Измерительный преобразователь Советский патент 1986 года по МПК G01L1/24 

Измерительный преобразователь относится к измерительной технике и может быть использован для измерения сил, давлений, ускорений, крутящих моментов и других физических величин.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

На фиг,1 дана структурная схема преобразователя; на фиг,2 - статические световые характеристики рабочих каналов; на фиг,3 - временная диаграмма работы преобразователя, ,

Измерительньш преобразователь (далее - преобразователь) содержит (фиг,1) два излучателя 1 и 2 света, поляризационно-оптическую систему 3, включающую в себя поляризатор 4, фазосдвигающую пластину .5, чувствительный элемент -6, анализаторы 7 и 8 и фотоприемники .9 и 0, Плоскости прляризации поляризатора 4 и анализаторов ;7 и 8 составляют с направлением механического панря хения н чувстиительном элементе (с направлением измеряемого воздействия Р на фиг,1 углы 145 , При этом угол между плоскостями поляризации поляризатора 4 и анализатора 7 рсвен 90°, а между плоскостями поляризации по- .ляризатора 4 и анализатора 8 - О °, Направление оси наибольшей скорости фазосдвигающей пластинки 5 параллель но направлению измеряемого воздействия Р (обозначаемым в дальнейшем для кратности одним символом Р), Выходы фотоприемников 9 и 10 соединены соответственно с входами усилителей 11 и 12, имеющих регулируемые усиления, а выходы этих усилителей подключены к входам аналоговых коммутаторов 13 и 14. Выходы аналогового коммутатора 13 нодключены к входам фильтров I5 и 16 низких частот, а входы аналогового коммутатора 14 - к входам фильтров 17 и 18 низких частот. Выход фильтра 15 низких частот подключеп к первым входам, а вькод фильтра 17 низких частот - к вторым входам сумматора 19 и вычитающего устройства 20, Выход фильтра 16 низких частот под-, ключей к первым входам, а выход ф шьтра 18 низких частот - к вторым входам сумматора 21 и схемы 22 сравнения. Выходы сумматоров 19 и 21 нодклзочены соответственно к .первым входам схемы 23 и 24 сравнения, к

вторым входам которьк подключено ста- б:-шизированноё опорное напряжение Uori, Выходы схем 23 и 24 сравнения подключены к управляющим входам регуляторов 25 и 26 тока излучателей 1 и 2 света. От генератора 27 прямоугольные импульсы- напряжения поступают на второй управляющий вход регулятора 25 тока и входы аналоговых коммутаторов 13 и 14, а через инвертор 28 фазы - на второй вход регулятора 26. тока. Выход схемы 22 сравнения соединен с вторым входом усилителя 11 и через инвертор 29 - с вторым входом усилителя 2, Сигнал на вькоде вычитающего устройства 20 является выходным сигналом преобразователя.

Световые потоки Ф и Ф от излучателей 1 и 2 света соответственно направляются через световолоконные каналы 30 и 31, поляризационно-онти« ческую систему 3 и световолоконные

каналы 32 и 33 на фотоприемники 9

и 10 таким образом, что Ф проходит

через поляризатор 4, а минует его,

Преобразователь работает следующим образом,

Напряжение питания через регуляторы 25 и 26 тока поступает иа излучатели 1 и 2 света, Управляющий сигнал от генератора 27 прямоугольных импульсов, пос.тупающий на

регулятор 25 тока непосредственно, а на регулятор 26 тока через инвертор 28 фазы, позволяет занитьшать излучатели I и 2 света попеременно. Импульсы светового потока Ф, от излучателя 1 света, пройдя поляризатор 4, становятся линейно поляризованными, В фазосдвигающей пластинке 5 световой ноток распадается на две плоско поляризованные составляющие,

Плоскость ноляризадии одной из составляющих параллельна, а другой - перпендикулярна направлению Р, а разность фаз o((j этих составляющих на вькоде из пластинки 5 равна 90 .

Аналогичные преобразования происходят со световым пучком в. чувствительном элементе 6, если он нагружен, с той разницей, что величина фазового сдвига Лсх пропорциональна

Р, а знак До; зависит от знака Р, / Суммарньш фазовый сдвиг, создава- емьш фазосдвигающей пластинкой и упругим элементом, равен С/о ЛЫ .

31216683

Если Р О, то н Л(Х О, и свётокоуп

вые потоки TOI и o,г на вьрсо дах анализаторов равны по величине, и их уровни соответствуют наиболее крутым участкам зависимости световых потоков от о (фиг.2).

Если Р не равно О и Изменяется во времени, то До{также становится не равным О и изменяется пропорционально Р. Б этом случае световые потоки на выходах анализаторов 7 и 8 получают приращения Лф и, йФ, пропорциональные Ло и различные по знаку. Суммарные световые потоки Ф и ф выражаются тогда соотношениями

,.-

%,г-% 1,.г (2)

Суммарные световые потоки ф и ф поступают на фотоприемн ики 9 и 10 И преобразуются в них в импульсы фотопотоков 1 и I , разность которьи в некотором диапазоне их изменений пропорциональна изменению Р.

Импульсы светового потока Ф; , сдвинутые по фазе относительно импульсов светового потока Ф на ISC , поступают в поляризационно- оптическую систему, минуя поляризатор 4, и поэтому остаются неполяризован- иыми. Вследствие этого, соответствующие световому потоку ф световые потоки и Ф на выходах анализаторов 7 и 8 не зависят от изменения Р.

Если пропускание поляризационно- оптьиеской системы 3 и световолокон- ных каналов 32 и 33 для световых импуль- ов ЯР,2./, и Фт одинаково, то они равны по величине и создают на выходах фотоприемников 9 и 10 одинаковые З мпульсы фотопотоков к 1г,г

Синхронные импульсы фотопотоков It 1 ii2. и сдвинутые относительно них иа 180° синхронные импульсы фото- потоков и 1 2.,г поступают на входы усилителей И и 12. Электрические сигналы с выходов указанных усилителей в Bi-ще попарно синхронных импульсов электрического напряжения U,, и 41. - г,1 - г.т. поступают иа входы аналоговых коммутаторов 13 и 14. Во время поступления импульсов U и и , соответствующих импульсам излучателя света 1, входы аналоговых

коммутаторов 13 и 14 под действием управляющего импульса от генератора 27 подключаются к входам фильтров

15и 17 низких частот, а во время поступления импульсов г,1И иг,г

к входам фильтров 16 и 18 низких частот. Временные диаграммы импульсов и,,и,д ,и,т ,Uz,3 представлены на фиг.3.

В тот промежуток времени, когда Р равно нулю (участок оа временной диаграммы на фиг.З) , импульсы и и равны по велкцкке. Их разнос ть,

полученная с помощью вычитающего устройства 20, равна нулю.

Если Р становится отличным от нуля ( участок аВ временной диаграммьЛ то действие Р вызывает изменения

уровней световых потоков Т, , иФ согласно соотношениям СО и (2. Это в конечном счете пргазодит к неравенству импульсов и,. пропорциональному Р (графики и, ,и., и и, 1 у на участке аБ временной диаграммы ) . lix разность на выходе схемы 20 вычитания, пропорциональная Р, является вькодньм сигналом Ug,,,, преобразователя.

Если в это время под влиянием внешних воздействий прозрачность световодных каналов изменилась, и

эти изменения равны по величине, ио имеют разные знаки, то это приводит

к различнь)м по знаку изменениям уровней световых потоков ф, и и, следовательно, к появлению разности соответствующих импульсов U,i и Up (. рафики Uj и Uj.i на временной

диаграмме) . Одновременно это приво- дит к увеличению разности импульсов Ц и и гС Р 1Ф к и,, - участке о временной диаграммы) и появлению приращения выходного сигнала .uUg,,,;,

т.е. к появлению смещения начального отсчета UCM (участок &с графикаU yx по временной диаграмме). Это смещение устраняется в преобразователе следующим образом. Напряжения и

и -i , переданные с помощью аналого-/ вых коммутаторов 13 и 14 на фильтры

16и 18 Н11ЖНИХ частот, а с выходов последних на входы схемы 22 сравнения, создают на ее вьжоде напряжение разбаланса Up . Это напряжение подается на второй вход усилителя 11, и через инвертор 29 - на второй вход усилителя 12. Тем самым, коэффициенты усиления усилителей II и 12 изменяются таким образомм,что разность импульсов U.i и г,г. на их выходах становится снова равной нулю. При этом становится равным нулю и смещение начального отсчета преобразователя. Таким образом, исключается влияние изменений пропукания световодных каналов на показа НИН преобразователя.

Вместе с этим, схема преоврйзова теля поддерживает неизменным начальный уровень импульсов и j и г,г Это осуществляется путем суммирова- НИН сигналов, получаемых с выходов фильтров 16 и 18 низкой частоты, в сумматоре 2I. Суммарный сигнал Uciсравнивается в схеме 24 сравнени ,с олорным сигналом dart- В случае изменения величины суммарного сигнала Uci выходе схемы 24 сравнения возникает разностный сигнал определенного знака, который поступает на вход регулятора 26 тока. Регулятор-26 тока, в зависимости от знака разностного сигнала, изменяет питание излучателя таким образом, чтобы разностный сигнал на выходе схемы 24 сравнения снова стал равным нулю. Тем самым стабилизируются уровни фототоков ,1 и Ф в том случае, если под влиянием внешних воздействий пропускание световодных каналов изменится в одн сторону.

Стабилизация коэффициента преоб- разования преобразователя,производится следующим образом. ;

Сигналы с выходов фильтров 15 и 17 низких частот суммируются в сумматоре 19. Их суммаU пос.тупает на вход схемы 23 сравн ния, где сравнивается с опорные напряжением Uon разностный сигнал подается на регулятор 25 тока, которьй в зависимости от знака разностного сигнала изменяет питание излучателя 2 света таким образом, чтобы разностный сигнал .становился рав- ным нулю. При этом напряжение Uci поддерживается на постоянном уровне равном Uon самым сохраняется неизменным коэффициент преобразования преобразователя.

Предлагаемая конструкция поляри- зационно-оптической системы и структурная схема для обработки сигналов

получаемых от нее, позволяет в отличие от известного, осуществить прохождение рабочих (т.е. модулируемых измеряемым воздействием Р) световых импульсов, от излучателя 1.света и опорных (т.е. не.модулируемых воздействием Р) световых импульсов от излучателя 2 света по одним и тем же отводящим световолоконным каналам и использовать разность уровней опорных импул;ьсов, возникающую вследствие различного изменения пропускания каналов, но не зависящую от Р, для исключения разности уровней рабочих импульсов, возникающую по той же причине. В то же время при данной конструкции поляризацион- tto-оптической системы, в отл1Г4ие от известной конструкции, исключается появление разностей уровней рабочих импульсов света в проводящих свето- волоконных каналах, поскольку серия рабочих импульсов подводится по одному подводящему каналу. Это же мож11о сказать и про серию опорных импульсов.

Формула изобретения

Измерительный преобразователь, со Держащий два излучателя света, связанные соответственно с двумя регуляторами тока так что первый вход первого регулятора связан непосредственно, а первый вход второго регулятора с помощью инвертора - с выходом генератора, поляризацнонно- оптическую систему, состоящую из последовательно расположенных поляризатора, фазосдвигающей пластины, чувствительного элемента и анализатора, два фотоприемника, соединенные соответственно с входами усилителей, источник опорного напряжения и фильтр низких частот, о т л и ч а - ю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности, он снабжен четырьмя световолоконными каналами, тремя фильтрами низких частот, тремя схема ми сравнения, двумя сумматорами, вторым инвертором, вычитающим устройством и двумя аналоговыми коммутаторами, первые входы которых соединены соответственно с выходами усилителей вторые входы - с выходом генератора, первые выходы - с входами первого и второго, а вторые выходы - с входами

третьего и четвертого фильтров низких частот, при этом выход первого фильтра низких частот соединен с пер„ -

выми входами, а выход второго фильтра низких частот - -с вторыми входами первого сумматора и вычитающего устройства, выход третьего фильтра низких частот соедршен с первыми входами, а выход четвертого фильтра низких частот - с вторыми входами первой схемы сравнения и второго сумматора, выходы первого и второго сумматоров соединены соответственно с первыми входами второй и третьей схем сравнения, вторые входы которых соединены с источником опорного напряжения, а выходы последних - соответственно с вторыми входами

первого и второго регуляторов тока, при этом усилители вьтолнены с регулируемым коэффициентом усиления

и регулирующий вход первого усилителя соединен непосредственно, а регулирующий вход второго усилителя с помощью второго инвертора - с выходом первой схемы сравнения, при

этом источники света с помощью световолоконных каналов оптически связаны с соответствующими приемниками: первый источник света через последовательно установленные поляризатор, фазосдвигающую пластинку, чувствительный элемент и анализатор, а второй источник света - через последовательно установленные чув- ствительньй элемент и анализатор.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть ис пользовано для измерения сил, давлений, ускорени, крутящих моментов и других физических величин. Цель - повьшение точности измерения. Устройство содержит поляризациопно-оп- тическую систему 3, включающую в себя поляризатор 4, фазосдвигающую пластину 5, чувствительный элемент 6, анализаторы 7 и 8 и фотоприемники 9,10, соединенные с входами усилителей II и 12, коммутаторы 13 и 14, фильтры низких частот 15 - 18, сумматоры 19 и 21, схемы 22 - 24 .сравнения, регу.пяторы 25 и 26 тока, гене ратор 27 прямоугольньк имнульсов напряжения. Устройство позволяет осуществить прохождение рабоч их (модулированных измеряемьп-i в.оздейст- вием Р) световых импульсов от излучателя 1 света и опорных (не- модулированных) от излучателя 2 света по одним и тем же отводящим световоло- конным каналам и использовать разность уровней опорных импульсов, возншсающую вследствие различного изменения пропускания каналов, но не зависящую от Р, для исключения разности уровней рабочих импульсов. 3 ил. (Л с . о: 05 00 О5

Фгг

Lpf

Uu,

0 Utt

0 игл

o

1

0

Составитель A.Экономов Редактор В.Иванова Техред С.Мнгунова Корректор И.Эрдейи

Заказ 996/53 Тираж 778Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035 Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ШШ Патент, г.Ужгород, ул.Проектная,4

фиг.Э