Оптический датчик перемещений

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактных измерений колебаний поверхностей, например поверхностей радиоэлектронных элементов, лопаток турбин и т.д. Цель изобретения - повышение точности датчика за счет уменьшения погрешности от изменения отражающих свойств измеряемой поверхности и изменения характеристик элементов схемы. В датчике введены два аналогичных канала фотоприемник 1 (7) - усилитель 2 (8) - усилитель 4 (9) рассогласования - источник 6 (11) света. Восприятие сигнала от поверхности осуществляется с помощью трехпучкового световода, а компенсация изменения характеристик элементов датчика - с помощью двух световодов, соединяющих второй источник 11 света и фотоприемники 1,7. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)ю G 01 В 21/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ г?

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4733818/28 (22) 01,09.89 (46) 23.07.91,Бюл. hk 27 (75) Б.Б.Малков и Ю.Д.Жаботинский (53) 531,7 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1112228, кл, G 01 В 21/00, 1987 (54) ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактных измерений колебаний поверхностей, например поверхностей радиоэлектронных элементов, лопаток турбин

„„ЯЦ„„1665229 А1 и т.д. Цель изобретения — повышение точности датчика за счет уменьшения погрешности от изменения отражающих свойств измеряемой поверхности и изменения характеристик элементов схемы, В датчике введены два аналогичных канала фотоприемник 1 (7) — усилитель 2 (8) — усилитель 4 (9) рассогласования — источник 6 (1 1) света..

Восприятие сигнала от поверхности осуществляется с помощью трехпучкового световода, а компенсация изменения характеристик элементов датчика — с помощью двух световодов, соединяющих второй источник 11 света и фотоприемники

1, 7. 4 ил.

1665229

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактных измерений колебаний поверхностей, например поверхностей радиоэлектронных элементов, лопаток турбин и т.д;

Цель изобретения — повышение точно, сти оптического датчика перемещений за счет уменьшения погрешности от изменения отражающих свойств измеряемой поверхности и изменения характеристик элементов схемы.

На фиг.1 представлена функциональ, ная схема оптического датчика; на фиг.2— схема блока управления; на фиг.3 — схема регулятора светового потока; на фиг,4 — временные диаграммы сигналов в различных точках схемы.

Оптический датчик перемещений со держит последовательно соединенные пер вый фотоприемник 1, первый усилитель 2, ! устройство 3 выборки-хранения (YBX), первый усилитель 4 рассогласования, первый ключ 5, первый источник 6 света, выход усилителя 2 соединен с вторым входом первого усилителя.4 рассогласования, последовательно соединенные второй фото, приемник 7, второй усилитель 8, второй усилитель 9 рассогласования, второй ключ

10, второй источник 11 света, с которым связан регулятор 12 светового потока, источник 13 опорного напряжения, соединенный с вторым входом второго усилителя 9 рассогласования, выход второго усилителя

8 подключен к регистратору 14, блок 15 управления, светопроводящую систему, выполненную в виде трех пакетов подводящих

16, отводящих 17 и 18 световодов и двух пакетов 19 и 20 световодов, соединяющих . регулятор 12 светового потока с первым 1 и вторым 7 фотоприемниками соответственно, Первый выход блока 15 управления соединен с входами коррекции усилителей 2 и

8; второй выход — с вторым входом УВХ 3 и управляющим входом ключа 10, третий выход — с управляющим входом ключа 5, Торцы

21 пакетов 16-18 световодов объединены и расположены над поверхностью 22, расстояние до которой измеряется.

Блок 15 управления содержит последовательно соединенные генератор 23 импульсов, первый 24 и второй 25 ждущие мультивибраторы. Первый: выход блока 15 управления является выходом генератора

23 импульсов, второй выход — выходом первого ждущего мультивибратора 24, а третий выход — выходом второго ждущего мультивибратора 25.

Регулятор 12 светового потока может быть выполнен в виде двух винтов 26 и 27, сигналу на выходах обоих усилителей 2 и 8

30 устанавливается очень малое выходное напряжение, что позволяет резко уменьшить чувствительность датчика к окружающему свету и электрическим наводкам. При этом сигналы на выходах усилителей 2 и

8 01 - 02 =О. Следовательно, и выходное напряжение на регистраторе 14

0вых =02 = 0; После съема сигнала у21 на второй вход УВХ 3 и на управляющий вход второго ключа 10 подается сигнал 1р2 длительностью r2. Второй ключ 10 открывается., Так как значение Uo на выходе источника 3 опорного напряжения: 0оп > 02, то сигнал рассогласования д U = 0оп - U2 усиливается усилителем 9 рассогласования и через ключ

10 поступает на второй 4сточник 11 света, интенсивность излучения которого в данный момент максимальна. Пусть К1(х), К2(х), Кз, K4 — коэффициенты передачи светового потока по пакетам 17-20 световодов, К1у, К2у- коэффициенты преобразования первого фотоприемника 1, усилителя 2 и второго фотоприемника 7, усилителя 8, Р1, Р2 — световой поток, излучаемый первым 6 и вторым

11 источниками света соответственно.

Часть светового потока от источника 11 света поступает по пакету 19 световодов на фотоприемник 1, а часть — по пакету 20 световодов на фотоприемник 7. Сигналы с фо.топриемников 1 и 7 усиливаются

20 установленных между вторым источником

11 света и торцами пакетов 19 и 20 световрдов с возможностью возвратно-поступательного перемещения, Оптический датчик работает следующим образом, Работу датчика рассмотрим на одном периоде Т = тз (фиг.4). Время Т = г1 + г2+тз ° г1 11 т2 12 11 гз = тз — t2, 1 д е г1, 72, з — д J1 M T e R ьность сигналов р1,, р, формируемых блоков управления. соответственно.

В последующих интервалах времени при t > Т работа датчика происходит аналогично, Перед началом работы снимают статическую характеристику датчика 0вых <, где Vssx = 02 — выходное напряжение, х— расстояние между торцом 21 пакета световодов и поверхностью 22. На статической характеристике выбирают середину линейного участка (точка xo) и в точку хр устанавливают торец 21. Возбуждаются вибрации поверхности 22 (например, включением вибростенда) и производятся измерения.

Перед началом работы на входы коррекции первого 2 и второго 8 усилителей подается сигнал р1 длительностью г1. По этому

1665229

1Q

55 усилителями 2 и 8, Так как на втором входе

УВХ 3 сигнал pz, то напряжение U> на выходе усилителя 2 запоминается в УВХ 3 (но это напряжение не проходит на источник 6 света, так как ключ 5 закрыт). Напряжение на выходе усилителя 8 0г - 0оп уменьшает сигнал рассогласования д U, при этом на выходе усилителя 9 рассогласования устанавливается некоторое значение напряжения Vg

К9 0оп

1+ К9p где Kg — коэффициент усиления усилителя 9;

U« — величина опорного напряжения, формируемого источником 13 опорного напряжения;

j3 — коэффициент передачи канала, образованного источником 11 света, фотоприемником 7 и усилителем 8. При Kg» 1 имеем

Uon

09 =

Р

Этому напряжению Ug соответствует некоторый световой поток. излучаемый источником 11 света, а в УВХ 3 запоминается соответствующее значение напряжения 01.

Величина светового потока, излучаемого источником 11 света

Uon (1)

К4 Кгу а напряжение на УВХ в этот момент

U,=0 = КЗК1„Рг. (2)

После снятия сигнала уц на УВХ 3 запоминается значение Ux согласно(2) и ключ 10 закрывается, Источник 11 света перестает излучать свет.

При подаче сигнала в на управляющий вход ключа 5 напряжение с усилителя 4 рассогласования поступает на источник 6 света. Часть светового потока, отраженного от поверхности 22, по пакету 17 световодов поступает на фотоприемник 1, а часть по пакету 18 световодов — на фотоприемник 7.

Сигнал на выходе усилителя 8 является выходным сигналом Ues>, который фиксируется на регистраторе 14

Ue>x = 0г = Кг (х) Кгу Р>. (3)

Сигнал на. выходе усилителя 2

01 = К1 (x) К1у P1. (4)

При 0> = Ох, приравнивая (2) и(4), имеем

К1 (х) Р1 = IC3 Рг. (5)

Подставляя Рг из (1) и Р1 из (3) в (5), получим

К1(х)

Таким образом, выходное напряжение

0 esa зависит только от коэффициентов передачи световодов, Uon и расстояния х до поверхности 22 и не зависит от изменения коэффициентов передачи усилителей, изменения характеристик фотоприемников и источников света, что значительно повышает точность датчика.

Компенсация изменения отражающих свойств поверхности 22 производится автоматически в процессе измерений (интервал

ВРЕМЕНИ тз - t2).

Обеспечение компенсации особенно важно, например, при длительных виброиспытаниях (например, при усталостных испытаниях лопаток авиационных двигателей производится порядка 2 10 циклов испытаний, что при частотах от 100 до 1000 Гц

15 требует работы датчика в течение 1 — 5 ч).

Время коррекции харакгеристик элементов схемы датчика r> = тг = 10 мс. Время измерений т3 выбирается в зависимости от стабильности условий работы датчика и

20 частоты вибраций поверхности.

Формула изобретения

Оптический датчик перемещений, содержащий иСточник света и фотоприемник, 25 светопроводящую систему иэ двух пакетов подводящих и отводящих световодов, свя-. занных с источником света и фотоприемником соответственно, первый источник света, первый фотоприемник, регистратор и

30 источник опорного напряжения, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности, он снабжен последовательно соединенными первым усилителем, устройством выборки-хранения, первым усилителем

35 рассогласования, первым ключом, выход которого соединен с первым источником света, последовательно соединенным с вторым фотоприемником, вторым усилителем, вторым усилителем рассогласования, 40 вторым ключом, вторым источником света, первый фотоприемник соединен с входами первого усилителя, выход которого подключен к второму входу первого усилителя рассогласования, выход второго усилителя

45 соединен с входом регистратора, а выход источника опорного напряжения — с вторым входом второго усилителя рассогласования, блоком управления, первый выход которого подключен к входам коррекции первого и

50 второго усилителей. второй выход — к второму входу устройства выборки-хранения и управляющему входу второго ключа, третий выход — к управляющему входу первого ключа, регулятором светового потока, связанным с вторым источником света, третьим пакетом отводящих световодов, связанным с вторым фотоприемником, четвертым пакетом световодов, соединяющим регулятор светового потока с первым фотоприемни1665229 кОм, пятым пакетом световодов, соединяющим регулятор светового потока с вторым фотоприемником, причем торцы первого, второго и третьего пакетов световодов предназначены для сопряжения объектом,и объединены.

ur (1 ! /г /ж

21 4 3

Фиг Ф

Редактор Н,Тупица

Заказ 2385 Тираж 380 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 (1 ! 7

Составитель Е.Глазкова

Техред М.Моргентал Корректор М.Демчик