Оптическое устройство для определения параметров пространственного положения поверхности объектов

 

Изобретение относится к измерительной и волоконно-оптической технике и может быть использовано в приборо-, станко- и машиностроении для высокоточного бесконтактного измерения и контроля линейных и угловых параметров поверхности объектов, в т.ч. и со сложной, криволинейной и/или прерывистой поверхностями. В устройстве используется многоканальный волоконно-оптический преобразователь (ВОП), световоды которого оптически сопряжены с блоком оптических элементов. При этом оптические элементы могут использоваться как для освещения, так и фотопреобразования. При измерениях используется стробоскопический эффект, когда при коммутации выбранного оптического элемента для импульсного освещения объекта производится синхронная коммутация другого оптического элемента для фотопреобразования отраженного оптического потока. Технический результат: расширение функциональных оптических возможностей. 1 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к измерительной и волоконно-оптической технике и может быть использовано в приборо-, станко- и машиностроении для высокоточного бесконтактного измерения и контроля линейных (положение 1, смещение Δ 1) и угловых (наклон α , смещение Δ α ) параметров поверхности объектов (деталей, изделий), в т.ч. и со сложной, криволинейной и/или прерывистой поверхностями.

Известен оптический датчик перемещений (аналог) [1], содержащий источник излучения, оптически сопряженный с подводящим световодом, два приемника излучения, оптически сопряженных с двумя отводящими световодами, и два регистрирующих блока, входы которых соединены соответственно с выходами приемников излучения, при этом световоды имеют один общий торец, два отводящих световода выполнены из оптических волокон с различными оптическими или геометрическими параметрами, при этом на общем торце оптические волокна световодов уложены регулярно.

Описанный датчик позволяет достичь высокой точности измерений аксиальных перемещений за счет устранения влияния вариации коэффициента отражения объекта. Однако его недостатком является ограничение функциональных возможностей, определяемое невозможностью измерения угловых смещений.

Известен бесконтактный датчик перемещений (аналог) [2], состоящий из излучательного канала, включающий оптический излучатель, коллиматор, светоделитель, фотоприемник, волоконно-оптический преобразователь (ВОП), включающий излучающий световод, два собирающих световода; приемного канала, содержащий два фотоприемника; измерительной схемы, которая включает два усилителя, два аналого-цифровых преобразователя и процессор.

Недостатками этого устройства являются ограничения функциональных возможностей, связанное с фиксированной формой приемоизлучательных каналов ВОП и, вследствие этого, не позволяющее перестраивать такие параметры, как чувствительность и диапазон измерений без смены ВОП.

Известен бесконтактный датчик перемещений (аналог) [3], который содержит источник излучения с оптическим выходом, состоящий из оптически связанных управляемого излучателя, оптической схемы, светоделителя и фотоприемника, выход которого подключен к электрическому входу управляемого излучателя; волоконно-оптический преобразователь, содержащий два плеча с коэффициентами преобразования К_воп1 и К_воп2, реализованные на основе подводящего и двух собирающих световодов; два фотоприемника, подсоединенные к оптическим выходам собирающих световодов, вход подводящего световода соединен к оптическому выходу источника излучения, плечи волоконно-оптического преобразователя обеспечивают соотношение К_воп2=0,9 К_воп1, введен измерительный канал с двумя электрическими входами и выходами, причем выходы фотоприемников первого и второго плеч волоконно-оптического преобразователя подключены соответственно к второму и первому входам измерительного канала.

Этот датчик позволяет измерять аксиальные перемещения с высокой точностью за счет использования нониусного метода измерений. Однако его недостатком является ограничения функциональных возможностей из-за невозможности управления параметрами функции преобразования (диапазон и чувствительность) и измерения угловых смещений.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству, является многоканальный волоконно-оптического преобразователя [4] (прототип), который содержит волоконно-оптический преобразователь, содержащий один подводящий световодный и n отводящих световодных каналов, источник излучения, n-фотоприемников, электрически подключенные к устройствам согласования, которые подсоединены ко входам сумматора.

Этот датчик позволяет управлять параметрами функции преобразования, в частности диапазоном и чувствительностью. Однако к недостаткам этого устройства следует отнести ограничения функциональных возможностей из-за неизменности пространственного положения подводящего и отводящего световодных каналов и вследствие этого измерения узкой и жестко заданной части отраженного потока, не позволяющего пространственно подстраиваться под различные особенности контролируемых объектов машин и технологических процессов.

Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в расширении функциональных возможностей.

Согласно изобретению это достигается тем, что оптическое устройство для определения параметров пространственного положения поверхности объекта включает волоконно-оптический преобразователь и оптические элементы, при этом волоконно-оптический преобразователь состоит из набора световодов, числом равных числу оптических элементов, причем одни концы световодов скреплены и образуют общий торец, а другие оптически сопряжены с оптическими элементами, в устройство введены блок опорных сигналов с четырьмя выходами, блок коммутации с тремя входами, выходом и входами-выходами; при этом дополнительно сформированы два выхода, причем оптические элементы выполнены с возможностью как излучения оптического потока, так и его фотопреобразования и объединены в блок оптических элементов с электрическими входами-выходами, а входы-выходы блока оптических элементов и блока коммутации электрически связаны; при этом выход блока коммутации является первым выходом устройства, причем ко входам блока коммутации подключены первые три выхода блока опорных сигналов, третий и четвертый выход которого являются соответственно вторым и третьим выходом устройства.

Отличием устройства является то, что блок опорных сигналов состоит из источника синхроимпульсов и источника аналогового сигнала, а блок коммутации из двух коммутаторов и двух усилителей, при этом выходы источника синхроимпульсов являются соответственно первым, вторым и четвертым выходами блока опорных сигналов, третий выход которого является выходом источника аналогового сигнала, причем третий вход блока коммутации является входом первого усилителя, выход которого подключен ко второму входу первого коммутатора, первый вход которого является первым входом блока коммутации, ко входам-выходам которого подсоединены выходы первого коммутатора и вторые входы второго коммутатора, первый вход которого является вторым входом блока коммутации, а выход второго коммутатора подключен ко входу второго усилителя, а выход последнего является выходом блока коммутации.

Другим отличием устройства является то, что оптические элементы реализованы на основе оптических диодов.

Полученное новое качество от данной совокупности признаков ранее не было известно и достигается только в данном устройстве.

Работа устройства поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема оптического устройства.

Фиг.2 иллюстрирует структуру общего торца ВОП, состоящего из 17 световодов, и процесс измерения положения 1 и угла наклона α объекта.

Оптическое устройство (фиг.1) содержит следующие элементы: блок опорных сигналов (БОС) 1, состоящий из источника синхроимпульсов (ИСИ) 2 и источника аналогового сигнала (ИАС) 3; блок коммутации 4, состоящий из усилителей 5 и 7, коммутаторов 6 и 8; блок оптических элементов 9, состоящий из оптических элементов 9.1-9.n, волоконно-оптический преобразователь (ВОП) 10, у которого концы световодов 11.1-11.n с одной стороны скреплены в общий торец 12.

Работа предлагаемого устройства реализуется следующим образом.

Блок ИСИ 2 формирует два цифровых кода N₁, N₂ и синхроимпульс U₁(t), первые два из которых синхронизируют работу коммутаторов 6 и 8 блока коммутации 4, а синхроимпульс U₁(t) подается на первый выход устройства для синхронизации процесса дальнейшей обработки измеренных параметров.

Блок ИАС 3 формирует опорный аналоговый сигнал U_o=U_omsin2π f_модt, где f_мод - частота модуляции, который поступает как на вход усилителя 5, так и на второй выход устройства.

Коммутаторы 6 и 8 организуют двунаправленную передачу сигналов: 1) в режиме освещения (излучения) - сигнал U_o с выхода усилителя 5 на блок оптических элементов 9; 2) в режиме фотопреобразования (фотоприема) -сигналов U_ij с блока оптических элементов 9 на вход усилителя 7, где U_ij - сигнал на выходе j-го фотоприемника при импульсном освещении i-го излучателя.

С первого выхода блока ИСИ 2 (фиг.1) цифровой код N₁ импульсно Δ t_осв поступает на первый вход коммутатора 6, по которому выходной сигнал усилителя 5 следует на соответствующий выход коммутатора 6, а затем на оптический элемент 9.i, формирующий импульсный оптический поток. Этот поток следует по соответствующему световоду 11.i и освещает поверхность объекта контроля 13. Отраженное от этого объекта 13 (фиг.2) излучение освещает общий торец 12 и по световодам 11.i следует к оптическим элементам 9.i.

Синхронно с цифровым кодом N₁ со второго выхода блока ИСИ 2 на первый вход коммутатора 8 поступает цифровой код N₂, по которому сигнал, формируемый выбранным оптическим элементом 9.i, подается на вход усилителя 7, выходной сигнал которого следует на первый выход устройства U_вых.

Сущность работы устройства основана на возможности работы оптических элементов как в режиме излучения, так и в режиме фотоприема. Наилучшим образом для этой цели подходят оптические (лазерные) диоды, особенности работы которых в таких режимах уже хорошо исследованы в [5-8]. Оптическое сопряжение этих оптических элементов со световодами ВОП позволяет получить пространственно перестраиваемую структуру приемоизлучающих световодов (каналов) ВОП.

При работе за счет синхронной коммутации оптических элементов (подобно стробоскопу) при каждом импульсном излучении Δ t_осв выбранного оптического элемента ("излучатель") происходит опрос (передача на выход устройства) выходного сигнала другого оптического элемента ("фотоприемник"). Далее синхронно со следующим импульсом освещения при неизменном цифровом коде N₁ опрашивается следующий оптический элемент 9.i+l. После опроса всех оптических элементов, работающих в режиме фотопреобразования, происходит изменение цифрового кода N₁ и для импульсного освещения выбирается новый оптический элемент. Для следующего выбранного "излучателя" при изменении цифрового кода N₁ последовательный опрос всех выбранных "фотоприемников" происходит аналогичным образом.

Весь цикл измерений, когда все оптические элементы будут как "излучатели", так и "фотоприемники", позволяет сформировать матрицу измерений:

где U_ij - сигнал на выходе j-го фотоприемника при импульсном освещении i-го излучателя.

Подбор нужных последовательностей импульсных цифровых кодов ₁ и N₂ позволяет изменять параметры функции преобразования и реализовать следующие комбинации излучающих и приемных световодов: 1) коаксиальный - в виде концентрических кругов, 2) равномерный - в виде шахматного расположения, 3) граничное - раздельное расположение, 4) линейное - в виде линейки.

Использование режима импульсного освещения позволяет формировать максимально возможную, близкую к пиковой, мощность световых импульсов [9], безопасную для деградации излучающих кристаллов (р-n перехода) оптических элементов. По сравнению с непрерывным режимом излучения это, в конечном итоге, повышает соотношение сигнал/шум и приводит к повышению точности измерений.

Так как полный цикл измерений определяется последовательностью из всех возможных вариантов коммутации, когда все оптические элементы будут как "излучатели", так и "фотоприемники", то его длительность равна

где n - количество используемых оптических элементов, t_т=t_ocв+t_п≈t_ocв+Qt_ocв≈Qt_ocв - длительность одного такта, состоящего из импульса освещения t_ocв и паузы t_п, Q - скважность импульсов.

Из [9, 10] известно, что рекомендуемые значения Δ t_осв<1 мкс при Q>10. Тогда для датчика, состоящего, например, из 17 оптических элементов и световодов (фиг.2), временные и частотные параметры схемы имеют следующие значения: частота модуляции f_мод≈(5-10)/Δ t_ocв=5-10 МГц, а длительность измерительного цикла Т_ц составит >2,6 мс.

Малые размеры кристаллов лазерных диодов, полученные к настоящему времени позволяют размещать их в одном блоке (модуле) от единиц до десятков штук [9, 10]. Технологические вопросы оптического сопряжения световодов с миниатюрными оптическими элементами также достаточно хорошо проработаны. Это косвенно подтверждается на примере стыковки световодов с фотоэлементами ПЗС-линейки (габариты фотоэлемента не превышают габаритов излучающих кристаллов лазерных диодов), рассмотренной в [11].

Таким образом, управление последовательностью коммутации оптических элементов в режимах освещения и фотопреобразования позволит, в конечном итоге, перестраивать параметры функции преобразования предлагаемого устройства в широком диапазоне и задавать их значения, как у ВОП с коаксиальным, равномерным (шахматным), граничным, или линейным расположением приемоизлучательных каналов. Такие возможности особенно важны при измерении и контроле в гибких и быстропереналаживаемых технологических процессах.

Источники информации

1. А.с. №1631496, МПК G 01 В 6/04. Оптический датчик перемещений. Гудков Ю.И., Зак Е.А., Зиновьев В.В., Смирнов М.Ю. Опубл. в БИ №8, 28.02.1991 (аналог).

2. Патент №63-293401 (Япония), МКИ 6 01 В 11/00. Displacement measuring instrument. Yasunaga Tekkosho K.K. Hideki Miyanishi (аналог).

3. Патент РФ №2156435, МПК G 01 В 11/00. Бесконтактный датчик перемещений. Леун Е.В., Рожков Н.Ф., Михайлов А.В., Василенко А.Н. Опубл. в БИ №26, 20.09.2000 (аналог).

4. Лунчева Т.М. Разработка и исследование волоконно-оптических преобразователей перемещения с расширенным динамическим диапазоном. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. М., 1993 (прототип).

5. Rochfbrd K.M., Rose A.H. Simultaneous laser-diode emission and detection for fiber-optic sensor applications. Optics letters, v.20, №20, 1995, pp.2105-2107.

6. Johnson M., Jokerts N.M. Self-detecting light-emitting diode optical sensor. Journal of Applied Physics, 56(3), 1984, pp.869-871.

7. Johnson M. Single fifer shutter-type sensor using a self-detecting LED. SPIE v. 1011 Fiber Optic Sensors III (1988), pp.90-94.

8. Nakashima Т., Nakazawa M., Seikai S. Optical time domain reflectormeter with a laser diode operating as light emitter/photodetcctor. Japanese Journal of Applied Physics, v.24, 1985, pp.135-136.

9. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: Справочник / В.И. Иванов, А.И. Аксенов, А.М. Юшин - 2-е изд., M.: Энергоатомиздат, 1989.

10. Каталог полупроводниковых приборов, выпускаемых АО "Полупроводниковые приборы". 2001. (http:www.atcsd.neva.ru).

11. А.с. №2156435 (СССР), МПК G 01 С 21/24. Солнечный датчик. Витриченко Э.И., Щербаков В.В. Опубл. в БИ №45, 07.12.92.

Формула изобретения

1. Оптическое устройство для определения параметров пространственного положения поверхности объекта включает волоконно-оптический преобразователь и оптические элементы, при этом волоконно-оптический преобразователь состоит из набора световодов, числом, равным числу оптических элементов, причем одни концы световодов скреплены и образуют общий торец, а другие оптически сопряжены с оптическими элементами, отличающееся тем, что в устройство введены блок опорных сигналов с четырьмя выходами, блок коммутации с тремя входами, выходом и входами - выходами, при этом дополнительно сформированы два выхода, причем оптические элементы выполнены с возможностью как излучения оптического потока, так и его фотопреобразования и объединены в блок оптических элементов с электрическими входами-выходами, а входы-выходы блока оптических элементов и блока коммутации электрически связаны, при этом выход блока коммутации является первым выходом устройства, причем ко входам блока коммутации подключены первые три выхода блока опорных сигналов, третий и четвертый выходы которого являются соответственно вторым и третьим выходом устройства.

2. Оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что блок опорных сигналов состоит из источника синхроимпульсов и источника аналогового сигнала, а блок коммутации из двух коммутаторов и двух усилителей, при этом выходы источника синхроимпульсов являются соответственно первым, вторым и четвертым выходами блока опорных сигналов, третий выход которого является выходом источника аналогового сигнала, причем третий вход блока коммутации является входом первого усилителя, выход которого подключен ко второму входу первого коммутатора, первый вход которого является первым входом блока коммутации, ко входам-выходам которого подсоединены выходы первого коммутатора и вторые входы второго коммутатора, первый вход которого является вторым входом блока коммутации, а выход второго коммутатора подключен ко входу второго усилителя, а выход последнего является выходом блока коммутации.

3. Оптическое устройство по п.1, отличающееся тем, что оптические элементы реализованы на основе оптических диодов.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2