RU2290606C1 - Волоконно-оптический датчик угла поворота - Google Patents

Abstract

Устройство состоит из многомодового волоконного световода, механически соединенного с деталью, угол поворота которой требуется измерять, источника когерентного излучения, устройства ввода излучения в световод и телевизионной камеры, регистрирующей распределение интенсивности выходящего из световода излучения. При этом волоконный световод выполнен изогнутым в плоскости, перпендикулярной плоскости вращения, часть световода между источником излучения и началом изгиба, примыкающая к изгибу, выполнена прямолинейной, ось прямолинейной части волоконного световода располагается на расстоянии, максимально близком к оси вращения измеряемой детали. Технический результат - увеличение долговечности и надежности работы в условиях сильной задымленности, загрязненности воздуха частицами пыли и в сложных метеорологических условиях. 5 ил.

Description

Заявляемое устройство относится к измерительной технике, точнее к датчикам углов поворота, и может использоваться для определения угловых перемещений деталей, рычагов управления и других элементов в условиях сильных электромагнитных помех и больших загрязненностей воздуха.

В настоящее время известно большое число различных датчиков угла поворота, а также устройств аналогичного назначения - преобразователей "угол - код", устройств для измерения углов наклона, гироскопов. В частности, в России с 1994 по 2005 гг. запатентовано более 150 устройств аналогичного назначения. По принципу действия датчики можно разделить на следующие основные виды:

1) датчики индукционного типа, использующие вращающиеся трансформаторные обмотки;

2) фотоэлектрические датчики;

3) магнитоэлектрические датчики;

4) интерференционные датчики;

5) гироскопы.

К датчикам индукционного типа относятся, в частности, А.с. СССР №641481, кл. G 08 С 9/04, А.С. СССР №640347, кл. G 08 С 9/04, патенты РФ: №2003108801, №2003111935, №2235422, №2003101924, №2002123981, №2199086, №2148788, №2178868, №99108374, заявка ФРГ №2742782, кл. G 01 Р 3/48 и др. Принцип действия основан на изменении электродвижущей силы (ЭДС) при изменении взаимного расположения индуктивностей трансформатора. Большинство изобретений отличаются друг от друга какими-либо конструктивными особенностями, возможностью повысить точность измерений для каких-либо случаев и т.п. Основной недостаток датчиков указанного типа - невозможность их использования в условиях сильных электромагнитных помех, в частности в сильных СВЧ полях. В этом случае датчики данного типа не только могут давать неправильные результаты, но и сгореть вследствие нагрева.

Принцип действия фотоэлектрических датчиков основан на регистрации изменений оптических характеристик излучения при повороте определенных оптических элементов. Возможны различные варианты реализации таких устройств. Классическим устройством является система, состоящая из источника излучения, фотоприемника (фотоприемников), коллимирующей системы или системы световодов и диска, закрепленного на оси вращения с угловыми метками, например, в виде штрихов или углового двоичного кода. При повороте диска метки диска пересекают оптический луч и происходит изменение интенсивности излучения в заданном канале. Обзор фотоэлектрических приборов для измерения углов поворота приведен в журнале "Rev. franc, mec." (Samuel C. Mesure des angles de rotation par precedes photoelectriques: autocollimateur et torsiometre// Rev. franc. mec., 1979, №70, p.5-7), а также в книге Преснухина Л.И и др. (Преснухин Л.И. и др. Фотоэлектрические преобразователи информации. - М.: Машиностроение, 1974). К фотоизмерительным методам, в частности, относятся: А.с. СССР №684297, кл. G 01 В 11/00, А.с. СССР №665310, кл. G 08 С 9/00, G 01 В 7/30, А.с. СССР №641483, кл. G 08 С 9/06, А.с. СССР №643750, кл. G 01 В 19/00, пат. РФ №92006222, кл. G 01 B 11/00, пат. РФ №2120105, пат. Японии №54-14509, кл. 106 С 34 (G 01 В 11/02) и др. Датчики данного типа могут быть созданы с применением только диэлектрических материалов (вблизи диска). Следовательно, могут работать в условиях сильных электромагнитных помех. Однако такие системы требуют точной юстировки меток на диске относительно сколлимированных оптических пучков или относительно приемных световодов. Не всегда возможно конструктивно закрепить диск относительно требуемых элементов. Для качественной работы оптических элементов в условиях загрязненной или задымленной атмосферы, в сложных метеорологических условиях необходимо обеспечить защиту от пыли, грязи и т.п., то есть, фактически, требуется герметизация оптического блока, что не всегда возможно.

Магнитоэлектрические устройства, как правило, используют постоянные магниты (например, пат. РФ 2002131662, №97113364). Аналогично п.2, магнитные материалы не могут находиться в сильном электромагнитном или СВЧ поле, т.к. происходит их разогрев и последующая потеря магнитных свойства (при температуре выше точки Кюри).

Интерференционные методы основаны на использовании эффекта интерференции света на специальном оптическом элементе, как правило дифракционной решетке (например, пат. РФ №98114323, кл. G 01 В 9/02). Метод и устройства на его основе позволяют получить высокую точность измерений, но требуют высокой точности при юстировке оптической системы. Аналогично другим фотоэлектрическим датчикам для защиты от пыли, микрочастиц дыма, конденсации влаги и т.п. требуется герметизация оптических деталей в зоне измерений.

Лазерные гироскопы имеют другой принцип работы, основанный на эффекте Доплера, но позволяют измерять угол поворота одной детали относительно другой. Однако они предназначены для измерений изменения углового положения прибора в пространстве. Соответственно такой датчик будет регистрировать вращение всей системы. То есть лазерный гироскоп нельзя использовать для измерения угла относительного перемещения деталей, если вся конструкция изменяет свое угловое положение в пространстве.

Существуют датчики и с иными принципами действия, например резисторного типа (пат. РФ №2199756). Каждый из таких датчиков также обладает определенными достоинствами и недостатками, в частности, указанный датчик резисторного типа содержит электропроводящие элементы, соответственно не может использоваться в сильных электромагнитных полях.

Кроме запатентованных устройств и способов, из литературных источников известно свойство спекл-полей рассеяния на шероховатых поверхностях, которое можно использовать в качестве датчика перемещения, в частности углового перемещения, т.е. угла поворота. Данное свойство описано, например, в монографии М.Франсона (М.Франсон. Оптика спеклов. Пер. с франц. - М., Мир. 1980. - 171 с.) и заключается в следующем. Если освещать пластину с шероховатой поверхностью пучком когерентного излучения с шириной пучка w, то в дальней зоне дифракции (ДЗД) будет наблюдаться спекл-картина. При смещении пластины на расстояние ΔX≪w спекл-картина также сместится на расстояние ΔX, т.е. реализация такого способа, фактически, является датчиком линейного или углового перемещения. Однако устройство, основанное на данном принципе, обладает теми же недостатками, что и фотометрические или интерференционные датчики. Формально, пластинку с шероховатой поверхностью также можно рассматривать как диск со специальными метками, используемый в фотоэлектрических датчиках, но со случайным рельефом.

Что касается спекл-картины выходящего из волоконного световода (ВС) излучения, то вращение спеклов известно только в двух случаях. 1. Вращение спекл-картины при воздействии на световод сильного магнитного поля (Л.И.Ардашева, В.В.Аникеев, М.В.Большаков и др. Поворот спекл-картины в маломодовом оптическом волокне в продольном магнитном поле. // Оптический журнал, 2002, т.69, №7. - С.10-12). То есть данный эффект может использоваться только как датчик магнитного поля. 2. Вращение распределения интенсивности в интерферометре, где в качестве одного из плеч используется волоконный световод (В.И.Борисов, В.И.Лебедев, А.Н.Куканов. Спиральная интерференционная картина светового пучка, прошедшего многомодовое оптическое волокно. // Письма в ЖТФ, 1984, т.10, №5. - С.287-290). В этом случае происходит вращение "интерференционной спирали" при изменении температуры световода. Следовательно, такой датчик не может использоваться для измерения угловых перемещений.

За прототип принято устройство, описанное в патенте РФ №2116618, МПК 01 В 11/26, Голицын А.В. "Измеритель углов (варианты)", дата публикации - 1998.07.27. Измеритель углов в прототипе может быть использован в фотоэлектрических и визуальных приборах для измерения углов, угловых координат и угловых перемещений, основанных на методах геометрической оптики. Измеритель углов содержит тест-объект и оптическую систему, формирующую изображение тест-объекта в плоскости анализатора координат изображения, который измеряет линейные координаты изображения. Анализатором изображения может быть автоматическое фотоэлектрическое устройство или шкала для определения координат изображения оператором. Оптическая система построена так, что линейное положение формируемого изображения зависит от углового положения какого-либо или каких-либо элементов оптической системы, которые связаны с контролируемым объектом. Для одновременного увеличения точности и диапазона измеряемых углов анализатор содержит пространственно периодическую структуру, а тест-объект выполнен в виде пространственно периодической структуры, дополненной маркой. Периодическая структура анализатора может быть образована расположением фотоприемных областей или растром или участками выборки изображения в процессе его сканирования. Периодическая структура тест-объекта может быть образована набором излучателей или растром с системой подсветки. Марка выделяется из периодической структуры размерами или яркостью излучения или профилем пространственного распределения яркости или нарушения периода периодической структуры. Координаты марки дают обычный для таких устройств отсчет, а комбинационное взаимодействие периодических структур тест-объекта и анализатора формирует дополнительный отсчет нониусного типа.

Недостатком прототипа, как и других фотоэлектрических и интерференционных датчиков, является наличие оптических элементов, разделенных свободным пространством. Не всегда технически возможно обеспечить герметизацию оптической части устройства. Соответственно в условиях сильной запыленности, например, цементной или угольной пылью, возможности появления конденсата влаги на оптических деталях, задымленности и т.п. ухудшаются оптические характеристики системы и, как следствие, точность измерений. При сильном загрязнении оптических деталей, например линзы, или в случае заполнения свободного пространства дымом прототип, как и другие подобные приборы, потеряет работоспособность. При постепенном загрязнении оптических деталей уменьшается долговечность такого устройства.

Целью заявляемого изобретения является увеличение долговечности и надежности работы в условиях сильной задымленности, загрязненности воздуха частицами пыли и в сложных метеорологических условиях.

Поставленная цель достигается тем, что волоконный световод выполнен изогнутым с радиусом R в плоскости P₁, перпендикулярной плоскости вращения Р₂, часть световода между источником излучения и началом изгиба, примыкающая к изгибу, выполнена прямолинейной, длиной не менее 10 наружных диаметров защитной оболочки световода, причем ось вращения измеряемых углов поворота проходит через плоскость P₁; ось прямолинейной части волоконного световода располагается на расстоянии d, максимально близком к оси вращения измеряемой детали; изогнутый участок световода соединен с поворачивающейся частью механической конструкции на расстоянии Н от оси вращения, приближенно равном радиусу изгиба R, световод закреплен относительно имеющихся неподвижных механических конструкций в начале и в конце прямолинейного участка, а также после изгиба на расстоянии L_v, равном не менее 10...50 R; длина световода от изгиба до выходного торца L_T выбирается не более 5%...30% от паспортной длины установления равновесного модового распределения, но не менее L_v; угол поворота φ_R определяют исходя из угловой координаты φ_C максимального значения функции взаимной корреляции двух изображений, одно из которых соответствует нулевому или другому заданному углу поворота φ₀, а другое - углу поворота, который следует измерить; величина φ_C является приближенным значением φ_C, а более точное значение φ_R с учетом смещения d вычисляют решением уравнения относительно φ_R:

где α - угловое положение прямолинейного участка световода относительно оси ординат в плоскости Р₂;

общая длина световода выбрана меньше длины, при которой происходит уменьшение контраста спекл-структуры до 0,7...0,3.

Заявляемое изобретение поясняется 5-ю иллюстрациями. На фиг.1 приведена схема устройства: 1 - изогнутый (рабочий) участок световода, 2 - прямолинейный участок световода, 3 - участок световода от рабочего изгиба до точки крепления с неподвижной частью конструкции 7, 4 - точка крепления световода к поворачивающейся части конструкции, 5, 6 - точки крепления прямолинейного участка к неподвижным частям конструкции, 8 - лазерный источник излучения, 9 - устройство ввода излучения в световод, 10 - телевизионная камера, на фиг.2 - схема обозначений, на фиг.3 - примеры видеоизображений выходящего из волоконного световода излучения (спекл-картин) при трех различных углах поворота: 11-0°, 12-1°, 13-2°, на фиг.4 - пример рассчитанных функций взаимной корреляции изображений: 14-0,5°, 15-1°, 16-2°, 17-3°, 18-4°, на фиг.5 - экспериментально измеренная зависимость угла поворота спекл-картины от угла поворота гониометрического стола.

Принцип действия заявляемого датчика (измерителя) углового перемещения (угла поворота) основан на ранее не известном эффекте, который изложен ниже. Рассмотрим многомодовый волоконный световод, в который введено когерентное оптическое излучения. Излучение, выходящее из такого световода, представляет собой пятнистую картину, называемую спекл-картиной или спекл-структурой. Если световод изогнуть, то происходит изменение фаз интерферирующих волноводных мод и, как следствие, хаотическое перемещение пятен спекл-картины. Известно, что поля волноводных мод цилиндрически симметричных световодов можно представить в виде произведения радиальной и азимутальной зависимостей:

E_z(r,φ)=G(r)·W(φ)

Вид функции G зависит от азимутального l и радиального s индексов волноводной моды, функция W - только от азимутального индекса. Формально, с математической точки зрения, изгиб световода можно представить как функцию преобразования M_l,s(R), зависящую от радиуса изгиба световода R. Указанная функция описывает изменение фаз волноводных мод и перераспределение энергии между модами относительно начального участка до изгиба. Соответственно, если не изменяется радиус изгиба, форма и длина изогнутого участка, то не изменяется и функция преобразования волноводных мод. Если плоскость Р₁ в которой расположен изогнутый световод, повернуть на некоторый угол φ вокруг оси неизогнутого участка световода (фиг.1), то радиус изгиба световода не изменится (для описания сущности эффекта полагаем d=0). Однако изменится угол проекции плоскости P₁ на плоскость торца ВС на угол φ. Это означает, что преобразование M_{l, s}(R) будет выполняться для суммарного поля волноводных мод, повернутого на угол φ. Таким образом, поворот световода без изменения радиуса изгиба приводит к повороту спекл-картины выходящего излучения. На изогнутом участке ВС радиус изгиба может не быть постоянной величиной, важно только чтобы форма изгиба при повороте не изменялась. Следует отметить, что поворот спекл-картины без каких-либо изменений возможен только для идеализированного случая. Реально имеет место некоторая неоднородность показателя преломления, отклонение от круглой формы сердцевины световода, а также угловая неоднородность механических свойств защитной оболочки световода. Поэтому обычно поворот спекл-картины сопровождается некоторой ее трансформацией. Рассмотренный принцип действия является основой для создания заявляемого устройства - датчика угловых перемещений.

Увеличение надежности и долговечности работы в условиях сильной запыленности или задымленности обусловлено тем, что в зоне измерений нет открытых оптических элементов: излучение доставляется и преобразуется внутри световода, т.е. не контактирует с окружающей средой. Поэтому на работу датчика не влияет также образование конденсата влаги при эксплуатации в сложных метеорологических условиях.

Профиль показателя преломления (ППП) используемого световода не имеет существенного значения, можно использовать как световод со ступенчатым профилем показателя преломления, так и градиентный ВС. Диаметр сердцевины ВС также существенного значения не имеет: от 50 мкм до 1 мм и более. Можно также использовать световод 9/125 мкм на красной или более короткой длине волны - в маломодовом режиме. Однако точность измерений тем выше, чем меньше размер зерна спекл-структуры, т.е. чем больше диаметр световода. К расположению приемной телевизионной камеры относительно выходного торца ВС также строгих требований не накладывается. Расстояние от торца до фоточувствительной матрицы существенного значения не имеет - можно регистрировать изображения как в ближней зоне дифракции, так и дальней зоне. Осевое смещение камеры или неперпендикулярность относительно оси выходного торца световода также существенно не влияет на работу устройства. Важно только, чтобы воспринимаемое изображение содержало хотя бы несколько зерен спекл-структуры. Общая длина волоконного световода L также не имеет значения. Существенным является только требование к когерентности выходящего излучения, рассмотренное ниже, для создания контрастного изображения спекл-структуры. Однако расстояние от изогнутого участка (в дальнейшем "рабочего изгиба") до выходного торца световода L_T должно быть существенно меньше длины установления равновесного модового распределения. Иначе перераспределение энергии между модами и изменение между ними фазовых соотношений приведет вначале к уменьшению контраста максимума функции взаимной корреляции спекл-изображений, а затем и к невозможности использования данного метода и, соответственно, заявляемого устройства. Оценочной величиной максимально допустимой длины световода L_T от изгиба до выходного торца является 5%...30% от длины установления равновесного модового распределения L_R. В этом случае контраст уменьшается не более чем на половину от величины, достигаемой при L_T≪L_R. Общая длина световода выбрана меньше длины L_K, при которой происходит уменьшение контраста спекл-структуры до 0,7...0,3 вследствие нарушения временной когерентности выходящего излучения. Величина L_K зависит от длины когерентности лазерного источника и дисперсионных свойств световода. На практике угол поворота можно измерять и при меньшем контрасте спекл-структуры, например при 0,1. Однако точность измерений в этом случае снижается.

Величина радиус рабочего изгиба R не оказывает существенного влияния на работу устройства. Нужно только чтобы изгиб не вызывал больших дополнительных потерь и существенного перераспределения энергии между волноводными модами. Обычно для каждого конкретного световода указывается паспортное значение минимального радиуса изгиба, при котором сохраняются требуемые волноводные характеристики. Максимальная величина R, теоретически, ограничена только условием на общую длину световода: L_T≪L_R. Однако практически при большом радиусе изгиба, соответственно большой длине изогнутого участка, сложно обеспечить постоянство формы и радиуса изгиба при повороте, поэтому R выбирают не более 0,1...0,3 метра.

Важным требованием является прямолинейность участка 2 длиной не менее 10 наружных диаметров световода (по защитной оболочке). Иначе невозможно совместить ось вращения и ось световода (участок сложно считать прямолинейным) и определить линейное рассогласование осей - d. То есть может возникнуть дополнительный источник ошибки измерений.

Существенным требованием является также требование к расстоянию L_V. Так как при угловом повороте происходит перемещение участка световода после изгиба, то соответственно изменяются радиусы изгиба световода на промежутке между креплением световода к поворачивающейся части конструкции 4 и креплением световода 7. Чем больше L_V, тем меньше возникающие радиусы изгиба и тем меньше их влияние на точность измерений. В большинстве случаев конструктивно удобно, чтобы длина L_V была как можно меньше. Оценочной минимальной длиной L_V может служить величина 10...50 радиусов рабочего изгиба R. В этом случае предельный дополнительный угол поворота рассматриваемого участка ВС в 10...50 раз меньше измеряемого угла поворота. Поэтому, даже если изгиб световода происходит таким образом, что возникает эффект, аналогичный эффекту на участке рабочего изгиба, максимальная ошибка составляет 2%...10%. Чем больше длина L_V, тем меньше возникающая при повороте ошибка измерений. Теоретически, единственным ограничением является длина установления равновесного модового распределения (в соответствии с формулой изобретения), однако, на практике, сложно создать устройство с длиной L_V более нескольких метров. Если приемную телевизионную камеру механически связать с поворачивающейся частью конструкции, то длина L_V может быть даже нулевой, так как участок ВС от крепления 7 до выходного торца при повороте плоскости P₁ не будет изгибаться. Однако такое устройство не удобно для практического использования.

Как указано выше, угол поворота механической конструкции (детали) определяют на основании измерения угла поворота спекл-картины, регистрируемой телевизионной камерой. Одно из изображений считают реперной точкой, относительно которой измеряют смещение. Для малых углов поворота φ целесообразно выбрать отсчет от φ=0. Если I_φ=0(r, φ) - распределение интенсивности выходящего излучения при φ=0, где r, φ - координаты точки в полярной системе координат, а Iφ(r, φ) - распределение интенсивности при угле поворота, который требуется измерить, то функция взаимной корреляции изображений (ФВК) вычисляется по формуле:

Интегрирование осуществляется по всем точкам зарегистрированного изображения. Функция взаимной корреляции, фактически, характеризует насколько одно изображение похоже на другое со сдвигом Δr, Δφ. Так как имеет место поворот вокруг оси, максимум ФВК всегда достигается при Δr=0. Угловая координата максимума ФВК по углу φ (далее по тексту - φ_C) и является углом поворота одного изображения относительно другого, угловая полуширина ФВК характеризует угловой размер зерна спекл-структуры φ_S. Чем больше отношение μ - отношение значения ФВК в максимуме к значению ФВК при Δφ≫φ_S, тем выше точность измерений. Реально, при увеличении угла поворота уменьшается и соотношение μ. Поэтому, если необходимо обеспечить измерения в большом диапазоне углов поворота (φ_C≫φ_S) то необходимо использовать несколько реперных точек и соответствующих им изображений спекл-структуры. Это позволяет измерять углы поворота в пределах ±90° и более. Однако измеряемое значение угла поворота спекл-структуры может несколько отличаться от реального угла поворота механической конструкции вследствие невозможности совместить ось прямолинейного участка световода с осью поворота (вращения). При радиальном рассогласовании осей d угол изгиба световода в плоскости вращения не соответствует углу поворота (фиг.2): реально регистрируется угол поворота световода. Установим взаимосвязь этих величин. Пусть происходит поворот в плоскости вращения от угла φ₀ до угла φ_R. Тогда можно записать:

Реальные углы поворота световода γ (γ₀, γ₁) при этом определяются выражениями:

Выражения (4), (5) с учетом (1)-(3) можно записать в виде:

Разность указанных углов и является величиной, которая измеряется экспериментально. То есть:

Далее, для определения реального угла поворота надо решить уравнение (8) относительно φ_R, задав φ₀ и измерив φ_C по максимуму ФВК.

Следует отметить, что измерение относительно нулевого угла поворота, точнее относительно изображения спекл-структуры, соответствующей нулевому углу, возможно только в случае, если время поворота на измеряемый угол существенно меньше времени трансформации спекл-структуры вследствие температурных или других нестабильностей. Иначе необходимо осуществлять непрерывное измерение изменения угла поворота, а суммарный угол поворота определять исходя из разностей углов поворота ближайших друг к другу измерений. Желательным также является возможность периодической установки нуля измерительного устройства.

Заявляемое устройство было опробовано на экспериментальной модели. В качестве источника излучения использовался гелий-неоновый лазер на длине волны 0,63 мкм, в качестве приемника - телевизионная камера с разрешением 740×572. Испытания проводились на трех различных световодах - длиной 50 метров со ступенчатым ППП диаметром 200 мкм, длиной 5 м со ступенчатым ППП диаметром 400 мкм и длиной 50 м c параболическим ППП диаметром 50 мкм (50/125 мкм). Для ВС со ступенчатым ППП излучение вводилось без каких-либо дополнительных фокусирующих элементов под углом, равным 70% от апертурного угла относительно оси световода. Для ВС с параболическим ППП - по оси световода. Приемная матрица телевизионной камеры была расположена на расстоянии нескольких сантиметров от выходного торца ВС. Для ВС со ступенчатым ППП, имевших жесткую защитную оболочку, радиус изгиба был выбран 0,1 м, для параболического ВС - 0,05 м. Прямолинейный участок световодов, расположенный параллельно оси вращения на расстоянии 1...5 мм (2...5 мм для ВС со ступенчатым ППП и 1...3 мм для ВС с параболическим ППП) от этой оси, имел длину 0,05 м. Угол поворота изменялся с помощью гониометрического стола с точностью более 1 угловой минуты. Примеры полученных пространственных распределений интенсивности выходящего излучения для ВС с диаметром 200 мкм для трех углов поворота - 0°, 1°, 2° приведены на фиг.3. Были произведены расчеты функции взаимной корреляции между изображениями спекл-картин при нулевом угле поворота φ - I₀(r, φ) и других углах - I_k(r, φ), где k - номер изображения:

Зависимость F от Δr характеризует пространственный размер зерен спекла по радиусу, поэтому для рассматриваемой задачи интерес представляет только зависимость от Δφ, характеризующая угол поворота, т.е. F_k(Δr=0, Δφ). Далее обозначим эту функцию как F_φ(Δφ). Примеры указанных функций для различных углов поворота гониометрического стола представлены на фиг.4. Отсчет углов производился от φ=0. Аппроксимацией функций F_φ(Δφ) функцией Гаусса вблизи максимумов были рассчитаны координаты максимумов φ_С с точностью 0,01 градуса. Полученная зависимость поворота спекл-картины волоконного световода φ_C от угла поворота стола φ_R приведена на фиг.5. Как видно из графика, имеет место хорошая линейность зависимости Δφ(φ). Ее аппроксимация линейной функцией, проходящей через 0, по методу наименьших квадратов дает коэффициент пропорциональности 1,03 с дисперсией 0,01. То есть даже без учета смещения d оси световода относительно оси вращения полученная точность составила 3%. Точное значение смещения d не измерялось в связи с технической сложностью, однако оценочное значение для ВС со ступенчатым ППП составляет 2...5 мм, а коэффициент 1,03 при радиусе изгиба 0,1 м соответствует смещению оси 3 мм. Аналогичные результаты получены и на других волоконных световодах. Наибольший диапазон измеряемых углов и наибольшая точность и стабильность измерений из исследованных световодов были получены на ВС с диаметром 400 мкм с жесткой защитной оболочкой. Наихудший результат - точность менее 10% - на ВС 50/125 мкм с параболическим ППП с тонкой эластичной защитной оболочкой.

Основными достоинствами заявляемого устройства являются: 1) в зоне измерений устройство является полностью диэлектрическим, соответственно может работать в условиях сильных электромагнитных и СВЧ полей; 2) волоконный световод выполняет роль как самого датчика, так и устройств доставки излучения от источника к датчику и от датчика к видеокамере, т.е. конструкция имеет минимальное количество элементов, поэтому можно сказать, что имеет место упрощение конструкции; 3) в зоне измерений нет открытых оптических элементов, следовательно, устройство может эксплуатироваться в условиях сильной запыленности или задымленности (например, в цементном или мукомольном производстве), на открытых площадках в любых метеорологических условиях и т.п.; 4) не требует специальных калибровок и эталонов; 5) легко подключается к любой механической конструкции, поворот отдельных частей которой требуется измерить.

Claims (1)

1. Устройство для измерения углов поворота, состоящее из многомодового волоконного световода, механически соединенного с деталью, угол поворота которой требуется измерять, источника когерентного излучения, устройства ввода излучения в световод и телевизионной камеры, регистрирующей распределение интенсивности выходящего из световода излучения, отличающееся тем, что, с целью увеличения долговечности и надежности работы в условиях сильной задымленности, загрязненности воздуха частицами пыли и в сложных метеорологических условиях, волоконный световод выполнен изогнутым с радиусом R в плоскости P₁, перпендикулярной плоскости вращения P₂, часть световода между источником излучения и началом изгиба, примыкающая к изгибу, выполнена прямолинейной, длиной не менее 10 наружных диаметров защитной оболочки световода, причем ось вращения измеряемых углов поворота проходит через плоскость P₁, ось прямолинейной части волоконного световода располагается на расстоянии d, максимально близком к оси вращения измеряемой детали; изогнутый участок световода соединен с поворачивающейся частью механической конструкции на расстоянии Н от оси вращения, приближенно равном радиусу изгиба R, световод закреплен относительно имеющихся неподвижных механических конструкций в начале и в конце прямолинейного участка, а также после изгиба на расстоянии L_V, равном не менее 10-50 R, длина световода от изгиба до выходного торца L_T выбирается не более 5-30% от паспортной длины установления равновесного модового распределения, но не менее L_V, угол поворота φ_R определяют, исходя из угловой координаты φ_C максимального значения функции взаимной корреляции двух изображений, одно из которых соответствует нулевому или другому заданному углу поворота φ₀, а другое - углу поворота, который следует измерить, величина φ_C является приближенным значением φ_R, а более точное значение φ_R с учетом смещения d вычисляют решением уравнения относительно φ_R:

   

   где α - угловое положение прямолинейного участка световода относительно оси ординат в плоскости P₂;

   общая длина световода выбрана меньше длины, при которой происходит уменьшение контраста спекл-структуры до 0,7-0,3.

Images