Волоконно-оптический преобразователь перемещений Советский патент 1991 года по МПК G01B21/00 

1

(21)4755843/28

(22)04.11.89

(46) 15с08.91. Бил,, V 30

(71)Куйбышевский авиационный инст, т-т им, акад., Королева

(72)М,,А« Федоров, С„П0 Мерзляков, АоВ„ Данилов и СоБ„ Днепровский

(53)531,7(088,8)

(56)Авторское свидетельство СССР № 1223030, кл. G 01 В 11/02, 1983.

(54)ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

(57)Изобретение относится к измерительной техникес Целью изобретения является увеличение точности и диапазона измерения за счет улучшения линейности характеристики. Преобразователь содержит источник 8 излучения, первый приемник 4 излучения и волоконно-оптический коллектор 1, первая ,

группа волокон которого оптически сопряжена с источником 8 излучения, а . вторая - с первым приемником 4 излучения. Цель достигается введением источника 7 опорного напряжения, дифференциального усилителя 6, управляемого источника 9 питания, второго приемника 10 излучения„ Световой поток, поступающий от контролируемой поверхности 13 на первый приемник 4 излучения, стабилизирован, а информация о перемещении заключена и изменении светового потока источника 8 излучения и контролируется с помощью второго приемника 10. В результате характеристика преобразования меняется на обратнуюо При использовании световоэ- вра дающей поверхности значительно снижается влияние угловых колебаний. 1 ЗоПс ф-лы, 3 ил0 f

(Л

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является увеличение точности и диапазона измерения за счет улучшения линейности характеристики. Преобразователь содержит источник 8 излучения, первый приемник 4 излучения и волоконно-оптический коллектор 1, первая группа волокон которого оптически сопряжена с источником 8 излучения, а вторая - с первым приемником 4 излучения. Цель достигается введением источника 7 опорного напряжения, дифференциального усилителя 6, управляемого источника 9 питания, второго приемника 10 излучения. Световой поток, поступающий от контролируемой поверхности 13 на первый приемник 4 излучения, сталибизирован, а информация о перемещении заключена в изменении светового потока источника 8 излучения и контролируется с помощью второго приемника 10. В результате характеристика преобразования меняется на обратную. При использовании световозвращающей поверхности значительно снижается влияние угловых колебаний. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

сг

vl

фиг Л

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в измерительно-информационных и управляющих комплексах для измере- ния различных физических величин„

Целью изобретения является увеличение точности и диапазона измеряемых перемещений путем улучшения линености характеристики преобразова- теля с

На фигс 1 представлена функциональная схема преобразователя; на фиг, 2 - характеристики преобразователя; на фиге 3 - зависимости ха- рактеристики преобразователя от угла наклона контролируемой поверхности,,

Преобразователь содержит волоконно-оптический коллектор 1 (ВОК), содержащий первую 2 и вторую 3 группы оптических волокон, первый приемник 4 излучения, первый усилитель 5, дифференциальный усилитель 6, источник 7 опорного напряжения, источник 8 излучения, управляемый источник 9 питания, второй приемник 10 излучения, второй усилитель 11 и регистрат 12,. Преобразователь контролирует перемещение световозвращающей поверхности 1 3 объекта (или световозвращаю- щего элемента на нем)„

Первая группа волокон 2 ВОК 1 оптически сопряжена с источником 8 излучения, а вторая группа 3-е первы приемником 4 излучения

Первый приемник 4 излучения подключен к входу первого усилителя 5, выход которого подключен к первому входу дифференциального усилителя 6„ К.второму его входу подключен выход источника 7 опорного напряжения, а выход дифференциального усилителя 6 подключен к входу управляемого источника 9 питания При этом выход управляемого источника 9 питания подключе к источшжу 8 излучения, оптически сопряженному с вторым приемником 10 излучения, подключенным к входу второго усилителя 11j выход которого свзан с регистратором 12,

Волоконно-оптический преобразователь перемещений работает следующим образом

Часть светового потока от источника 8 излучения, пройдя через первую группу 2 оптических волокон ВОК 1, направляется на световозврацающую поверхность 13С При этом вследствие неидеальности последней часть отражен

о

0 5

5

0

5

ного от поверхности 13 светового потока через вторую группу 3 оптических волокон, поступает на первый приемник 4 излученияо Полученный сигнал поступает на вход первого усилителя 5 и после усиления - на первый вход дифференциального усилителя 6 (U) На второй его вход поступает опорное напряжение Е „ Дифференциальный усилитель 6 вырабатывает сигнал рассогласования, поступающий на вход управляемого источника 9 питания В результате происходит изменение светового потока источника 8 излучения, которое восстанавливает равенство напряжений U, и Е

1 О

Таким образом, указанная часть схемы стабилизирует световой поток, поступающий на первый приемник 4 излуче- нчя„

При малой величине опорного напряжения становится заметным влияние шумов и дрейфа первого приемника 4 излучения и усилителя 5, а при увеличении Е вследствие ограниченных энергетических возможностей источника 8 излучения сужается диапазон измерения, поэтому оптимальная величина опорного нгпряжения Е0 определяется требуемыми точностью и диапазоном измерения

В данном случае.информация о пере- мащекни поверхности 13 заключена в из- мгиении светового потока источника 8 излучения о Величина указанного светового потока контролируется при помощи второго приемника 10 излучения, сигнал с которого поступает на вход второго усилителя 11. Сигнал с выхода второго усилителя 11 используется в качестве выходного сигнала преобразователя и фиксируется регистратором 12„

В преобразователе полностью исключается влияние нелинейности и температурной нестабильности источника 8 излучения При этом полная погрешность в основном определяется температурной нестабильностью приемников излучения и пропорциональна величине поступающего на них светового потока В связи с этим, поскольку преобразователь имеет нарастающую характеристику, его относительная погрешность постоянна во всем диапазоне измерения.

На фигg 2 приведены характеристики 14 известного и характеристики 15 и 16 предлагаемого преобразователя с использованием одинаковых ВОК. Характеристика 15 соответствует зеркаль5167

ной, а характеристика 16 - снетовоз- вращаюцен контролируемой поверхностно

Сравнивая характеристики 14 и 15, можно сделать вывод, что преобразо- ватель имеет большой диапазон измерения и линейность рабочего участка,, Характеристика 16 показывает преимущества использования световозвращающе поверхности, в частности дополнитель- ное расширение диапазона измерения и улучшение линейности характеристики0

Преобразователь характеризуется высокой температурной стабильностью и, следовательно, точностью Действи- тельно, напряжение на выходе первого усилителя 5 определяется выражением

U1- ФИКИ(Т)Ј(Н) К, S,nK,n (Т), (1) где Фw - световой поток источника изИ

лучения;

30

KU(T) - температурный коэффициент

источника излучения;

f(H) - зависимость светового пото- -,- ка, поступающего на первый приемник излучения, от рас- стояния Н до контролируемой поверхности при постоянном потоке светового излучения; К, - коэффициент пропорциональности;

S. - чувствительность первого приемника излучения;

(Т)- температурный коэффициент

чувствительности первого 35 приемника

Выходное напряжение

U2 ФИКИ(Т) K2S2nK20(T), (2) 4Q

де К „ - коэффициент пропорциональности;

S2(j- чувствительность второго приемника излучения;45 К-П(Т) - температурный коэффициент

чувствительности второго приемника.

Из выражений (1) и (2) с учетом ого, что и ЕО, следует5Q

E0KzS2n К гп (Т) f(H)4K,S,flK,0(T)

Для случая пары приемников излучеия с идентичными температурными харакеристиками и чувствительностью

и

(3)

U, - К E0/f(H),

(.

, йJQ

$

20

30

-,-

35

4Q

45

5Q

к

где К - коэффициент пропорциональности,.

Коэффициенты пропорциональности К, Ку и К, входящие в выражения (1) - (4), характеризуют потерн светового потока в оптических сопряжениях и при отражении от контролируемой поверхности

Таким образом, можно сделать вывод, что выходной сигнал преобразователя мало зависит от температуры окружающей среды0

На фнг„ 3 показаны зависимости выходного напряжения, разработанного ВОЛП, от угла наклона зеркальной характеристики 17 и световозвращающей характеристики 18 контролируемой поверхности 13 при фиксированном расстоянии Н. Анализ приведенных характеристики позволяет сделать вывод о значительном снижении погреишости, вызываемой угловыми колебаниями, в случае использования световозвращающей поверхностно

Диапазон измерения преобразователей ограничен в основном мощностью источника излучения и может быть значительно расширен в результате использования мощного источника излучения или группы маломощных источников.

Формула изобретения

1 о Волоконно-оптический преобразователь перемещений, содержащий источник излучения, первый приемник излучения, регистратор и волоконно-оптический коллектор, первая группа волокон которого оптически сопряжена с источником излучения, а вторая - с приемником излучения, отличаю- щ и н с я тем, что, с целью увеличения точности и диапазона измеряемых перемещений, он снабжен источником опорного напряжения, дифференциальным усилителем, управляемым источником питания и вторым приемником излучения, выход первого приемника излучения подключен к первому входу дифференциального усилителя, к второму входу которого подключен выход источ ника опорного напряжения, а выход дифференциального усилителя подключен к входу управляемого источника питания, выход которого подключен к источнику излучения, оптически сопряженному с вторым приемником излучения, подключенным к входу регистратора.

U бы.

О

элементом, закрепляемым на контролируемом объекте.

Н.пм

И«ЫХ

/8

iт

ц OL, град

Фид.З