ОПТОВОЛОКОННЫЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК G01D5/353 

Изобретение относится к волоконно-оптической измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещения во взрывоопасных и жестких условиях производства и эксплуатации.

Известны аналогичные датчики положения и перемещения, построенные на основе многополюсной кодирующей магнитной линейки, соединенной с объектом измерения, и считывающего модуля (магнитной головки, декодера), сопряженного через зазор с плоскостью магнитной линейки. При перемещении магнитной линейки относительно считывающего модуля или при перемещении считывающего модуля относительно магнитной линейки с выхода считывающего модуля снимаются электрические сигналы, количество, период, фаза и амплитуда которых зависят от принципа построения и формы магнитной линейки и считывающего модуля. Известны магнитные линейки (например, патент WO №2010/086585, приоритет 11.07.2011; патент US №4871624 А, приоритет 11.01.1988; и др.), выпускаемые фирмами Magnescale (каталог продукции 2015 г. ООО «ТЦ «ТочМаш» - официального дистрибьютора Magnescale Ltd., Магнитные измерительные системы, Системы цифрового считывания), Electronica Mechatronic Systems и Newall (Каталог «Устройства цифровой индикации и магнитные линейки для станков» 2016 г., "Юнисел", г. Москва), Kiibler (каталог продукции Fritz Kiibler GmbH, Position and Motion Sensors, 2015), GEMAC GmbH (каталог продукции GEMAC mbH 2015 г., Magnetic Measuring Systems), Baumer (каталог продукции Baumer Electric, 2015 г. ), Balluff (Магнитные системы измерения длины, каталог продукции компании Balluff, 2016 г. ) и др., которые выполнены с одно- и многодорожечными многополюсными шкалами для инкрементных и абсолютных датчиков линейного и углового перемещения и с соответствующими считывающими модулями. Структура, количество и топология чувствительных элементов в считывающих модулях определяются требуемыми точностью и стабильностью измерения. В качестве чувствительных элементов в считывающих модулях применяются магнитные сопротивления (резисторы), в том числе, гигантские магнитные сопротивления, включенные в электрическую измерительную цепь (например, патент РФ №2436037 приоритет 13.09.2010; патент US №5036276 А приоритет 5.04.1989; заявка на европейский патент №06020263.7 приоритет 27.09.2006; заявка на патент США №20150369636 приоритет 24.12.2015; патент US №7023203 В2 приоритет 15.12.2003; сообщение о НИР в НИИЯФ МГУ по госконтракту №14.513.11.0116 в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы»), а также датчики Холла (например, патент РФ №2312363 О приоритет 31.01.2006; патент US №612471 OA приоритет 13.11.1998; инкрементные магнитные датчики угла серии ЛИР-МИ 137 - ЛИР-МИ208, каталог СКБ ИС, 2016; инкрементные магнитные датчики угла серии AS5030 - AS5048, AS5140 и др., каталог компании AMS AG, 2016; инкрементные и абсолютные магнитные датчики угла серии Sendix 3651, 3671 и др., каталог компании Fritz Kuebler GmbH, 2016).

К достоинствам таких датчиков относятся: простота конструкции, большие допуски на погрешности при монтаже; легкость монтажа, простота эксплуатации и технического обслуживания, достаточная для многих приложений точность измерений (1…25 (мкм) для линейных перемещений), высокое разрешение (0,5…5 (мкм) для линейных перемещений); высокие рабочие скорости (≥25 м/с), пыле- и маслонепроницаемость, защищенность от внешних воздействий (класс защиты IP 67 по DIN 40050), большой диапазон линейных перемещений (от нескольких сантиметров до десятков метров), относительно низкая цена.

Недостатками таких датчиков для опасных производств, жестких и опасных условий эксплуатации являются: сложность конструкции, заключающаяся в необходимости исполнения считывающего модуля в искро- взрыво- пожаробезопасном исполнении, с введением защиты от воздействия электромагнитных помех, статического электрического поля, высоковольтного напряжения и агрессивных сред, а также сложность в эксплуатации, заключающаяся в обязательной периодической проверке состояния изоляции корпуса считывающего модуля, заземляющих проводов, подводящих и отводящих токонесущих проводов.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является выбранное в качестве прототипа "Цифровой волоконно-оптический датчик перемещения" (Патент РФ №2674574 МПК G01D 5/353, G02B 6/34, опубл. 11.12.2018).

Изобретение относится к волоконно-оптической измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещения во взрывоопасных и жестких условиях производства и эксплуатации. Устройство содержит многополюсную кодирующую магнитную линейку (МПКМЛ), сопряженную с объектом измерения, и считывающий модуль. Считывающий модуль содержит считывающие элементы, выполненные на основе участков оптического волокна с несколькими внутриволоконными Брэгговскими решетками (ВБР), настроенными на разные длины волн и имеющими профилированное магниточувствительное покрытие или постоянные магниты, жестко закрепленные на границах участков оптоволокна с ВБР. При перемещении МПКМЛ относительно считывающего модуля происходит вызванная магнитным взаимодействием деформация локальных участков оптоволокна с ВБР. Это приводит к изменению длин волн соответствующих ВБР относительно исходного значения. Количество считывающих элементов, топологическая схема волоконно-оптического тракта и величина деформации локальных участков оптоволокна с ВБР определяются способом кодирования, способом считывания, параметрами МПКМЛ и элементов считывающего модуля. Предложены варианты конструктивного исполнения МПКМЛ и считывающего модуля, позволяющие получить цифровые инкрементные и абсолютные волоконно-оптические датчики линейного и углового перемещения без дополнительного аналого-цифрового преобразования оптических сигналов в удаленном оптоэлектронном блоке.

Недостатком такого устройства является сложность точного изготовления, так как тяжело с большой точностью изготовить кодирующую магнитную линейку.

Задачей изобретения является упрощение конструкции датчика перемещения.

Поставленная задача достигается тем, что оптоволоконный датчик перемещения, содержащий внутриволоконную Брэгговскую решетку, согласно изобретению на оптоволокне, в котором размещена Брэгговская решетка, с обеих сторон от Брэгговской решетки закреплены цилиндрические магниты с отверстиями, расположенными по их оси, через эти отверстия протянуто оптоволокно, а также оптоволокно закреплено в одном из двух воздушных зазоров магнитопровода, таким образом, чтобы во втором воздушном зазоре данного магнитопровода перпендикулярно плоскости расположения оптоволокна и магнитопровода передвигался фигурный магнитопровод, на одном конце котором установлен цилиндрический магнит.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен вид сверху на оптоволоконный датчик перемещения, на фиг. 2 показан вид сбоку для двух положений фигурного магнитопровода.

Оптоволоконный датчик перемещения содержит 1 - внутриволоконную Брэгговскую решетку, 2 - оптоволокно, 3 - магнитопровод, 4 - цилиндрические магниты со сквозным отверстием, 5 - цилиндрический магнит, 6 - фигурный магнитопровод.

Устройство работает следующим образом.

Цилиндрические магниты со сквозным отверстием, расположенные на оптоволокне 2, предрастягивают внутриволоконную Брэгговскую решетку 1, тем самым избавляя ее от провисания при изменении температуры. Фигурный магнитопровод 6 необходимо соединить с деталью, перемещение которой необходимо контролировать. Магнитный поток от цилиндрических магнитов со сквозным отверстием 4 проходит через магнитопровод 3 и замыкается через фигурный магнитопровод 6 на цилиндрический магнит 5. Фигурный магнитопровод 6 имеет переменное сечение, поэтому происходит модуляция магнитного потока от цилиндрических магнитов со сквозным отверстием 4 сигналом пропорциональным параметрам движения фигурного магнитопровода 6 (положение №1 и положение №2 на Фиг. 2). Ослабление магнитного потока, замыкаемого через магнитопровод 3, приводит к ослаблению сил взаимного отталкивания между цилиндрическими магнитами со сквозным отверстием 4, а это приводит к изменению длины оптоволокна 2 и как следствие к изменению длины волны внутриволоконной Брэгговской решетки 1. Фиксируя периодическое изменение длины волны внутриволоконной Брэгговской решетки 1, можно оценить скорость движения и положение фигурного магнитопровода 6. Оптоволокно 2 протянуто через отверстие в цилиндрических магнитах со сквозным отверстием 4.

Преимуществом данного датчика является простота изготовления и возможность использования как элемент контроля в искрозащищенных местах.

Изобретение относится к волоконно-оптической измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещения во взрывоопасных и жестких условиях производства и эксплуатации. Оптоволоконный датчик перемещения содержит внутриволоконную Брэгговскую решетку, согласно изобретению на оптоволокне, в котором размещена Брэгговская решетка, с обеих сторон от Брэгговской решетки закреплены цилиндрические магниты с отверстиями, расположенными по их оси, через эти отверстия протянуто оптоволокно, а также оптоволокно закреплено в одном из двух воздушных зазоров магнитопровода таким образом, чтобы во втором воздушном зазоре данного магнитопровода перпендикулярно плоскости расположения оптоволокна и магнитопровода передвигался фигурный магнитопровод, на одном конце которого установлен цилиндрический магнит. Технический результат - упрощение изготовления и возможность использования датчика как элемент контроля в искрозащищенных местах. 2 ил.

Оптоволоконный датчик перемещения, содержащий внутриволоконную Брэгговскую решетку, отличающийся тем, что на оптоволокне, в котором размещена Брэгговская решетка, с обеих сторон от Брэгговской решетки закреплены цилиндрические магниты с отверстиями, расположенными по их оси, через эти отверстия протянуто оптоволокно, а также оптоволокно закреплено в одном из двух воздушных зазоров магнитопровода таким образом, чтобы во втором воздушном зазоре данного магнитопровода перпендикулярно плоскости расположения оптоволокна и магнитопровода передвигался фигурный магнитопровод, на одном конце которого установлен цилиндрический магнит.