RU1805291C - Преобразователь перемещений - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к контрольно- измерительной технике. Целью изобретени   вл етс  повышение точности за счет уменьшени  минимальной достоверно измер емой величины перемещени , определ ющей систематическую погрешность преобразовател . Сформированное оптической системой преобразовател  когерентное световое излучение раздел етс  на измерительный и опорный потоки, распростран ющиес  соответственно через одноименные одномодовые оптические волокна В 12 и 16 и затем вновь объедин емые в один поток, проход щий через элемент 20 визуализации интерференционной картины и щель (периодическую маску) 21 и воспринимаемый фотоприемником 23, выходной

Description

ел

С

00

о

СП

го ю

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

Изобретение относитс  к контрольно- измерительной технике к может быть использовано дл  измерени  различных перемещений.

Цель изобретени  - повышение точности измерений за счет уменьшени  минимальной достоверно измер емой величины перемещени , определ ющей систематическую погрешность преобразовател , ограничивающую нар ду с прочими факторами точность измерений..

На чертеже представлена структурна  схема электромагнитного преобразовател  перемещений.

Электромагнитный преобразователь перемещений содержит генератор 1, неподвижный сердечник 2 броневого типа с возбуждающей обмоткой 3, подключенной к выходу генератора 1, подвижный  корь 4. Якорь 4 выполнен в виде ферромагнитного диска и св зан с перемещающимс  объектом . Устройство содержит также источник 5 оптического излучени , расположенные по .ходу излучени  коллиматор 6 и первый светоделитель 7. Светоделитель 7 формирует измерительный и опорный потоки излучени  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 сопр женный с опорным и измерительным потоками излучени  9 и 8 соответственно и формирующий выходной поток 19 излучени . По ходу аыходного потока излучени  расположены элемент 20 визуализации интерференционной картины, экран 21 со щелью и собирающей линзой 22, фотоприемник 23 и

перемещающимс  объектом. Положительный эффект обеспечиваетс  использованием в качестве информационного параметра изменение фазы когерентного излучени  путем изменени  условий распространени  оптического пути последнего с помощью магнитострикционного эффекта. 1 ил.

амплитудный детектор 24. Источник излучени  выполнен когерентным. Фотоприемник 23 оптически сопр жен 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 , Возбуждающа  обмотка 3 запитываетс  синусоидальным током с частотой со: I l0sin cot от генератора 1. В магнитной системе сердечник 2 -  корь 4 возникает электромагнитное поле. Величину магнитного потока Ф, распростран ющегос  в магнитной системе, пренебрега  величинами магнитных сопротивлений сердечника 2. и

 кор  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 - измер ема  величина - рассто ние между сердечником 2 и  корем 4; //о - магнитна  проницаемость воздуха, fio -Ayf- Гн/м;

So - эффективна  площадь сечени  сердечника 2;

Фо -амплитуда магнитного потока Ф. От величины Ф можно перейти к величине напр женности магнитного пол  Н, согласно выражени м:

Н В//г0,,

где В - величина индукции магнитного пол :

Н

W

26

sin an.

Из выражени  (2) видно, что при изменении величины д измер емого перемещени  мен етс  напр женность Н в сердечнике 2. Под действием магнитного пол  происход т деформации участка 25, выполненного из магнитострикционного материала, помещенного в нерабочий воздушный зазор сердечника 2. Участок 25 сердечника 2 охвачен измерительным волокном 12, например волокно навиваетс  на магнитострикционный материал, причем от количества витков зависит чувствительность к деформаци м магнитострикционного материала. Деформации привод т к изменению длины оптического пути света, распростран ющегос  в измерительном волокне 12. Фаза световой волны с выхода измерительного волокна претерпевает гармонические изменени 

. Fs FsoSin cat + F s ,

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

СУ-.частота генератора 1,

FSO - амплитуда фазовой модул ции световой волны в измерительном волокне 12, пропорциональна  величине дизмер емого перемещени .

Свет от источника 5 оптического излучени , 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.

Дл  обеспечени  эффективного ввода излучени  в волокна 12 и 16 об зательно применение микропозиционеров 11 и 15 соответственно , так как диаметр сердцевины одномодового волокна составл ет 5-8 мкм. Опорное волокно 16 находитс  в стабильных внешних услови х, чтобы исключить или уменьшить дрейф фазы Fr на аыходе опорного волокна. Выходные объективы 13 и 17 превращают расход щиес  волновые фронты световых излучений, выход щих из измерительного и опорного волокон 12 и 16 соответственно, в плоские.

Светоделитель 18 применен дл  совмещени  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 детектируетс  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 - оптическа  мощность, попадающа  на приемную площадку фотоприемника, е - зар д электрона, а- глубина модул ции (контраст) интерференционной картины,

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

h - посто нна  Планка, V- частота излучени ,

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

Величину A F можно описать выражением Д F mlH, (4)

где m - коэффициент, завис щий от константы магнитострикции, напр женности посто нного пол  подмагничивани  в случае его необходимости (это зависит от типа примен емого магнитострикционного материала ), длины волны светового излучени  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 дизмер емого перемещени .

Величину сигнала U на выходе фотоприемника 23 можно описать выражением

U ki, где k - коэффициент преобразовани .

Амплитудный детектор 24 выдел ет ам- плитудное значение величины U сигнала с фотоприемникэ 23, которое согласно (6) обратно пропорционально измер емой 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 введени  участка 25. Во втором случае участок 25 представл ет собой каркас с лентой из метгласа. Необходимо отметить, что значение константы маг- нитострикции метгласов на один-два пор дка выше, чем у металлов, поэтому при- менение метгласов способствует дальнейшему уменьшению минимальной достоверно измер емой величины перемещени .

При практической реализации устрой- ства возникает р д проблем, св занных со снижением различного рода шумов (источников излучени , а также обусловленных процессами, происход щими при перемаг- ничивании магнитострикционного материа- ла 25, сердечника 2 и  кор  4, перепадами температур и вибраци ми).

Поэтому частоту а) генератора 1 желательно выбирать в диапазоне от 1 до 10 кГц (что  вл етс  оптимальным и дл  питани  индуктивных преобразователей), так как в этом диапазоне частот незначительны шумы лазеров и шумы, вызванные вли нием температуры и вибраци ми, которые про вл ютс  в более низкочастотном диапазоне.

Динамический диапазон устройства ограничен амплитудой фазовой модул ции А Рмакс л:/2. Однако, даже дл  АРмакс  /8при1о 20мА, W 500 витков, , I 2 м по формулам (4) и (2) величина (5Мин составл ет 180 мкм. При расчете в формулу (2) вместо losin он подставл лось эффективное значение ЭФФ U/ 2 . Максимально измер емое смещение дмжс ограничивает-

с  шумами различного рода, уровень которых зависит от конструкции преобразовател  перемещений в целом.

В работе подсчитана величина минимально детектируемой напр женность Нмин магнитного пол , котора  составл ет А/м дл  никел  и А/м дл  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 воздействи  внешнего магнитного пол .

. Ниже приведены значени  минимальной достоверно измер емой величины перемещени  , измер емой преобразователем при воздушном зазоре 50 между сердечником 2 и  корем 4, 5о1 0,1 мм и (5о2 1 м.

Величина Нмин зависит от конкретной реализации устройства в целом, в частности от типа примен емого магнитострикционного материала. Как видно из конкретного числового примера, величина описываемого преобразовател  на несколько пор дков меньше, чем у прототипа.

Величина Ад , приведенна  в числовом примере, не  вл етс  предельно достижимой дл  описываемого устройства.

Ее можно уменьшать и далее, если увеличивать габариты сердечника 2 и величину тока I, протекающего по обмотке возбужде ни  3. В случае, если не требуетс  высока  разрешающа  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 снижени  величины I тока протекающего по возбуждающей обмотке 3 сердечника 2.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Преобразователь перемещений, содержащий генератор, неподвижный сердечник броневого типа с возбуждающей обмоткой подключенной к выходу генератора, подвижный  корь, выполненный в виде ферро- магнитного диска и св зываемый с перемещающимс  объектом, источник оптического излучени , фотоприемник и амплитудный детектор, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности, он снабжен расположенными по ходу излучени  коллиматором, первым светоделителем, расположенными соответственно по ходу измерительного и опорного потоков излучени , 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 сопр женным с опорным и измерительным потоками излучени , расположенными по ходу выходного потока излучени ,

   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 излучени  выполнен когерентным, фотоприемник оптически сопр жен 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