Волоконно-оптический датчик угла поворота



Волоконно-оптический датчик угла поворота
Волоконно-оптический датчик угла поворота
Волоконно-оптический датчик угла поворота
Волоконно-оптический датчик угла поворота
Волоконно-оптический датчик угла поворота
Волоконно-оптический датчик угла поворота
G01D5/35387 - Передача выходного сигнала от датчика с использованием механических средств; средства преобразования выходного сигнала датчика в другую переменную величину, если форма или вид датчика не препятствуют средству преобразования; преобразователи, специально не предназначенные для особых переменных величин (G01D 3/00 имеет преимущество; средства, предназначенные специально для устройств, замеряющих не мгновенные, а некоторые другие значения переменной величины, G01D 1/00; датчики, см. соответствующие подклассы, например G01,H01; для преобразования только тока или только напряжения в механическое смещение G01R 5/00; специально предназначенные для высоковольтных или сильноточных измерительных устройств G01R 15/04, G01R 15/14; измерение тока или напряжения с использованием цифровой

Владельцы патента RU 2688596:

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва" (RU)

Изобретение относится к средствам измерения угловых перемещений. Волоконно-оптический датчик угла поворота состоит из лазерного диода, микроконтроллера, оптического делителя мощности, двух фотодетекторов и двух отрезков оптического волокна. Отрезки оптического волокна свернуты в полукольца вокруг шарнира. Оптическое волокно соединяет лазерный диод с фотодетекторами через оптический делитель мощности. Оптический делитель мощности делит в равных отношениях сигнал лазерного диода на два отрезка оптического волокна. Концы отрезков оптического волокна неподвижно закреплены на подвижном и неподвижном элементах конструкции с возможностью при угловом повороте шарнира изменения радиусов первого и второго полуколец. Микроконтроллер подключен к лазерному диоду и управляет его мощностью излучения, так чтобы обеспечить постоянной величину суммы сигналов фотодетекторов. Технический результат заключается в уменьшении температурной погрешности датчика. 4 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения угловых перемещений, и может быть использовано в различных областях, например в промышленной автоматике, в робототехнике, в частности для измерения угловых перемещений фаланг пальцев захватов антропоморфного робота и др.

Известен оптоволоконный датчик, основанный на деформации свободно установленного отрезка волокна (патент США US 5818982 А, Fiber optic sensor based upon buckling of a freely suspended length of fiber, МПК G02B 6/00, опубл. 06.10.1998 г.). Данный датчик основан на нелинейной деформации оптических волокон и оптических потерях при их изгибе. Для реализации датчика могут применяться одно - и многомодовые оптические волокна.

Недостатком данной конструкции датчика является неоднозначность результатов измерения, возникающая из-за изменения модового состава оптического излучения, происходящего вследствие деформации оптического волокна при его изгибе и низкая температурная стабильность датчика.

Известен оптический датчик положения и/или формы (заявка на патент США US 20110109898, Optical position and/or shape sensing, МПК G01N 21/84, опубл. 12.05.2011 г.), принцип действия которого основан на определении изменений длины оптических путей в каждой из жил многожильного кабеля, возникающих в результате изгиба участка кабеля. При этом угол изгиба волокна пропорционален удлинению периферийных волокон. Конечный угол изгиба многожильного кабеля представляет собой сумму всех предыдущих углов изгиба кабеля. В случае использования волокон с решетками Брэгга разность фаз, измеряемая относительно исходного состояния кабеля, аккумулируется. Суммарный угол изгиба на участке кабеля определяется коэффициентом пропорциональности, длиной участка кабеля, удлинением периферийных волокон. Блок-схема устройства измерения положения и формы многожильным оптоволоконным кабелем, включает в себя следующие элементы: устройство отображения формы изгиба (монитор); сеть лазерного мониторинга; системный контроллер и процессор для обработки данных; сеть сбора данных; опрашивающая сеть; контроллер поляризации; поляризационные светоделители; оптические разветвители; фотодетекторы; оптические интерферометры; оптические циркуляторы; выводные разветвители; оптоволоконный кабель, определяющий форму изгиба; волоконная катушка задержки; фарадеевское вращающее зеркало.

Недостатком данного датчика движения тела является недостаточная точность и стабильность результата измерения, большие габаритно-массовые показатели кабеля, не позволяющие использовать его в качестве датчика углового положения фаланг пальцев захватов, высокая стоимость кабеля с регулярной укладкой оптоволокна и высокая стоимость элементов и устройств обработки информации, например оптического интерферометра и др.

Известен оптоволоконный лист и датчик движения тела (патент США US 9420964, Optical fiber sheet and body motion sensor, МПК A61B 5/113, G01D 5/353, A61B 5/00, опубл. 23.08.2016 г.), содержащий волоконно-оптический лист, источник оптического излучения, компьютер. В качестве чувствительного элемента используется градиентное кварцевое оптоволокно, уложенное определенным образом на плоский листовой материал с клеевым слоем, формирующее волоконно-оптический измерительный лист. В кварцевом оптическом волокне возникают микроизгибные потери под действием нагрузки. Амплитудно-модулированный сигнал поступает в преобразователь оптического сигнала в электрический и обрабатывается программным обеспечением, установленным на ПК. Движение тела (изгиб волоконно-оптического листа) обнаруживается путем измерения изменения количества передаваемого оптического сигнала и определения избыточных потерь в полученном сигнале.

Данный датчик позволяет определить только суммарную деформацию/изгиб волоконно-оптического листа и не позволяет определить место деформации/изгиба волоконно-оптического листа. Датчик позволяет измерять только микроизгибы, что не позволяет использовать его в качестве датчика углового положения фаланг пальцев захватов.

Известен волоконно-оптический датчик изгиба и положения с изогнутыми светоизлучающими поверхностями (патент США US 5633494, Fiber optic bending and positioning sensor with selected curved light emission surfaces, МПК G01D 5/353, G02B 6/28, опубл. 27.05.1997 г.), принцип действия которого заключается в использовании в качестве чувствительного элемента участка оптоволокна, оптическая оболочка которого имеет определенную структуру. Чувствительный участок формируется в виде зубцов, глубина которых доходит до сердцевины оптоволокна, при этом целостность сердцевины не нарушается. Снаружи оптическая оболочка может быть закрыта защитной буферной оболочкой. При изгибе чувствительного участка волокна происходит нарушение закона полного внутреннего отражения и возникают потери регистрируемого оптического сигнала, пропорциональные изгибающему воздействию. Приведенное в патенте конструктивное исполнение включает чувствительное волокно с микроструктурированной оптической оболочкой в виде зубцов, защищенное буферной оболочкой, задатчики перемещения, платформы для установки волокна. При этом зависимость пропускания оптического волокна от угла изгиба имеет практически линейный характер.

Недостатком данного волоконно-оптического датчика изгиба и положения является недостаточная надежность конструкции вследствие нарушения целостности оптической оболочки и низкая температурная стабильность.

Известна оптическая линейная измерительная система и метод измерения (US 009470559 В2, Optical linear measurement system and method, 18.10.2016).

Оптическая линейная измерительная система и метод, определяющие движение подвижного объекта на основе измерения интенсивности оптического сигнала, распространяющегося в первом оптическом волокне, соединенным с подвижным объектом. При изменении линейного положения подвижного объекта изменяется радиус катушки первого оптического волокна. По мере изменения радиуса катушки интенсивность оптического сигнала изменения. Второе статическое стекловолокно используется для компенсации влияния температуры на результат измерения.

Недостатком данной конструкции датчика является неоднозначность результатов измерения, возникающая из-за изменения модового состава оптического излучения, происходящего вследствие деформации оптического волокна при его изгибе и низкая температурная стабильность.

Наиболее близким к настоящему изобретению по технической сути является датчик положения (патент ЕР 1867958 А2, Position Sensor, 19.12.2007 г.). Принцип работы датчика основан на определения положения шарнира, механически соединенного с отрезком оптического волокна, который в свою очередь оптически соединяет между собой лазерный светодиод и фотодетектор. Отрезок оптического волокна, свернутый в виде полукольца, в процессе поворота шарнира изменяет радиус и, как следствие, уровень оптической мощности, которая фиксируется фотодетектором и измеряется микроконтроллером.

Недостатком данной конструкции датчика положения является его низкая стабильность, связанная с влиянием изменения температуры на характеристики фотодетектора, лазерного диода и оптического волокна.

Так, увеличение температуры приводит к уменьшению выходной мощности РИзл лазерного диода (фиг. 1) с температурным коэффициентом около минус 2,5%/град.

Для фотодетектора (фотодиода) при увеличении температуры на 10°С величина темнового тока увеличивается примерно в 2 раза, а шунтирующее сопротивление удваивается при увеличении температуры на 6°С.

Кроме того, датчик обладает существенной нелинейность передаточной функции (фиг. 2).

Технический результат достигается за счет того, что в волоконно-оптический датчик угла поворота вводится дополнительно оптический делитель мощности, второй отрезок оптического волокна и второй фотодетектор. Оптический делитель мощности установлен с возможностью деления в равных отношениях сигнала лазерного диода на два отрезка оптического волокна., причем второй отрезок оптического волокна свернут в виде полукольца и его концы неподвижно закреплены на подвижном и неподвижном элементах конструкции с возможностью при угловом повороте шарнира изменения радиусов первого и второго полуколец, при этом микроконтроллер подключен к лазерному диоду и управляет его мощностью излучения так, что бы обеспечить постоянной величину суммы сигналов фото детекторов.

Техническая сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, где:

- на Фиг. 1 представлены выходные характеристики лазерного диода при различных температурах;

- на Фиг. 2 представлена позиционная (передаточная) характеристика датчика угла поворота: кривая 1 - выходной оптический сигнал первого полукольца, кривая 2 - выходной оптический сигнал второго полукольца, кривая 3 - результирующий выходной сигнал предлагаемого волоконно-оптического датчика угла поворота;

- на Фиг. 3 представлена структурная схема предлагаемого волоконно-оптического датчика угла поворота;

-на Фиг. 4 представлена позиционная (передаточная) характеристика предлагаемого волоконно-оптического датчика угла поворота: кривая 1 -зависимость U1(ϕ,t)+U2(ϕ,t) кривая 2 - позиционная характеристика волоконно-оптического датчика угла поворота U(ϕ).

Таким образом, предлагаемый волоконно-оптический датчик угла поворота содержит микроконтроллер 1, подключенный к нему лазерный диод 2, оптический делитель мощности 3, фотодетекторы 6, 7, выходы которых подключены к микроконтроллеру, а также два отрезка оптического волокна 4 и 5, свернутых в полукольца и оптически соединяющих оптический делитель мощности 3 с фотодетекторами 6, 7 (фиг. 3). Концы отрезков оптического волокна 4, 5 неподвижно закреплены на подвижном и неподвижном элементах конструкции таким образом, чтобы при угловом повороте шарнира радиус одного полукольца увеличивался/уменьшался, а радиус другого полукольца уменьшался/увеличивался.

Выходной сигнал (позиционная характеристика) такого волоконно-оптического датчика угла поворота определяется, согласно следующему выражению:

где U(ϕ) - зависимость выходного сигнала волоконно-оптического датчика от угла поворота ϕ;

U1(ϕ, t)=Y1(ϕ, t)⋅k, U2(ϕ, t)=Y2(ϕ, t)⋅k, Y1(ϕ, t), Y2 (ϕ, t) - электрические сигналы на выходах и оптические сигналы Y1(ϕ, t), Y2(ϕ, t) входах фотодетекторов 6, 7;

k - коэффициенты преобразования оптических сигналов в электрический фотодетекторами 6, 7.

При этом, для исключения влияния изменения сигналов U1(ϕ, t) и U2(ϕ, t) на эффективность температурной стабилизации характеристик фотодетекторов 6, 7, лазерного диода 2, оптического делителя 3 и отрезков оптического волокна 4, 5 микроконтроллер 1 управляет током накачки лазерного диода 2 так, что бы обеспечить постоянство суммы сигналов фотодетекторов 6, 7 при изменении, как угла поворота шарнира, так и температуры элементов 2-7 датчика:

U1(ϕ, t)+U2(ϕ, t)=Const.

Литература

1. Патент США US 5818982 А, Fiber optic sensor based upon buckling of a freely suspended length of fiber, МПК G02B 6/00, опубл. 06.10.1998 г.

2. Заявка на патент США US 20110109898, Optical position and/or shape sensing, МПК G01N 21/84, опубл. 12.05.2011 г.

3. Патент США US 9420964, Optical fiber sheet and body motion sensor, МПК A61B 5/113, G01D 5/353, A61B 5/00, опубл. 23.08.2016 г.

4. Патент США US 5633494, Fiber optic bending and positioning sensor with selected curved light emission surfaces, МПК G01D 5/353, G02B 6/28, опубл. 27.05.1997 г.

5. Патент US 009470559 B2, Optical linear measurement system and method, 18.10.2016 г.

6. Патент ЕР 1867958 A2, Position Sensor, 19.12.2007 г.

7. Д. Бейли, Э. Райт. Волоконная оптика: теория и практика/Пер. с англ. - М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 2006. - 320 с.

8. W. W. Chow, S. W. Koch. Semiconductor Laser, Fundamentals. Springer, 1998.

Волоконно-оптический датчик угла поворота, состоящий из лазерного диода и микроконтроллера, подключенного к нему фотодетектора, отрезка оптического волокна, свернутого в полукольцо вокруг шарнира и оптически соединяющего лазерный диод с фотодетектором, причем концы полукольца неподвижно закреплены на подвижном и неподвижном элементах конструкции шарнира, а полукольцо расположено с возможностью изменения радиуса при угловом повороте, отличающийся тем, что в волоконно-оптический датчик угла поворота введены оптический делитель мощности, второй отрезок оптического волокна и второй фотодетектор, причем оптический делитель мощности установлен с возможностью деления в равных отношениях сигнала лазерного диода на два отрезка оптического волокна, а второй отрезок оптического волокна свернут в виде полукольца и его концы неподвижно закреплены на подвижном и неподвижном элементах конструкции с возможностью при угловом повороте шарнира изменения радиусов первого и второго полуколец, при этом микроконтроллер подключен к лазерному диоду и управляет его мощностью излучения так, чтобы обеспечить постоянной величину суммы сигналов фотодетекторов.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к области полимерного оптического волокна, в частности к получению полимерного оптического волокна фоконного типа торцевого и бокового свечения, в котором с одного или с обоих концов полимерного оптического волокна, определенной длины с постоянным диаметром, располагают фоконы, составляющие единое целое с оптическим волокном, и установке для его получения.

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано при создании волоконно-оптических интерферометрических датчиков для регистрации фазовых сигналов (вибраций, акустических воздействий).

Изобретение относится к области технической физики и может быть использовано для точного позиционирования сфокусированного излучения на поверхности оптического волокна.

Зеркало содержит оптическое волокно, двулучепреломляющий элемент, линзу, магнит, фарадеевский вращатель, зеркало. Световой луч после оптического волокна разделяется двулучепреломляющим элементом на два перпендикулярно линейно поляризованных световых луча, которые сводятся линзой, проходят через фарадеевский вращатель, вследствие чего их плоскости поляризации поворачиваются на 45 градусов, и отражаются в одной точке на поверхности зеркала, повторно проходят через фарадеевский вращатель, вследствие чего плоскости их поляризации дополнительно поворачиваются на 45 градусов, снова падают на двулучепреломляющий элемент, объединяются в один световой луч, который падает на оптическое волокно.

Изобретение относится к лазерной технике и касается устройства ввода лазерного излучения в торец оптического элемента. Устройство содержит несколько источников лазерного излучения, каждый из которых оснащен котировочным средством, мишень, узел наблюдения и экран.

Изобретение относится к области светотехники. Технический результат - повышение однородности излучаемого света достигается за счет того, что в осветительном устройстве (ОУ) источники света образуют по меньшей мере две группы источников света (ИС), выполненные с возможностью управления ими по отдельности.

Изобретение относится к применению фотополимеризующейся композиции, включающей полимеризационно-способный компонент, например мономер или смесь мономеров, орто-хиноны и восстанавливающий агент, например амин, при следующем соотношении компонентов, вес.ч.: полимеризационно-способный компонент - 100, орто-хиноны - 0,005-0,1, восстанавливающий агент - 0,5-10,0 для коннектирования световодов.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах температурного/теплового контроля в качестве термореле, сигнализаторов в системах пожарной сигнализации предприятий, жилых помещений, железнодорожного и автомобильного транспорта; терморегуляторов в установках термостатирования объектов различного назначения, включая биологические; датчиков перегрева жидкости и пара в радиаторах водяного охлаждения, в масляных рубашках охлаждения трансформаторов, в теплообменниках, в паровых котлах; термодатчиков для контроля технологических процессов и в других областях техники.

Изобретение относится к устройству для передачи оптических сигналов между элементами, способными вращаться относительно друг друга. .

Предложенная группа изобретений относится к интерференционным датчикам, а также к способам проведения измерений с использованием указанных датчиков. Указанный датчик содержит чувствительный элемент, при помощи которого измеряемая величина индуцирует относительный фазовый сдвиг между двумя волнами, по меньшей мере один детектор, измеряющий сигнал интерференции между двумя волнами, и дополнительно включает в себя блок обнаружения фазового сдвига, имеющий в качестве входного сигнала сигнал интерференции и определяющий первую меру, представляющую собой главное значение (ϕ, 13) относительного фазового сдвига, и блок обнаружения контраста, имеющий в качестве входного сигнала сигнал интерференции, для определения второй меры (А, 12), представляющей собой взаимную корреляцию между двумя волнами, а также блок обработки для преобразования первой и второй мер в значение (x) измеряемой величины.

Изобретение может быть использовано в датчиках положения. Способ определения взаимного положения между первым элементом (3) и вторым элементом (4) осуществляется посредством узла датчика положения.

Изобретение относится к волоконно-оптической измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещения во взрывоопасных и жестких условиях производства и эксплуатации.

Группа изобретений относится к системе измерения дорожного просвета. Транспортное средство имеет систему измерения дорожного просвета, содержащую электромагнитный источник, магнитометр и контроллер.

Изобретение относится к распределенным виброакустическим волоконно-оптическим сенсорным системам. Волоконно-оптический распределенный виброакустический датчик на основе фазочувствительного рефлектометра содержит узкополосной источник излучения, волоконно-оптический усилитель, усиливающий излучение источника, акустооптический модулятор, работающий в импульсном режиме и вносящий частотный сдвиг в оптическое излучение, волоконно-оптический разветвитель на М-каналов в случае М>1, причем каждый канал состоит из оптического волокна, циркулятора и волоконно-оптического эрбиевого усилителя в приемной части канала, усилитель узкополосного оптического фильтра и далее фотоприемный модуль с выходом на канал многоканального АЦП с количеством входов не менее числа задействованных каналов, таким образом, выходы всех каналов подсоединены к своим входам многоканального АЦП.

Изобретение относится к оптоволоконной технике. Устройство содержит станционную часть, оптоволоконный транспортный кабель, соединенный оптическим контактом с рефлектометром одним концом, а вторым концом соединенный со сплиттером, используемым для разветвления и продолжения транспортировки энергии зондирующих импульсов к чувствительным частям оптической схемы устройства, регулировочные оптические катушки, сплиттеры транспортной части оптической схемы; сплиттеры, предназначенные непосредственно для образования оптического кольца чувствительной части устройства, и концевые оптоволоконные извещатели.

Изобретение относится к устройствам диагностики контактов в сильноточной аппаратуре, а также к средствам сигнализации пожарной опасности и может быть использовано, в частности, в кораблестроении для предупреждения пожарной опасности корабельного электрооборудования, потенциально подверженного преднамеренным силовым электромагнитным воздействиям.

Изобретение относится к области измерительной и информационной техники. Техническим результатом заявляемого изобретения является упрощение процедуры измерения угла вращения.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и касается устройства инициирования. Устройство состоит из блока управления, содержащего источник питания, лазеры, и блока инициирования, содержащего преобразователь энергии лазерного излучения в напряжение и фотоэлектронный ключ.

Изобретение относится пьезоэлектрическим датчикам, предназначенным для дистанционного контроля различных физических и химических величин. Технический результат, который дает осуществление изобретения, заключается в обеспечении максимальной чувствительность датчика к концентрации моноокиси углерода за счет использования в качестве импеданса, зависящего от концентрации моноокиси углерода, наностержней оксида цинка, сопротивление которых близко к сопротивлению излучения отражательного ВШП.

Предложенная группа изобретений относится к интерференционным датчикам, а также к способам проведения измерений с использованием указанных датчиков. Указанный датчик содержит чувствительный элемент, при помощи которого измеряемая величина индуцирует относительный фазовый сдвиг между двумя волнами, по меньшей мере один детектор, измеряющий сигнал интерференции между двумя волнами, и дополнительно включает в себя блок обнаружения фазового сдвига, имеющий в качестве входного сигнала сигнал интерференции и определяющий первую меру, представляющую собой главное значение (ϕ, 13) относительного фазового сдвига, и блок обнаружения контраста, имеющий в качестве входного сигнала сигнал интерференции, для определения второй меры (А, 12), представляющей собой взаимную корреляцию между двумя волнами, а также блок обработки для преобразования первой и второй мер в значение (x) измеряемой величины.

Изобретение относится к средствам измерения угловых перемещений. Волоконно-оптический датчик угла поворота состоит из лазерного диода, микроконтроллера, оптического делителя мощности, двух фотодетекторов и двух отрезков оптического волокна. Отрезки оптического волокна свернуты в полукольца вокруг шарнира. Оптическое волокно соединяет лазерный диод с фотодетекторами через оптический делитель мощности. Оптический делитель мощности делит в равных отношениях сигнал лазерного диода на два отрезка оптического волокна. Концы отрезков оптического волокна неподвижно закреплены на подвижном и неподвижном элементах конструкции с возможностью при угловом повороте шарнира изменения радиусов первого и второго полуколец. Микроконтроллер подключен к лазерному диоду и управляет его мощностью излучения, так чтобы обеспечить постоянной величину суммы сигналов фотодетекторов. Технический результат заключается в уменьшении температурной погрешности датчика. 4 ил.

Наверх