2}U{}_0}{U}},$$

где x₀ - начальное расстояние от поверхности исследуемого объекта до фотоприемника;

U₀ - амплитуда выходного сигнала с фотоприемника, соответствующая x₀;

U - амплитуда выходного сигнала с фотоприемника, соответствующая Δx) не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».

На фиг.1 представлена блок-схема устройства, с помощью которого реализуется данный способ;

На фиг.2 представлена общая зависимость напряжения с фотодетектора от расстояния до поверхности исследуемого объекта.

Предлагаемый способ измерения линейных перемещений осуществляется с помощью устройства, состоящего из источника излучения по импульсной схеме, включающей генератор импульсов 1 и импульсный светодиод 2, осветительный световод 3 и приемный световод 4, связанные с импульсным светодиодом 2 и фотоприемником 7, предназначенным для работы в импульсном режиме и имеющим широкий диапазон линейности световой характеристики в импульсе, поверхности исследуемого объекта 5, интерференционного светофильтра 6, фотоприемника 7 и регистрирующего устройства 8 (например, осциллограф).

Способ осуществляется с помощью описанного устройства следующим образом.

Прямоугольный электрический импульс с генератора импульсов 1 подается на импульсный светодиод 2. Излучение от светодиода 2 по осветительному световоду 3 подается для освещения поверхности исследуемого объекта 5. Отраженный от исследуемой поверхности 5 сигнал по приемному световоду 4 поступает на фотоприемник 7, электрический сигнал с которого регистрируется осциллографом 8. Форма зарегистрированного осциллографом 8 импульса также прямоугольная. Для уменьшения паразитирующего внешнего сигнала, поступающего на фотоприемник 7, в линию световода 4 может устанавливаться интерференционный светофильтр 6, максимум пропускания которого совпадает с длиной волны максимума излучения светодиода

Предполагается, что в процессе проведения измерений коэффициент отражения поверхности исследуемого объекта 5 не меняется. Общая зависимость напряжения с фотоприемника от расстояния до поверхности исследуемого объекта 5 имеет вид, показанный на фиг.2, здесь: OA - участок зависимости, на котором уровень сигнала пропорционален расстоянию до поверхности исследуемого объекта 5 - на данном участке работают рассмотренные аналоги; AB - участок зависимости с переходной характеристикой; BC - участок зависимости, на котором уровень сигнала обратно пропорционален квадрату расстояния до поверхности исследуемого объекта 5 - на данном участке работает описанное устройство для реализации способа.

Если рассматривать поверхность исследуемого объекта как вторичный излучатель, то в этом случае справедливо следующее соотношение:

$$\Phi =\tau \times \frac{L\times A_{и-ка}\times A_{вх}}{x^2},\text{ (2)}$$

где Ф - поток, падающий на фотоприемник;

τ - коэффициент пропускания приемного волокна;

L - яркость источника излучения - поверхности исследуемого объекта;

A_и-ка - площадь источника излучения;

A_вх - площадь приемного световода;

x - расстояние от поверхности до приемного световода.

Яркость вторичного источника

$$L=E\times k,\text{ (3)}$$

где E - освещенность зондируемого участка;

k - коэффициент, учитывающий закон излучения для поверхности [1/ср]. Так для источника, излучающего по закону Ламберта, k=1/π.

Освещенность заданного участка

$$Е={Ф}_{изл}/А,\text{ (4)}$$

где Ф_изл - поток излучения на выходе осветительного световода - величина, зависящая в первом приближении только от мощности первичного излучателя и коэффициента пропускания осветительного световода;

A - площадь освещаемой поверхности исследуемого объекта, в данном случае эта площадь равна площади вторичного источника излучения A=А_и-ка.

Подстановка полученных данных в формулу (2) дает следующее выражение

$$Ф={\tau }_{ос}\times k\times \frac{{Ф}_{изл}\times {А}_{вх}}{x^2}.\text{ (5)}$$

Из формулы (5) следует, что при постоянной мощности первичного излучателя Ф_изл, неизменных параметрах оптической системы τ и А_вх, а также при постоянных оптических характеристиках поверхности исследуемого объекта (коэффициент отражения ρ и коэффициент, учитывающий закон излучения k) поток, падающий на фотоприемник, зависит только от квадрата расстояния от излучателя до приемника.

В свою очередь, амплитуда выходного электрического сигнала с фотоприемника также обратно пропорциональна x² (в области линейности световой характеристики фотоприемника), т.к. является реакцией фотоприемника на данный поток и зависит только от чувствительности приемника

$$U=Ф\times S,\text{ (6)}$$

где Ф - поток, падающий на фотоприемник; S - чувствительность фотоприемника.

В случае линейного перемещения поверхности исследуемого объекта 5 в направлении, параллельном оптической оси системы, расстояние от поверхности исследуемого объекта 5 до торцов световодов 3 и 4 в каждый момент времени будет рассчитываться по формуле:

$$x=\sqrt{\frac{x_0^2}{\Delta U},}\text{ (7)}\text{,}$$

где x₀ - начальное расстояние от поверхности исследуемого объекта 5 до торцов световодов 3 и 4; ΔU=U/U₀ - отношение амплитуд выходных сигналов с фотоприемника 7, соответствующих искомому и начальному моменту времени t₀.

Пройденное поверхностью исследуемого объекта 5 расстояние

$$\Delta x=x_0-x=x_0-\sqrt{\frac{x_0^2{U}_0}{U}}.\text{ (8)}$$

До проведения измерений при помощи измерительных средств (например, линейки, штангенциркуля, плиток) определяется начальное расстояние x₀ от поверхности исследуемого объекта 5 до торцов приемного и осветительного световодов 3, 4. При помощи осциллографа 8 определяется уровень выходного сигнала U₀ с ФЭУ 7, соответствующего данному расстоянию x_0.

При проведении измерений в любой момент времени перемещение поверхности исследуемого объекта 5 может быть определено по формуле (1), необходимо лишь измерить уровень выходного сигнала U с ФЭУ 7 при помощи осциллографа 8, подав импульс с генератора 1 на светодиод 2.

Были проведены лабораторные исследования, показавшие работоспособность способа измерения линейных перемещений.

Состав лабораторной установки, представленной на фиг.1:

- генератор импульсов Tabor Electonics 8551, параметры импульса: U=3 B, τ=50 мкс;

- светодиод синий λ_max=450 нм, Ф_λmax=40 мВт;

- световоды кварц-полимерные, ⌀жилы=0,65 мм, N_a=0,3;

- ФЭУ СНФТ-3, линейность импульсной характеристики 1,5 А (R_H=75 Ом);

- осциллограф Tektronix TDS 2024.

Установка была собрана на стенде, имеющем независимую отсчетную шкалу в миллиметрах и позволяющем контролировать расстояние от поверхности исследуемого объекта 5 до торцов световодов 3 и 4.

Торцы осветительного и приемного световодов 3 и 4 были размещены на расстоянии от поверхности исследуемого объекта 5, равном 30 мм. В процессе исследований расстояние между световодами 3 и 4 и поверхностью исследуемого объекта 5 последовательно уменьшалось. При помощи шкалы измерялось расстояние от поверхности исследуемого объекта 5 до световодов 3 и 4. Соответствующий этому расстоянию уровень выходного напряжения с ФЭУ измерялся осциллографом 8.

Перемещение поверхности исследуемого объекта 5 Δx определялось двумя способами:

- при помощи шкалы, расположенной на стенде Δx_стенд;

- по формуле (1) Δx_расчет.

Рассчитывалась погрешность измерений Δ по формуле

$$\Delta =\left|\frac{\Delta x_{стенд}-\Delta x_{расчет}}{\Delta x_{стенд}}\right|\times 100\%.$$

В области работы устройства (участок BC на фиг.2) отличия в измерении перемещений абсолютным методом (при помощи шкалы) от предложенного расчетного способа (по формуле (1)) не превышали 3%.

Заявляемый способ позволил добиться расширения диапазона измеряемых перемещений благодаря новому алгоритму расчетов и использованию импульсной системы измерений.

Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность осуществления способа измерения линейных перемещений и способность обеспечения достижения усматриваемого заявителем технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Способ заключается в формировании подаваемого на поверхность исследуемого объекта потока светового излучения, регистрации в фиксированной точке отраженного света и преобразовании его в электрический сигнал, величину которого используют для определения расстояния от поверхности исследуемого объекта по формуле: $$\Delta x=x_0-\sqrt{\frac{x_0^2{U}_0}{U}}$$ , где х₀ - начальное расстояние от светоотражающей поверхности исследуемого объекта до фотоприемника; U₀ - амплитуда выходного сигнала с фотоприемника, соответствующая х₀; U - амплитуда выходного сигнала с фотоприемника, соответствующая Δх. Технический результат - возможность определения перемещения в любой момент времени за счет измерения уровня выходного сигнала с фотоприемника. 2 ил.

Способ измерения линейных перемещений, заключающийся в формировании подаваемого на поверхность исследуемого объекта потока светового излучения, регистрации в фиксированной точке отраженного света, преобразовании его в электрический сигнал, величину которого используют для определения расстояния от поверхности исследуемого объекта, отличающийся тем, что это расстояние определяют по формуле:
$$\Delta x=x_0-\sqrt{\frac{x_0^{2}U{}_0}{U}},$$
где x₀ - начальное расстояние от светоотражающей поверхности исследуемого объекта до фотоприемника;
U₀ - амплитуда выходного сигнала с фотоприемника, соответствующая x_0;
U - амплитуда выходного сигнала с фотоприемника, соответствующая Δx.