SU1411573A1 - Датчик перемещений - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к средствам контрольно-измерительной техники и быть использовано дл  регистрации параметров колебательных процессов В механических системах. Цель изобретени  - повышение точности контрол  за счет уменьшени  погрешности регистрации смещени  луча света, зеркально отраженного от объекта контрол . Это достигаетс  включением в оптическую многоканальную схему регистрации зеркально отраженного от контролируемого объекта света пол ризаторов с взаимно ортогональными ос ми пол ризации и выполнением фотоприемника в виде последовательно св занных сумматора, анализаторов и фотоэлектронных преобразователей. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

ел

оо

Изобретение относитс  к средствам контрольно-измерительной техники и может быть использовано дл  регистрации параметров колебательных процес- сов в механических системах.

Целью изобретени    л етс  повышение точности контрол  за счёт уменьшени  погрешности регистрации смещени  луча света, зеркально отраженного от объекта контрол .

На фиг. 1 представлена структурна  схема датчика перемещений; на фиг. 2 - схема датчика с возможностью определени  интегрального перемещени  частей; на фиг. 3 - схема датчика дл  измерени  относительных перемещений объекта; на фиг. 4 - схема датчика дл измерени  прот женных объектов.

Датчик перемещений (фиг. 3) состо ит из источника 1 монохроматического светового потока, светоделител  2, закрепленного внутри датчика отражател  3, пол ризаторов 4 и 5 со взаим- 1но ортогональными ос ми пол ризации, |внешних отражателей 6 и 7, внутренне- |го отражател  8, сумматора 9 световых потоков, анализаторов 10 и IT, фотоприемников 12 и 13 и корпуса 14. При этом измер ютс  перемещени  объек-. гга 15.

I

Источником 1 монохроматического светового потока может быть свето- риод, лазер или лампа накаливани  со светофильтром. Светоделитель 2 - стекл нна  пластинка, плоско направ- пенна , установленна  под,углом к входному световому потоку, В зависимости от угла часть светового потока (отражаетс , а друга  часть проходит сквозь пластинку.

: Пол ризаторы 4 и 5 и анализаторы 10 и 11 - органические пленки. Которые пропускают световой поток с электрическими колебани ми, направ- Йенными вдоль их оси пол ризациц.

Сумматор представл ет собой полу- йрозрачное зеркало, отражающее световой поток, попадающий на него с одно стороны, и пропускающее световой поток , попадающий на него с другой стороны . Полупрозрачное зеркало устанав пиваетс  так, что отраженный и прошедший световые потоки складываютс  и распростран ютс  вдоль одного на- правлени , и одна половина этого потока проходит через первый, и втора  через второй анализаторы.

o

5

0 5 о

0

5

Фотоприемники 12 и 13 представл ют собой фотодиод или фотоумнЬжитель, отражатели 3, 6 - 8 - зеркала с неметаллическими покрыти ми, чтобы не измен ли пол ризацию отраженного светового потока.

Корпус 14 вьшолнен непрозрачным с дл  выход щих и вход щих световых потоков.

Отражатель 6 установлен в точке контрол  перемещени  объекта 15 исследовани , а отражатель 7 закреплен неподвижно относительно корпуса 14 датчика, но вблизи отражател  6 на рассто нии, превышающем возможное перемещение объекта.

Дл  определени  интегрального перемещени  частей контролируемого объекта датчик перемещений (фиг. 2) содержит п (по числ у п измер емых точек объекта) последовательно включенных пар отражателей, причем первые отражатели 6, 6,...,6„ каждой пары установлены на объекте исследовани , а вторые отражатели 7, 7,...,7j, закреплены вне объекта исследовани .

Датчик перемещений дл  измерени  m относительных перемещений (фиг. 3) содержит источник 1 -монохроматического светового потока, светоделитель 2, отражатель 3, пол ризаторы 4 и 5, отражатели б,...,6, закрепленные в первых неподвижных точ- ках объекта 15, внутренние отражатели 8,...,3, светосумматоры 9,..., 9, анализаторы 10,...,10, 11,,.., 11, фотоприемники 1 2 , . .., 12, 13 -I, .. . , 13.

Кроме того, датчик содержит .отражатели 16 , . . ., 16.JJ, закрепленные на корпусе 14, отражатели 7,,..,7, закрепленные в других неподвижных точках объекта 15, по отношению к которым измер етс  разность перемещений точек, где установлены отражатели 6, 6/1,...,6 и линейки светоделителе й 13 , . . ., 18 ,„ и 19 , .. ., 19j.

Датчик перемещений с возможностью контрол  прот женных объектов (фиг.4) содержит также коллиматор 20 и два непрозрачных корпуса 21 и 17с окнами , причем во втором из них помещены отражатели 8, сумматоры 9, анализаторы 10 и 11 и фотоприемники 12 и 13.

Светоделитель 2 установлен так, что делит на равные части световой монохроматический поток источника 1.

31

Первый выход делител  2 оптически св зан.с входом первого пол ризатора 4, а второй выход через отражатель 3-е входом второго лол ризатора 5.

В датчике перемещений (фиг. 1) выходы пол ризаторов 4 и 5 соответственно оптически св заны с отражател ми 6 и 7, последний из которых непосредственно , а отражатель 6 через внутренний отражатель 8 оптически св заны с соответствующими входами сумматора 9, выход которого, з свою очередь, оптически св зан с анализаторами 10 и 11 и далее с фотоприемниками 1 2 и 13 .

Дл  определени  интегра:льного перемещени  точек объекта (фиг. 2, 6,- 6,) выход пол ризатора 4 оптически св зан с внутренним отражателем 3 последовательно через отражатели 6.,7, 6„,7л,б5, а выход пол ризатора 5 оптически св зан с соответствующим входом сумматора 9 через отражатель 1.

Отражатели 7« установлены неподвижно вне объекта исследовани .

При измерении относительных перемещений контролируемого объекта в датчике перемещений (фиг.. 3) выход пол ризатора 4 оптически св зан с входом первого делител  18 в первой линейке делителей. Первый выход делител  13 оптически св зан с входом следующего делител  13 и так последовательно соединены все делители 18 линейки - первый выход предьщущего дeлитeJIЯ 13. оптически св зан с входом последующего делител  18ц+1 . Вторые выходы делителей 18 , ..., 13 линейки оптически св заны через соответствующие отражатели 6 ,,...,6 на исследуемом объекте 15 и отражатели 3,..., первыми входами сумматоров 9,,...,9 светового потока.

Делители 18,. . ., 13, в линейке -установлены под таким углом, что дел т вход щий на линейку световой поток на равные части в зависимости от числа делителей.

Выход пол ризатора 5 оптически св зан с входом первого делител  19,, в другой линейке, котора  аналогична первой. Вторые вькоды делителей 19 , ..., 19д, оптически св заны через отражатели 16,..., вторыми входами сумматоров 9,... ,9 оптических потоков.

Отражатели 6,..., 7,...,7, установлены в исследуемых.точках

73

объекта 15 исследовани , отражатели З.,,..., 16,...,16 закреплены жестко относительно корпуса 14 датчика , причем отражатели 3,...,3 и сумматоры 9 , ... ,9 установлены так, что входные световые потоки, слага сь в сумматорах 9,,...,9|, однонаправлены, и первые половины световых потоков

попадают на первые, а вторые на вторые анализаторы в парах.

Отражатели и делители выбираютс  из услови  посто нства пол ризации входных выходных световых потоков.

Выходы сумматоров 9,...,9 оптически св заны попарно с входами пар анализаторов, соответственно, 10.j, ...,10 и 11,,...,11,„, 9, с 10 и 11, , 9 с 10 и 11,, 9з с 10j и 11j

и т.д. 9„с 10 „и 11, которые установлены так, что по площади световые потоки с сумматоров дел тс  на равные части на анализаторах. Оси пол ризации анализаторов 10, . .., 10 составЛЯ1ЭТ угол 45 относительно плоскостей пол зирации вход щих световых потоков на сумматоры 9i ,... 9. Анализаторы 11 ,..., 11 j установлены так, что их оси пол ризации составл ют угол 57

относительно осей пол ризации анализаторов 10д,...,10.

Датчик перемещений работает следующим образом.

1 светового потока излучает направленный монохроматический световой поток с круговой пол ризацией на светоделитель 2. Последний делит световой поток на две равные составл ющие , одна из которых поступает на пол ризатор 4, а втора  через отражатель 3 - на пол ризатор 5. Поскольку оси пол ризации пол рчзато- ров 4 и 5 взаимно перпендикул рны, пол ризаторы 4 и 5 вьщел ют плоскопол ризованные световые потоки, плоскости пол ризации которых взаимно перпендикул рны.

Плоскопол ризованный световой поток с выхода пол ризатора 4 попадает через окно в корпусе 14 датчика, отражатель 6, закрепленный на объекте 15 исследовани , окно в корпусе 14 и отражатель 8 на первый вход сумматора 9 световых потоков.

Плоскопол ризованный световой по-

ток с выхода пол ризатора 5 с плоскостью пол ризации, перпендикул рной плоскости пол ризации светового потока с выхода пол ризатора 4, через окно

в корпусе 14 датчика, отражатель 7, неподвижно закрепленный относительно корпуса 14 датчика вблизи (но на рассто нии , превышающем возможное перемещение объекта) отражател  6, поступает на второй вход сумматора 9 световых потоков. С выхода сумматора 9 результирующий световой поток поступает на анализаторы 10 и 11, которые дел т суммарный световой Лоток по сечению на две равные составл ющие. Оси пол ризации их сдвинуты относительно

.друг друга на угол 67 и ось пол ризации анализатора 10 составл ет угол 45 с ос ми пол ризации пол ризаторов , а значит, -и с плоскост г-ш пол ризации составл ющих светового потока поступающих на вход анализатора 10. Поэтому при различном сдвиге фаз составл ющих светового потока, поступаю- щих на вход анализаторов 10 и 11, последние пропускают лишь составл ющую, плоскость пол ризации которой совпадает или близка к оси пол ризации анализатора 10 или 11. Яркость выходного светового потока с анализаторов 10 и 1-1 измен етс  в соответствии с изменением сдвига фаз составл ющих входного светового потока. С выхода анализатора 10 световой поток поступает на вход фотоприемника 12, а с выхода анализатора 11 - на вход фотоприемника 13.

В исходном состо нии объект 15 неподвижен и дл  определенности будем считать, что оптические пути составл ющих световых потоков анализаторов 4 и 5 до сумматора 9 таковы, что сдвиг фаз мелоду составл ющими равен 0 Кроме этого, ось анализатора установлена tak, что при сдвиге фаз 0° све- топропускание анализатора максимально и сигнал с фотоприемника 12 максимален . При перемещении объекта 15, а с ним и отражател  6 так, что изменение длины пути светового потока с пол ризатора 4 составл ет половину длины волны Л/2 источника 1 светового потока, прошедший через анализатор 10 световой поток измен етс  до минимума и снова возрастает до максимума.

.1

При изменении длины пути светового потока на Д фаза измен етс  на 360, при этом световой поток после анализатора 10 измен етс  от минимума до максимума дважды и дважды измен етс  сигнал на выходе фотоприемника 12.

5

0

5

0

5

0

5

0

5

Аналогично измен ютс  световой поток на выходе анализатору 11 и сигнал на выходе фотоприемника 13, но со сдвигом и запаздыванием на 67 относительно сигнала с фотоприемника 12.

При перемещении в другую сторону объекта 15 запаздывание сигнала с фотоприемника 13 мен ет знак, т.е. по знаку сдвига сигнала фотоприемника 13 относительно сигнала с фотоприемника 12 суд т о направлении перемещени  объекта 15, а по числу максимумов сигнала фотоприемника 12 суд т о величине перемещени .

На точность измерени  перемещений объекта 15 вли ет относительное изменение оптической длины пути световых потоков от двух пол ризаторов 4 и 5. Дп  уменьшени  этой погрешности их делают близкими за счет установки отражател  7 вблизи отражател  6, но на рассто нии, превышающем амплитуду ожидаемого перемещени  объекта.

Дл  измерени  интегральных пере- .мещений (фиг. 2) устанавливают дополнительно отражатели 7,j, 73, неподвижные относительно корпуса 14 датчика , и отражатели 6, 6j на объекте 15 с сохранением оптической св зи выхода пол ризатора 4 с входом сумматора 9 световых потоков. В этом случае получаем на выходе датчика сигнал, пропорциональный алгебраической сумме перемещений точек объекта 15, в которых закреплены отражатели .. Точек интегрированного замера может быть больше 6 .),...,6 ,, ,« Их количество определ ет количество пар этих отражателей и расходимость светового потока источника 1 .

Таким образом, датчик перемещений позвол ет измер ть перемещени  объекта исследований с точностью до Д/2, причем позвол ет измер ть алгебраическую сумму перемещений нескольких точек объекта.

По сравнению с известным точность предлагаемого датчика выше, его функциональные возможности расширены за счет измерени  алгебраической суммы перемещений, динамические характеристики датчика улучшены за счет уменьшени  перемещаемых масс (лишь массы отражателей, закрепленных на объекте исследовани ), возмущени  в движение объекта исследовани  практически не

внос тс  (сн ты напр жени  дл  создани  давлени  в жидкости),

При и мерении относительных перемещений датчик перемещений (фиг. 3) работает следующим образом.

В исходном состо нии световой поток источника 1, разделенный на две равные составл ющие делителем 2, попадает на входы пол ризаторов 4 и 5, которые выдел ют плоскопол ризованные световые потоки вдоль их осей пол ризации. Выходные взаимно перпендикул рно пол ризованные световые потоки с выходов пол ризаторов 4 и 5 попадают на линейки делителей световых потоков 13,..., 19,..., 19 , где разд ел ютс  на две равные части в зависимости оч количества делителей. Световой поток пол ризатора 4 с делителей 18,,..., 18 через отражатели 6,,..,,6 на объекте 15 и отражатели 8 , ... ,3 ,у, попадает на равные входы сумматоров 9,.,., 9. На вторые входы этих сумматоров поступают световые потоки пол ризатора 5 через делители 19. ,..., 19., отражатели 16,,..., закрепленные на объекте 15 отражатели 7,...,

7тТаким образом, на входы сумматоров 9,... ,9ffi поступают взаимно перпендикул рно пол ризованные световые потоки равной величины, отраженные

от отражателей 6... ,

7f, закрепленных в разных точках объекта 15 исследовани . Сумматорами 9 J,,. . ,9 ( они слагаютс  и одновременно анализируютс  анализатора и 10, . .., 10 р,и 11 1, ..., lip,. С выходов этих анализаторов световые потоки поступают на входы фотоприемников 12,,..., 13,,...,13.

При изменении оптической длины пути по одному из входов одного из сум- маторов У,...,9 относительно оптической длины пути светового потока по другому входу того же сумматора измен етс  сдвиг фаз составл ющих выходного светового потока сумматоров. Это вызывает.вращение плоскости пол ризации результирующего светового потока , которое фиксируетс  анализаторами 10 ,...,10 и 11 ,.. ., 111.. На выходе этих анализаторов мен етс  амплитуда светового потока, а значит сигнал на выходе фотоприемниксГв 12,, ...,12 и 13,,..., 13. Причем из-за установки анализаторов ,10 ,,..., 10 iri

:

115738

со сдвигом их осей пол ризагц ш на

,--,0

о/ относительно осей пол ризац)1и

соответственно анализаторов t I , .. .., 11 сигнал на выходе фотоприемников 13,...,13 ,„измен етс  с задержкой относительно сигналов фотоприемников 12,...,12 . Знак задержки говорит о направлении перемещетшй точек

10 объекта 15, соответствующих отражател м 6,...,5р,и 7,...,7j. Число переходов через максимум сигналов выхода фотоприемников 12,... ,-1 2 п соответствует амплитуде относительного

5 перемещени  отражателей 6,...,5. Один переход через максимум соответствует относительному перемещению на половину длины волны /2 светового потока источника 1.

2Q Дл  исследовани  прот женных объектов источник 1 св зан с входом светоделител  2 через коллиматор 20. Источник 1, коллиматор 20, отражатель 2, пол  ризаторы 4 и 5, делите25 ли 18, .. ., 18,19 ,...,19, отражатели 16,..., 16j размещаютс  в корпусе 21 с окнами, а отражатели 8,..., 8, сумматоры 9,,..,9г,,, анализаторы 10,...,10, 11,...,11, фотоприем30 НИКИ 12 ,...,12, 13,.. ., 13 установлены в корпусе 17 с окнами;. Корпусы 21 и 17 датчика могут разноситьс  на значительное рассто ние друг от друга с обеспечением оптической св зи между ними.

Первый корпус 21 устанавливаетс  в одном месте вблизи объекта 15 исследовани , а второй корпус 17 датчика - в другом месте вблизи объекта 15 ис35

следовани . С помощью отражателей на объекте 15 исследований и отражателей вне его организуетс  оптическа  св зь между корпусами датчиков. Дл  учета изменений рассто ни  между корпусами может использоватьс  однокорпусной датчик или один из каналов этого же датчика.

Следовательно, датчик перемещений обладает точностью Д./2 и позвол ет измер ть алгебраическую сумму перемещений различных точек объекта исследований по многим.каналам. Причем при вьтолнении в двух корпусах датчик позвол ет производить исследование прот женных объектов. Таким образом, датчики перемещений обеспечивают измерение перемещений объекта исследований с точностью до Х/2.

V

ФизЛ

$$$ $S$$$

W/T/MW/T/mw /

//// / ///////

л

ШTlu гТ .3

/

vm/jfi tt,Wf

Claims (2)

1. Формула изобретения

   1. Датчик перемещений,, содержащий йсточник света, оптически связанный ф ним светоделитель, связанные с выходом последнего несколько оптических каналов, каждый из которых выполнен в виде последовательно оптически связанных зеркал, по крайней мере одно :из которых предназначено для установ-1 ки на контролируемом объекте, и расположенный на выходе этих каналов фотоприемник, отличающийся гем, что, с целью повышения точности

   573 10 _v контроля,, он снабжен установленными на выходе светоделителя поляризаторами с взаимно ортогональными осями поI лязирации, а фотоприемник выполнен в виде последовательно оптически связанных светосумматора, анализаторов и фотоэлектронных преобразователей.
2. 2. Датчик поп. 1, отличаю) щ и й с я тем, что он снабжен дополнительными светоделителями и фотоприемниками, установленными соответственно на выходах поляризаторов и оптических каналов.

   93, ftt'

   Лг«.3