Датчик натяжения преимущественно оптического волокна Советский патент 1988 года по МПК G01L5/10 G01L1/10 

4 00

о

Од

СХ)

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для определения натяжения путем измерения частоты колебаний участка натянутого волокна, может быть использовано для бесконтактного определения натяжения волокон с известной массой на единицу длины, преимущественная область использования - бесконтактное измерение натяжения ; усилия вытягивания) оптического ьолокна в процессе его вытягивания. Целью изобретения является повышение точности.

На фиг, 1 показана блок-схема датчика натяжения; на фиг, 2 - временные диаграммы работы датчик в соответствии с блок-схемой; на фиг, 3 - пример взаимного расположения источника света, фотоприемника и исполнительного злемента; на фиг. 4 - принципиальная электрическая схема фазового корректора; на фиг, 5 - временные диаграммы работы фазового корректора; на фиг, 6 - конструкция электроакустического возбудителя с одной головкой громкоговорителя; на фиг. 7 - конструкция электроакустического возбудителя с двумя головками громкоговорителей; на фиг,8 - принципиальная электрическая схема электростатического возбудителя

Датчик натяжения состоит из источ- ника 1 света, возбудителя 2 колеба- , НИИ волокна, усилителя 3,, фильтра 4 низких частот, триггера 5 Шмитта, фазового корректора 6, первого усилителя 7 мошдюсти, датчика положения волокна в виде фотоприемника 8, исполнительного элемента 9, второго уси- .лителя О мощности и интегратора 1,

Датчик натяжения работает следующим образом.

Излучение источника 1 света создает на фоточувствительной площадке фотоприемника 8 теневое изображение волокна. Колебания теневого изображения при колебаниях участка волокна между заготовкой и фильерой вызьюают появление на выходе фотоприемника 8 (фиг. 1) электрического сигнала U (фиг, 2). Сигнал U усиливается усилителем 3 фототока и через фильтр 4 }1ижних частот подается на вход триггера 5 Шмитта, Триггер 5 и митта формирует сигнал прямоугольной формы и,,. Фазовый корректор 6 формирует из сигнала ll/i сигнал прямоугольной формы

0

5

0

5

0

5

0

5

Uj, причем сигнал U опережает сигнал и на постоянную времени опережения f. Сигнал Из усиливается первым усилителем 7 мощности и подается на возбудитель 2. Последний обеспечивает перемещение частиц воздушной среды, бкружающей волокно, причем зависимость смещения частиц среды как функция времени имеет вид U. с длительностью переходного процесса t , Действующая на волокно сила пропорциональна скорости частиц, т,е, производной сигнала U, и имеет вид F(t), Первая гармоника силы ) при выполнении условия t „ п 2 Г опережает смещение волокна X(t) на фазовый угол 90 , обеспечивая баланс фаз и поддержание автоколебаний участка волокна между заготовкой и фильерой. Работоспособность устройства может быть обеспечена только в том случае, когда источник 1 света, фотоприемник 8 и волокно находятся на одной прямой. При дрейфе волокна (из-за непрямолинейности заготовки и т,п,) в направлении Х-Х (фиг, 1) появляется постоянная составляющая сигнала U на выходе триггера 5 Шмитта и вызьюает возрастание или убьша- ние выходного напряжения интегратора 1 1 , Выходное напряжение интегратора 11 подается на второй усилитель

10мощности и далее на исполнительный элемент 9 и вызьшает перемещение фотоприемника 8 в направлении дрейфа волокна. Когда перемещение фотоприемника сравняется с величиной дрейфа, симметрия сигнала U восстановится, при этом на выходе интегратора

11установится напряжение U пропорциональное величине H j4anpaB- лению дрейфа 11 КХ, где К - коэффициент пропорциональности, С выхода усилителя 7 мощности снимается сигнал с частотбй автоколебаний f. При условии подбора постоянной времени опережения фазового корректора, равной половине длительности переходно

го процесса возбудителя 1 t

/2,

частота автоколебаний в точности равна собственной резонансной частоте участка волокна, и натяжение волокна определяется по формуле

55

4L f Sg f

(1)

где F - натяжение волокна на участке заготовка-фильера;

L - длина участка волокна между заготовкой и фильерой;

р - плотность материала волокна

Sg - площадь поперечного сечения волокна;

f - частота автоколебаний. Датчик натяжения может быть выполнен следующим образом.

В качестве источника 1 света может использоваться лампа накаливания, светоизлучающий диод либо лазерный источник. Фотоприемником 8 является дифференциальный фотоприемник с разделенной на две примыкающие друг к другу части фоточувствительной площадкой. В качестве такого приемника может применяться дифференциальный фотодиод или дифференциальный фоторезистор. Усилитель 3 фототока выполнен по схеме дифференциального усилителя постоянного тока. Фильтр нижних частот может быть вьтолнен в ввде интегрирующей цепи с постоянной времени RC --, где R и С сопротивление и емкость интегрирующей цепи: fg - частота автоколебаний соответствующая максимальному значению измеряемого натяжения (верхней границе диапазона измеряемого натяжения) : fg рассчитьюается по форму

ле (1) при F F

2 jHdW

Усилители 7

и 1 О мощности выполнены по схеме усилителей постоянного тока с выходной мощностью, соответствующей номиналь- ной мощности, необходимой для работы возбудител5 2 и исполнительного элемента 11. Постоянная времени интегра

тора выбирается Т,

Ь

10 с.

где f - нижняя частота автоколебаний, соответствующая нижней границе диапазона натяжения F ««н. В качестве исполнительного элемента I1 может использоваться регистратор самопишущего прибора. Вькодной функцией регистра- тора, является угол поворота вала, пропррциональньй току, подаваемому S Обмотку регистратора. На валу регистратора устанавливается рычаг, на котором располагается фотоприемник 8, Если в качестве источника света используется светоизлучающий диод или малогабаритная лампа накаливания.

Сигнал и с выхода триггера 5 ИЫи та подается на вход формирователя и пульсов на элементах Т1, R1, VDI, VD2 (фиг. 4). На выходе формировате ля импульсов образуется сигнал Уф.и (фиг, 5) в виде последовательности дельта-импульсов, вырабатываемых в моменты изменения знака сигнала Ua. Формирователь импульсов синхронизирует работу генератора пилообразног напряжения путем периодического раз ряда конденсатора С2, заряжаемого о генератора тока на транзисторе VT, Форма сигнала на конденсаторе С2 имеет вид Up,, (фиг. 5). Скорость нарастания (наклон пилы) сигнала Uiустанавливается постоянной, в резул тате чего амплитудное значение этог сигнала пропорционально периоду сиг нала и. Пиковый детектор со схемой сравнения на операционном усилителе А1 формирует на конденсаторе СЗ постоянное напряжение и ее Ь гпн мене UC/M, где UrnH. постоянное напря жение, равное амплитудному значению напряжения UCM - постоянное, напряжение смещения, подаваемое с делителя напряжения R7, R8 (фиг. 4) На выходе компаратора А2 (фиг. 4) формируется сигнал (фиг. 5).

45

50

источник света также может быть уста- ° Модулятор на операционном усилителе новлен на рычаге регистратора, как . A3 (фиг. 4) преобразует сигнал

и

показано на фиг. 3, где позицией 12 обозначен источник света, позицией

kown сигнал , (фиг. 5), причем полярность импульсов сигнала U,/i

0

5

0

13 - фотоприемник, позицией 14 - регистратор. Для повышения чувствитель-. ности фотоприемника к смещению волокна в схему датчика может быть введен объектив (линза), создающий более четкое теневое изображение волокна на фоточувствительной площадке фотоприемника.

Фазовый коллектор 6 может быть выполнен в соответствии с принципиальной электрической схемой (фиг. А). Схема на фиг. 4 включает в себя формирователь импульсов на элементах Т1, RI, VD1, VD2, генератор пилообразного напряжения на элементах К2тЯС,С2, VT1, VT2, пиковый детектор со схемой сравнения на элементах R7-R10, СЗ, VD3, А1, компаратор А2, ключ электронный на транзисторе VT3, модулятор на элементах R15-R17, A3, триггер Шмитта на элементах RI8, RI9, А4..

Схема на фиг. 4 работает следующим 5 образом.

Сигнал и с выхода триггера 5 ИЫит- та подается на вход формирователя импульсов на элементах Т1, R1, VDI, VD2 (фиг. 4). На выходе формирователя импульсов образуется сигнал Уф.и (фиг, 5) в виде последовательности дельта-импульсов, вырабатываемых в моменты изменения знака сигнала Ua. Формирователь импульсов синхронизирует работу генератора пилообразного напряжения путем периодического разряда конденсатора С2, заряжаемого от генератора тока на транзисторе VT, Форма сигнала на конденсаторе С2 имеет вид Up,, (фиг. 5). Скорость нарастания (наклон пилы) сигнала , устанавливается постоянной, в результате чего амплитудное значение этого сигнала пропорционально периоду сигнала и. Пиковый детектор со схемой сравнения на операционном усилителе А1 формирует на конденсаторе СЗ постоянное напряжение и ее Ь гпн мене UC/M, где UrnH. постоянное напряжение, равное амплитудному значению напряжения UCM - постоянное, напряжение смещения, подаваемое с делителя напряжения R7, R8 (фиг. 4), На выходе компаратора А2 (фиг. 4) формируется сигнал (фиг. 5).

0

0

5

0

Модулятор на операционном усилителе A3 (фиг. 4) преобразует сигнал

и

kown сигнал , (фиг. 5), причем полярность импульсов сигнала U,/i

определяется состоянием электроино- I o ключа VT3, управляемого входным сигналом и . Триггер 11митта на операционном усилителе А4 (фиг, 4) преобразует сигнал и«ход (фиг. 5) в сигнал Uj (фиг, 5), являющийся выход- ньм сигналом фазового корректора 6. Сигнал опережает сигнал U (фиГе 2 и 5) на постоянную времени опережения , причем величина Г задается напряжением, снимаемым с делителя R7, R8 (фиг. 4).

Возбудитель 2 датчика натяжения может быть выполнен в двух вариантах - электроакустическом и электростатическом, В электроакустическом варианте возбудителя используете, головка диффуэорного электродинамического громкоговорителя. Для повышения эффективности возбуждения колебаний волокна головка громкоговорителя снабжена диафрагмой, в которой имеется щель с примыкающими к краям щели лепестками. Устройство электроакустического возбудителя показано на фиг, 6, где позицией 15 обозначена головка громкоговорителя; позицией 1 6 - диафрагма со щелью, позип.ией

возбудителя, При получении формулы (2) учитыва17 - лепестки. При работе датчика на- до лось, что добротность подвижной сие- тяжения волокно проходит в пространство между лепестками, не касаясь

темы головки громкоговорителя составляет Q гр ,

их,

как показано на фиг, 6,

Электроакустический возбудитель работает следующим образом.

Колебания диффузора громкоговорителя вызьшают периодические изменени объема воздушной среды между диффузором и диафрагмой. Щель в диафрагме действует как акустический трансформатор, в результате чего скорость движения частиц в пространстве между лепестками возрастает по сравнению со скоростью перемещения диффузора пропорционально отнощенкю площадей диффузора и цели,. Сила, действующая на волокно, пропорционална скорости частиц воздушной среды и, следовательно, производной тока в катущке громкоговорителя при услоВИИ ЕО Р f f о,гр основная резонансная частота громкоговорителя; f - частота колебаний диффузора. При подаче на возбудитель усиленного сигнала Uj (фиг. 2) действующая, на участок волокна сила F(t) (фиг. 2) представляет собой последовательность положительных и отрицательных импульсов конечной.длительности t

n./i

Дли

тельность перелоднгп о процесса определяется инерционностью подвижной системы громкоговорителя, свойствами воздушной среды и геометрическими па- раметрами возбудителя, Расчеты пока- зьюают, что фазовый сдвиг между первой гармоникой сигнала Uj и F,(t) приблизительно равен:

tn,n.,ri: f- . ,...„ 2й V

с S J

,«- „ f - -Е f-,

2 f,

- о.гр

2/ff Vi arctg -|,

(2)

n,n

o.rp

где difg - фазовый сдвиг между U и F/t), Б рад; длительность переходного процесса; f - частота сигналов 1 и

F,(t);

f , - основная резона)сная частота головки громкоговорителя;

С - скорость звука в воздухе; V - объем воздушной среды

между диф(})узором и диафрагмой;S - площадь щели в диафрагме

возбудителя, При получении формулы (2) учитывалось, что добротность подвижной сие-

до лось, что добротность подвижной сие-

темы головки громкоговорителя составляет Q гр ,

Известно, что фазовый сдвиг величиной Л1/ (в рад) вызывает отклоне- 35 ние if частоты автоколебаний от собственной резонансной частоты f, равное :

f

где Q - добротность колеблющегося

участка струны.

Введение фазового корректЪра с постоянной времени опережения

L X приводит к тому, что фазовый сдвиг между Uj и F (с) становится близким к нулю и, следовательно, близко к нулю отклонение частоты Л. Практически выполнение условия ct t.n,n/2 легче достигается с большей абсолютной точностью при меньших значениях ifg,. Кроме того, из диаграмм на фиг, 2 с очевидностью следует, что наименьший возможный период автоколебаний составляет Т 2 t. Следовательно, величину t л.п и, соответственно, ij I/ следует при возможности уменьшать с целью расширения диапазона частоты автоколебаний и, соответственно, диапазона натяжения. Для того, чтобы минимизи- ровать фазовый сдвиг 4 if , необходимо в первую очередь использовать головку громкоговорителя с частотой основного резонанса f , где fj - собственная резонансная частота участка волокна при максимальном натяжении F

2 макс

Данному требованию

удовлетворяют высокочастотные головки громкоговорителей, а также некоторые типы среднечастотных малогабаритных головок с частотой основного резонанса fp.rp 300 Гц. Для оптического волокна натяжение, как правило, не превышае 50 Гс. Принимая F макс 100 кварцевого оптического волокна со стандартным диаметром 125 мкм, расстоянием между заготовкой и фильерой L 1 м ( см. фиг. 1) получим в соответствии с (1) fj 97 Гц, т.е. условие f .гр f в при fо гр 300 Гц приблизительно выполняется.

Уменьшение составляющей фазового сдвига, обусловленной сжатием воздушной среды между диафрагмой и диффузором возбудителя, достигается уменьшением объема V и увеличением площади щели. В то же время, получение необходимой амплитуды колебаний требует уменьшения площади щели, т.е. уменьшение расстояния между лепестками. Однако расстояние между лепестками нельзя уменьшать неограниченно, поскольку с учетом требования бесконтактности датчика необходима некоторая свобода перемещения волокна в плоскости Х-Х (фиг. 1). Практически, учитьшая особенности технологического процесса вытягивания оптического волокна, расстояние между лепестками выбирается равным 6-10 мм. В этом случае, как показьшают расчеты, сос21Г V тавлякяцая фазового сдвига LI о .

25 метрах возбудителя возможность получения требуемой амплитуды колебаний . волокна определяется экспериментальным путем. Например, установлено, что при использовании возбудителя

2Q колебаний, имеющего конструкцию,

показанную на фиг. 7, с двумя головками громкоговорителей типа 0,25ГД-19 с f (, рр 300 Гц при расстоянии между лепестками 6 мм, длине участка волокна 1 м (кварцевое оптическое волокно диаметром 125 мм) амплитуда колебаний волокна достигает 1 мм на частоте автоколебаний 30-100 Гц, что соответствует натяжению 10-100 Гс.

40 На фиг. 8 показана схема электростатического возбудителя. Возбудитель (фиг. 8) содержит две пары электродов 31, 31 и Э2, 32, ориентированных вдоль волокна (расположение

45 волокна и электродов на фиг. 1 показано в сечении). Злектрическая схема электростатического возбудителя на фиг. 8 содержит элементы: емкости

35

С1-СЗ, высоковольтные трансформаторы оказьшается значительно меньшей вели- 50 диоды VD1-VD6.

0

получения требуемой для работы фотоприемника амплитуды колебаний волокна определяется экспериментально.

На фиг. 7 показан злектроакусти- ческий возбудитель с двумя головками громкоговорителей, что позволяет подводить удвоенную мощность по сравнению с возбудителем (фиг. 6) и при том же расстоянии между лепестками получать удвоенную амплитуду колебаний волокна. Возбудитель, показанный на фиг. 7, имеет камеру клинообразной формы, что необходимо для минимиза5 ции внутреннего объема V. Лепестки возбудителей на фиг. 6 и 7 должны быть параллельными для предотвращения расхождения акустической волны на выходе щели, так как в противном возможен дополнительный фазовый сдвиг, зависящий от расстояния между волокном и ди эфрагмой возбудителя.

При выбранной конструкции и пара5 метрах возбудителя возможность получения требуемой амплитуды колебаний . волокна определяется экспериментальным путем. Например, установлено, что при использовании возбудителя

Q колебаний, имеющего конструкцию,

показанную на фиг. 7, с двумя головками громкоговорителей типа 0,25ГД-19 с f (, рр 300 Гц при расстоянии между лепестками 6 мм, длине участка волокна 1 м (кварцевое оптическое волокно диаметром 125 мм) амплитуда колебаний волокна достигает 1 мм на частоте автоколебаний 30-100 Гц, что соответствует натяжению 10-100 Гс.

0 На фиг. 8 показана схема электростатического возбудителя. Возбудитель (фиг. 8) содержит две пары электродов 31, 31 и Э2, 32, ориентированных вдоль волокна (расположение

5 волокна и электродов на фиг. 1 показано в сечении). Злектрическая схема электростатического возбудителя на фиг. 8 содержит элементы: емкости

5

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения натяжения волокон. Целью изобретения является повышение точности, что достигается введением в устройство триггера Шмитта, выход которого соединен с последовательно соединенными электрически интегратором, усилителем и исполнительным элементом, воздействующим на датчик положения волокна, что обеспечивает возможность автоматического контроля натяжения волокна при . его поперечном смещении. Триггер Шмитта включен в цепь автогенератора, состоящего из датчика положения волокна, соединенного с последовательно включенными усилителем, фильтром низкой частоты, фазовым корректором и возбудителем колебаний волокна между фильтром низкой частоты и фазовым корректором для поддержания автоколебаний на измеряемом участке волокна. Величина частоты автоколебаний волокна пропорциональна измеряемому натяжению волокна. 8 ил. S сл

II

чины о.гр

в уравнении (2), поэтому уменьшение фазового сдвига 4 (/g в основном достигается выбором головки громкоговорителя с более высокой частотой основного резонанса. Поскольку высокочастотные головки громкоговорителей имеют ограниченную амплитуду колебаний диффузора, возможность

.Злектростатический возбудитель (фиг. 8) работает следующим образом.

При подаче на вход возбудителя прямоугольного напряжения U- в моменты 55 изменения знака напряжения на повьппа- ющих обмотках трансформаторов Т1 и Т2 поочередно генерируются высоковольтные импульсы напряжения, которые через диоды VDI и VD2 поочередно пода

ются на электроды Э1 , ЭГ или Э2, Э2 . Цепочки R1, CI и R2, С2 необходимы для увеличения длительности импульсов и, соответственно, увеличения эффективного значения переменной силы, действующей на волокна со стороны электродов. Расстояние между элек тродами (фиг. 8) выбирается в пределах 6-10 мм по тем же пр1гчинам, что и для электроакустического возбудителя. Длина электродов ограничивается требуемыми габаритами датчика натяжения и выбирается в пределах 50-100 мм.

При увеличении мощности, подаваемой на возбудитель, до уровня, обеспечивающего амплитуду колебаний в несколько миллиметров, предлагаемый датчик натяжения может быть также использован в качестве средства для создания плавных периодических микро- неоднородностей геометрических разменов оптического волокна, что позво

0

5

0

ляет в некоторых случаях улучшить передающие свойства волокна.

Формула изобретения

Датчик натяжения преимущественно оптического волокна, содержащий датчик положения волокна, соединенный последовательно включенными электрически усилителем, фильтром низкой частоты, фазовым корректором и возбудителем колебаний волокна, о т - личающийс я тем, что, с целью повышения точности, в него введены последовательно соединенные интегратор, усилитель и исполнительный элемент, а также триггер Шмитта, включенный между фильтром низкой частоты и фазовым корректором, причем выход триггера Шмитта подключен к входу интегратора, а исполнительный элемент механически связан с датчиком положения волокна.

Ux

фиг. 1

N4

ист. nufTj.

ffyci//rum. ff/rrffrrtffffa

ч

t

T2 eoflOftHff f3

11

риг.2

Ч-/f /TTfytoMj/ f f{//Tt//ne f

Г fffuff ffCfm/

L-g

фиг. S

и

f

фиг.З

etr/fOHMf

I Фиг7

Редактор Е. Копча

ipua.e

Составитель А,Экономов

Техред А.Кравчук Корректор М. Васильева

/r-x

воаонно