Датчик натяжения преимущественно оптического волокна

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения натяжения волокон. Целью изобретения является повышение точности, что достигается введением в устройство триггера Шмитта, выход которого соединен с последовательно соединенными электрически интегратором, усилителем и исполнительным элементом, воздействующим на датчик положения волокна, что обеспечивает возможность автоматического контроля натяжения волокна при . его поперечном смещении. Триггер Шмитта включен в цепь автогенератора, состоящего из датчика положения волокна , соединенного с последовательно включенными усилителем, фильтром низкой частоты, фазовым корректором и возбудителем колебаний волокна между фильтром низкой частоты и фазовым корректором для поддержания автоколебаний на измеряемом участке волокна. Величина частоты автоколебаний волокна пропорциональна измеряемому натяжению волокна. 8 ил. S сл

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (51)4 G 01 L 5/1О 1/10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Г

f !

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО -ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

К А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4) 79776/24-10 (22) 10.12.86 (46) 15.)0.88. Бюл. Ф 38 (72) А,И.Микилев и С.Э.Питерских (53) 531 . 781 (088.8) (54) ДАТЧИК НАТЯЖЕНИЯ ПРЕИМУЩЕСТВЕННО

ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения натяжения волокон. Целью изобретения является повышение точности, что достигается введением в устройство триггера Шмитта, выход которого соединен с последовательно соединенными электрически интегратором, усилителем и

„„SU„„1430768 A 1 исполнительным элементом, воздейс твующим на датчик положения волокна, что обеспечивает возможность автоматического контроля натяжения волокна при его поперечном смещении. Триггер

Шмитта включен в цепь автогенератора, состоящего из датчика положения волокка, соединенного с последовательно включенными усилителем, фильтром низкой частоты, фазовым корректором и возбудителем колебаний волокна между фильтром низкой частоты и фазовым корректором для поддержания автоколебаний на измеряемом участке волокна. Величина частоты автоколебаний волокна пропорциональна измеряемому натяжению волокна. 8 ил, 1430768

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для определения натяжения путем измерения частоты колебаний участка натянутого волокна, может быть использовано для бесконтактного определения натяжения волокон с известной массой на единицу длины, преимущественная область использования— бескантактное измерение натяжения

;усилия вытягивания) оптического волокна в процессе его вытягивания.

Целью изобретения является повышение точности, 15

На фиг. 1 показана блок-схема датчика натяжения; на фиг. 2 — временные диаграммы работы датчик в соответствии с блок-схемой; на фиг. 3 — пример взаимного расположения источника света, фотоприемника и исполнительного элемента; на фиг. 4 — принципиальная электрическая схема фазового корректора; на фиг. 5 — временные диаграммы работы фазового корректора; на фиг. б — конструкция электроакустического возбудителя с одной головкой громкоговорителя, на фиг. 7 — конструкция электроакустического возбудителя с дву30 мя головками громкоговорителей; на фиг. 8 — принципиальная электрическая схема электростатического возбудителя, Датчик натяжения состоит из источ ника 1 света, возбудителя 2 колебаний волокна, усилителя 3 „. фильтра 4 низких частот, триггера 5 Шмитта, фа— зового корректора 6, первого усилите— ля 7 малости, датчика положения волокна в виде фотоприемника 8, исполнительного элемента 9, второго уси- 40 лителя 10 мощности и интегратора 11.

Датчик натяжения работает следующим образом.

Излучение источника 1 света создает на фоточувствительной площадке фотоприемника 8 теневое изображение волокна, Колебания теневого иэображения при колебаниях участка волокна между заготовкой и филъерой вызывают появление на выходе фотоприемника 8 50 (фиг. 1) электрического сигнала U„ (фиг. 2) . Сигнал U< усиливается усилителем 3 фототока и через фильтр

4 нижних частот подается на вход триггера 5 Шмитта. Триггер 5 Бритта 55 формирует сигнал прямоугольной формы

U„, Фазовый корректор 6 формирует из сигнала Ц сигнал прямоугольной формы

U, причем сигнал U опережает сигнал

U на постоянную времени опережения

С. Сигнал Uз усиливается первым усилителем 7 мощности и подается на возбудитель 2. Последний обеспечивает перемещение частиц воздушной среды, окружающей волокно, причем зависимость смещения частиц среды как функция времени имеет вид U с длительностью переходного процесса

Действующая на волокно сила пропорциональна скорости частиц, т.е. производной сигнала U и имеет вид

У (г.) . Первая гармоника силы Г „(t) при выполнении условия t, „= 2 опережает смещение волокна X(t) на фао зовый угол 90, обеспечивая баланс фаэ 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 находятся на одной прямой, При дрейфе волокна (из — 3a непрямолинейности заготовки и т.п.) в направлении Х-Х (фиг, !) появляется постоянная составляющая сигнала U на выходе триггера 5 Шмитта и вызывает возрастание или убывание выходного напряжения интегратора 11. Выходное напряжение интегратора 11 подается на второй усилитель

10 мощности и далее на исполнительный элемент 9 и вызывает перемещение фотоприемника 8 в направлении дрейфа волокна, Когда перемещение фотоприемника сравняется с величиной дрейфа, симметрия сигнала U восстановится, при этом на выходе интегратора

11 установится напряжение U пропорциональное величине и иаправлению дрейфа U КХ, где К вЂ” коэффициент пропорциональности, С выхода усилителя 7 мощности снимается сигнал с частотой автоколебаний f, При условии подбора постоянной времени опережения фазового корректора, равной половине длительности переходного процесса возбудителя i= t, /2, частота автоколебаний в точности равна собственной резонансной частоте участка волокна, и натяжение волокна определяется по формуле где Р— натяжение волокна на участке заготовка-фильера;!

430768

I, — длина участка волокна между заготовкой и фильерой! р — плотность материала волокна;

Sb — площадь поперечного сечения волокна;

f — частота автоколебаний.

Датчик натяжения может быть выполнен следующим образом.

В качестне источника 1 света может использоваться лампа накаливания, снетоизлучающий диод либо лазерный источник. Фотоприемником 8 является дифференциальный фотоприемник с разделенной на две примыкающие друг к другу части фоточувствительной площадкой, В качестве такого приемника может применяться дифференциальный фотодиод или дифференциальный фоторезистор. Усилитель 3 фототока ныполнен по схеме дифференциального усилителя постоянного тока. Фильтр нижних частот может быть выполнен в виде интегрирующей цепи с постоян1 ной времени RC а — —, где R и С—

fb сопротинление и емкость интегрирующей цепи: f > - частота автоколебаний, соответствующая максимальному значению измеряемого натяжения (верхней границе диапазона измеряемого натяжения): fb рассчитывается по формупри F F макс Усилители 7 и 10 мощности выполнены по схеме усилителей постоянного тока с выходной мощностью, соответствующей номинальной мощности, необходимой для работы возбудителя 2 и исполнительного эле" мента !I. .Постоянная времени ннтегра"

1 тора выбирается Т„„, )> — = 10 с, н где f - нижняя частота автоколебан ний, соответствующая нижней границе диапазона натяжения F ман. В качестве исполнительного элемента 11 может использоваться регистратор самопишущего прибора. Выходной функцией регистра" тора, является угол поворота вала, пропорциональный току, подаваемому в обмотку регистратора. На валу регистратора устанавливается рычаг, на котором располагается фотоприемник 8.

Если в качестве источника света используется светоизлучающий диод или малогабаритная лампа накаливания, источник света также может быть установлен на рычаге регистратора, как показано на фиг. 3, где позицией 12 обозначен источник света, позицией!

3 — фотоприемник, позицией 14 — регистратор. Для повышения чувствитель-. ности фотоприемника к смещению волокна в схему датчика может быть введен объектив (линза), создающий более четкое теневое иэображение волокна на фоточувствительной площадке фотоприемника.

Фазоный коллектор 6 может быть ныполнен н соотнетстнии с принципиальной электрической схемой (фиг. 4).

Схема на фиг. 4 включает и себя формирователь импульсов на элементах

Tl, Rl, VD1, VD2, генератор пилообразного напряжения на элементах

К2-:КС,С, VT1 7Т2, пиковый детектор со схемой сравнения на элементах

R7-R! О, СЗ, VD3, Al, компаратор А2, ключ электронный на транзисторе VTÇ, модулятор на элементах R!5-R17, АЗ, триггер Шмитта на элементах R18, RI9, А4.

Схема на фиг. 4 работает. следующим образом.

Сигнал 1J< с выхода триггера 5 Б!митта подается на вход формирователя импульсов на элементах Т), Rl VDI

VD2 (фиг. 4). На выходе формирователя импульсов образуется сигнал U ф,„ (фиг ° 5) н виде последовательности дельта-импульсов, вырабатываемых в моменты изменения знака сигнала 0 д.

Формирователь импульсов синхронизирует работу генератора пилообразного напряжения путем периодического разряда конденсатора С2, заряжаемого от генератора тока на транзисторе VTl.

Форма сигнала на конденсаторе С2 имеет вид U (ôèã. 5). Скорость

40 нарастания (наклон пилы) сигнала Uyg устанавливается постоянной, в реэульта те ч его амплитудно е энач ение з того сигнала пропорционально периоду сигнала U<. Пиковый детектор со схемой сравнения на операционном усилителе

А! формирует на конденсаторе СЗ пос ТоНННое напряжение U сс = 1 где маис

U „, I e U гпН. „а,кс ПОСтсяННОЕ НаПряжение, равное амплитудному значению

50 напряжения U z» J«постоянное, напряжение смещения, подаваемое с делителя напряжения R7, R8 (фиг. 4) ..

На выходе компаратора А2 (фиг. 4) формируется сигнал Б,ц,д (фиг. 5) .

55 Модулятор на операционном усилителе

АЗ (фиг. 4) преобразует сигнал

U>, „в сигнал П „„(фиг. 5), причем мод полярность импульсов сигнала U ð

14307

7 рения диапазона частоты автоколебаний и, соответственно, диапазона натяжения. Для того, чтобы минимизировать фазовый сдвиг д1 необхов димо в первую очередь использовать головку громкоговорителя с частотой основного резонанса fat< » f, где ь

f — собственная резонайсная частота ь участка волокна при максимальном натяжении 1 „„,. Данному требованию удовлетворяют высокочастотные головки громкоговорителей, а также некоторые типы среднечастотных малогабаритных головок с частотой основного резонанса и гр 300 Гц. Для оптического волокна натяжение, как правило, не пренышае, 50 Гс, Принимая

F „ = 100 Гс„ Для кварцевого опти2 МАРКС ческого волокна со стандартным диаметром 125 мкм, расстоянием между заготовкой и фильерой L - =1 м (см. фиг. 1) получим в соответствии с (I)

f> = 97 Гц, т.е, условие fî,г )) в при Гог = 300 Гц приблизительно выполняется, Уменьшение составляющей фазового сдвига, обусловленной сжатием воздушной среды между диафрагмой и диффузором возбудителя, достигается уменьшением объема Ч и увеличением площади щели. В то же время, получение необходимой амплитуды колебаний требует уменьшения площади щели, т.е.

35 уменьшение расстояния .между лепестками. Однако расстояние между лепестками нельзя уменьшать неограниченно, поскольку с учетом требования бесконтактности датчика необходима некоторая свобода перемещения волокна в плоскости X-X (фиг. 1), Практически, учитывая особенности технологического процесса вытягивания оптического волокна, расстояние между лепестками выбирается равным 6-10 мм. В этом случае, как показывают расчеты, сос2М,V тавляющая фазового сдвига arcty — - С S оказывается значительно меньшей вели- 5р и и чины — — — — в уравнении (2), поэто о.гр му уменьшение фазового сдвига 4 Lp в основном достигается выбором головки громкоговорителя с более высокой частотой основного резонанса. Поскольку высокочастотные головки громкоговорителей имеют ограниченную амплитуду колебаний диффузора, возможность

68 получения требуемой для работы фотоприемника амплитуды колебаний волокна определяется экспериментально.

На фиг ° 7 показан электроакустический возбудитель с двумя головками громкоговорителей, что позноляет подводить удвоенную мощность по сравнению с возбудителем (фиг. 6) и при том же расстоянии между лепестками получать удвоенную амплитуду колебаний волокна. Возбудитель, показанный на фиг. 7, имеет камеру клинообразной формы, что необходимо для минимизации внутреннего объема V. Лепестки возбудителей на фиг ° 6 и 7 должны быть параллельными для предотвращения расхождения акустической волны на выходе щели, так как в противном случае возможен дополнительный фазовый сдвиг, зависящий от расстояния ме:кду волокном и диафрагмой возбудителя.

При выбранной конструкции и параметрах возбудителя возможность получения требуемой амплитуды колебаний волокна определяется экспериментальным путем. Например, установлено, что при использовании возбудителя колебаний, имеющего конструкцию, показанную на фиг. 7, с двумя головками громкоговорителей типа 0,25ГД-19 с f „ = 300 Гц при расстоянии между лепестками 6 мм, длине участка волокна 1 м (кнарцевое оптическое волокно диаметром 125 мм) амплитуда колебаний волокна достигает 1 мм на частоте автоколебаний 30-100 Гц, что соответствует натяжению 10-100 Гс.

На фиг. 8 покаэана схема электростатического нозбудителя, Возбудитель (фиг. 8) содержит две лары электродов Эl, Эl и Э2, Э2, ориентированных вдоль волокна (расположение волокна и электродов на фиг, 1 показано в сечении). Электрическая схема электростатического возбудителя на фиг. 8 содержит элементы: емкости

Cl-С3, высоковольтные трансформаторы

Tl и Т2, диоды Ч01-VD6. .Электростатический возбудитель (фиг, 8) работает следующим образом.

При подаче на вход возбудителя прямоугольного напряжения U в моменты изменения знака напряженйя на повьппающих обмотках трансформаторов Т! и Т2 поочередно генерируются высоковольтные импульсы напряжения, которые через диоды VDI и VD2 поочередно пода1430768

10 ются на электроды Э1, Э1 или 32, Э2 . Цепочки Rl, CI и R2, С2 необходимы для увеличения длительности импульсов и, соответственно, увеличения эффективного значения переменной силы, действующей на волокна со стороны электродов. Расстояние между электродами (фиг. 8) выбирается в пределах 6-10 мм по тем же причинам, что и для электроакустического возбудителя. Длина электродов ограничивается требуемыми габаритами датчика натяжения и выбирается в пределах

50-100 мм.

При увеличении мощности, годаваемой. на возбудитель, до уровня, обеспечивающего амплитуду колебаний в несколько миллиметров, предлагаемый датчик натяжения может быть также использован в качестве средства для создания плавных периодических микронеоднородностей геометрических размеоов оптического волокна, что позво25 ляет в некоторых случаях улучшить

1 передающие свойства волокна.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

Датчик натяжения преимущественно оптического волокна, содержащий датчик положения волокна, соединенный последовательно включенными электрически усилителем, фильтром низкой частоты, фазовым корректором и возбудителем колебаний волокна, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения 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 связан с датчиком положения волокна.

i 430768 зт х(6

i(<)

Ю

/ uem юл

Я юрь«у

vnumслю мии ж сжи

14307 68

1-, 3 07 68 нам.1430768

Фиг 7

/жижа

V/71 иэ

rue. g

Составитель А.Экономов

Техред А.Кравчук Корректор M. Васильева

Редактор E. Конча

Заказ 533lj41

Тираж 847 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4