Герметичный рефлекторный волоконно-оптический датчик малых перемещений Российский патент 2025 года по МПК G01P3/36 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области промышленной автоматизации, а именно к средствам контроля линейных и угловых перемещений механических узлов производственного оборудования. И может использоваться в условиях сильного запыления, а также во взрывоопасных средах.

Уровень техники

Известны волоконно-оптические датчики, входящие в систему контроля состояния бинарных датчиков с мультиплексированным волоконно-оптическим каналом. Устройство содержит последовательно соединенные с помощью оптических волокон излучатель, n бинарных датчиков и фотоприемник, выход которого соединен с входом блока обработки. Каждый бинарный датчик представляет собой оптомеханическое устройство, которое может находиться в двух логических (бинарных) состояниях. Между торцами соосно расположенных оптических волокон датчика находится растр, жестко связанный с датчиков, который при оказываемом на него механическом воздействии может перемещать растр перпендикулярно оптической оси волокон (патент RU 74486 U1, 27.06.2008 Бюл. № 18).

Недостатком данного устройства является открытый зазор между световодом излучателя и приёмника. Оптические входы и выходы при такой конфигурации подвержены загрязнениям от внешней среды (вода, пыль и т.д.). Ещё одним недостатком такой конструкции является необходимость подведения двух оптоволоконных световодов (излучателя и приёмника) к датчику.

Известно оптоволоконное устройство для регистрации линейных перемещений содержащее, по крайней мере, один датчик, включающий герметичный корпус, инерционную массу с системой подвеса, магнитную демпфирующую систему, зеркальную отражающую поверхность и узел крепления волоконного кабеля, а также волоконный кабель, соединяющий датчик с базовой станцией, и базовую станцию, включающую модуль формирования, обработки и регистрации сигналов. При этом, система подвеса инерционной массы выполнена в виде бесконтактного магнитного подвеса, выполненного в виде двух пар кольцевых магнитов, в нижнюю часть инерционной массы введен стабилизирующий стержень, зеркальная отражающая поверхность выполнена в виде узкого цилиндрического зеркала и расположена на поверхности инерционной массы, параллельной оси перемещения инерционной массы (патент RU 2349934 С1, 08.08.2007 Бюл. № 8). Датчик данного устройства принят за прототип. Датчик включает герметичный корпус, инерционную массу с системой подвеса, магнитную демпфирующую систему, зеркальную отражающую поверхность и узел крепления оптического волокна, а также линию оптического волокна.

Недостатком данного устройства является то, что его функционал ограничен измерением перемещением инерционной массы, расположенной внутри корпуса прибора.

Раскрытие сущности изобретения

Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение заключается в расширении функционала рефлекторных волоконно-оптических датчиков перемещений за счёт обеспечения механической связи между подвижным рефлектором внутри герметичного корпуса датчика и внешним контролируемым объектом посредством штока.

Технический результат изобретения – расширение функционала рефлекторных волоконно-оптических датчиков перемещений за счёт механической связи рефлектора в герметичном корпусе датчика с объектом управления, а также снижение количества линий оптического волокна, необходимых для функционирования волоконно-оптического датчика перемещений.

Технический результат изобретения достигается тем, что в известном герметичном рефлекторном волоконно-оптическом датчике перемещений, включающем герметичный цилиндрический корпус, узел крепления волоконного кабеля и зеркальную отражающую поверхность, особенность заключается в том, что зеркальная отражающая поверхность находится на торце штока, расположенного внутри цилиндрического корпуса соосно с волоконным кабелем, который зафиксирован узлом крепления с плоскопараллельным расположением его торца с торцом штока, при этом герметичность внутреннего пространства датчика обеспечена сальником, выполненным из эластичного упругого материала и плотно прижатого резьбовой крышкой корпуса к внутреннему выступу корпуса; сальник и резьбовая крышка снабжены отверстием для пропуска штока, который, за счёт упругости сальника, имеет возможность совершать осевые возвратно-поступательные движения, а в радиальном направлении перемещение штока ограничено цилиндрическим корпусом.

Шток может быть изготовлен из металла, композитного материала. В качестве зеркальной отражающей поверхности может служить отшлифованный до зеркального состояния плоский торец металлического штока или плоское зеркало, приклеенное к торцу штока.

В заявленном герметичном рефлекторном волоконно-оптическом датчике малых перемещений зеркальная отражающая поверхность механически связана с контролируемым объектом посредством штока, при этом, для функционирования датчика используется только одна волоконно-оптическая линия, а герметичность внутреннего пространства датчика обеспечивается за счёт использования сальника из эластичного материала.

Краткое описание чертежей

На чертеже представлен рефлекторный волоконно-оптический датчик малых перемещений в разрезе, где показаны: цилиндрический корпус 1, сальник 2, крышка корпуса 3, узел крепления кабеля оптического волокна 4, шток 5, оптическое волокно 6 в пластмассовой изоляции, зеркальная отражающая поверхность 7.

Рефлекторный волоконно-оптический датчик малых перемещений содержит цилиндрический корпус 1, герметичность внутреннего пространства корпуса обеспечивается силиконовым сальником 2. Сальник прижимается к выступу внутри корпуса при помощи крышки корпуса 3 с резьбой. Оптическое волокно 6 в пластмассовой изоляции (или без неё) фиксируется в цилиндрическом корпусе 1 датчика при помощи узла крепления волоконного кабеля 4 (цангового зажима). Оптическое волокно 6 расположено соосно с подвижным штоком 5, торец штока внутри корпуса соединён с зеркальной отражающей поверхностью 7 представляющей собой плоское зеркало. Торец штока 5 и торец оптического волокна 6 плоскопараллельны.

Осуществление изобретения

Рефлекторный волоконно-оптический датчик работает следующим образом. Излучение вводится в оптическое волокно 6 (устройство для ввода и приёма оптического сигнала не показано). Зеркальная отражающая поверхность 7 отражает излучение обратно в оптическое волокно 6. Степень отражения зависит от расстояния между зеркальной отражающей поверхностью 7 и торцом оптического волокна 6. Чем расстояние меньше, тем степень отражения выше. Приёмник оптического сигнала (на схеме не показан) регистрирует изменение интенсивности отражённого излучения. Шток имеет возможность перемещаться в осевом направлении, а в радиальном направлении его перемещение ограничивается цилиндрическим корпусом 1. Сальник 2, выполненный из упругого эластичного материала (резины или силикона), обеспечивает герметичность внутреннего пространства датчика, не нарушая её при осевом перемещении штока 5, а также обеспечивая возможность штоку совершать возвратно-поступательные движения, плотно прилегая к нему.

В предложенном техническом решении расширение функционала рефлекторных волоконно-оптических датчиков малых перемещений достигается за счёт:

– обеспечения механической связи между рефлектором и контролируемым объектом без потери герметичности корпуса датчика.

В предложенном техническом решении повышение эксплуатационных характеристик волоконно-оптических датчиков достигается за счёт:

– уменьшения количества линий оптоволоконной связи посредством использования одной линии для отправки и получения сигнала;

– повышения защиты чувствительных элементов датчика от загрязнения достигается за счёт герметизации внутреннего пространства, в котором находятся чувствительные элементы датчика.

Изобретение расширяет сферу применения волоконно-оптических датчиков перемещений за счёт отсутствия электрических источников питания и накопления энергии со стороны чувствительного элемента, что позволяет использовать его во взрывоопасных и легко воспламеняющихся средах, в том числе: жидких, газообразных и с взвесями сыпучих веществ.

Снижение количества линий оптического волокна, необходимых для функционирования датчика перемещений, позволяет повысить общую надёжность системы ввиду снижения количества линий передачи сигнала, а также даёт возможность диагностировать обрыв линии передачи сигнала.

Настоящее изобретение относится к области промышленной автоматизации, а именно к средствам контроля линейных и угловых перемещений механических узлов производственного оборудования. Технический результат изобретения – расширение функционала рефлекторных волоконно-оптических датчиков перемещений за счёт механической связи рефлектора в герметичном корпусе датчика с объектом управления, а также снижение количества волоконно-оптических световодов, необходимых для функционирования волоконно-оптического датчика перемещений. Технический результат достигается тем, что передача и приём оптического излучения осуществляется по одному оптоволоконному световоду, а срез световода изолирован от окружающей среды посредством сальника. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Герметичный рефлекторный волоконно-оптический датчик перемещений, включающий герметичный цилиндрический корпус, узел крепления волоконного кабеля и зеркальную отражающую поверхность, отличающийся тем, что зеркальная отражающая поверхность находится на торце штока, расположенного внутри цилиндрического корпуса соосно с волоконным кабелем, который зафиксирован узлом крепления с плоскопараллельным расположением его торца с торцом штока, при этом герметичность внутреннего пространства датчика обеспечена сальником, выполненным из эластичного упругого материала и плотно прижатого резьбовой крышкой корпуса к внутреннему выступу корпуса; сальник и резьбовая крышка снабжены отверстием для пропуска штока, который, за счёт упругости сальника, имеет возможность совершать осевые возвратно-поступательные движения, а в радиальном направлении перемещение штока ограничено.

2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что шток может быть изготовлен из металла, композитного материала.

3. Датчик по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве зеркальной отражающей поверхности служит отшлифованный до зеркального состояния плоский торец металлического штока.

4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что в качестве зеркальной отражающей поверхности использовано плоское зеркало, приклеенное к торцу штока.