Оптический датчик линейных перемещений Советский патент 1990 года по МПК G01B11/00 

Фиг.1

Изобретение относится к измерительной технике и-может быть использовано для бесконтактного измерения перемещений в диапазоне до 500 мм.

Цель изобретения - расширение диапазона измерения путем линеаризации выходной характеристики.

На фиг о 1 представлена оптическая схема датчика линейных перемещений; на фиг. 2 - сравнительные характеристики датчиков с дополнительной линзой и без нее

Датчик содержит источник 1 излучения, первую собирающую линзу 2 с фокусным расстоянием д, фотоприемники 3 и 4, .установленные симметрично относительно оптической оси датчика, и дополнительную собирающую линзу 5, установленную по ходу излучения после первой собирающей линзы 2 Датчик работает следующим образом. Световой поток источника 1 излучения, сфокусированный первой линзой 2, попадает параллельным пучком на дополнительную линзу 5 и далее собирается в ее фокусе fg-, после которого начинает расходиться. Часть отраженного от контролируемого объекта светового потока поступает на фотоприемники 3 и 4, где преобразуется в электрический сигнал

. Механизм линеаризации датчика состоит в том, что в начале диапазона измерения за счет сужения светового пятна на поверхности значительно уменьшается отраженньш от него световой поток от величины Ф (в случае .параллельного попадания лучей) до величины Yg (фиг. 2)с

В точке диапазона измерения, совпадающей с задним фокусом дополнительной линзы 5 х; f 5 пятно достигает своего минимального размера, вре- i зультате чего отраженный световой пото , постзшающий на фотоприемники 3 и 4, значительно увепичиваётся в сравнении со световым потоком Р;(дл случая с параллельным ходом лучей) за счет уменьшения потока рассеяния, не попадающего на фотоприемники 3 и Аналогичные рассуждения справедливы и для любой точки хд диапазона измерения.

Увеличение сигнала, в конце диапазона измерения позволяет расширить / диапазон контролируемых перемещений. Из приведенных рассуждений можно сделать вывод, что чем дальще находится х. fj, тем дальше от начала диапазона измерения происходит заметное усиление сигнала, Тое„ тем больше диапазон измерения

Оптимальным с точки зрения габаритов датчика является вариант, при котором

5

0

5

0

40

+ D.

(1)

где d

45

50

55

- диаметр окружности, на ко- торой расположены фотоприемники -3 и 4;

а Вфр - внешний диаметр фотоприем- ника,

VMHH M V 2

где диаметр линзы 2.

Но ВА 2f. tgct,(3)

где oi - апертурный угол источника 1 излучения,

тогда Dj 2Dq,n + 2f.tg((4)

Вторым условием расширения, диапазона измерения, а также максимальной линеаризации зависимости U f(x) при достаточной чувствительности преобразования является выбор расстояния L, на котором линза 5 расположена относительно светоизлучающей площадки источника 1 излучения и, соответственно, относительно линзы 2 и фотоприемников 3 и 4 ,

С точки зрения уменьшения световых потерь, обусловленных затуханием в пространстве светового потока, отраженного от объекта, фотоприемники 3 и 4 и линза 2 должны бьп-ь расположены в непосредственной близости от линзы 5.

Отсюда расстояние L определяется

выражением

L - fM+ и+ Ч

t - толпд ны малой и большой линз соответственно.

В соответствии с законами геометрической оптики и на основе экспериментальных исследований установлено, что сужение светового потока, идущего к объекту, обеспечивающее увеличение диапазона измерения и линейности зависимости и f(x), происходит, если фокус fg- линзы 5 больше расстояния L, т.е„ расположен за источником 1 излучения, т.е. t. Формула изобретения

Оптический датчик линейных перемещений, содержащий источник излучения

где t

м

5161

и собирающую линзу с фокусным расстоянием ц, фотоприемники, расположенные симметрично относительно оптической оси датчика, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерения, он снабжен дополнительной собирающей линзой, ус1;ановяенной по ходу излучения после первой собирающей линзы и имеющей

диаметр Dr и фокусное расстояние fg., определяемое выражениями:

Dj-i 2Вфп +

f

де D

f

фП

od

2fMtge ;

« ч + м.

- диаметр фотоприемника;

м

апертурный угол источника излучения;

и tp - толщины первой и дополнительной собирающих линз соответственно.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения перемещений в диапазоне до 500 м. Цель изобретения - расширение диапазона измерения за счет линеаризации выходной характеристики. Световой поток источника 1 излучения, сфокусированный первой линзой 2, падает на дополнительную линзу 5, имеющую диаметр D_б и фокусное расстояние F_б, определяемые выражениями D_б≥2D_фп+2F_м^.TGΑ

F_б*98F_м+T_м+T_б, где D_фп - диаметр фотоприемника

F_м - фокусное расстояние первой линзы 2

α - апертурный угол источника 1 излучения

T_м, T_б - толщина первой и дополнительной линз соответственно. Отраженный от контролируемого объекта световой поток собирается дополнительной линзой 5 на фотоприемники 3, 4, где преобразуется в электрический сигнал, по величине которого судят о перемещении. 2 ил.

Хд X