RU2044264C1 - Optical displacement transmitter - Google Patents

Optical displacement transmitter Download PDF

Info

Publication number
RU2044264C1
RU2044264C1 SU5067678A RU2044264C1 RU 2044264 C1 RU2044264 C1 RU 2044264C1 SU 5067678 A SU5067678 A SU 5067678A RU 2044264 C1 RU2044264 C1 RU 2044264C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
optical
photodetector
focus
reflector
leds
Prior art date
Application number
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Т.И. Мурашкина
О.В. Преснякова
Original Assignee
Научно-исследовательский институт физических измерений
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Научно-исследовательский институт физических измерений filed Critical Научно-исследовательский институт физических измерений
Priority to SU5067678 priority Critical patent/RU2044264C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2044264C1 publication Critical patent/RU2044264C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Measurement Of Optical Distance (AREA)

Abstract

FIELD: contactless measurement of longitudinal displacements in 0-1000-mm range. SUBSTANCE: radiation receiver in the transmitter is installed in the focus of a collecting lens, four light diodes are positioned, correspondingly, in the focus of one of four collecting lenses so that their optical axes are set at an angle of α to the optical axis of a photodetector and converge in the direction of the reflector; the diffusion reflecting surface is positioned on a moving object. EFFECT: wider measuring range and higher accuracy of measurements.

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано при бесконтактном измерении продольных перемещений в диапазонах 0-1000 мм. The invention relates to instrumentation and can be used for non-contact measurement of longitudinal displacements in the ranges of 0-1000 mm

Известно устройство для измерения перемещений объектов [1] содержащее источник излучения, основную оптическую систему, формирующую первый пучок лучей, дополнительную оптическую систему, формирующую второй пучок лучей, два основных и дополнительный фотоприемники, блок преобразования информации. A device for measuring the displacement of objects [1] containing a radiation source, the main optical system forming the first beam of rays, an additional optical system forming the second beam of rays, two main and additional photodetectors, information conversion unit.

Недостатки устройства следующие:
при измерении больших (свыше 100 мм) перемещений устройство будет иметь большие габаритные размеры;
источник излучения должен быть достаточно мощным (лазер), т. е. будет значительна потребляемая мощность, кроме того, устройство практически не будет работоспособно в условиях воздействия механических факторов.The disadvantages of the device are as follows:
when measuring large (over 100 mm) movements, the device will have large overall dimensions;
the radiation source must be powerful enough (laser), i.e., the power consumption will be significant, in addition, the device will practically not be functional under the influence of mechanical factors.

Известен прибор для определения качества поверхности [2] содержащее осветитель, фоторезисторы, расположенные по дуге на внутренней поверхности корпуса, а осветитель установлен под углом к поверхности изделия. A known device for determining the quality of the surface [2] containing a illuminator, photoresistors located in an arc on the inner surface of the housing, and the illuminator is installed at an angle to the surface of the product.

Недостатки указанного прибора аналогичны, кроме того, точность измерения будет невысока из-за дискретности измерения перемещений. The disadvantages of this device are similar, in addition, the accuracy of the measurement will be low due to the discreteness of the measurement of displacements.

Известен датчик линейных перемещений [3] содержащий источник света, оптическую систему и два фотоприемника, симметрично расположенных относительно источника излучения. A known linear displacement sensor [3] containing a light source, an optical system and two photodetectors symmetrically located relative to the radiation source.

Недостатки следующие:
при измерении продольных перемещений изменение углового положения контролируемого объекта, на котором закреплен отражатель, приведут к значительной погрешности измерения;
прибор может быть применен для измерения небольших перемещений (не более 100 мм);
для расширения диапазона необходимо использование лазера.The disadvantages are as follows:
when measuring longitudinal displacements, a change in the angular position of the controlled object, on which the reflector is mounted, will lead to a significant measurement error;
the device can be used to measure small displacements (not more than 100 mm);
To expand the range, the use of a laser is necessary.

Известен оптический дальномер [4] содержащий оптическую передающую систему в виде источника света, установленного в фокусе линзы малого диаметра в зеркальной трубке малого диаметра, оптическую приемную систему в виде приемника излучения, установленного в фокусе линзы большого диаметра в зеркальной трубке большого диаметра. Known optical range finder [4] containing an optical transmitting system in the form of a light source installed in the focus of a small diameter lens in a small diameter mirror tube, an optical receiving system in the form of a radiation receiver installed in the focus of a large diameter lens in a large diameter mirror tube.

Основной недостаток дальномера следующий:
небольшой диапазон измерения из-за значительной потери светового потока, идущего от объекта к приемнику излучения на передающей трубке.The main disadvantage of the rangefinder is as follows:
a small measurement range due to a significant loss of light flux coming from the object to the radiation receiver on the transmitting tube.

Наиболее близким по конструктивному исполнению к изобретению является устройство для измерения перемещений [5] содержащее четыре источника излучения, установленных таким образом, что их оптические оси пересекаются в фокусе объектива, в котором расположен фотоприемник. The closest in design to the invention is a device for measuring displacements [5] containing four radiation sources, mounted in such a way that their optical axes intersect at the focus of the lens in which the photodetector is located.

Недостатки такого конструктивного исполнения следующие:
световой поток светодиодов распространяется в пределах некоторого апертурного угла (например, для светодиодов ЗЛ107Б 60о). Пройдя через объектив, световой поток светодиодов, установленных не в фокусе линзы, будет распространяться не параллельным пучком, а также в пределах некоторого апертурного угла, причем основная часть светового потока, отраженного от отражателя, не попадает на фотоприемник, а рассеется в пространстве. Указанное устройство для измерения больших перемещений использовано быть не может;
так как светодиоды излучают попарно, то угловые отклонения отражателя приведут к значительной погрешности измерения продольных перемещений;
Конструктивное исполнение устройства из-за конечных размеров светодиодов требует применения длиннофокусной линзы. Иными словами, продольные габариты устройства будут значительны, что с одной стороны само по себе существенный недостаток, а с другой стороны увеличивается путь, пройденный отраженным световым потоком до фотоприемника (т. е. снижается диапазон измерения).The disadvantages of this design are as follows:
The luminous flux of the LEDs extends within a certain aperture angle (for example, for LEDs ZL107B 60 о ). After passing through the lens, the light flux of the LEDs that are not in the focus of the lens will propagate not in a parallel beam, but also within a certain aperture angle, and the main part of the light flux reflected from the reflector does not fall on the photodetector, but is scattered in space. The specified device for measuring large displacements cannot be used;
since the LEDs emit in pairs, the angular deviations of the reflector will lead to a significant error in the measurement of longitudinal displacements;
The design of the device due to the finite size of the LEDs requires the use of a telephoto lens. In other words, the longitudinal dimensions of the device will be significant, which on the one hand is a significant drawback in itself, and on the other hand, the path traveled by the reflected light flux to the photodetector increases (i.e., the measurement range decreases).

Изобретение направлено на расширение диапазона измерения и повышение точности измерения продольных перемещений. The invention is aimed at expanding the measuring range and improving the accuracy of measuring longitudinal displacements.

Согласно изобретению в оптическом датчике перемещений, содержащем последовательно установленные фотоприемник и четыре светодиода, расположенных симметрично относительно его оптической оси, собирающую систему, в фокусе которой размещен фотоприемник и отражатель, предназначенный для закрепления на объекте, оптическая собирающая система выполнена в виде пяти линз, в фокусе соответственно четырех из которых расположены светодиоды таким образом, что их оптические оси направлены в сторону отражателя и образуют с оптической осью фотоприемника угол α. According to the invention, in an optical displacement sensor containing a photodetector in series and four LEDs arranged symmetrically with respect to its optical axis, a collecting system in focus of which a photodetector and a reflector are arranged to be mounted on the object, the optical collecting system is made in the form of five lenses, in focus respectively, of four of which the LEDs are located in such a way that their optical axes are directed towards the reflector and form a photodetector with the optical axis the angle α.

Угол α выбирается из следующих соображений. The angle α is chosen from the following considerations.

В начале диапазона измерения на фотодиод должен падать как можно меньший световой поток, а в конце диапазона как можно больший, что компенсирует резкое его затухание в пространстве с удалением контролируемого объекта. Отсюда следует, что угол α между оптическими осями источника излучения и приемника излучения должен быть сходящимся в конце диапазона измерения. At the beginning of the measurement range, as little light as possible should fall on the photodiode, and as large as possible at the end of the range, which compensates for its sharp attenuation in space with the removal of the controlled object. It follows that the angle α between the optical axes of the radiation source and the radiation receiver must be converging at the end of the measurement range.

Конечные размеры составных элементов конструкции также накладывают определенные требования к указанному углу. Для уменьшения поперечных размеров необходимо, чтобы источники и приемник излучения располагались как можно ближе друг к другу. Указанное расстояние зависит от внешних диаметров линз 2 и 4. The final dimensions of the structural components also impose certain requirements on the specified angle. To reduce the transverse dimensions, it is necessary that the radiation sources and receiver are located as close as possible to each other. The indicated distance depends on the outer diameters of lenses 2 and 4.

Для нахождения угла α рассмотрим треугольник Δ АВС. В нем сторона ВС равна контролируемому перемещению и, исходя из первого условия, ее максимальное значение соответствует диапазону измерения D. Размер стороны АС определяется размерами линз 2 и 4, d2 и d4 и расстоянием h между ближайшими точками их диаметров, который стремятся выбирать как можно меньше. Для малых углов (меньше 10о) с достаточной точностью можно принять
AC ≈

Figure 00000001
+
Figure 00000002
+ h (мм) (1)
Тогда
tgα
Figure 00000003
≈
Figure 00000004
+
Figure 00000005
+ h
Figure 00000006
/D
(2)
или
α ≈ arctg
Figure 00000007
+
Figure 00000008
+ h
Figure 00000009

(3)
d2 ≈ dпи, d4=2·fи·tg
Figure 00000010

(4) где fu фокусное расстояние линзы 4;
γ апертурный угол источника излучения,
dпи внешний диаметр приемника излучения,
h расстояние между ближайшими точками торцовых поверхностей линзы приемника излучения и линзы источника излучения.To find the angle α, we consider the triangle Δ ABC. In it, the side of the aircraft is equal to the controlled movement and, based on the first condition, its maximum value corresponds to the measuring range D. The size of the side of the speaker is determined by the size of the lenses 2 and 4, d 2 and d 4 and the distance h between the nearest points of their diameters, which they tend to choose as possible less. For small angles (less than 10 ° ), with sufficient accuracy, we can take
AC ≈
Figure 00000001
+
Figure 00000002
+ h (mm) (1)
Then
tgα
Figure 00000003
≈
Figure 00000004
+
Figure 00000005
+ h
Figure 00000006
/ D
(2)
or
α ≈ arctg
Figure 00000007
+
Figure 00000008
+ h
Figure 00000009

(3)
d 2 ≈ d pi, d 4 = 2 · f · tg and
Figure 00000010

(4) where f u the focal length of the lens 4;
γ aperture angle of the radiation source,
d pi the outer diameter of the radiation receiver,
h the distance between the nearest points of the end surfaces of the lens of the radiation receiver and the lens of the radiation source.

Окончательно имеем
α ≈ arctg

Figure 00000011
Figure 00000012
+ fи·tg
Figure 00000013
+ h
Figure 00000014

(5)
Размер h должен быть как можно меньше, его минимальный размер ограничивается способами крепления линзы. Если линзы завальцовываются, то h ≈1-1,5 мм.Finally we have
α ≈ arctg
Figure 00000011
Figure 00000012
+ f and tg
Figure 00000013
+ h
Figure 00000014

(5)
Size h should be as small as possible, its minimum size is limited by the methods of mounting the lens. If the lenses are rolled, then h ≈1-1.5 mm.

Так как D в рекомендуемом варианте лежит в пределах 300.1500 мм, то окончательно имеем

Figure 00000015
+ fи·tg
Figure 00000016
+ h
Figure 00000017
Figure 00000018
α
Figure 00000019
Figure 00000020
+ fи·tg
Figure 00000021
+ h
Figure 00000022

(6)
Расчетным путем установлено, что, чем больше диапазон измерения, тем меньше угол α.Since D in the recommended embodiment lies within 300.1500 mm, we finally have
Figure 00000015
+ f and tg
Figure 00000016
+ h
Figure 00000017
Figure 00000018
α
Figure 00000019
Figure 00000020
+ f and tg
Figure 00000021
+ h
Figure 00000022

(6)
It was established by calculation that the larger the measurement range, the smaller the angle α.

В рекомендуемом варианте α≈3о (в качестве источников излучения использовались светодиоды ЗЛ107Б, а в качестве фотоприемника фотодиод ФД-20-32К и собирающие линзы диаметром 14 мм с фокусом f 15,7 мм, при этом габаритные размеры оптоэлектронного узла составили 40 х 30).In the recommended version, α≈3 о (ZL107B LEDs were used as radiation sources, and the FD-20-32K photodiode and collecting lenses with a diameter of 14 mm and focus f 15.7 mm were used as a photodetector, while the overall dimensions of the optoelectronic assembly were 40 x 30 )

На чертеже приведена конструктивная схема датчика, поясняющая ход лучей и принцип работы датчика. The drawing shows a structural diagram of the sensor, explaining the path of the rays and the principle of operation of the sensor.

Датчик содержит приемник излучения 1, установленный в фокусе собирающей линзы 2, четыре светодиода 3, каждый из которых установлен в фокусе одной из четырех собирающих линз 4, диффузную отражающую поверхность 5, расположенную на перемещающемся объекте. The sensor contains a radiation receiver 1 mounted in the focus of the collecting lens 2, four LEDs 3, each of which is mounted in the focus of one of the four collecting lenses 4, a diffuse reflective surface 5 located on the moving object.

Датчик работает следующим образом. The sensor operates as follows.

Четыре световых потока всех светодиодов 3 одновременно параллельными пучками падают на отражающую поверхность 5 под углом α Отраженный суммарный световой поток поступает на приемник излучения, где преобразуется в электрический сигнал. При перемещении отражателя 5 вдоль оптической оси приемника излучения 1 изменяется интенсивность светового суммарного потока, поступающего от отражателя на приемник излучения. Four light fluxes of all LEDs 3 are simultaneously incident by parallel beams on the reflecting surface 5 at an angle α. The reflected total light flux arrives at the radiation receiver, where it is converted into an electrical signal. When moving the reflector 5 along the optical axis of the radiation receiver 1, the intensity of the total light flux coming from the reflector to the radiation receiver changes.

Предложенная конструкция датчика позволяет снизить погрешность, обусловленную угловыми отклонениями отражателя. Это объясняется тем, что уменьшение светового потока одного светодиода, поступающего на приемник излучения, отраженного от объекта, компенсируется увеличением светового потока другого светодиода. Суммарный световой поток, попадающий на фотоприемник, практически не меняется, но при этом должно выполняться условие n ≥ 4, где n количество светодиодов. В противном случае компенсация будет не полной. Так как основная часть светового потока, отраженного от объекта, сходится в направлении приемника излучения, то увеличивается интенсивность светового потока, поступающего на приемник излучения и соответственно чувствительность преобразования в сравнении с датчиком, в котором световой поток расходится или идет параллельным пучком, поэтому диапазон измерения будет больше. The proposed sensor design allows to reduce the error due to the angular deviations of the reflector. This is explained by the fact that a decrease in the luminous flux of one LED entering the radiation receiver reflected from the object is compensated by an increase in the luminous flux of the other LED. The total luminous flux incident on the photodetector practically does not change, but the condition n ≥ 4, where n is the number of LEDs, must be fulfilled. Otherwise, the compensation will not be complete. Since the main part of the light flux reflected from the object converges in the direction of the radiation receiver, the intensity of the light flux arriving at the radiation receiver and, accordingly, the conversion sensitivity are increased in comparison with a sensor in which the light flux diverges or goes in a parallel beam, so the measurement range will be more.

Claims (1)

ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащий последовательно установленные фотоприемник и четыре светодиода, расположенные симметрично относительно его оптической оси, оптическую собирающую систему, в фокусе которой размещен фотоприемник, и отражатель, предназначенный для закрепления на объекте, отличающийся тем, что оптическая собирающая система выполнена в виде пяти линз, в фокусе соответственно четырех из которых расположены светодиоды так, что их оптические оси направлены в сторону отражателя и образуют с оптической осью фотоприемника угол α, определяемых из соотношения
Figure 00000023

Figure 00000024

где dп . и диаметр фотоприемника;
γ апертурный угол светодиода;
fи фокусное расстояние линзы.OPTICAL MOVEMENT SENSOR, comprising a photodetector in series and four LEDs arranged symmetrically about its optical axis, an optical collecting system with a photodetector in focus, and a reflector designed to be mounted on the object, characterized in that the optical collecting system is made in the form of five lenses , in the focus, respectively, of four of which the LEDs are located so that their optical axes are directed toward the reflector and form a photodetector with the optical axis angle α, determined from the relation
Figure 00000023

Figure 00000024

where d p . and diameter of the photodetector;
γ aperture angle of the LED;
f and the focal length of the lens.
SU5067678 1992-10-06 1992-10-06 Optical displacement transmitter RU2044264C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU5067678 RU2044264C1 (en) 1992-10-06 1992-10-06 Optical displacement transmitter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU5067678 RU2044264C1 (en) 1992-10-06 1992-10-06 Optical displacement transmitter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2044264C1 true RU2044264C1 (en) 1995-09-20

Family

ID=21615821

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU5067678 RU2044264C1 (en) 1992-10-06 1992-10-06 Optical displacement transmitter

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2044264C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022093057A1 (en) * 2020-10-27 2022-05-05 Шамиль Шимагомедович ХАРХАРОВ Proximity switch

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. Авторское свидетельство СССР N 1067353, кл. G 01B 21/00, 1983. *
2. Авторское свидетельство СССР N 342112, кл. G 01B 17/00, 1970. *
3. Авторское свидетельство СССР N 1093889, кл. G 01B 11/00, 1984. *
4. Заявка Японии 59-24397, кл. C 01S 17/08, 1984. *
5. Авторское свидетельство СССР N 918783, кл. G 01B 11/00, 1980. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022093057A1 (en) * 2020-10-27 2022-05-05 Шамиль Шимагомедович ХАРХАРОВ Proximity switch

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4412746A (en) Optical noncontacting detector
CN108594257B (en) Speed measuring sensor based on Doppler effect and calibration method and measuring method thereof
US3658426A (en) Alignment telescope
KR890013458A (en) Surface roughness photodetection method and apparatus
US4689485A (en) Optoelectronic displacement measuring apparatus using color-encoded light
CN109342758B (en) Speed measuring sensor
CN201497810U (en) Laser ranging device
RU2044264C1 (en) Optical displacement transmitter
US4500200A (en) Electro-optic sensor for measuring angular orientation
CN216979280U (en) Optical fiber receiving module and laser radar detection system
JP2001183444A (en) Range finder
CN109084691B (en) Refractive displacement sensor and measuring method thereof
KR101868963B1 (en) Structure to the one direction over the distance by using the detected light
CN209027459U (en) The displacement sensor that amplification factor can be improved with refracting telescope
CN108369347B (en) Beam shaping unit, distance measuring device and laser lighting device
KR102017224B1 (en) Monostatic bidrectional focusing and collecting optics system for free space optical communications
CN111965769A (en) Coupling lens capable of realizing light incidence and light return detection
JP2009098003A (en) Vibration displacement detecting device and method of detecting displacement and vibration
RU2091762C1 (en) Reflectometer
CN109141257A (en) The displacement sensor and its measurement method that amplification factor can be improved with refracting telescope
CN220105289U (en) Laser distance measuring device
RU2164662C2 (en) Optical displacement transducer
CN215986473U (en) Compact laser radar optical system
RU2494356C2 (en) Remote vibration sensor
RU2156434C2 (en) Opticoelectronic converter for contact-free measurement of linear displacement and ( or ) diameter