Оптоэлектронное устройство для измерения линейных перемещений объекта Российский патент 2024 года по МПК H01L31/16 G01B11/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано, в частности, при вибрационных испытаниях для измерения, например, амплитуды колебаний или перемещения объекта.

Уровень техники

Из уровня техники известен теневой оптический датчик, описанный в статье Палагуты К.С, Шаталова Д.А., Груненкова Н.В. «Разработка и исследование теневого оптического датчика для усталостных вибрационных испытаний», сборник статей 5-й Всероссийской научно-технической конференции «Перспективы развития технологий обработки и оборудования в машиностроении», 2020, с. 208-211. Известный теневой оптический датчик содержит генератор, блок излучателя, включающий модулятор и излучающий элемент, блок фотоприемного устройства, демодулятор и фильтр нижних частот.

Недостатком известного устройства является наличие влияния сильных фоновых засветок, что может вызвать переход фотоприемника в режим насыщения и потерю работоспособности устройства в целом.

Наиболее близким аналогом предложенного изобретения является оптоэлектронное устройство для измерения линейных перемещений объекта, описанное в патенте на изобретение RU 2042109 (кл. G01B 21/00, 20.08.1995). Известное устройство содержит источник излучения, генератор и установленные по ходу светового луча коллиматор, оптический тракт, щелевую диафрагму, фокусирующую линзу, точечную диафрагму, фотоприемник, к выходу которого подключен демодулятор, к выходу которого подключены параллельно полосовой фильтр и фильтр нижних частот, выходы которых соединены с блоком коррекции, после которого установлен блок регистрации.

Недостатком наиболее близкого аналога является невозможность учесть погрешности, вызванные флуктуациями внешней среды, параметрами источника излучения и фото приемника датчиков.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей заявленного технического решения является создание оптоэлектронного устройства для измерения линейных перемещений объекта с повышенной точностью измерений и более эффективного в работе по сравнению с предшествующими аналогами.

Техническим результатом предложенного изобретения является повышение точности измерений и эффективности работы оптоэлектронного устройства за счет устранения влияния сильных фоновых засветок и исключения перехода фотоприемника в режим насыщения и вызванной этим переходом потери работоспособности устройства.

Решение поставленной задачи и получение технического результата обеспечивается за счет того, что оптоэлектронное устройство для измерения линейных перемещений объекта содержит генератор частоты, источник излучения и установленные последовательно по ходу светового луча коллиматор, оптический тракт, щелевую диафрагму, фокусирующую линзу, точечную диафрагму, фотоприемник, демодулятор, к выходу которого подключены параллельно полосовой фильтр и фильтр нижних частот, выходы которых соединены с блоком коррекции, после которого установлен блок регистрации, при этом оптоэлектронное устройство содержит выполненную с возможностью регулирования напряжения на выходе фотоприемника систему стабилизации мощности луча, включающую блок управления, регулятор, задатчик уставки, аналоговый ключ и компаратор, при этом выход блока управления подключен к источнику излучения и первому входу аналогового ключа, второй вход которого подключен соответственно к выходу фотоприемника, выход аналогового ключа подключен к первому входу компаратора, второй вход которого соединен с выходом задатчика уставки, а выход компаратора соединен со входом регулятора, выход которого соответственно подключен ко входу фотоприемника.

Краткое описание чертежа

Сущность изобретения поясняется фигурой 1, на которой представлено оптоэлектронное устройство для измерения линейных перемещений объекта.

Перечень элементов:

1 - источник излучения;

2 - коллиматор;

3 - оптический тракт;

4 - щелевая диафрагма;

5 - фокусирующая линза;

6 - точечная диафрагма;

7 - фотоприемник;

8 - демодулятор;

9 - полосовой фильтр (ПФ);

10 - фильтр нижних частот;

11 - блок коррекции;

12 - блок регистрации;

13 - генератор частоты;

14 - блок управления мощностью источника излучения;

15 - регулятор;

16 - задатчик уставки;

17 - аналоговый ключ;

18 - компаратор;

19 - объект измерения;

20 - выход генератора частоты;

21 - первый вход модуляции сигнала источника излучения

22 - выход фотоприемника;

23 - первый вход демодулятора;

24 - второй вход демодулятора;

26 - вход полосового фильтра;

27 - выход полосового фильтра;

28 - вход фильтра нижних частот;

29 - выход фильтра нижних частот;

30 - первый вход блока коррекции (с ПФ);

31 - второй вход блока коррекции (с ПФ);

32 - выход блока коррекции;

33 - вход блока регистрации;

34 - второй вход источника излучения;

35 - первый вход аналогового ключа 17;

36 - второй вход аналогового ключа 17;

37 - выход аналогового ключа;

38 - первый инвертирующий вход компаратора 18;

39 - второй неинвертирующий вход компаратора 18;

40 - выход задатчика уставки;

41 - выход компаратора 18;

42 - вход регулятора 15;

43 - выход регулятора 15;

44 - вход управления коэффициентом преобразования фотоприемника;

45 - выход блока управления мощностью источника излучения.

Осуществление изобретения

Предлагаемое оптоэлектронное устройство для линейных перемещений объекта состоит из источника излучения 1, коллиматора 2, оптического тракта 3, щелевой диафрагмы 4, фокусирующей линзы 5, точечной диафрагмы 6 и фотоприемника 7, а также демодулятора 8, полосового фильтра (ПФ) 9, фильтра нижних частот 10, блока коррекции 11, блока регистрации 12, генератора частоты 13, блока управления мощностью источника излучения 14, который включает в себя регулятор 15, задатчик уставки 16, аналоговый ключ 17 и компаратор 18. Коллиматор 2, оптический тракт 3, щелевая диафрагма 4, фокусирующая линза 5, точечная диафрагма 6 и фотоприемник 7 установлены после источника излучения 1 последовательно по ходу светового луча. При этом элементы 1, 2, 4-18 жестко закреплены на неподвижном основании (на чертеже не показано). В качестве неподвижного основания может быть использована станина или, например, металлический стоя- выполненный с посадочными местами в виде углублений для элементов или винтов, при этом элементы крепятся при помощи свинчивания, или, например, сочленения, клепки, сварки, пайки, опрессовки, развальцовки, склеивания или сшивки.

Объект измерения 19 располагается по ходу светового луча между источником излучения 1 и фотоприемником 7.

Связь между источником излучения 1, коллиматором 2, щелевой диафрагмой 4, фокусирующей линзой 5, точечной диафрагмой 6, фотоприемником 7 и объектом измерения 19 осуществляется с помощью оптического тракта 3. Между всеми остальными блоками используется электрическая связь.

Оптический тракт - участок оптической цепи между последовательно соединенными передатчиком и приемником волоконно-оптической системы передачи без оптических усилителей (ОСТ 45.190-2001, Системы передачи волоконно-оптические, стыки оптические, ЦНТИ «ИНФОРМСВЯЗЬ», Москва, 2002).

Генератор частоты 13 осуществляет амплитудную модуляцию источника излучения 1. Модуляция оптического излучения - изменение во времени по заданному закону амплитуды, частоты, фазы или поляризации колебаний оптического излучения. Амплитудная модуляция - вид модуляции, при которой изменяемым параметром несущего сигнала является его амплитуда.

Блок управления мощностью источника излучения 14 - блок, выполняющим функции стабилизации мощности луча и снижающий с помощью сигнала управления на своем выходе 45 мощность источника излучения 1 до нуля с определенной периодичностью, зависящей от источника фоновой засветки. Блок управления мощностью источника излучения 14 включает регулятор 15, задатчик уставки 16, аналоговый ключ 17 и компаратор 18.

Блок коррекции 11 - блок, на вход которого поступают сигналы с полосового фильтра 9 и фильтра нижних частот 10, а на выходе формируется полезный сигнал, который описывает колебания (перемещение) объекта измерения 19.

Блок регистрации 12 - блок, регистрирующий изменения величины сигнала, вызванные перемещением объекта измерения 19.

Выход генератора частоты 20 соединен последовательно посредством электрического кабеля с первым входом модуляции сигнала источника излучения 21 и вторым входом демодулятора 24. При этом первый вход демодулятора 23 подключен посредством электрического кабеля к выходу фотоприемника 22. Выход демодулятора 25 подключен посредством электрического кабеля к соединенным параллельно входу полосового фильтра 26 и входу фильтра нижних частот 28. Выход полосового фильтра 27 и выход фильтра нижних частот 29 посредством электрического кабеля соединяются соответственно с первым входом блока коррекции 30 и вторым входом блока коррекции 31. Выход блока коррекции 32 последовательно посредством электрического кабеля соединен со входом блока регистрации 33. Дополнительно устройство для измерения линейных перемещений объекта снабжено блоком управления мощностью источника излучения 14, выполняющим функции стабилизации мощности луча, и включающим регулятор 15, задатчик уставки 16, аналоговый ключ 17 и компаратор 18. Устройство для измерения линейных перемещений объекта выполнено с возможностью регулирования напряжения на выходе фотоприемника 22 путем управления коэффициентом преобразования. Выход 45 блока управления мощностью источника излучения 14 последовательно посредством электрического кабеля подключен ко второму входу источника излучения 34 и первому входу аналогового ключа 35, второй вход аналогового ключа 36 последовательно посредством электрического кабеля подключен к выходу фотоприемника 22. Выход аналогового ключа 37 последовательно посредством электрического кабеля соединен со вторым неинвертирующим входом компаратора 39. Первый инвертирующий вход компаратора 38 последовательно посредством электрического кабеля подключен к выходу задатчика уставки 40, при этом выход компаратора 41 посредством электрического кабеля соединен с входом регулятора 42. Выход регулятора 43 последовательно посредством электрического кабеля подключен ко входу 44 управления коэффициентом преобразования фотоприемника 7. Объект измерения обозначен позицией 19.

Устройство работает следующим образом. Источником излучения 1 и коллиматором 2 формируется параллельный световой поток, часть которого перекрывается колеблющимся объектом измерения 19. Неперекрытая часть светового потока излучения проходит через щелевую диафрагму 4, фокусирующую линзу 5 и точечную диафрагму 6, позволяющую уменьшить падающий на фотоприемник 7 фоновый поток излучения. С выхода фотоприемника 22 сигнал подается на первый вход демодулятора 23, при этом на второй вход демодулятора 24 подается сигнал с генератора частоты 13, с помощью которого обеспечивается модуляция амплитуды мощности источника излучения. С выхода демодулятора 25 сигнал поступает на вход полосового фильтра 26 и вход фильтр нижних частот 28. Сигнал с выхода полосового фильтра 27 поступает на первый вход блока коррекции 30, а сигнал с выхода фильтра нижних частот 29 поступает на второй вход блока коррекции 31. При этом на выходе блока коррекции 32 формируется полезный сигнал, который описывает колебания (перемещение) объекта измерения 19. Сигнал с выхода блока коррекции 32 поступает на вход блока регистрации 33.

Блок управления мощностью источника излучения 14 с определенной периодичностью, зависящей от источника фоновой засветки, снижает с помощью сигнала управления на своем выходе 45 мощность источника излучения 1 до нуля. Одновременно этот сигнал, поступающий на первый (управляющий) вход аналогового ключа 35, разрешает прохождение на выход аналогового ключа 37 сигнала с выхода фотоприемника 22, поступающего на второй (информационный) вход аналогового ключа 36. Сигнал с выхода аналогового ключа 37 подается на второй неинвертирующий вход компаратора 39. На первый инвертирующий вход компаратора 38 подается сигнал с выхода задатчика уставки 40. Сигнал с задатчика уставки 16 определяет допустимый для устройства уровень фоновой засветки, при котором фотоприемник 7 будет работать в активной области. Ток фотоприемника 7 определяется выражением:

I_фп=S_y⋅Ф⋅К_о, где

S_y - чувствительность фото приемника,

Ф - световой поток излучателя,

К_о - общий коэффициент пропускания оптического тракта.

Если сигнал с выхода фотоприемника 22 в отсутствие сигнала источника излучения 1 будет превышать уровень уставки, что будет соответствовать переходу фото приемника 7 в режим насыщения, то на выходе компаратора 41 будет сформирован дискретный сигнал логической «1», который при поступлении на вход регулятора 42 вызовет формирование управляющего сигнала на выходе регулятора 43, приводящего к уменьшению коэффициента преобразования К. Фотоприемник 7 представляет собой пару фотодиод - операционный усилитель. Управляя сопротивлением резисторов в цепи обратной связи операционного усилителя, можно изменять коэффициент преобразования К. Напряжение на выходе фото приемника 7 имеет вид:

U_фп=I_фп К, где

U_фп - напряжение на выходе фотоприемника;

I_фп - ток фотоприемника;

К - коэффициент преобразования.

Таким образом, изменяя коэффициент преобразования К, можно добиться уменьшения напряжения на выходе фотоприемника U_фп до значений, соответствующих линейной области работы фотоприемника 7 и оптоэлектронного устройства в целом.

В заявленном оптоэлектронном устройстве для измерения линейных перемещений объекта чувствительность к внешним засветкам снижена посредством использования щелевой диафрагмы, системы стабилизации мощности луча, специальной схемы включения фото приемника и модуляцией-демодуляцией мощности излучателя. Выделенный сигнал внешней засветки используется для сохранения работы фотоприемника в линейной области. Исключение влияния запыления и загрязнения оптических деталей достигается выделением постоянной составляющей выходного сигнала путем частотной фильтрации сигнала на выходе демодулятора и использованием этой составляющей для нормализации переменной составляющей выходного сигнала.

Экспериментальные исследования предложенного устройства показали, что при его использовании, за счет нормализации полезного выходного сигнала, относительная погрешность измерения не превышает 1%.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано, в частности, при вибрационных испытаниях для измерения, например, амплитуды колебаний или перемещения объекта. Оптоэлектронное устройство для измерения линейных перемещений объекта содержит источник излучения (1), генератор частоты (13) и установленные последовательно по ходу светового луча коллиматор (2), оптический тракт (3), щелевую диафрагму (4), фокусирующую линзу (5), точечную диафрагму (6), фотоприемник (7), демодулятор (8), к выходу которого подключены параллельно полосовой фильтр (9) и фильтр нижних частот (10), выходы которых соединены с блоком коррекции (11), после которого установлен блок регистрации (12). Оптоэлектронное устройство дополнительно содержит выполненную с возможностью регулирования напряжения на выходе фотоприемника систему стабилизации мощности луча, включающую блок управления мощностью источника излучения (14), регулятор (15), задатчик уставки (16), аналоговый ключ (17) и компаратор (18). Выход блока управления мощностью источника излучения (45) подключен к источнику излучения (1) и первому входу аналогового ключа (35), при этом второй вход аналогового ключа (36) подключен соответственно к выходу фотоприемника (22). Выход аналогового ключа (37) соединен со вторым неинвертирующим входом компаратора (39). Первый инвертирующий вход компаратора (38) подключен к выходу задатчика уставки (40), при этом выход компаратора (41) соединен с входом регулятора (42). Выход регулятора (43) подключен ко входу (44) управления коэффициентом преобразования фотоприемника (7). Объект измерения обозначен позицией (19). Изобретение позволяет повысить точность измерений и эффективность работы оптоэлектронного устройства за счет устранения влияния сильных фоновых засветок и исключения перехода фотоприемника в режим насыщения, а также вызванной этим переходом потери работоспособности устройства. 1 ил.

Оптоэлектронное устройство для измерения линейных перемещений объекта, содержащее генератор частоты, источник излучения и установленные последовательно по ходу светового луча коллиматор, оптический тракт, щелевую диафрагму, фокусирующую линзу, точечную диафрагму, фотоприемник, демодулятор, к выходу которого подключены параллельно полосовой фильтр и фильтр нижних частот, выходы которых соединены с блоком коррекции, после которого установлен блок регистрации, отличающееся тем, что содержит выполненную с возможностью регулирования напряжения на выходе фотоприёмника систему стабилизации мощности луча, включающую блок управления, регулятор, задатчик уставки, аналоговый ключ и компаратор, при этом выход блока управления подключен к источнику излучения и первому входу аналогового ключа, второй вход которого подключен соответственно к выходу фотоприемника, выход аналогового ключа подключён к первому входу компаратора, второй вход которого соединён с выходом задатчика уставки, а выход компаратора соединен с входом регулятора, выход которого соответственно подключен ко входу фотоприемника.