Датчик перемещений Советский патент 1988 года по МПК G01B11/00 

ел

оо

Изобретение относится к средствам контрольно-измерительной техники и может быть использовано для регистрации параметров колебательных процес- сов в механических системах.

Целью изобретения я ляется повышение точности контроля за счёт уменьшения погрешности регистрации смещения луча света, зеркально отраженного от объекта контроля.

На фиг. 1 представлена структурная схема датчика перемещений; на фиг. 2 - схема датчика с возможностью определения интегрального перемещения частей; на фиг. 3 - схема датчика для измерения относительных перемещений объекта; на фиг. 4 - схема датчика дл измерения протяженных объектов.

Датчик перемещений (фиг. 3) состо ит из источника 1 монохроматического светового потока, светоделителя 2, закрепленного внутри датчика отражателя 3, поляризаторов 4 и 5 со взаим- 1но ортогональными осями поляризации, |внешних отражателей 6 и 7, внутренне- |го отражателя 8, сумматора 9 световых потоков, анализаторов 10 и IT, фотоприемников 12 и 13 и корпуса 14. При этом измеряются перемещения объек-. гга 15.

I

Источником 1 монохроматического светового потока может быть свето- риод, лазер или лампа накаливания со светофильтром. Светоделитель 2 - стеклянная пластинка, плоско направ- пенная, установленная под,углом к входному световому потоку, В зависимости от угла часть светового потока (отражается, а другая часть проходит сквозь пластинку.

: Поляризаторы 4 и 5 и анализаторы 10 и 11 - органические пленки. Которые пропускают световой поток с электрическими колебаниями, направ- Йенными вдоль их оси поляризациц.

Сумматор представляет собой полу- йрозрачное зеркало, отражающее световой поток, попадающий на него с одно стороны, и пропускающее световой поток, попадающий на него с другой стороны. Полупрозрачное зеркало устанав пивается так, что отраженный и прошедший световые потоки складываются и распространяются вдоль одного на- правления, и одна половина этого потока проходит через первый, и вторая через второй анализаторы.

o

5

0 5 о

0

5

Фотоприемники 12 и 13 представляют собой фотодиод или фотоумнЬжитель, отражатели 3, 6 - 8 - зеркала с неметаллическими покрытиями, чтобы не изменяли поляризацию отраженного светового потока.

Корпус 14 вьшолнен непрозрачным с для выходящих и входящих световых потоков.

Отражатель 6 установлен в точке контроля перемещения объекта 15 исследования, а отражатель 7 закреплен неподвижно относительно корпуса 14 датчика, но вблизи отражателя 6 на расстоянии, превышающем возможное перемещение объекта.

Для определения интегрального перемещения частей контролируемого объекта датчик перемещений (фиг. 2) содержит п (по числ у п измеряемых точек объекта) последовательно включенных пар отражателей, причем первые отражатели 6, 6,...,6„ каждой пары установлены на объекте исследования, а вторые отражатели 7, 7,...,7j, закреплены вне объекта исследования.

Датчик перемещений для измерения m относительных перемещений (фиг. 3) содержит источник 1 -монохроматического светового потока, светоделитель 2, отражатель 3, поляризаторы 4 и 5, отражатели б,...,6, закрепленные в первых неподвижных точ- ках объекта 15, внутренние отражатели 8,...,3, светосумматоры 9,..., 9, анализаторы 10,...,10, 11,,.., 11, фотоприемники 1 2 , . .., 12, 13 -I, .. . , 13.

Кроме того, датчик содержит .отражатели 16 , . . ., 16.JJ, закрепленные на корпусе 14, отражатели 7,,..,7, закрепленные в других неподвижных точках объекта 15, по отношению к которым измеряется разность перемещений точек, где установлены отражатели 6, 6/1,...,6 и линейки светоделителе й 13 , . . ., 18 ,„ и 19 , .. ., 19j.

Датчик перемещений с возможностью контроля протяженных объектов (фиг.4) содержит также коллиматор 20 и два непрозрачных корпуса 21 и 17с окнами, причем во втором из них помещены отражатели 8, сумматоры 9, анализаторы 10 и 11 и фотоприемники 12 и 13.

Светоделитель 2 установлен так, что делит на равные части световой монохроматический поток источника 1.

31

Первый выход делителя 2 оптически связан.с входом первого поляризатора 4, а второй выход через отражатель 3-е входом второго лоляризатора 5.

В датчике перемещений (фиг. 1) выходы поляризаторов 4 и 5 соответственно оптически связаны с отражателями 6 и 7, последний из которых непосредственно, а отражатель 6 через внутренний отражатель 8 оптически связаны с соответствующими входами сумматора 9, выход которого, з свою очередь, оптически связан с анализаторами 10 и 11 и далее с фотоприемниками 1 2 и 13 .

Для определения интегра:льного перемещения точек объекта (фиг. 2, 6,- 6,) выход поляризатора 4 оптически связан с внутренним отражателем 3 последовательно через отражатели 6.,7, 6„,7л,б5, а выход поляризатора 5 оптически связан с соответствующим входом сумматора 9 через отражатель 1.

Отражатели 7« установлены неподвижно вне объекта исследования.

При измерении относительных перемещений контролируемого объекта в датчике перемещений (фиг.. 3) выход поляризатора 4 оптически связан с входом первого делителя 18 в первой линейке делителей. Первый выход делителя 13 оптически связан с входом следующего делителя 13 и так последовательно соединены все делители 18 линейки - первый выход предьщущего дeлитeJIЯ 13. оптически связан с входом последующего делителя 18ц+1 . Вторые выходы делителей 18 , ..., 13 линейки оптически связаны через соответствующие отражатели 6 ,,...,6 на исследуемом объекте 15 и отражатели 3,..., первыми входами сумматоров 9,,...,9 светового потока.

Делители 18,. . ., 13, в линейке -установлены под таким углом, что делят входящий на линейку световой поток на равные части в зависимости от числа делителей.

Выход поляризатора 5 оптически связан с входом первого делителя 19,, в другой линейке, которая аналогична первой. Вторые вькоды делителей 19 , ..., 19д, оптически связаны через отражатели 16,..., вторыми входами сумматоров 9,... ,9 оптических потоков.

Отражатели 6,..., 7,...,7, установлены в исследуемых.точках

73

объекта 15 исследования, отражатели З.,,..., 16,...,16 закреплены жестко относительно корпуса 14 датчика, причем отражатели 3,...,3 и сумматоры 9 , ... ,9 установлены так, что входные световые потоки, слагаясь в сумматорах 9,,...,9|, однонаправлены, и первые половины световых потоков

попадают на первые, а вторые на вторые анализаторы в парах.

Отражатели и делители выбираются из условия постоянства поляризации входных выходных световых потоков.

Выходы сумматоров 9,...,9 оптически связаны попарно с входами пар анализаторов, соответственно, 10.j, ...,10 и 11,,...,11,„, 9, с 10 и 11, , 9 с 10 и 11,, 9з с 10j и 11j

и т.д. 9„с 10 „и 11, которые установлены так, что по площади световые потоки с сумматоров делятся на равные части на анализаторах. Оси поляризации анализаторов 10, . .., 10 составЛЯ1ЭТ угол 45 относительно плоскостей полязирации входящих световых потоков на сумматоры 9i ,... 9. Анализаторы 11 ,..., 11 j установлены так, что их оси поляризации составляют угол 57

относительно осей поляризации анализаторов 10д,...,10.

Датчик перемещений работает следующим образом.

1 светового потока излучает направленный монохроматический световой поток с круговой поляризацией на светоделитель 2. Последний делит световой поток на две равные составляющие, одна из которых поступает на поляризатор 4, а вторая через отражатель 3 - на поляризатор 5. Поскольку оси поляризации полярчзато- ров 4 и 5 взаимно перпендикулярны, поляризаторы 4 и 5 вьщеляют плоскополяризованные световые потоки, плоскости поляризации которых взаимно перпендикулярны.

Плоскополяризованный световой поток с выхода поляризатора 4 попадает через окно в корпусе 14 датчика, отражатель 6, закрепленный на объекте 15 исследования, окно в корпусе 14 и отражатель 8 на первый вход сумматора 9 световых потоков.

Плоскополяризованный световой по-

ток с выхода поляризатора 5 с плоскостью поляризации, перпендикулярной плоскости поляризации светового потока с выхода поляризатора 4, через окно

в корпусе 14 датчика, отражатель 7, неподвижно закрепленный относительно корпуса 14 датчика вблизи (но на расстоянии, превышающем возможное перемещение объекта) отражателя 6, поступает на второй вход сумматора 9 световых потоков. С выхода сумматора 9 результирующий световой поток поступает на анализаторы 10 и 11, которые делят суммарный световой Лоток по сечению на две равные составляющие. Оси поляризации их сдвинуты относительно

.друг друга на угол 67 и ось поляризации анализатора 10 составляет угол 45 с осями поляризации поляризаторов, а значит, -и с плоскостяг-ш поляризации составляющих светового потока поступающих на вход анализатора 10. Поэтому при различном сдвиге фаз составляющих светового потока, поступаю- щих на вход анализаторов 10 и 11, последние пропускают лишь составляющую, плоскость поляризации которой совпадает или близка к оси поляризации анализатора 10 или 11. Яркость выходного светового потока с анализаторов 10 и 1-1 изменяется в соответствии с изменением сдвига фаз составляющих входного светового потока. С выхода анализатора 10 световой поток поступает на вход фотоприемника 12, а с выхода анализатора 11 - на вход фотоприемника 13.

В исходном состоянии объект 15 неподвижен и для определенности будем считать, что оптические пути составляющих световых потоков анализаторов 4 и 5 до сумматора 9 таковы, что сдвиг фаз мелоду составляющими равен 0 Кроме этого, ось анализатора установлена tak, что при сдвиге фаз 0° све- топропускание анализатора максимально и сигнал с фотоприемника 12 максимален. При перемещении объекта 15, а с ним и отражателя 6 так, что изменение длины пути светового потока с поляризатора 4 составляет половину длины волны Л/2 источника 1 светового потока, прошедший через анализатор 10 световой поток изменяется до минимума и снова возрастает до максимума.

.1

При изменении длины пути светового потока на Д фаза изменяется на 360, при этом световой поток после анализатора 10 изменяется от минимума до максимума дважды и дважды изменяется сигнал на выходе фотоприемника 12.

5

0

5

0

5

0

5

0

5

Аналогично изменяются световой поток на выходе анализатору 11 и сигнал на выходе фотоприемника 13, но со сдвигом и запаздыванием на 67 относительно сигнала с фотоприемника 12.

При перемещении в другую сторону объекта 15 запаздывание сигнала с фотоприемника 13 меняет знак, т.е. по знаку сдвига сигнала фотоприемника 13 относительно сигнала с фотоприемника 12 судят о направлении перемещения объекта 15, а по числу максимумов сигнала фотоприемника 12 судят о величине перемещения.

На точность измерения перемещений объекта 15 влияет относительное изменение оптической длины пути световых потоков от двух поляризаторов 4 и 5. Дпя уменьшения этой погрешности их делают близкими за счет установки отражателя 7 вблизи отражателя 6, но на расстоянии, превышающем амплитуду ожидаемого перемещения объекта.

Для измерения интегральных пере- .мещений (фиг. 2) устанавливают дополнительно отражатели 7,j, 73, неподвижные относительно корпуса 14 датчика, и отражатели 6, 6j на объекте 15 с сохранением оптической связи выхода поляризатора 4 с входом сумматора 9 световых потоков. В этом случае получаем на выходе датчика сигнал, пропорциональный алгебраической сумме перемещений точек объекта 15, в которых закреплены отражатели .. Точек интегрированного замера может быть больше 6 .),...,6 ,, ,« Их количество определяет количество пар этих отражателей и расходимость светового потока источника 1 .

Таким образом, датчик перемещений позволяет измерять перемещения объекта исследований с точностью до Д/2, причем позволяет измерять алгебраическую сумму перемещений нескольких точек объекта.

По сравнению с известным точность предлагаемого датчика выше, его функциональные возможности расширены за счет измерения алгебраической суммы перемещений, динамические характеристики датчика улучшены за счет уменьшения перемещаемых масс (лишь массы отражателей, закрепленных на объекте исследования), возмущения в движение объекта исследования практически не

вносятся (сняты напряжения для создания давления в жидкости),

При иямерении относительных перемещений датчик перемещений (фиг. 3) работает следующим образом.

В исходном состоянии световой поток источника 1, разделенный на две равные составляющие делителем 2, попадает на входы поляризаторов 4 и 5, которые выделяют плоскополяризованные световые потоки вдоль их осей поляризации. Выходные взаимно перпендикулярно поляризованные световые потоки с выходов поляризаторов 4 и 5 попадают на линейки делителей световых потоков 13,..., 19,..., 19 , где разд еляются на две равные части в зависимости оч количества делителей. Световой поток поляризатора 4 с делителей 18,,..., 18 через отражатели 6,,..,,6 на объекте 15 и отражатели 8 , ... ,3 ,у, попадает на равные входы сумматоров 9,.,., 9. На вторые входы этих сумматоров поступают световые потоки поляризатора 5 через делители 19. ,..., 19., отражатели 16,,..., закрепленные на объекте 15 отражатели 7,...,

7тТаким образом, на входы сумматоров 9,... ,9ffi поступают взаимно перпендикулярно поляризованные световые потоки равной величины, отраженные

от отражателей 6... ,

7f, закрепленных в разных точках объекта 15 исследования. Сумматорами 9 J,,. . ,9 ( они слагаются и одновременно анализируются анализатора и 10, . .., 10 р,и 11 1, ..., lip,. С выходов этих анализаторов световые потоки поступают на входы фотоприемников 12,,..., 13,,...,13.

При изменении оптической длины пути по одному из входов одного из сум- маторов У,...,9 относительно оптической длины пути светового потока по другому входу того же сумматора изменяется сдвиг фаз составляющих выходного светового потока сумматоров. Это вызывает.вращение плоскости поляризации результирующего светового потока, которое фиксируется анализаторами 10 ,...,10 и 11 ,.. ., 111.. На выходе этих анализаторов меняется амплитуда светового потока, а значит сигнал на выходе фотоприемниксГв 12,, ...,12 и 13,,..., 13. Причем из-за установки анализаторов ,10 ,,..., 10 iri

:

115738

со сдвигом их осей поляризагц ш на

,--,0

о/ относительно осей поляризац)1и

соответственно анализаторов t I , .. .., 11 сигнал на выходе фотоприемников 13,...,13 ,„изменяется с задержкой относительно сигналов фотоприемников 12,...,12 . Знак задержки говорит о направлении перемещетшй точек

10 объекта 15, соответствующих отражателям 6,...,5р,и 7,...,7j. Число переходов через максимум сигналов выхода фотоприемников 12,... ,-1 2 п соответствует амплитуде относительного

5 перемещения отражателей 6,...,5. Один переход через максимум соответствует относительному перемещению на половину длины волны /2 светового потока источника 1.

2Q Для исследования протяженных объектов источник 1 связан с входом светоделителя 2 через коллиматор 20. Источник 1, коллиматор 20, отражатель 2, пол яризаторы 4 и 5, делите25 ли 18, .. ., 18,19 ,...,19, отражатели 16,..., 16j размещаются в корпусе 21 с окнами, а отражатели 8,..., 8, сумматоры 9,,..,9г,,, анализаторы 10,...,10, 11,...,11, фотоприем30 НИКИ 12 ,...,12, 13,.. ., 13 установлены в корпусе 17 с окнами;. Корпусы 21 и 17 датчика могут разноситься на значительное расстояние друг от друга с обеспечением оптической связи между ними.

Первый корпус 21 устанавливается в одном месте вблизи объекта 15 исследования, а второй корпус 17 датчика - в другом месте вблизи объекта 15 ис35

следования. С помощью отражателей на объекте 15 исследований и отражателей вне его организуется оптическая связь между корпусами датчиков. Для учета изменений расстояния между корпусами может использоваться однокорпусной датчик или один из каналов этого же датчика.

Следовательно, датчик перемещений обладает точностью Д./2 и позволяет измерять алгебраическую сумму перемещений различных точек объекта исследований по многим.каналам. Причем при вьтолнении в двух корпусах датчик позволяет производить исследование протяженных объектов. Таким образом, датчики перемещений обеспечивают измерение перемещений объекта исследований с точностью до Х/2.

V

ФизЛ

$$$ $S$$$

Изобретение относится к средствам контрольно-измерительной техники и быть использовано для регистрации параметров колебательных процессов В механических системах. Цель изобретения - повышение точности контроля за счет уменьшения погрешности регистрации смещения луча света, зеркально отраженного от объекта контроля. Это достигается включением в оптическую многоканальную схему регистрации зеркально отраженного от контролируемого объекта света поляризаторов с взаимно ортогональными осями поляризации и выполнением фотоприемника в виде последовательно связанных сумматора, анализаторов и фотоэлектронных преобразователей. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

W/T/MW/T/mw /

//// / ///////

л

ШTlu гТ .3

/

vm/jfi tt,Wf