SU1430768A1

SU1430768A1 - Датчик нат жени преимущественно оптического волокна

Info

Publication number: SU1430768A1
Application number: SU864179776A
Authority: SU
Inventors: Александр Иосифович Микилев; Стелла Эммануиловна Питерских
Original assignee: Предприятие П/Я Р-6609
Priority date: 1986-12-10
Filing date: 1986-12-10
Publication date: 1988-10-15

Abstract

Изобретение относитс к измерительной технике и может быть использовано дл бесконтактного измерени нат жени волокон. Целью изобретени вл етс повышение точности, что достигаетс введением в устройство триггера Шмитта, выход которого соединен с последовательно соединенными электрически интегратором, усилителем и исполнительным элементом, воздействующим на датчик положени волокна, что обеспечивает возможность автоматического контрол нат жени волокна при . его поперечном смещении. Триггер Шмитта включен в цепь автогенератора, состо щего из датчика положени волокна , соединенного с последовательно включенными усилителем, фильтром низкой частоты, фазовым корректором и возбудителем колебаний волокна между фильтром низкой частоты и фазовым корректором дл поддержани автоколебаний на измер емом участке волокна. Величина частоты автоколебаний волокна пропорциональна измер емому нат жению волокна. 8 ил. S сл

Description

4 00

о

Од

СХ)

Изобретение относитс к измерительной технике, а именно к устройствам дл определени нат жени путем измерени частоты колебаний участка нат нутого волокна, может быть использовано дл бесконтактного определени нат жени волокон с известной массой на единицу длины, преимущественна область использовани - бесконтактное измерение нат жени ; усили выт гивани ) оптического ьолокна в процессе его выт гивани . Целью изобретени вл етс повышение точности.

На фиг, 1 показана блок-схема датчика нат жени ; на фиг, 2 - временные диаграммы работы датчик в соответствии с блок-схемой; на фиг, 3 - пример взаимного расположени источника света, фотоприемника и исполнительного злемента; на фиг. 4 - принципиальна электрическа схема фазового корректора; на фиг, 5 - временные диаграммы работы фазового корректора; на фиг, 6 - конструкци электроакустического возбудител с одной головкой громкоговорител ; на фиг. 7 - конструкци электроакустического возбудител с двум головками громкоговорителей; на фиг,8 - принципиальна электрическа схема электростатического возбудител

Датчик нат жени состоит из источ- ника 1 света, возбудител 2 колеба- , НИИ волокна, усилител 3,, фильтра 4 низких частот, триггера 5 Шмитта, фазового корректора 6, первого усилител 7 мошдюсти, датчика положени волокна в виде фотоприемника 8, исполнительного элемента 9, второго уси- .лител О мощности и интегратора 1,

Датчик нат жени работает следующим образом.

Излучение источника 1 света создает на фоточувствительной площадке фотоприемника 8 теневое изображение волокна . Колебани теневого изображени при колебани х участка волокна между заготовкой и фильерой вызьюают по вление на выходе фотоприемника 8 (фиг. 1) электрического сигнала U (фиг, 2). Сигнал U усиливаетс усилителем 3 фототока и через фильтр 4 }1ижних частот подаетс на вход триггера 5 Шмитта, Триггер 5 и митта формирует сигнал пр моугольной формы и,,. Фазовый корректор 6 формирует из сигнала ll/i сигнал пр моугольной формы

0

5

0

5

0

5

0

5

Uj, причем сигнал U опережает сигнал и на посто нную времени опережени f. Сигнал Из усиливаетс первым усилителем 7 мощности и подаетс на возбудитель 2. Последний обеспечивает перемещение частиц воздушной среды, бкружающей волокно, причем зависимость смещени частиц среды как функци времени имеет вид U. с длительностью переходного процесса t , Действующа на волокно сила пропорциональна скорости частиц, т,е, производной сигнала U, и имеет вид F(t), Перва гармоника силы ) при выполнении услови t „ п 2 Г опережает смещение волокна X(t) на фазовый угол 90 , обеспечива баланс фаз и поддержание автоколебаний участка волокна между заготовкой и фильерой. Работоспособность устройства может быть обеспечена только в том случае, когда источник 1 света, фотоприемник 8 и волокно наход тс на одной пр мой. При дрейфе волокна (из-за непр молинейности заготовки и т,п,) в направлении Х-Х (фиг, 1) по вл етс посто нна составл юща сигнала U на выходе триггера 5 Шмитта и вызьюает возрастание или убьша- ние выходного напр жени интегратора 1 1 , Выходное напр жение интегратора 11 подаетс на второй усилитель

10мощности и далее на исполнительный элемент 9 и вызьшает перемещение фотоприемника 8 в направлении дрейфа волокна. Когда перемещение фотоприемника сравн етс с величиной дрейфа , симметри сигнала U восстановитс , при этом на выходе интегратора

11установитс напр жение U пропорциональное величине H j4anpaB- лению дрейфа 11 КХ, где К - коэффициент пропорциональности, С выхода усилител 7 мощности снимаетс сигнал с частотбй автоколебаний f. При условии подбора посто нной времени опережени фазового корректора, равной половине длительности переходно

го процесса возбудител 1 t

/2,

частота автоколебаний в точности равна собственной резонансной частоте участка волокна, и нат жение волокна определ етс по формуле

55

4L f Sg f

(1)

где F - нат жение волокна на участке заготовка-фильера;

L - длина участка волокна между заготовкой и фильерой;

р - плотность материала волокна

Sg - площадь поперечного сечени волокна;

f - частота автоколебаний. Датчик нат жени может быть выполнен следующим образом.

В качестве источника 1 света может использоватьс лампа накаливани , светоизлучающий диод либо лазерный источник. Фотоприемником 8 вл етс дифференциальный фотоприемник с разделенной на две примыкающие друг к другу части фоточувствительной площадкой . В качестве такого приемника может примен тьс дифференциальный фотодиод или дифференциальный фоторезистор . Усилитель 3 фототока выполнен по схеме дифференциального усилител посто нного тока. Фильтр нижних частот может быть вьтолнен в ввде интегрирующей цепи с посто нной времени RC --, где R и С сопротивление и емкость интегрирующей цепи: fg - частота автоколебаний соответствующа максимальному значению измер емого нат жени (верхней границе диапазона измер емого нат жени ) : fg рассчитьюаетс по форму

ле (1) при F F

2 jHdW

Усилители 7

и 1 О мощности выполнены по схеме усилителей посто нного тока с выходной мощностью, соответствующей номиналь- ной мощности, необходимой дл работы возбудител5 2 и исполнительного элемента 11. Посто нна времени интегра

тора выбираетс Т,

Ь

10 с.

где f - нижн частота автоколебаний , соответствующа нижней границе диапазона нат жени F ««н. В качестве исполнительного элемента I1 может использоватьс регистратор самопишущего прибора. Вькодной функцией регистра- тора, вл етс угол поворота вала, пропррциональньй току, подаваемому S Обмотку регистратора. На валу регистратора устанавливаетс рычаг, на котором располагаетс фотоприемник 8, Если в качестве источника света используетс светоизлучающий диод или малогабаритна лампа накаливани .

Сигнал и с выхода триггера 5 ИЫи та подаетс на вход формировател и пульсов на элементах Т1, R1, VDI, VD2 (фиг. 4). На выходе формировате л импульсов образуетс сигнал Уф.и (фиг, 5) в виде последовательности дельта-импульсов, вырабатываемых в моменты изменени знака сигнала Ua. Формирователь импульсов синхронизирует работу генератора пилообразног напр жени путем периодического раз р да конденсатора С2, зар жаемого о генератора тока на транзисторе VT, Форма сигнала на конденсаторе С2 имеет вид Up,, (фиг. 5). Скорость нарастани (наклон пилы) сигнала Uiустанавливаетс посто нной, в резул тате чего амплитудное значение этог сигнала пропорционально периоду сиг нала и. Пиковый детектор со схемой сравнени на операционном усилителе А1 формирует на конденсаторе СЗ посто нное напр жение и ее Ь гпн мене UC/M, где UrnH. посто нное напр жение, равное амплитудному значению напр жени UCM - посто нное, напр жение смещени , подаваемое с делител напр жени R7, R8 (фиг. 4) На выходе компаратора А2 (фиг. 4) формируетс сигнал (фиг. 5).

45

50

источник света также может быть уста- ° Модул тор на операционном усилителе новлен на рычаге регистратора, как . A3 (фиг. 4) преобразует сигнал

и

показано на фиг. 3, где позицией 12 обозначен источник света, позицией

kown сигнал , (фиг. 5), причем пол рность импульсов сигнала U,/i

0

5

0

13 - фотоприемник, позицией 14 - регистратор . Дл повышени чувствитель-. ности фотоприемника к смещению волокна в схему датчика может быть введен объектив (линза), создающий более четкое теневое изображение волокна на фоточувствительной площадке фотоприемника.

Фазовый коллектор 6 может быть выполнен в соответствии с принципиальной электрической схемой (фиг. А). Схема на фиг. 4 включает в себ формирователь импульсов на элементах Т1, RI, VD1, VD2, генератор пилообразного напр жени на элементах К2тЯС,С2, VT1, VT2, пиковый детектор со схемой сравнени на элементах R7-R10, СЗ, VD3, А1, компаратор А2, ключ электронный на транзисторе VT3, модул тор на элементах R15-R17, A3, триггер Шмитта на элементах RI8, RI9, А4..

Схема на фиг. 4 работает следующим 5 образом.

Сигнал и с выхода триггера 5 ИЫит- та подаетс на вход формировател импульсов на элементах Т1, R1, VDI, VD2 (фиг. 4). На выходе формировател импульсов образуетс сигнал Уф.и (фиг, 5) в виде последовательности дельта-импульсов, вырабатываемых в моменты изменени знака сигнала Ua. Формирователь импульсов синхронизирует работу генератора пилообразного напр жени путем периодического разр да конденсатора С2, зар жаемого от генератора тока на транзисторе VT, Форма сигнала на конденсаторе С2 имеет вид Up,, (фиг. 5). Скорость нарастани (наклон пилы) сигнала , устанавливаетс посто нной, в результате чего амплитудное значение этого сигнала пропорционально периоду сигнала и. Пиковый детектор со схемой сравнени на операционном усилителе А1 формирует на конденсаторе СЗ посто нное напр жение и ее Ь гпн мене UC/M, где UrnH. посто нное напр жение , равное амплитудному значению напр жени UCM - посто нное, напр жение смещени , подаваемое с делител напр жени R7, R8 (фиг. 4), На выходе компаратора А2 (фиг. 4) формируетс сигнал (фиг. 5).

0

5

0

Модул тор на операционном усилителе A3 (фиг. 4) преобразует сигнал

и

определ етс состо нием электроино- I o ключа VT3, управл емого входным сигналом и . Триггер 11митта на операционном усилителе А4 (фиг, 4) преобразует сигнал и«ход (фиг. 5) в сигнал Uj (фиг, 5), вл ющийс выход- ньм сигналом фазового корректора 6. Сигнал опережает сигнал U (фиГе 2 и 5) на посто нную времени опережени , причем величина Г задаетс напр жением, снимаемым с делител R7, R8 (фиг. 4).

Возбудитель 2 датчика нат жени может быть выполнен в двух вариантах - электроакустическом и электростатическом , В электроакустическом варианте возбудител используете, головка диффуэорного электродинамического громкоговорител . Дл повышени эффективности возбуждени колебаний волокна головка громкоговорител снабжена диафрагмой, в которой имеетс щель с примыкающими к кра м щели лепестками. Устройство электроакустического возбудител показано на фиг, 6, где позицией 15 обозначена головка громкоговорител ; позицией 1 6 - диафрагма со щелью, позип.ией

возбудител , При получении формулы (2) учитыва17 - лепестки. При работе датчика на- до лось, что добротность подвижной сие- т жени волокно проходит в пространство между лепестками, не каса сь

темы головки громкоговорител составл ет Q гр ,

их,

как показано на фиг, 6,

Электроакустический возбудитель работает следующим образом.

Колебани диффузора громкоговорител вызьшают периодические изменени объема воздушной среды между диффузором и диафрагмой. Щель в диафрагме действует как акустический трансформатор , в результате чего скорость движени частиц в пространстве между лепестками возрастает по сравнению со скоростью перемещени диффузора пропорционально отнощенкю площадей диффузора и цели,. Сила, действующа на волокно, пропорционална скорости частиц воздушной среды и, следовательно, производной тока в катущке громкоговорител при услоВИИ ЕО Р f f о,гр основна резонансна частота громкоговорител ; f - частота колебаний диффузора. При подаче на возбудитель усиленного сигнала Uj (фиг. 2) действующа , на участок волокна сила F(t) (фиг. 2) представл ет собой последовательность положительных и отрицательных импульсов конечной.длительности t

n./i

Дли

тельность перелоднгп о процесса определ етс инерционностью подвижной системы громкоговорител , свойствами воздушной среды и геометрическими па- раметрами возбудител , Расчеты пока- зьюают, что фазовый сдвиг между первой гармоникой сигнала Uj и F,(t) приблизительно равен:

tn,n.,ri: f- . ,...„ 2й V

с S J

,«- „ f - -Е f-,

2 f,

- о.гр

2/ff Vi arctg -|,

(2)

n,n

o.rp

где difg - фазовый сдвиг между U и F/t), Б рад; длительность переходного процесса; f - частота сигналов 1 и

F,(t);

f , - основна резона)сна частота головки громкоговорител ;

С - скорость звука в воздухе; V - объем воздушной среды

между диф(})узором и диафрагмой; S - площадь щели в диафрагме

возбудител , При получении формулы (2) учитывалось , что добротность подвижной сие-

до лось, что добротность подвижной сие-

Известно, что фазовый сдвиг величиной Л1/ (в рад) вызывает отклоне- 35 ние if частоты автоколебаний от собственной резонансной частоты f, равное :

f

где Q - добротность колеблющегос

участка струны.

Введение фазового корректЪра с посто нной времени опережени

L X приводит к тому, что фазовый сдвиг между Uj и F (с) становитс близким к нулю и, следовательно, близко к нулю отклонение частоты Л. Практически выполнение услови ct t.n,n/2 легче достигаетс с большей абсолютной точностью при меньших значени х ifg,. Кроме того, из диаграмм на фиг, 2 с очевидностью следует , что наименьший возможный период автоколебаний составл ет Т 2 t. Следовательно, величину t л.п и, соответственно , ij I/ следует при возможности уменьшать с целью расширени диапазона частоты автоколебаний и, соответственно, диапазона нат жени . Дл того, чтобы минимизи- ровать фазовый сдвиг 4 if , необходимо в первую очередь использовать головку громкоговорител с частотой основного резонанса f , где fj - собственна резонансна частота участка волокна при максимальном нат жении F

2 макс

Данному требованию

удовлетвор ют высокочастотные головки громкоговорителей, а также некоторые типы среднечастотных малогабаритных головок с частотой основного резонанса fp.rp 300 Гц. Дл оптического волокна нат жение, как правило , не превышае 50 Гс. Принима F макс 100 кварцевого оптического волокна со стандартным диаметром 125 мкм, рассто нием между заготовкой и фильерой L 1 м ( см. фиг. 1) получим в соответствии с (1) fj 97 Гц, т.е. условие f .гр f в при fо гр 300 Гц приблизительно выполн етс .

Уменьшение составл ющей фазового сдвига, обусловленной сжатием воздушной среды между диафрагмой и диффузором возбудител , достигаетс уменьшением объема V и увеличением площади щели. В то же врем , получение необходимой амплитуды колебаний требует уменьшени площади щели, т.е. уменьшение рассто ни между лепестками . Однако рассто ние между лепестками нельз уменьшать неограниченно, поскольку с учетом требовани бесконтактности датчика необходима некотора свобода перемещени волокна в плоскости Х-Х (фиг. 1). Практически, учитьша особенности технологического процесса выт гивани оптического волокна, рассто ние между лепестками выбираетс равным 6-10 мм. В этом случае, как показьшают расчеты, сос21Г V тавл к ца фазового сдвига LI о .

25 метрах возбудител возможность получени требуемой амплитуды колебаний . волокна определ етс экспериментальным путем. Например, установлено, что при использовании возбудител

2Q колебаний, имеющего конструкцию,

показанную на фиг. 7, с двум головками громкоговорителей типа 0,25ГД-19 с f (, рр 300 Гц при рассто нии между лепестками 6 мм, длине участка волокна 1 м (кварцевое оптическое волокно диаметром 125 мм) амплитуда колебаний волокна достигает 1 мм на частоте автоколебаний 30-100 Гц, что соответствует нат жению 10-100 Гс.

40 На фиг. 8 показана схема электростатического возбудител . Возбудитель (фиг. 8) содержит две пары электродов 31, 31 и Э2, 32, ориентированных вдоль волокна (расположение

45 волокна и электродов на фиг. 1 показано в сечении). Злектрическа схема электростатического возбудител на фиг. 8 содержит элементы: емкости

35

С1-СЗ, высоковольтные трансформаторы оказьшаетс значительно меньшей вели- 50 диоды VD1-VD6.

0

получени требуемой дл работы фотоприемника амплитуды колебаний волокна определ етс экспериментально.

На фиг. 7 показан злектроакусти- ческий возбудитель с двум головками громкоговорителей, что позвол ет подводить удвоенную мощность по сравнению с возбудителем (фиг. 6) и при том же рассто нии между лепестками получать удвоенную амплитуду колебаний волокна. Возбудитель, показанный на фиг. 7, имеет камеру клинообразной формы, что необходимо дл минимиза5 ции внутреннего объема V. Лепестки возбудителей на фиг. 6 и 7 должны быть параллельными дл предотвращени расхождени акустической волны на выходе щели, так как в противном возможен дополнительный фазовый сдвиг, завис щий от рассто ни между волокном и ди эфрагмой возбудител .

При выбранной конструкции и пара5 метрах возбудител возможность получени требуемой амплитуды колебаний . волокна определ етс экспериментальным путем. Например, установлено, что при использовании возбудител

Q колебаний, имеющего конструкцию,

0 На фиг. 8 показана схема электростатического возбудител . Возбудитель (фиг. 8) содержит две пары электродов 31, 31 и Э2, 32, ориентированных вдоль волокна (расположение

5 волокна и электродов на фиг. 1 показано в сечении). Злектрическа схема электростатического возбудител на фиг. 8 содержит элементы: емкости

5

II

чины о .гр

в уравнении (2), поэтому уменьшение фазового сдвига 4 (/g в основном достигаетс выбором головки громкоговорител с более высокой частотой основного резонанса. Поскольку высокочастотные головки громкоговорителей имеют ограниченную амплитуду колебаний диффузора, возможность

.Злектростатический возбудитель (фиг. 8) работает следующим образом.

При подаче на вход возбудител пр моугольного напр жени U- в моменты 55 изменени знака напр жени на повьппа- ющих обмотках трансформаторов Т1 и Т2 поочередно генерируютс высоковольтные импульсы напр жени , которые через диоды VDI и VD2 поочередно пода

ютс на электроды Э1 , ЭГ или Э2, Э2 . Цепочки R1, CI и R2, С2 необходимы дл увеличени длительности импульсов и, соответственно, увеличени эффективного значени переменной силы, действующей на волокна со стороны электродов. Рассто ние между элек тродами (фиг. 8) выбираетс в пределах 6-10 мм по тем же пр1гчинам, что и дл электроакустического возбудител . Длина электродов ограничиваетс требуемыми габаритами датчика нат жени и выбираетс в пределах 50-100 мм.

При увеличении мощности, подаваемой на возбудитель, до уровн , обеспечивающего амплитуду колебаний в несколько миллиметров, предлагаемый датчик нат жени может быть также использован в качестве средства дл создани плавных периодических микро- неоднородностей геометрических разменов оптического волокна, что позво

0

5

0

л ет в некоторых случа х улучшить передающие свойства волокна.

Claims

Формула изобретени

Датчик нат жени преимущественно оптического волокна, содержащий датчик положени волокна, соединенный последовательно включенными электрически усилителем, фильтром низкой частоты, фазовым корректором и возбудителем колебаний волокна, о т - личающийс тем, что, с целью повышени точности, в него введены последовательно соединенные интегратор , усилитель и исполнительный элемент, а также триггер Шмитта, включенный между фильтром низкой частоты и фазовым корректором, причем выход триггера Шмитта подключен к входу интегратора, а исполнительный элемент механически св зан с датчиком положени волокна.

Ux

фиг. 1

N4

ист. nufTj.

ffyci//rum. ff/rrffrrtffffa

ч

t

T2 eoflOftHff f3

11

риг.2

Ч-/f /TTfytoMj/ f f{//Tt//ne f

Г fffuff ffCfm/

L-g

фиг. S

и

f

фиг.З

etr/fOHMf

I Фиг7

Редактор Е. Копча

ipua.e

Составитель А,Экономов

Техред А.Кравчук Корректор М. Васильева

/r-x

воаонно