Оптический датчик перемещений Советский патент 1992 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано при конструировании оптических датчиков линейных перемещений.

По основному авт.св. № 1562688 известен оптический датчик перемещений/содержащий цилиндрический корпус, крепежную деталь, две линзы, источник излучения и фотоприемник.,

Недостаток указанного датчика заключается в низкой точности измерения, обусловленной колебаниями мощности излучения, источника излучения (например, при изменении температуры в диапазоне +50°С для ipe- рийно выпускаемых светодиодов мощность их излучения может меняться на 30%).

Целью изобретения является повышение точности измерений оптических датчи- . ков перемещений.

Поставленная цель достигается тем. что оптический датчик перемещений снабжен

вторым фотоприемником, установленным внутри крепежной детали так, что его оптическая ось и оптическая ось источника излучения взаимно перпендикулярны и лежат в одной плоскости, а расстояние h от оптической оси источника излучения до светочувствительной площадки второго фотоприемника и расстояние I от излучающей площадки источника излучения до оптической оси второго фотоприемника определяются выражениями

ю ел о

nUVrT h-tg(-).

Установка в крепежной детали второго фртоприемнйка, обращенного своей светочувствительной площадкой к светоизлуча- ющей площадке источника излучения и

N3

воспринимающего только световой поток источника излучения, дает возможность скомпенсировать изменения мощности излучений источника излучения.

На фиг. 1 показан предлагаемый датчик, общий вид и разрез А-А; на фиг. 2 - конст- - руктивная схема,поясняющая определение места расположения второго фотоприемника; на фиг. 3 - векторная диаграмма сигналов на выходе датчика.

Датчик (фиг. 1) содержит цилиндрический корпус 1, внутри которого вдоль продольной оси X соосно с ней последовательно расположены деталь 2, в полости которой расположена линза 3 малого диаметра, в фокусе линзы 3 - источник 4 излучения, второй фотоприемник 5, его оптическая ось и оптическая ось источника излучения взаимно перпендикулярны и лежат в одной плоскости, причем второй фотоприемник не перекрывает световой поток, идущий к контролируемому объекту, линзу б большого диаметра и в фокусе линзы б фотоприемник 7.

Светочувствительная площадка второго фотоприемника 5 расположена относительно центра оптической оси источника излучения на расстоянии h, которое определяется выражением

,

(1)

где h - расстояние от оптической оси источника излучения до площадки второго фотоприемника;

D - внутренний диаметр полости крепежной детали;

d - диаметр светочувствительной площадки второго фотоприемника, а оптическая ось второго фотоприемника - на расстоянии I относительно излучающей поверхности источника излучения, определяемом выражением

(«)

+ | , (2)

где I - расстояние от оптической оси второго фотоприемника до излучающей площадки источника излучения;

dun - внешний диаметр второго фотоприемника;

f - фокусное расстояние линзы малого диаметра;

ft- максимальный телесный угол индикатрисы источника излучения.

Указанные расстояния h и I выбирались из следующих соображений (фиг. 2).

Источник 4 излучения установлен в фокусе линзы 3 на расстоянии h таким образом, что через линзу проходит не менее половины мощности излучения (для источника излучения ЗЛ107Б в угле 60°). Внутренний диаметр полости втулки D крепежной детали 2 равен диаметру линзы 3. Второй фотоприемник 5 установлен так, чтобы он не перекрывал световой поток,

идущий к контролируемому объекту в пределах телесного угла О. (фиг. 2) половинной мощности (для ЗЛ107Б а 60°), и чтобы на его светочувствительную площадку падал максимально возможный световой поток источника излучения, распространяющийся за пределами угла а, но в пределах угла ft (где ft - максимальный телесный угол индикатрисы источника излучения), на фиг..2 обозначен через у. а у ft (для ЗЛ107Б

60° ).

Такому требованию соответствует положение второго фотоприемника, приведенное на фиг. 2, когда его светочувствительная площадка расположена на расстоянии л от

оптической оси источника излучения и его внешний диаметр d полностью вписан в диаметр внутренней поверхности втулки крепежной детали, и на расстоянии I относительно излучающей поверхности источника излучения.

Из А АВС расстояние

35

h |V52На фиг. 2 расстояние | +

где dnn - внешний диаметр второго фотоприемника;.

а - расстояние от еветоизлучающей по- верхности источника излучения до второго фотоприемника.

Из ДОЕР расстояние

.Уменьшение расстояния h нецелесооб- разно, так как уменьшается световой поток, идущий к объекту-контроля, а увеличение приводит к снижению светового потока, поступающего на второй фотоприемник.

Расстояние 1 выбирается из условия обеспечения чувствительности преобразовэния второго фотоприемника, достаточной для вторичного преобразования.

Перед линзой 3 (фиг. 1) малого диаметра располагается контролируемая поверхность объекта 8, имеющая возможность перемещения параллельно оси X корпуса 1.

Деталь 2 центрируется в корпусе 1 своей внешней цилиндрической поверхностью и фиксируется в нем. Фиксация может осуществляться любым способом: посадка с натягом, клеевое соединение, резьбовое соединение и т.д.

Полость, служащая для размещения линзы 3, источника 4 излучения и второго фотоприемника 5, выполнена в специальном выступе детали 2, имеющем минимальную площадь торцевой поверхности с целью обеспечения прохождения максимально возможного светового потока через сквозное окно и-попадающего на линзу б большого диаметра. Датчик работает следующим образом.

Световой поток источника 4 излучения (фиг. 1), промодулированный по синусоидальному закону и сфокусированный линзой 3 малого диаметра, попадает на поверхность контролируемого объекта 8, а часть светового потока - на светочувствительную площадку второго фотоприёмника 5, с выхода которого снимается синусоидальный сигнал. ик. Световой поток, отразившись от контролируемого объекта 8, через сквозное отверстие в детали 2 фокусируется линзой 6 большого диаметра на светочувствительную площадку фотоприемника 7, с выхода которого снимается синусоидальный сигнал Up. Выходным сигналом датчика является фаза # суммарного гармонического сигнала и# относительно одного из суммируемых сигналов, в нашем случае компенсационного UK.

Фаза выходного сигнала определяется выражением

Slnffpk

p arctg

COS ippk + -гг

Un

(3)

где $pk - угол сдвига фаз между сигналами Цс и Up. .:

Угол ppk формируется с помощью фа- зосдвигающего устройства.

На векторной диаграмме (фиг. 3) напряжения с индексом н соответствуют напряжениям в начале диапазона измерения, с индексом к - в конце диапазона измерения, а с индексом t - при воздействии температуры.

Как видно из векторной диаграммы (фиг. 3), при перемещении контролируемого объекта 8 изменяется сигнал Up, а следовательно, изменяется величина и направление суммарного напряжения иЈ и иЈ(уэц и fb).

Рассмотрим случай, когда чувствительность всех фотоприемников постоянная.

При воздействии температуры изменяется мощность светового потока излучения и. следовательно, равнопропорционально

изменяются напряжения Up и UK:

,

UK - Kt UK)

(4) (5)

где Kt-температурный коэффициент.

При этом изменяется величина суммарных сигналов llg , но их направление остается неизменным (рм рн рк - ().

Используя выражение (3), запишем

arctg

Sin ffpk

--«.-И.

cosyfrk+J Г гк. Kt Up

ТР(6)

Следовательно, погрешность от воздействия температуры при равнопропорцио- нальных изменениях сигналов Up и UK в процессе измерения перемещения не вносится {(р р1).

Технико-экономическим преимуществом предлагаемого датчика по сравнению с прототипом является повышение точности измерений за счет снижения погрешности, обусловленной колебанием мощности излучения источника излучения.

Формула изобретения Оптический датчик перемещений по авт. св. №.1562688, от л и ч а ю щ и и с я тем,

40 что, с целью повышения точности измерения, он снабжен вторым фотоприемником, установленным внутри крепежной детали так, что его оптическая ось и оптическая ось источника излучения взаимно перпендику45 лярны и лежат в одной плоскости, а рассто- яние h от оптической оси источника излучения до светочувствительной площадки второго фотоприемника и расстояние I от излучающей площадки источника излучения

50 до оптической оси второго фотоприемника определяются выражениями

Н |А/Б2 Г

- ИНн

I ПИ f ПИ

2 .

где D - внутренний диаметр полости втулки крепежной детали:

d - диаметр светочувствительной площадки второго фотоприемника;

d™ - внешний диаметр второго фотоприемника;

f - фокусное расстояние линзы малого диаметра;

/ - максимальный телесный угол индикатрисы источника излучения.

Изобретение относится к. измерительной технике и может быть использовано в датчиках линейных перемещений, Целью изобретения является повышение точности измерений за счет исключения влияния температурных флуктуации. Часть..светового потока попадает на компенсационный фотоприемник, установленный ортогонально оси источника излучения, а остальная часть излучения направляется линзой малого размера на контролируемый объект, и отраженный пучок через сквозное отверстие в корпусе фокусируется линзой большого раз мера на рабочий фотоприемник. Выходным сигналом датчика является разность фаз суммарного сигнала с обоих фотоприемников и сигнала с компенсационного фотоприемника. 3 ил.

5 Z

V

Фиг.

А-А

Фиг.1

Урк

«fr. ft

Фиг.5