Оптоэлектронное устройство для измерения линейных перемещений объекта

 

Изобретение относится к измерительной технике. Техническим результатом от использования изобретения является исключение погрешностей, связанных с отсутствием дифференциации из мнений, обусловленных фоновыми засветками изменениями коэффициента светопередачи оптической системы, и изменений, обусловленных усталостными разрушениями, а также обеспечение возможности фиксации изменения размера проекции изображения, связанного с изменением размера объекта или его поворотом. Сущность изобретения: оптико-электронное устройство для измерения линейных перемещений объекта содержит источник излучения, коллиматор и установленные по ходу светового луча фокусирующую линзу и фотоприемник, генератор и регистратор, снабжено щелевой и точечной диафрагмами, установленными соответственно до и после фокусирующей линзы по ходу светового луча, светоделителем, расположенным по ходу луча за коллиматором и предназначенным для отделения второго светового луча, установленным по ходу второго светового луча отражающим зеркалом, второй щелевой диафрагмой, второй фокусирующей линзой и вторым фотоприемником, сумматором, входы которого подключены к фотоприемникам, последовательно соединенным демодулятором, соединенным с первым фотоприемником, и блоком дифферинцирования в виде соединенных параллельно полосового фильтра и фильтра нижних частот, блоком коррекции, включенным между выходами фильтров блока дифференцирования и первым входом регистратора вторым фильтром нижних частот, включенным между выходом сумматора и вторым входом регистратора, генератор подключен к источнику излучения и второму входу демодулятора. 1 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано, в частности, при вибрационных испытаниях для измерения, например, амплитуды колебаний или перемещения объекта при развороте, обусловленном вибрацией.

Известно устройство для измерения колебаний шарнирных лопаток турбин, содержащее группу датчиков, установленных у основания и периферии лопаток, каждый датчик подключен через электронную схему с формирователем и измерителем временного интервала к общему вычитателю, выход которого подключен к регистратору с индикатором [1] Недостатком устройства является невозможность учесть погрешности, вызванные флуктуациями внешней среды и параметрами источника излучения и фотоприемника датчиков.

Известно фотоэлектронное устройство для вибрационных испытаний объекта (лопаток турбин), содержащее источник излучения, коллиматор и установленные последовательно по ходу светового луча фокусирующую линзу и фотоприемник, генератор и регистратор. Устройство содержит также систему стабилизации мощности источника излучения и авторегулятор для поддержания амплитуды колебаний. Измерение основано на теневом методе [2] Недостатком устройства является наличие влияния фоновых засветок, а также зависимость результата от коэффициента светопередачи оптической системы обусловленных, например, наличием пыли или пленок окислов при испытаниях с нагревом, а также изменениями параметров источника и приемника излучения.

Техническим результатом использования изобретения является исключение погрешностей, связанных с отсутствием дифференциации изменений, обусловленных фоновыми засветками и изменениями коэффициента светопередачи оптической системы, и изменений, обусловленных усталостными разрушениями, а также обеспечение возможности фиксации изменения размера проекции изображения, связанного с изменением размера объекта или его поворотом.

Это достигается тем, что оптико-электронное устройство для измерения линейных перемещений объекта, содержащее источник излучения, коллиматор и установленные по ходу светового луча фокусирующую линзу и фотоприемник, генератор и регистратор, снабжено щелевой и точечной диафрагмами, установленными соответственно до и после фокусирующей линзы по ходу луча, светоделителем, установленным по ходу луча после коллиматора и предназначенным для отделения второго светового луча, установленным по ходу второго светового луча отражающим зеркалом, второй щелевой диафрагмой, второй фокусирующей линзой, второй точечной диафрагмой и вторым фотоприемником, сумматором, подключенным к выходам фотоприемников, демодулятором, подключенным к выходу первого фотоприемника, блоком дифференцирования в виде соединенных параллельно полосового фильтра и фильтра нижних частот, и блоком коррекции, подключенным к выходам фильтров блока дифференцирования, вторым фильтром нижних частот, подключенным к выходу второго фотоприемника, генератор подключен к источнику излучения и второму входу демодулятора, а выход корректора и второго фильтра нижних частот к соответствующим входам регистратора.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства.

Оптико-электронное устройство состоит из источника 1 излучения, установленных последовательно по ходу первого светового луча коллиматора 2, светоделителя 3, первой щелевой диафрагмы 4, первой фокусирующей линзы 5, первой точечной диафрагмы 6 и первого фотоприемника 7, установленных последовательно по ходу второго светового луча после светоделителя 3 отражающего зеркала 8, второй щелевой диафрагмы 9, второй фокусирующей линзы 10, второй точечной диафрагмы 11 и второго фотоприемника 12. Устройство состоит также из сумматора 13, входы которого соединены соответственно с выходами фотоприемников 7 и 12, соединенных последовательно демодулятора 14, подключенного к выходу первого фотоприемника 7, блока 15 дифференцирования, блока 16 коррекции и регистратора 17. Блок 15 дифференцирования выполнен в виде соединенных параллельно полосового фильтра (ПФ) 18 и фильтра 19 нижних частот, выходы которых являются соответствующими входами блока 16 коррекции. Устройство состоит также из второго фильтра 20 нижних частот, включенного между выходом сумматора 13 и вторым входом регистратора 17, генератора 21, выход которого соединен с источником 1 излучения и вторым входом демодулятора 14. Объект измерения обозначен позицией 22.

Устройство работает следующим образом. Источником излучения 1 и коллиматором 2 формируется параллельный световой поток, часть которого перекрывается колеблющимся объектом 22.

Неперекрытая часть потока излучения проходит через щелевую диафрагму 4, линзу 5 и точечную диафрагму 6, позволяющую уменьшить падающий на фотоприемник 7 фоновый поток излучения. С выхода фотоприемника сигнал подается на демодулятор 14, на второй вход которого подается сигнал с генератора 21, с помощью которого обеспечивается модуляция амплитуды мощности источника.

При синусоидальной амплитудной модуляции мощности источника излучения с частотой ω Р P sin ωt и гармонических колебаниях объекта 22 с амплитудой χ_o и частотой Ω χ=χ_osin Ω t, где ω>>Ω световой поток Φ, падающий на первый фотоприемник 7, определяется выражением Φ η (Φsin ω t + K₁ P_oχ_o sin ω t˙sinΩ t), где η коэффициент светопередачи; K коэффициенты пропорциональности, в результате этого сигнал фотоприемника 7 l_фп S_у˙Φ˙ К_e, где S_у чувствительность фотоприемника.

С выхода демодулятора 14 сигнал имеет вид U_DK K₃l_фп sin ω t ηS₉ K₂K₃(Φ_c sin ω t+ + K₁P_o χ_o sin ω t sin Ω t) sin ω t и поступает на полосовой фильтр 18 и ФНЧ 19 блока 15, как видно сигнал содержит постоянную составляющую, пропорциональную η, S_у, Φ_c, которая выделяется ФНЧ 19; полезную составляющую с частотой Ω, пропорциональную η, S_у, Р_о, которая выделяется полосовым фильтром 18, и высокочастотные составляющие с частотой ω, 2 ω которые подавляются ПФ 18.

Блок 16 коррекции может быть выполнен, например, в виде делителя, тогда сигнал с ПФ 18 будет поступать на вход делимого блока 16, а сигнал с ФНЧ 19 на вход делителя блока 16, тогда на выходе блока 16 формируется полезный сигнал с частотой Ω, который описывает колебания (перемещение) объекта, а множители η, S_y, P_o, определяющие погрешность результатов измерения, сокращаются и выходной сигнал не зависит от коэффициента передачи оптической системы, мощности источника излучения и чувствительности фотоприемника.

Таким образом схема позволяет регистрировать на регистраторе 17 изменения амплитуды сигнала, вызванные как обычным перемещением объекта 22, так и изменением амплитуды его колебаний, вызванным разрушением образца при вибрационных испытаниях.

Светоделителем 3 и отражающим зеркалом 8 формируется второй световой луч, параллельный первому и частично перекрываемый другим краем колеблющегося объекта 22. Световой поток проходит диафрагму 9, линзу 10, точечную диафрагму 11 и преобразуется на втором фотоприемнике 12. Два аналогично сформированных сигнала, несущие информацию о перемещении двух краев одного объекта 22, поступают с двух фотоприемников 7 и 12 на соответствующие входы сумматора 13. Выходной сигнал с сумматора 13 пропорционален изменению величины поперечного сечения объекта и промодулирован сигналом генератора 21, поступающего на источник 1 излучения. Для исключения сигнала модуляции сигнал с сумматора 13 подается на ФНЧ 20 и на второй вход регистратора 17, на котором фиксируется факт изменения поперечного сечения объекта или, например, разворот лопатки (турбины) при ее вибрационных испытаниях.

Источник излучения может быть выполнен в виде инфракрасного светодиода, в качестве делителя может быть использован аналоговый перемножитель К525ПС2.

Экспериментальные исследования предложенного устройства показали, что за 8-10 ч работы погрешность измерения снижается с 30-50 до 2-3%

Формула изобретения

ОПТОЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТА, содержащее источник излучения, коллиматор и установленные по ходу светового луча первую фокусирующую линзу и первый фотоприемник, генератор и регистратор, отличающееся тем, что оно снабжено первой щелевой и точечной диафрагмами, установленными соответственно до и после первой фокусирующей линзы по ходу светового луча, светоделителем, установленным по ходу луча за коллиматором и предназначенным для отделения второго светового луча, установленным по ходу второго светового луча отражающим зеркалом, второй щелевой диафрагмой, второй фокусирующей линзой и вторым фотоприемником, сумматором, входы которого подключены к фотоприемникам, последовательно соединенными демодулятором, соединенным с первым фотоприемником, и блоком дифференцирования в виде соединенных параллельно полосового фильтра и фильтра нижних частот, блоком коррекции, включенным между выходами фильтров блока дифференцирования и первым входом регистратора, вторым фильтром нижних частот, включенным между выходом сумматора и вторым входом регистратора, генератор подключен к источнику излучения и второму входу демодулятора.

РИСУНКИ

Рисунок 1