Преобразователь перемещений Советский патент 1993 года по МПК G01B21/00 

ел

С

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности за счет уменьшения минимальной достоверно измеряемой величины перемещения, определяющей систематическую погрешность преобразователя. Сформированное оптической системой преобразователя когерентное световое излучение разделяется на измерительный и опорный потоки, распространяющиеся соответственно через одноименные одномодовые оптические волокна В 12 и 16 и затем вновь объединяемые в один поток, проходящий через элемент 20 визуализации интерференционной картины и щель (периодическую маску) 21 и воспринимаемый фотоприемником 23, выходной

00

о

СП

го ю

сигнал которого детектируется амплитудным детектором 24. Измерительное 0В 12 охватывает часть 25 внутреннего керна неподвижного сердечника 2 броневого типа, выполненную из магнитострикционного материала, Возбуждающая обмотка 3 сердечника запитывается генератором 1. Якорь 4 (ферромагнитный диск) связан с

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике к может быть использовано для измерения различных перемещений.

Цель изобретения - повышение точности измерений за счет уменьшения минимальной достоверно измеряемой величины перемещения, определяющей систематическую погрешность преобразователя, ограничивающую наряду с прочими факторами точность измерений..

На чертеже представлена структурная схема электромагнитного преобразователя перемещений.

Электромагнитный преобразователь перемещений содержит генератор 1, неподвижный сердечник 2 броневого типа с возбуждающей обмоткой 3, подключенной к выходу генератора 1, подвижный якорь 4. Якорь 4 выполнен в виде ферромагнитного диска и связан с перемещающимся объектом. Устройство содержит также источник 5 оптического излучения, расположенные по .ходу излучения коллиматор 6 и первый светоделитель 7. Светоделитель 7 формирует измерительный и опорный потоки излучения 8 и 9 соответственно.

По ходу измерительного потока 8 расположены первый фокусирующий микрообъектив 10, первый микропозиционер 11, измерительное одномодовое оптическое волокно 12 и первый выходной объектив 13. По ходу опорного потока 9 расположены второй фокусирующий микрообъектив 14, второй микропозиционер 15, опорное одномодовое оптическое волокно 16 и второй выходной объектив 17. Преобразователь содержит также второй светоделитель 18, оптически сопряженный с опорным и измерительным потоками излучения 9 и 8 соответственно и формирующий выходной поток 19 излучения. По ходу аыходного потока излучения расположены элемент 20 визуализации интерференционной картины, экран 21 со щелью и собирающей линзой 22, фотоприемник 23 и

перемещающимся объектом. Положительный эффект обеспечивается использованием в качестве информационного параметра изменение фазы когерентного излучения путем изменения условий распространения оптического пути последнего с помощью магнитострикционного эффекта. 1 ил.

амплитудный детектор 24. Источник излучения выполнен когерентным. Фотоприемник 23 оптически сопряжен с собирающей линзой 22, его выход соединен со входом амплитудного детектора 24. Часть 25 внутреннего керна броневого сердечника 2 выполнена из магнитострикционного материала и охвачена измерительным одномодовым оптическим волокном 12.

Электромагнитный преобразователь перемещений работает следующим образом, Возбуждающая обмотка 3 запитывается синусоидальным током с частотой со: I l0sin cot от генератора 1. В магнитной системе сердечник 2 - якорь 4 возникает электромагнитное поле. Величину магнитного потока Ф, распространяющегося в магнитной системе, пренебрегая величинами магнитных сопротивлений сердечника 2. и

якоря 4, а также величинами потерь в них на вихревые токи и гистерезис, можно описать выражением:.

25

Ф BWJHoSo os|pa.ta

,

(D

где W - число витков возбуждающей обмот- киЗ;

I - величина тока, протекающего по возбуждающей обмотке 3;

д - измеряемая величина - расстояние между сердечником 2 и якорем 4; //о - магнитная проницаемость воздуха, fio -Ayf- Гн/м;

So - эффективная площадь сечения сердечника 2;

Фо -амплитуда магнитного потока Ф. От величины Ф можно перейти к величине напряженности магнитного поля Н, согласно выражениям:

Н В//г0,,

где В - величина индукции магнитного поля:

Н

W

26

sin an.

Из выражения (2) видно, что при изменении величины д измеряемого перемещения меняется напряженность Н в сердечнике 2. Под действием магнитного поля происходят деформации участка 25, выполненного из магнитострикционного материала, помещенного в нерабочий воздушный зазор сердечника 2. Участок 25 сердечника 2 охвачен измерительным волокном 12, например волокно навивается на магнитострикционный материал, причем от количества витков зависит чувствительность к деформациям магнитострикционного материала. Деформации приводят к изменению длины оптического пути света, распространяющегося в измерительном волокне 12. Фаза световой волны с выхода измерительного волокна претерпевает гармонические изменения

. Fs FsoSin cat + F s ,

где F s - значение фазы световой волны в отсутствие внешнего сигнала,

СУ-.частота генератора 1,

FSO - амплитуда фазовой модуляции световой волны в измерительном волокне 12, пропорциональная величине дизмеряемого перемещения.

Свет от источника 5 оптического излучения, который должен быть когерентным, например, возможно применение полупроводникового или газового лазера,через коллиматор б попадает на светоделитель 7. Микрообъективы 10 и 14 фокусируют оптические потоки на входные торцы измерительного и опорного одномодовых оптических волокон 12 и 16 соответственно.

Для обеспечения эффективного ввода излучения в волокна 12 и 16 обязательно применение микропозиционеров 11 и 15 соответственно, так как диаметр сердцевины одномодового волокна составляет 5-8 мкм. Опорное волокно 16 находится в стабильных внешних условиях, чтобы исключить или уменьшить дрейф фазы Fr на аыходе опорного волокна. Выходные объективы 13 и 17 превращают расходящиеся волновые фронты световых излучений, выходящих из измерительного и опорного волокон 12 и 16 соответственно, в плоские.

Светоделитель 18 применен для совмещения этих фронтов таким образом, чтобы в плоскости элемента 20 визуализации интерференционной картины можно было наблюдать картину интерференции опорной и

измерительной волн 9 и 8 соответственно. Щель в непрозрачном экране 21 ориентируют параллельно полосам интерференционной картины, а период интерференционной

5 картины должен быть, как минимум, вдвое больше, чем ширина щели. Щель экрана 21 располагают таким образом, чтобы ее ось совпадала с границей темной и светлой полос. Вместо щели можно использовать пе10 риодическую маску. Часть энергии интерференционной картины детектируется фотоприемником 23, расположенным в фокусе собирающей линзы 22. Полезный электрический сигнал в цепи фотоприемни15 ка 23, можно описать выражением

«АлАд

h v

(3)

где F - оптическая мощность, попадающая на приемную площадку фотоприемника, е - заряд электрона, а- глубина модуляции (контраст) интерференционной картины,

q - квантовая эффективность (число фотоэлектронов на один квант света) фотоприемника,

h - постоянная Планка, V- частота излучения,

A F - фазовое рассогласование между измерительным и опорным плечами 12 и 16 интерферометра, A F Fs - Fr.

Величину A F можно описать выражениемД F mlH, (4)

где m - коэффициент, зависящий от константы магнитострикции, напряженности постоянного поля подмагничивания в случае его необходимости (это зависит от типа применяемого магнитострикционного материала), длины волны светового излучения и оптических свойств волокна,

I - длина рабочего оптического волокна.

Перепишем (3) с учетом (4)

| аР. q e m I H hv

(5)

50 Подставив (2) в (5), окончательно получим

a PS. q e m I W I0 , -- 2д--- sinun.

Из формулы (6) видно, что величина амплитуды тока фотоприемника 23 обратно пропорциональна величине дизмеряемого перемещения.

Величину сигнала U на выходе фотоприемника 23 можно описать выражением

U ki, где k - коэффициент преобразования.

Амплитудный детектор 24 выделяет ам- плитудное значение величины U сигнала с фотоприемникэ 23, которое согласно (6) обратно пропорционально измеряемой величине д.

В качестве магнитострикционного ма териала можно использовать магнитострик- ционные металлы (железо, никель, кобальт), а также сплавы на их основе и магнито- стрикционные металлические стекла(мет- гласы), В первом случае часть 25 сердечника 2 непосредственно изготавливают из магнитострикционного металла, причем желательно так подобрать материалы сердечника 2 и участка 25, чтобы величина относительной магнитной прони- цаемости,« магнитострикционного металла приближалась к величине t ферромагнитного материала, из которого изготовлен сердечник 2, чтобы минимизировать потери в сердечнике 2 за счет введения участка 25. Во втором случае участок 25 представляет собой каркас с лентой из метгласа. Необходимо отметить, что значение константы маг- нитострикции метгласов на один-два порядка выше, чем у металлов, поэтому при- менение метгласов способствует дальнейшему уменьшению минимальной достоверно измеряемой величины перемещения.

При практической реализации устрой- ства возникает ряд проблем, связанных со снижением различного рода шумов (источников излучения, а также обусловленных процессами, происходящими при перемаг- ничивании магнитострикционного материа- ла 25, сердечника 2 и якоря 4, перепадами температур и вибрациями).

Поэтому частоту а) генератора 1 желательно выбирать в диапазоне от 1 до 10 кГц (что является оптимальным и для питания индуктивных преобразователей), так как в этом диапазоне частот незначительны шумы лазеров и шумы, вызванные влиянием температуры и вибрациями, которые проявляются в более низкочастотном диапазоне.

Динамический диапазон устройства ограничен амплитудой фазовой модуляции А Рмакс л:/2. Однако, даже для АРмакс я/8при1о 20мА, W 500 витков, , I 2 м по формулам (4) и (2) величина (5Мин составляет 180 мкм. При расчете в формулу (2) вместо losin он подставлялось эффективное значение ЭФФ U/ 2 . Максимально измеряемое смещение дмжс ограничивает-

ся шумами различного рода, уровень которых зависит от конструкции преобразователя перемещений в целом.

В работе подсчитана величина минимально детектируемой напряженность Нмин магнитного поля, которая составляет А/м для никеля и А/м для метгласов, что соответствует величинам д 2,71010 м и 6 4,41011 м соответственно в случае I0 20 мА и W 500 витков. Однако в реальных устройствах практически достижим диапазон д от 0 до 1 м, причем индуктивный датчик 2 необходимо экранировать от воздействия внешнего магнитного поля.

. Ниже приведены значения минимальной достоверно измеряемой величины перемещения , измеряемой преобразователем при воздушном зазоре 50 между сердечником 2 и якорем 4, 5о1 0,1 мм и (5о2 1 м.

Величина Нмин зависит от конкретной реализации устройства в целом, в частности от типа применяемого магнитострикционного материала. Как видно из конкретного числового примера, величина описываемого преобразователя на несколько порядков меньше, чем у прототипа.

Величина Ад , приведенная в числовом примере, не является предельно достижимой для описываемого устройства.

Ее можно уменьшать и далее, если увеличивать габариты сердечника 2 и величину тока I, протекающего по обмотке возбужде ния 3. В случае, если не требуется высокая разрешающая способность, при значении величины , равном 0,1 мкм, как у традиционных электромагнитных преобразователей и прототипа, можно значительно снизить габариты сердечника, а также снизить требуемую величину мощности генератора 1, вследствие снижения величины I тока протекающего по возбуждающей обмотке 3 сердечника 2.

Формула изобретения

Преобразователь перемещений, содержащий генератор, неподвижный сердечник броневого типа с возбуждающей обмоткой подключенной к выходу генератора, подвижный якорь, выполненный в виде ферро- магнитного диска и связываемый с перемещающимся объектом, источник оптического излучения, фотоприемник и амплитудный детектор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, он снабжен расположенными по ходу излучения коллиматором, первым светоделителем, расположенными соответственно по ходу измерительного и опорного потоков излучения, сформированных первым светоделителем, первым фокусирующим микрообъективом, первым микропозиционером, измерительным одномодовым оптическим волокном, первым выходным объективом, и вторым фокусирующим микрообъективом, вторым микропозиционером, опорным одномодовым оптическим волокном, вторым выходным объективом, вторым светоделителем, оптически сопряженным с опорным и измерительным потоками излучения, расположенными по ходу выходного потока излучения,

5oi 0,1 мм

Дб 3- (3 ) при Нмин 1 А/м

0

сформированного вторым светоделителем, элементом визуализации интерференционной картины, экраном со щелью и собирающей линзой, источник излучения выполнен когерентным, фотоприемник оптически сопряжен с собирающей линзой, его выход соединен с входом амплитудного детектора, а часть внутреннего керна броневого сердечника выполнена из магнитострикцион- ного материала и охвачена измерительным одномодопым оптическим волокном.

до2 1 ММ

Д(5 2,8 10 5м(28мкм) при Нмин 1 А/м

Д(,13 (0.1 мкм) при ,. Ю 7А/м