[1]Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения линейных перемещений.
[2]Известен способ измерения линейных перемещений («Волоконно-оптические измерительные преобразователи скорости и давления», М., Энергоатомиздат, 1987 г., стр.15), заключающийся в том, что направляют излучение на объект, измеряют отраженный поток излучения и по величине этого потока судят о перемещении.
[3]Недостатком данного способа является относительно низкая точность измерений и недостаточный диапазон измеряемых перемещений.
[4]Известен также способ измерения линейных перемещений, реализуемый устройством, описанным в а.с. №1767327, МПК G01B 21/00, опубл. 07.10.1992 г. под названием «Оптический датчик перемещений», выбранный в качестве прототипа и включающий формирование подаваемого на поверхность исследуемого объекта потока светового излучения, регистрацию в фиксированной точке отраженного света, преобразование его в электрический сигнал, величину которого используют для определения расстояния от поверхности исследуемого объекта.
[5]К недостаткам данного технического решения относится малый диапазон измеряемых перемещений, решения предназначены для измерения перемещений вблизи контролируемой поверхности, где амплитуда выходного сигнала с фотоприемника пропорциональна расстоянию до поверхности исследуемого объекта.
[6]Целью изобретения является расширение диапазона измерений линейных перемещений.
[7]Это достигается тем, что в способе измерения линейных перемещений, заключающемся в формировании подаваемого на поверхность исследуемого объекта потока светового излучения, регистрации в фиксированной точке отраженного света, преобразовании его в электрический сигнал, величину которого используют для определения перемещения контролируемой поверхности Δx, согласно изобретению это перемещение определяют по формуле:
[8]Δx=x0−x02U0U, (1)
[9]где x0 - начальное расстояние от поверхности исследуемого объекта до фотоприемника;
[10]U0 - амплитуда выходного сигнала с фотоприемника, соответствующая x0;
[11]U - амплитуда выходного сигнала с фотоприемника, соответствующая Δx.
[12]Технический результат заключается в том, что удалось определить перемещение контролируемой поверхности в любой момент времени по выведенной формуле, для этого необходимо лишь измерить уровень выходного сигнала U с ФЭУ при помощи осциллографа, подав импульс с генератора на светодиод.
[13]Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».
[14]Новые признаки (определение линейного перемещения, осуществляемое по формуле:
[15]Δx=x0−x02U0U,
[16]где x0 - начальное расстояние от поверхности исследуемого объекта до фотоприемника;
[17]U0 - амплитуда выходного сигнала с фотоприемника, соответствующая x0;
[18]U - амплитуда выходного сигнала с фотоприемника, соответствующая Δx) не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
[19]На фиг.1 представлена блок-схема устройства, с помощью которого реализуется данный способ;
[20]На фиг.2 представлена общая зависимость напряжения с фотодетектора от расстояния до поверхности исследуемого объекта.
[21]Предлагаемый способ измерения линейных перемещений осуществляется с помощью устройства, состоящего из источника излучения по импульсной схеме, включающей генератор импульсов 1 и импульсный светодиод 2, осветительный световод 3 и приемный световод 4, связанные с импульсным светодиодом 2 и фотоприемником 7, предназначенным для работы в импульсном режиме и имеющим широкий диапазон линейности световой характеристики в импульсе, поверхности исследуемого объекта 5, интерференционного светофильтра 6, фотоприемника 7 и регистрирующего устройства 8 (например, осциллограф).
[22]Способ осуществляется с помощью описанного устройства следующим образом.
[23]Прямоугольный электрический импульс с генератора импульсов 1 подается на импульсный светодиод 2. Излучение от светодиода 2 по осветительному световоду 3 подается для освещения поверхности исследуемого объекта 5. Отраженный от исследуемой поверхности 5 сигнал по приемному световоду 4 поступает на фотоприемник 7, электрический сигнал с которого регистрируется осциллографом 8. Форма зарегистрированного осциллографом 8 импульса также прямоугольная. Для уменьшения паразитирующего внешнего сигнала, поступающего на фотоприемник 7, в линию световода 4 может устанавливаться интерференционный светофильтр 6, максимум пропускания которого совпадает с длиной волны максимума излучения светодиода
[24]Предполагается, что в процессе проведения измерений коэффициент отражения поверхности исследуемого объекта 5 не меняется. Общая зависимость напряжения с фотоприемника от расстояния до поверхности исследуемого объекта 5 имеет вид, показанный на фиг.2, здесь: OA - участок зависимости, на котором уровень сигнала пропорционален расстоянию до поверхности исследуемого объекта 5 - на данном участке работают рассмотренные аналоги; AB - участок зависимости с переходной характеристикой; BC - участок зависимости, на котором уровень сигнала обратно пропорционален квадрату расстояния до поверхности исследуемого объекта 5 - на данном участке работает описанное устройство для реализации способа.
[25]Если рассматривать поверхность исследуемого объекта как вторичный излучатель, то в этом случае справедливо следующее соотношение:
[26]Φ=τ×L×Aи−ка×Aвхx2, (2)
[27]где Ф - поток, падающий на фотоприемник;
[28]τ - коэффициент пропускания приемного волокна;
[29]L - яркость источника излучения - поверхности исследуемого объекта;
[30]Aи-ка - площадь источника излучения;
[31]Aвх- площадь приемного световода;
[32]x - расстояние от поверхности до приемного световода.
[33]Яркость вторичного источника
[34]L=E×k, (3)
[35]где E - освещенность зондируемого участка;
[36]k - коэффициент, учитывающий закон излучения для поверхности [1/ср]. Так для источника, излучающего по закону Ламберта, k=1/π.
[37]Освещенность заданного участка
[38]Е=Физл/А, (4)
[39]где Физл - поток излучения на выходе осветительного световода - величина, зависящая в первом приближении только от мощности первичного излучателя и коэффициента пропускания осветительного световода;
[40]A - площадь освещаемой поверхности исследуемого объекта, в данном случае эта площадь равна площади вторичного источника излучения A=Аи-ка.
[41]Подстановка полученных данных в формулу (2) дает следующее выражение
[42]Ф=τос×k×Физл×Авхx2. (5)
[43]Из формулы (5) следует, что при постоянной мощности первичного излучателя Физл, неизменных параметрах оптической системы τ и Авх, а также при постоянных оптических характеристиках поверхности исследуемого объекта (коэффициент отражения ρ и коэффициент, учитывающий закон излучения k) поток, падающий на фотоприемник, зависит только от квадрата расстояния от излучателя до приемника.
[44]В свою очередь, амплитуда выходного электрического сигнала с фотоприемника также обратно пропорциональна x2 (в области линейности световой характеристики фотоприемника), т.к. является реакцией фотоприемника на данный поток и зависит только от чувствительности приемника
[45]U=Ф×S, (6)
[46]где Ф - поток, падающий на фотоприемник; S - чувствительность фотоприемника.
[47]В случае линейного перемещения поверхности исследуемого объекта 5 в направлении, параллельном оптической оси системы, расстояние от поверхности исследуемого объекта 5 до торцов световодов 3 и 4 в каждый момент времени будет рассчитываться по формуле:
[48]x=x02ΔU, (7),
[49]где x0 - начальное расстояние от поверхности исследуемого объекта 5 до торцов световодов 3 и 4; ΔU=U/U0 - отношение амплитуд выходных сигналов с фотоприемника 7, соответствующих искомому и начальному моменту времени t0.
[50]Пройденное поверхностью исследуемого объекта 5 расстояние
[51]Δx=x0−x=x0−x02U0U. (8)
[52]До проведения измерений при помощи измерительных средств (например, линейки, штангенциркуля, плиток) определяется начальное расстояние x0 от поверхности исследуемого объекта 5 до торцов приемного и осветительного световодов 3, 4. При помощи осциллографа 8 определяется уровень выходного сигнала U0 с ФЭУ 7, соответствующего данному расстоянию x0.
[53]При проведении измерений в любой момент времени перемещение поверхности исследуемого объекта 5 может быть определено по формуле (1), необходимо лишь измерить уровень выходного сигнала U с ФЭУ 7 при помощи осциллографа 8, подав импульс с генератора 1 на светодиод 2.
[54]Были проведены лабораторные исследования, показавшие работоспособность способа измерения линейных перемещений.
[55]Состав лабораторной установки, представленной на фиг.1:
[56]- генератор импульсов Tabor Electonics 8551, параметры импульса: U=3 B, τ=50 мкс;
[57]- светодиод синий λmax=450 нм, Фλmax=40 мВт;
[58]- световоды кварц-полимерные, ⌀жилы=0,65 мм, Na=0,3;
[59]- ФЭУ СНФТ-3, линейность импульсной характеристики 1,5 А (RH=75 Ом);
[60]- осциллограф Tektronix TDS 2024.
[61]Установка была собрана на стенде, имеющем независимую отсчетную шкалу в миллиметрах и позволяющем контролировать расстояние от поверхности исследуемого объекта 5 до торцов световодов 3 и 4.
[62]Торцы осветительного и приемного световодов 3 и 4 были размещены на расстоянии от поверхности исследуемого объекта 5, равном 30 мм. В процессе исследований расстояние между световодами 3 и 4 и поверхностью исследуемого объекта 5 последовательно уменьшалось. При помощи шкалы измерялось расстояние от поверхности исследуемого объекта 5 до световодов 3 и 4. Соответствующий этому расстоянию уровень выходного напряжения с ФЭУ измерялся осциллографом 8.
[63]Перемещение поверхности исследуемого объекта 5 Δx определялось двумя способами:
[64]- при помощи шкалы, расположенной на стенде Δxстенд;
[65]- по формуле (1) Δxрасчет.
[66]Рассчитывалась погрешность измерений Δ по формуле
[67]Δ=|Δxстенд−ΔxрасчетΔxстенд|×100%.
[68]В области работы устройства (участок BC на фиг.2) отличия в измерении перемещений абсолютным методом (при помощи шкалы) от предложенного расчетного способа (по формуле (1)) не превышали 3%.
[69]Заявляемый способ позволил добиться расширения диапазона измеряемых перемещений благодаря новому алгоритму расчетов и использованию импульсной системы измерений.
[70]Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность осуществления способа измерения линейных перемещений и способность обеспечения достижения усматриваемого заявителем технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».
