CS249377B1

CS249377B1 - Sensor for measuring angular velocity of rotary motion

Info

Publication number: CS249377B1
Application number: CS83385A
Authority: CS
Inventors: Vojtech Smajstrla
Original assignee: Vojtech Smajstrla
Priority date: 1985-02-07
Filing date: 1985-02-07
Publication date: 1987-03-12

Abstract

Snímač pro měření úhlové rychlosti rotačního pohybu, zejména vysokootáčkových rotorů bezvřetenových dopřádacích strojů, jehož výhodou je zejména vydávání spojitého měřitelného signálu, vedením světelného paprsku po optické dráze na stěnu disku ze světlopropustného a opticky dvoj lomného transparentního amorfního materiálu, jimž se v závislosti na okamžité úhlové rychlosti připojeného rotujícího elementu mění fyzikální vlastnosti jím propouštěného a dále detekovaného zářivého toku světelného paprsku v signál, který je funkcí okamžité úhlové rychlosti.A sensor for measuring the angular velocity of rotational movement, especially of high-speed rotors of spindleless spinning machines, the advantage of which is mainly the issuance of a continuous measurable signal by guiding a light beam along an optical path to the wall of a disk made of light-transmitting and optically birefringent transparent amorphous material, which, depending on the instantaneous angular velocity of the connected rotating element, changes the physical properties of the radiant flux of the light beam transmitted by it and further detected into a signal that is a function of the instantaneous angular velocity.

Description

Vynález se týká snímače pro měření úhlové rychlosti rotačního pohybu, zejména u vysokootáčkových rotorů bezvřetenových dopřádacích strojů, vysíláním optického paprsku ze zdroje záření k snímacímu detektoru přes světlopropustný prostředek upevněný na měřeném rotujícím elementu.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a sensor for measuring the angular speed of rotary motion, particularly in high-speed rotors of open-end spinning machines, by transmitting an optical beam from a radiation source to a sensing detector via a light-transmitting means mounted on the rotating element to be measured.

Jsou známy optické metody a snímače pro měření úhlové rychlosti založené na převodu frekvence impulsů z rotujícího elementu s vhodně upravenou propustností optického paprsku. Výstupní impulsní signál je nespojitý.Optical methods and sensors for measuring angular velocity based on the conversion of the pulse frequency from a rotating element with an appropriately adjusted optical beam transmittance are known. The pulse output signal is discontinuous.

Nevýhodou těchto metod a snímačů je jejich necitlivost na změny úhlové rychlosti trvající kratší dobu než je interval mezi dvěma po sobě jdoucími impulsy.A disadvantage of these methods and sensors is their insensitivity to angular velocity changes lasting less than the interval between two consecutive pulses.

Dále jsou známy metody a snímače pro měření úhlové rychlosti se spojitým výstupním signálem úměrným okamžité úhlové rychlosti, jsou to jednak snímače pracující na základě Faradayova indukčního zákona. Jedním z nich je takzvané unipolární dynamo, v jehož rotujícím vodivém disku se indukuje napětí úměrné úhlové rychlosti.Furthermore, methods and sensors for measuring angular velocity with a continuous output signal proportional to the instantaneous angular velocity are known, and they are sensors based on Faraday's induction law. One of them is the so-called unipolar dynamo in which a rotating conductive disk induces a voltage proportional to the angular velocity.

Nevýhodou unipolárního dynama je nutnost sběračů pro odvod elektřiny z disku. Sběrače jsou mechanické, mají malou spolehlivost a zanášejí do výstupního signálu šum. Další nevýhodou unipolárního dynama je skutečnost, že se jedná o aktivní snímač, který odebírá energii měřenému objektu a tím mění jeho pohybový stav. Jiné známé snímače využívající vířivých proudů sice nemají sběrače, ale jejich zpětný vliv na objekt měření je podobný jako u unipolárního dynama.The disadvantage of the unipolar dynamo is the necessity of collectors to drain electricity from the disk. The pantographs are mechanical, have low reliability and produce noise in the output signal. Another disadvantage of the unipolar dynamo is the fact that it is an active sensor that takes energy from the measured object and thus changes its motion state. Other known eddy current sensors do not have pantographs, but their feedback on the measurement object is similar to a unipolar dynamo.

Rychlost odezvy unipolárního dynama a snímačů s vířivými proudy na změny úhlové rychlosti se jeví v řadě aplikací jako nedostatečná. Ještě pomalejší odezvu mají snímače pneumatické.The response speed of unipolar dynamo and eddy current sensors to angular velocity changes seems insufficient in many applications. Pneumatic sensors have an even slower response.

Vynález si klade za cíl odstranění uvedených nevýhod známých snímačů pro měření úhlové rychlosti se spojitým výstupním signálem a jeho podstata spočívá v tom, že sestává ze zdroje světelného paprsku a snímacího detektoru citlivého na intenzitu zářivého toku, mezi nimiž na optické dráze světelného paprsku jsou uspořádány polarizační filtry, přičemž dále na optické dráze světelného paprsku mezi polarizačními filtry je uspořádán světlopropustný disk z opticky dvojlomného transparentního amorfního materiálu, který je souose upevněn na měřeném rotujícím elementu, když jedna nebo všechny části optické dráhy světelného paprsku jsou tvořeny vláknovými světlovody.SUMMARY OF THE INVENTION The object of the present invention is to overcome the disadvantages of known sensors for measuring angular velocity with a continuous output signal and to provide a light beam source and a radiation detector sensitive to intensity of radiation. A light-transmitting disk of optically birefringent transparent amorphous material is provided on the optical path of the light beam between the polarizing filters and is coaxially mounted on the rotating element to be measured when one or all of the optical paths of the light beam are formed by fiber light guides.

Hlavní výhodou snímače úhlové rychlosti využívajícího optického dvojlomu je jeho rychlá reakce na změny úhlové rychlosti omezená pouze vlastnostmi použitého detektoru zářeni a mechanickou pevnosti disku. Další výhodou je velmi malé zpětné působeni na měřený objekt dané jen setrvačností disku. Jednou z výhod je malá nebo žádná citlivost k rušení cizím magnetickým nebo elektrickým polem. Další výhodou je možnost použití vláknových světlovodů pro spojení prostoru měření se zdrojem záření a detektorem, které tudíž mohou být umístěny ve vhodném pracovním prostředí.The main advantage of the angular velocity sensor using optical birefringence is its rapid response to changes in angular velocity limited only by the properties of the radiation detector used and the mechanical strength of the disc. Another advantage is very little feedback on the measured object given only by the inertia of the disc. One advantage is little or no sensitivity to interference from foreign magnetic or electric fields. Another advantage is the possibility of using fiber optics to connect the measurement area with the radiation source and the detector, which can therefore be placed in a suitable working environment.

Další výhody a význaky vynálezu jsou patrny z přiložených obrázků a jejich pipisu, kde značí obr. 1 element světlopropustného prostředku s osou rotace 0 s vyznačením směru hlavních napětí, obr. 2 příkladné uspořádání snímače úhlové rychlosti s rotujícím diskem, tvořícím světlopropustný prostředek, obr. 3 příklad použití fotoelastického snímače úhlové rychlosti pro měření na rotoru bezvřetenového dopřádacího stroje, obr. 4 detail vnitřního uspořádání hlavice se světlovodnými kabely.Further advantages and features of the invention will be apparent from the accompanying drawings and their description, in which: FIG. 1 is a light transmissive element with a axis of rotation 0 indicating the direction of the main stresses; FIG. 2 an exemplary angular velocity sensor with rotating disc forming a light transmissive device; 3 shows an example of the use of a photoelastic angular velocity sensor for measurements on an rotor of an open-end spinning machine; FIG.

Z optiky je známo, že některé amorfní látky se stávají vlivem mechanického napětí dvojlomnými. Je-li z takové dvojlomné látky vytvořena destička s rovnoběžnými stěnami a dopadá-li kolmo na její stěnu paprsek přirozeného světla, rozdělí se tento paprsek na dva výstupní paprsky, tzv. hlavní paprsky. Oba hlavní paprsky jsou lineárně polarizovány s rovinami póla3 rizace navzájem kolmými. Jestliže látka původně nevykazující dvojlom se stane dvojlomnou následkem mechanického namáhání, jsou směry polarizace hlavních paprsků shodné se směry obou hlavních mechanických napětí. Při namáhání v mezích Hookova zákona je rozdíl optických drah obou hlavních paprsků v destičce dán rovnicí:It is known from optics that some amorphous substances become birefringent due to mechanical stress. If such a birefringent substance is formed into a plate with parallel walls and if a beam of natural light falls perpendicularly to its wall, the beam is divided into two output beams, the so-called main beams. The two main beams are linearly polarized with polarization planes perpendicular to each other. If the material initially non-birefringent becomes birefringent due to mechanical stress, the directions of polarization of the main beams are the same as those of both principal mechanical stresses. Under stresses within the limits of Hook's law, the difference in the optical paths of the two main beams in the plate is given by the equation:

A = ^K<<T -<T₂) ^b kdeA = ^K << T - <T ₂ ) ^b where

K je fotoelastická konstanta materiálu, ^1 a^*2 jsou velikosti hlavních napětí a b je tlouštka destičky.K is the photoelastic constant of the material, ^ 1 and ^ * 2 are the magnitudes of the principal stresses and b is the thickness of the plate.

Také rozdíl indexů lomu odpovídajících hlavním paprskům je úměrný rozdíluAlso, the difference in refractive indices corresponding to the main beams is proportional to the difference

Potom např. u rotujícího disku 2 ^s rovnoběžnými čelními stěnami, tvořícího světlopropustný prostředek, je v důsledku napětí způsobeného odstředivými silami rozdíl velikostí obou hlavních napětí (radiálního a tečného) a tedy i rozdíl optických drah, úměrný druhé mocnině úhlové rychlostií*»'. Když na disk 2 necháme dopadat paprsek polarizovaného světla s rovinou polarizace svírající orientovaný úhel^?i'/4 s radiálou disku £ a za disk 2 zařadíme polarizační filtr 7_ s osou polarizace svírající s radiálou disku 6 rovněž orientovaný úhelThen, for example, in a rotating disk 2 ^with parallel front walls forming the light-transmitting means, the difference in magnitude of the two principal stresses (radial and tangential) and thus the optical path difference is proportional to the square of the angular velocity. When a disc of polarized light is incident on the disc 2 with a plane of polarization forming an oriented angle β1 '/ 4 with the radial of the disc 6 and after the disc 2 we include a polarization filter 7 with an axis of polarization

Gj[/4, prochází přes nerotující disk 6. a polarizační filtr 7_ na detektor 2 záření zářivý tok φ_θ, při rotaci disku 6 pak zářivý tok = φ (#^ ) , kde (Ti je velikost radiálního napětí v disku J5.G1 / 4 passes through the non-rotating disk 6 and the polarizing filter 7 onto the radiation detector 2 with a radiant flux φ _θ , while the rotation of the disk 6 then radiant flux = φ (# ^), where (T1 is the magnitude of radial voltage in disk J5).

Velikost napětí je úměrná druhé mocnině ctX a při d/= 0 je nulová. S rostoucím uf velikost se mění spojitě.The magnitude of the voltage is proportional to the square of ctX and at d / = 0 it is zero. With increasing uf size it changes continuously.

Pokud disk 6 je z materiálu vykazujícího anizotropii již v klidu, která se při rotaci disku mění, je v signálu detektoru 2 záření obsažena střídavá složka a střední hodnota v čase signálu detektoru 2 záření je opět funkcí úhlové rychlosti.If the disc 6 is of a material showing anisotropy already at rest, which changes when the disc is rotated, an alternating component is present in the radiation detector 2 signal and the mean value at the time of the radiation detector 2 signal is again a function of angular velocity.

Velikost výstupního signálu z detektoru 2 zářeni, který je uzpůsoben pro přijímání celého průřezu paprsku, je závislá na druhé mocnině úhlové rychlosti rotace disku 2· ^K měření úhlové rychlosti lze využít i skutečnost, že jeden z hlavních paprsků, takzvaný mimořádný paprsek, vybočuje a vystupuje z disku 2 v jiném místě, než takzvaný paprsek řádný. Vznik mimořádného parsku při roztočení disku 2 lze detekovat polohově citlivým detektorem 2 záření.The magnitude of the output signal from the radiation detector 2, which is adapted to receive the entire beam cross-section, is dependent on the square of the angular velocity of the disk rotation 2. ^The fact that one of the main beams, the extraordinary beam, from disk 2 at a location other than the so-called regular beam. The formation of an extraordinary wax when the disk 2 is spinning can be detected by a position-sensitive radiation detector 2.

Pro ilustraci je na obr. 1 nakreslen element 2 disku 2 ^a vyznačena osa rotace O a obě hlavní napětí σ\· <r₂. Osa polarizace 2 polarizačního filtru má sklon5Z/4 od radiály disku.By way of illustration, FIG. 1 shows the element 2 of the disk 2 ^and indicates the axis of rotation O and the two principal stresses σ \ · <r ₂ . The polarization axis 2 of the polarizing filter has an inclination of 5Z / 4 from the disk radial.

V obr. 2 je světelný paprsek postupující po optické dráze 2 ^ze zdroje záření 2 ^a procházející přes polarizační filtr 2 úo disku 2 ^a dále přes polarizační filtr T_ do detektoru záření 2· Průchodem klidným diskem 6, který nemá dvoj lomné vlastnosti, se paprsek neovlivní a je propuštěn druhým polarizačním filtrem 7_ na detektor záření 2· Při roztočení disku 2 ^seprojeví dvojlomnost jeho materiálu. Ve směru polarizačních os polarizačních filtrů 5 a 7_ odlišeném od směru hlavních napětí (7^ ^a (Tj propustnost disku 6 pro záření klesá. Na detektor zářeni 2 pak dopadá nižší zářivý tok. Zdroj záření 4_ může vydávat přirozené světlo. Použitím monochromatického koherentního záření účinnost celé metody roste.In Fig. 2, a light beam traveling along the optical path 2 ^from the radiation source 2 ^and passing through the polarizing filter 2 to the disk 2 ^and further through the polarizing filter T to the radiation detector 2 is not affected by the passage of the disc. and released a second polarizing filter 7_ to the radiation detector 2 · When you spin the disc 2 ^is reflected birefringence of the material. In the direction of the polarization axes of the polarization filters 5 and 7 different from the direction of the main voltages (7a ^and 6) ^{, the} transmittance of the radiation disk 6 decreases. The radiation detector 2 then receives a lower radiant flux. The whole method is growing.

Příkladné uspořádání snímače ve spojení se spřádacím rotorem je v obrázku 3, kde spřádní komora tvoří s kotvou 10 pohonného motorku rotor, uložený na čepu 11. Cep 11 je statorovou částí radiálního ložiska, jehož nezobrazená rotující část je uvnitř rotoru. Axiálně je poloha rotoru vymezena třecím kroužkem 12. Na rotoru je nasunut a s ním pevně spojen světlopropustný prostředek ve tvaru disku 2 ^z opticky dvojlomného materiálu. Disk 2 zasahuje do výřezu v hlavici 14, která je zasunuta do otvoru ve statorové cívce 15 pohonného motorku.An exemplary sensor arrangement in conjunction with a spinning rotor is shown in Figure 3, where the spinning chamber forms with the armature 10 of the drive motor mounted on a pin 11. The pin 11 is a stator portion of a radial bearing whose rotating portion not shown is inside the rotor. Axially, the position of the rotor is delimited by the friction ring 12. A light-transmissive disc-shaped means 2 ^of optically birefringent material 2 is pushed onto and fixed to the rotor. The disc 2 extends into a recess in the head 14 which is inserted into an opening in the stator coil 15 of the drive motor.

V detailu na obr. 4 je v řezu zobrazeno vnitřní uspořádáni hlavice 14, kde jsou dva vláknové světlovody 16, 17, tvořící na výstupu z hlavice 14 světlovodný kabel 18, který je vyveden na povrch spřádací jednotky. Na povrchu spřádací jednotky je světlovodný kabel 18 zakončen nezobrazeným optickým zařízením pro přenos optického signálu na optický měřicí systém pohybující se např. s obslužným automatem podél stroje a postupně měřícím úhlové rychlosti jednotlivých spřádních jednotek stroje. Optický měřicí systém pak obsahuje zdroj 4_ záření, polarizační filtry 5, T_ a detektor záření J3.In detail, FIG. 4 is a cross-sectional view of the inner configuration of the head 14, wherein there are two fiber light guides 16, 17 forming a light guide cable 18 at the outlet of the head 14, which is led to the surface of the spinning unit. On the surface of the spinning unit, the fiber optic cable 18 terminates with an optical device (not shown) for transmitting an optical signal to an optical measuring system moving e.g. The optical measuring system then comprises a radiation source 4, polarizing filters 5, T and a radiation detector 13.

Claims

A sensor for measuring the angular velocity of rotary motion, especially in high-speed rotors of open-end spinning machines, characterized in that it consists of a light beam source (4) and a radiation detector (8) sensitive to the intensity of radiant flux between them on an optical path (3) Polarizing filters (5, 7) are arranged in the light beam, furthermore, on the optical path (3) of the light beam between the polarizing filters (5, 7) there is arranged a light-transmitting disc (6) of optically birefringent amorphous material. element, when one or all of the parts of the optical path (3) of the light beam are formed by fiber light guides (16, 17).

2. Sensor according to claim 1, characterized in that the polarizing filters (5, 7) have a polarization axis parallel to each other and form an angle of 45 ° with the radial of the light-transmitting means (6) which intersects the light beam.

The sensor according to claim 1, characterized in that the polarizing filters (5, 7) have mutually perpendicular polarization axes, one of which forms a 45 ° angle with the radial of the light-transmitting means (6) and the other 135 °.