RU2515339C2 - Method to measure linear movements - Google Patents
Method to measure linear movements Download PDFInfo
- Publication number
- RU2515339C2 RU2515339C2 RU2012100944/28A RU2012100944A RU2515339C2 RU 2515339 C2 RU2515339 C2 RU 2515339C2 RU 2012100944/28 A RU2012100944/28 A RU 2012100944/28A RU 2012100944 A RU2012100944 A RU 2012100944A RU 2515339 C2 RU2515339 C2 RU 2515339C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- photodetector
- distance
- output signal
- amplitude
- investigated object
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения линейных перемещений.The invention relates to measuring equipment and is intended for measuring linear displacements.
Известен способ измерения линейных перемещений («Волоконно-оптические измерительные преобразователи скорости и давления», М., Энергоатомиздат, 1987 г., стр.15), заключающийся в том, что направляют излучение на объект, измеряют отраженный поток излучения и по величине этого потока судят о перемещении.A known method of measuring linear displacements ("Fiber-optic measuring transducers of speed and pressure", M., Energoatomizdat, 1987, p. 15), which consists in directing radiation to an object, measuring the reflected radiation flux and the magnitude of this flux judge about moving.
Недостатком данного способа является относительно низкая точность измерений и недостаточный диапазон измеряемых перемещений.The disadvantage of this method is the relatively low accuracy of the measurements and the insufficient range of measured movements.
Известен также способ измерения линейных перемещений, реализуемый устройством, описанным в а.с. №1767327, МПК G01B 21/00, опубл. 07.10.1992 г. под названием «Оптический датчик перемещений», выбранный в качестве прототипа и включающий формирование подаваемого на поверхность исследуемого объекта потока светового излучения, регистрацию в фиксированной точке отраженного света, преобразование его в электрический сигнал, величину которого используют для определения расстояния от поверхности исследуемого объекта.There is also known a method of measuring linear displacements, implemented by the device described in A.S. No. 1767327, IPC G01B 21/00, publ. 10/07/1992, under the name "Optical displacement sensor", selected as a prototype and including the formation of a stream of light radiation supplied to the surface of the object under study, registration at a fixed point of reflected light, converting it into an electrical signal, the value of which is used to determine the distance from the surface the investigated object.
К недостаткам данного технического решения относится малый диапазон измеряемых перемещений, решения предназначены для измерения перемещений вблизи контролируемой поверхности, где амплитуда выходного сигнала с фотоприемника пропорциональна расстоянию до поверхности исследуемого объекта.The disadvantages of this technical solution include the small range of measured displacements, the solutions are designed to measure displacements near the surface to be monitored, where the amplitude of the output signal from the photodetector is proportional to the distance to the surface of the object under study.
Целью изобретения является расширение диапазона измерений линейных перемещений.The aim of the invention is to expand the range of measurements of linear displacements.
Это достигается тем, что в способе измерения линейных перемещений, заключающемся в формировании подаваемого на поверхность исследуемого объекта потока светового излучения, регистрации в фиксированной точке отраженного света, преобразовании его в электрический сигнал, величину которого используют для определения перемещения контролируемой поверхности Δx, согласно изобретению это перемещение определяют по формуле:This is achieved by the fact that in the method of measuring linear displacements, which consists in generating a stream of light radiation supplied to the surface of the object under study, registering the reflected light at a fixed point, converting it into an electrical signal, the magnitude of which is used to determine the displacement of the controlled surface Δx, according to the invention, this displacement determined by the formula:
где x0 - начальное расстояние от поверхности исследуемого объекта до фотоприемника;where x 0 is the initial distance from the surface of the investigated object to the photodetector;
U0 - амплитуда выходного сигнала с фотоприемника, соответствующая x0;U 0 is the amplitude of the output signal from the photodetector corresponding to x 0 ;
U - амплитуда выходного сигнала с фотоприемника, соответствующая Δx.U is the amplitude of the output signal from the photodetector corresponding to Δx.
Технический результат заключается в том, что удалось определить перемещение контролируемой поверхности в любой момент времени по выведенной формуле, для этого необходимо лишь измерить уровень выходного сигнала U с ФЭУ при помощи осциллографа, подав импульс с генератора на светодиод.The technical result consists in the fact that it was possible to determine the movement of the controlled surface at any time using the derived formula, for this it is only necessary to measure the level of the output signal U from the PMT using an oscilloscope, applying a pulse from the generator to the LED.
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».The presence in the claimed invention features that distinguish it from the prototype, allows us to consider it appropriate to the condition of "novelty."
Новые признаки (определение линейного перемещения, осуществляемое по формуле:New features (the definition of linear displacement, carried out by the formula:
где x0 - начальное расстояние от поверхности исследуемого объекта до фотоприемника;where x 0 is the initial distance from the surface of the investigated object to the photodetector;
U0 - амплитуда выходного сигнала с фотоприемника, соответствующая x0;U 0 is the amplitude of the output signal from the photodetector corresponding to x 0 ;
U - амплитуда выходного сигнала с фотоприемника, соответствующая Δx) не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».U is the amplitude of the output signal from the photodetector, corresponding to Δx) not detected in technical solutions of a similar purpose. On this basis, we can conclude that the claimed invention meets the condition of "inventive step".
На фиг.1 представлена блок-схема устройства, с помощью которого реализуется данный способ;Figure 1 presents a block diagram of a device with which this method is implemented;
На фиг.2 представлена общая зависимость напряжения с фотодетектора от расстояния до поверхности исследуемого объекта.Figure 2 presents the General dependence of the voltage from the photodetector on the distance to the surface of the investigated object.
Предлагаемый способ измерения линейных перемещений осуществляется с помощью устройства, состоящего из источника излучения по импульсной схеме, включающей генератор импульсов 1 и импульсный светодиод 2, осветительный световод 3 и приемный световод 4, связанные с импульсным светодиодом 2 и фотоприемником 7, предназначенным для работы в импульсном режиме и имеющим широкий диапазон линейности световой характеристики в импульсе, поверхности исследуемого объекта 5, интерференционного светофильтра 6, фотоприемника 7 и регистрирующего устройства 8 (например, осциллограф).The proposed method for measuring linear displacements is carried out using a device consisting of a radiation source in a pulsed circuit, including a
Способ осуществляется с помощью описанного устройства следующим образом.The method is carried out using the described device as follows.
Прямоугольный электрический импульс с генератора импульсов 1 подается на импульсный светодиод 2. Излучение от светодиода 2 по осветительному световоду 3 подается для освещения поверхности исследуемого объекта 5. Отраженный от исследуемой поверхности 5 сигнал по приемному световоду 4 поступает на фотоприемник 7, электрический сигнал с которого регистрируется осциллографом 8. Форма зарегистрированного осциллографом 8 импульса также прямоугольная. Для уменьшения паразитирующего внешнего сигнала, поступающего на фотоприемник 7, в линию световода 4 может устанавливаться интерференционный светофильтр 6, максимум пропускания которого совпадает с длиной волны максимума излучения светодиодаA rectangular electric pulse from a
Предполагается, что в процессе проведения измерений коэффициент отражения поверхности исследуемого объекта 5 не меняется. Общая зависимость напряжения с фотоприемника от расстояния до поверхности исследуемого объекта 5 имеет вид, показанный на фиг.2, здесь: OA - участок зависимости, на котором уровень сигнала пропорционален расстоянию до поверхности исследуемого объекта 5 - на данном участке работают рассмотренные аналоги; AB - участок зависимости с переходной характеристикой; BC - участок зависимости, на котором уровень сигнала обратно пропорционален квадрату расстояния до поверхности исследуемого объекта 5 - на данном участке работает описанное устройство для реализации способа.It is assumed that during the measurement process, the reflection coefficient of the surface of the investigated
Если рассматривать поверхность исследуемого объекта как вторичный излучатель, то в этом случае справедливо следующее соотношение:If we consider the surface of the studied object as a secondary emitter, then in this case the following relation is true:
где Ф - поток, падающий на фотоприемник;where f is the flux incident on the photodetector;
τ - коэффициент пропускания приемного волокна;τ is the transmittance of the receiving fiber;
L - яркость источника излучения - поверхности исследуемого объекта;L is the brightness of the radiation source - the surface of the investigated object;
Aи-ка - площадь источника излучения;A i-ka is the area of the radiation source;
Aвх - площадь приемного световода;A I - the area of the receiving fiber;
x - расстояние от поверхности до приемного световода.x is the distance from the surface to the receiving fiber.
Яркость вторичного источникаSecondary source brightness
где E - освещенность зондируемого участка;where E is the illumination of the probed area;
k - коэффициент, учитывающий закон излучения для поверхности [1/ср]. Так для источника, излучающего по закону Ламберта, k=1/π.k is the coefficient taking into account the law of radiation for the surface [1 / sr]. So for a source emitting according to Lambert's law, k = 1 / π.
Освещенность заданного участкаIllumination of a given section
где Физл - поток излучения на выходе осветительного световода - величина, зависящая в первом приближении только от мощности первичного излучателя и коэффициента пропускания осветительного световода;where Ф izl is the radiation flux at the output of the light guide — a value that, in a first approximation, depends only on the power of the primary emitter and the transmittance of the light guide;
A - площадь освещаемой поверхности исследуемого объекта, в данном случае эта площадь равна площади вторичного источника излучения A=Аи-ка.A is the area of the illuminated surface of the investigated object, in this case, this area is equal to the area of the secondary radiation source A = A and-ka .
Подстановка полученных данных в формулу (2) дает следующее выражениеSubstitution of the obtained data in the formula (2) gives the following expression
Из формулы (5) следует, что при постоянной мощности первичного излучателя Физл, неизменных параметрах оптической системы τ и Авх, а также при постоянных оптических характеристиках поверхности исследуемого объекта (коэффициент отражения ρ и коэффициент, учитывающий закон излучения k) поток, падающий на фотоприемник, зависит только от квадрата расстояния от излучателя до приемника.From (5) it follows that for constant power primary emitter F rad, constant parameters of the optical system of τ and A Rin and at constant optical characteristics of the surface of the object (reflection coefficient ρ and coefficient reflecting radiation law k) flux incident on photodetector, depends only on the square of the distance from the emitter to the receiver.
В свою очередь, амплитуда выходного электрического сигнала с фотоприемника также обратно пропорциональна x2 (в области линейности световой характеристики фотоприемника), т.к. является реакцией фотоприемника на данный поток и зависит только от чувствительности приемникаIn turn, the amplitude of the output electric signal from the photodetector is also inversely proportional to x 2 (in the region of linearity of the light characteristic of the photodetector), because is the response of the photodetector to a given stream and depends only on the sensitivity of the receiver
где Ф - поток, падающий на фотоприемник; S - чувствительность фотоприемника.where f is the flux incident on the photodetector; S is the sensitivity of the photodetector.
В случае линейного перемещения поверхности исследуемого объекта 5 в направлении, параллельном оптической оси системы, расстояние от поверхности исследуемого объекта 5 до торцов световодов 3 и 4 в каждый момент времени будет рассчитываться по формуле:In the case of a linear displacement of the surface of the investigated
где x0 - начальное расстояние от поверхности исследуемого объекта 5 до торцов световодов 3 и 4; ΔU=U/U0 - отношение амплитуд выходных сигналов с фотоприемника 7, соответствующих искомому и начальному моменту времени t0.where x 0 is the initial distance from the surface of the investigated
Пройденное поверхностью исследуемого объекта 5 расстояниеThe distance traveled by the surface of the investigated
До проведения измерений при помощи измерительных средств (например, линейки, штангенциркуля, плиток) определяется начальное расстояние x0 от поверхности исследуемого объекта 5 до торцов приемного и осветительного световодов 3, 4. При помощи осциллографа 8 определяется уровень выходного сигнала U0 с ФЭУ 7, соответствующего данному расстоянию x0. Before taking measurements using measuring tools (for example, a ruler, caliper, tiles), the initial distance x 0 from the surface of the
При проведении измерений в любой момент времени перемещение поверхности исследуемого объекта 5 может быть определено по формуле (1), необходимо лишь измерить уровень выходного сигнала U с ФЭУ 7 при помощи осциллографа 8, подав импульс с генератора 1 на светодиод 2.When taking measurements at any time, the displacement of the surface of the studied
Были проведены лабораторные исследования, показавшие работоспособность способа измерения линейных перемещений.Laboratory studies were performed that showed the operability of the method of measuring linear displacements.
Состав лабораторной установки, представленной на фиг.1:The composition of the laboratory setup shown in figure 1:
- генератор импульсов Tabor Electonics 8551, параметры импульса: U=3 B, τ=50 мкс;- Tabor Electonics 8551 pulse generator, pulse parameters: U = 3 B, τ = 50 μs;
- светодиод синий λmax=450 нм, Фλmax=40 мВт;- blue LED λ max = 450 nm, Ф λmax = 40 mW;
- световоды кварц-полимерные, ⌀жилы=0,65 мм, Na=0,3;- optical quartz-polymer fibers, conductors = 0.65 mm, N a = 0.3;
- ФЭУ СНФТ-3, линейность импульсной характеристики 1,5 А (RH=75 Ом);- PMT SNFT-3, linearity of the impulse response 1.5 A (R H = 75 Ohm);
- осциллограф Tektronix TDS 2024.- Tektronix TDS 2024 oscilloscope.
Установка была собрана на стенде, имеющем независимую отсчетную шкалу в миллиметрах и позволяющем контролировать расстояние от поверхности исследуемого объекта 5 до торцов световодов 3 и 4.The installation was assembled on a stand that has an independent reading scale in millimeters and allows you to control the distance from the surface of the investigated
Торцы осветительного и приемного световодов 3 и 4 были размещены на расстоянии от поверхности исследуемого объекта 5, равном 30 мм. В процессе исследований расстояние между световодами 3 и 4 и поверхностью исследуемого объекта 5 последовательно уменьшалось. При помощи шкалы измерялось расстояние от поверхности исследуемого объекта 5 до световодов 3 и 4. Соответствующий этому расстоянию уровень выходного напряжения с ФЭУ измерялся осциллографом 8.The ends of the lighting and receiving
Перемещение поверхности исследуемого объекта 5 Δx определялось двумя способами:The surface displacement of the investigated
- при помощи шкалы, расположенной на стенде Δxстенд;- using a scale located on the stand Δx stand ;
- по формуле (1) Δxрасчет.- according to the formula (1) Δx calculation .
Рассчитывалась погрешность измерений Δ по формулеThe measurement error Δ was calculated by the formula
В области работы устройства (участок BC на фиг.2) отличия в измерении перемещений абсолютным методом (при помощи шкалы) от предложенного расчетного способа (по формуле (1)) не превышали 3%.In the field of operation of the device (section BC in figure 2), the differences in the measurement of displacements by the absolute method (using the scale) from the proposed calculation method (according to formula (1)) did not exceed 3%.
Заявляемый способ позволил добиться расширения диапазона измеряемых перемещений благодаря новому алгоритму расчетов и использованию импульсной системы измерений.The inventive method has allowed to expand the range of measured displacements due to the new calculation algorithm and the use of a pulsed measurement system.
Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность осуществления способа измерения линейных перемещений и способность обеспечения достижения усматриваемого заявителем технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».For the claimed invention in the form described in the claims, the possibility of implementing a method of measuring linear displacements and the ability to achieve the technical result perceived by the applicant is confirmed. Therefore, the claimed invention meets the condition of "industrial applicability".
Claims (1)
где x0 - начальное расстояние от светоотражающей поверхности исследуемого объекта до фотоприемника;
U0 - амплитуда выходного сигнала с фотоприемника, соответствующая x0;
U - амплитуда выходного сигнала с фотоприемника, соответствующая Δx. A method of measuring linear displacements, which consists in forming a stream of light radiation supplied to the surface of the object under study, registering the reflected light at a fixed point, converting it into an electrical signal, the value of which is used to determine the distance from the surface of the object under study, characterized in that this distance is determined by the formula :
where x 0 is the initial distance from the reflective surface of the investigated object to the photodetector;
U 0 is the amplitude of the output signal from the photodetector corresponding to x 0;
U is the amplitude of the output signal from the photodetector corresponding to Δx.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012100944/28A RU2515339C2 (en) | 2012-01-11 | 2012-01-11 | Method to measure linear movements |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012100944/28A RU2515339C2 (en) | 2012-01-11 | 2012-01-11 | Method to measure linear movements |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012100944A RU2012100944A (en) | 2013-07-20 |
RU2515339C2 true RU2515339C2 (en) | 2014-05-10 |
Family
ID=48791599
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012100944/28A RU2515339C2 (en) | 2012-01-11 | 2012-01-11 | Method to measure linear movements |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2515339C2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU182813U1 (en) * | 2017-12-28 | 2018-09-04 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | FIBER OPTICAL SENSOR |
RU182811U1 (en) * | 2017-12-28 | 2018-09-04 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | FIBER OPTICAL SENSOR |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1599650A1 (en) * | 1988-10-24 | 1990-10-15 | Смоленский филиал Московского энергетического института | Transducer of linear displacements |
SU1767327A1 (en) * | 1990-12-25 | 1992-10-07 | Центр Научно-Технического Творчества Молодежи "Минск" | Optical displacement transducer |
RU2036418C1 (en) * | 1992-07-07 | 1995-05-27 | Научно-исследовательский институт механики и физики при Саратовском государственном университете | Device to determine thickness and optical properties of layers in process of their formation |
RU2279112C2 (en) * | 2004-09-27 | 2006-06-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет" ("ЛЭТИ им. В.И. Ленина") (СПбГЭТУ) | Fiber-optic sensor system |
JP2011017552A (en) * | 2009-07-07 | 2011-01-27 | Oputouea Kk | Device for detecting multipoint displacement |
-
2012
- 2012-01-11 RU RU2012100944/28A patent/RU2515339C2/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1599650A1 (en) * | 1988-10-24 | 1990-10-15 | Смоленский филиал Московского энергетического института | Transducer of linear displacements |
SU1767327A1 (en) * | 1990-12-25 | 1992-10-07 | Центр Научно-Технического Творчества Молодежи "Минск" | Optical displacement transducer |
RU2036418C1 (en) * | 1992-07-07 | 1995-05-27 | Научно-исследовательский институт механики и физики при Саратовском государственном университете | Device to determine thickness and optical properties of layers in process of their formation |
RU2279112C2 (en) * | 2004-09-27 | 2006-06-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет" ("ЛЭТИ им. В.И. Ленина") (СПбГЭТУ) | Fiber-optic sensor system |
JP2011017552A (en) * | 2009-07-07 | 2011-01-27 | Oputouea Kk | Device for detecting multipoint displacement |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU182813U1 (en) * | 2017-12-28 | 2018-09-04 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | FIBER OPTICAL SENSOR |
RU182811U1 (en) * | 2017-12-28 | 2018-09-04 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | FIBER OPTICAL SENSOR |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2012100944A (en) | 2013-07-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP0983486B1 (en) | Distributed sensing system | |
CN102739311B (en) | Fiber failure positioner and localization method thereof based on chaos visible laser | |
CN103197322B (en) | Ranging method and ranging system of femtosecond laser frequency comb synthesis wave interference | |
CN102589748B (en) | Environmental temperature measurement method based on optical fiber Rayleigh and Brillouin principle | |
CN105891434A (en) | Seawater salinity online detection method and device | |
CN102252791B (en) | Differential pair grating demodulating technology for fiber grating sensor stress measurement | |
CN108955655B (en) | Optical receiver, method and storage medium for determining position and/or orientation | |
CN102506916B (en) | Distributed sensor network using weak reflection fiber Bragg grating (FBG) and precise positioning method of each FBG | |
CN101794506B (en) | Method and device used for data calibration in distributed type optical fiber temperature sensor | |
RU2515339C2 (en) | Method to measure linear movements | |
CN104237696A (en) | Optical detection set and method for detecting dynamic frequency response of piezoelectric ceramic | |
CN105783738B (en) | A kind of measurement method of increment type small-range displacement sensor | |
CN102589483A (en) | Method and device for sensing angular displacement of reflective differential intensity modulating optical fiber | |
CN204594416U (en) | Modified cascade notch cuttype corner reflector laser interferometer | |
KR20160005847A (en) | Fiber Optic Raman OTDR with Fiber Bragg Gratings for Simultaneous Measurement of Temperature and Strain and Method for Sensing thereof | |
CN105910537A (en) | Novel symmetric small measurement range displacement sensor and measuring method | |
JP2001033209A (en) | Range finder | |
CN105783740B (en) | A kind of measurement method of alternately increment type measurement micro-displacement sensor | |
CN209559469U (en) | Distribution type fiber-optic loss measurement system based on Raman scattering | |
Jafari et al. | Fibre position effects on the operation of opto-pair fibre displacement sensors | |
Sun et al. | Simultaneous measurement of vibration amplitude and rotation angle based on a single-channel laser self-mixing interferometer | |
CN101799548B (en) | All-fiber velocity measurement system and phase velocity measurement method | |
KR20110137955A (en) | 3-demensional measureing system using a noncontact type probe simultaneously | |
Saimon et al. | A low-cost fiber based displacement sensor for industrial applications | |
JP2009098003A (en) | Vibration displacement detecting device and method of detecting displacement and vibration |