Датчик натяжения преимущественно оптического волокна

(51) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ОРСНОМУ СВИ ЬСТВУ(54) ЛАТЧИК НАТЯ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛО 11 38 С .Э.Питерских) НИЯ ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения натяжения волокон. Целью изобретения является повышение точности, что дос тигается введением в устройство триг гера Шмитта, выход которого соединен с последовательно соединенными электрически интегратором, усилителем и, 901430768 исполнительным элементом, воздейс твующим на датчик положения волокна, чтообеспечивает возможность автоматического контроля натяжения волокна приего поперечном смещении. ТриггерШмитта включен в цепь автогенератора,состоящего из датчика положения волокка, соединенного с последовательно включенными усилителем, фильтромнизкой частоты, фазовым корректороми возбудителем колебаний волокнамежду фильтром низкой частоты и фазовым корректором для поддержанияавтоколебаний на измеряемом участкеволокна. Величина частоты автоколебаний волокна пропорциональна изме- Яряемому натяжению волокна, 8 ил,. 430768 к-х УР 7 эРиа ь А,Экономравчук оставит ехред А Корректор М. Васильева Редактор Е. Копч аж 84 Заказ 5331 41 В 1 11303 Проектная,Производстввенно-полиграфическое предприятие, г. Ужго Государственного комиделам изобретений и отосква, Ж, Раушская Подписноета СССРытийб д. 4/5Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для определения натяжения путем измерения частоты колебаний участка натянутого волокна, может бытьиспользовано для бесконтактного определения натяжения волокон с известной массой на единицу длины, преимущественная область использования -бескантактное измерение натяжения,усилия вь.тягивания) оптическоговолокна в процессе его вытягивания.Целью изобретения является повышение точности,15На Фиг. 1 показана блок-схемадатчика натяжения; на фиг. 2 - временные диаграммы работы датчик; всоответствии с блок-схемой; нафиг. 3 - пример взаимного расположения источника света, фотоприемникаи исполнительного элемента; наФиг, 4 - принципиальная электрическая схема Фазового корректора; наФиг, 5 - временные диаграммы работыфазового корректора; на Фиг, б - конструкция электроакустического возбудителя с одной головкой громкоговорителя, на Фиг, 7 - конструкция электроакустического возбудителя с дву 30мя головками громкоговорителей; нафиг,8 в принципиальн электрическаясхема электростатического возбудителя,Датчик натяжения состоит из источника 1 света, возбудителя 2 колебаний волокна, усилителя 3. Фильтра 4низких частот, триггера 5 Шмитта, Фа -зового корректора 6, первого усилите -ля 7 мошности, датчика положения волокна в виде фотоприемника 8, исполнительного элемента 9, второго усилителя 10 мощности и интегратора 11,Датчик натяжения работает следующимобразом.Излучение источника 1 света создает на фоточувствительной площадке Фотоприемника 8 теневое изображение волокна, Колебания теневого иэображенияпри колебаниях участка волокна междузаготовкой и филъерой вызывают появление на выходе фотоприемника 8 50(фиг, 2). Сигнал Бусиливается усилителем 3 Фототока и через Фильтр4 нижних частот подается на входтриггера 5 Шмитта, Триггер 5 йитта 55формирует сигнал прямоугольной формыЦ, фазовый корректор 6 формирует изсигнала Ц сигнал прямоугольной формы Бэ, причем сигнал П опережает сигнал Б на постоянную времени опережения С. Сигнал 1 з усиливается первым усилителем 7 мощности и подается на возбудитель 2, Последний обеспечивает перемещение частиц воздушной среды, окружающей волокно, причем зависимость смещения частиц среды как функция времени имеет вид 11 с длительностью переходного процесса СДействующая на волокно сила пропорциональна скорости частиц, т.е, производной сигнала Ц, и имеет вид У, Первая гармоника силы Г (1;) при выполнении условия , = 2 Г опережает смещение волокна Х(г.) на Фасзовый угол 90 , обеспечивая баланс фаэ и поддержание автоколебаний участка волокна между заготовкой и фильерой, Работоспособность устройства может быть обеспечена только в том случае, когда источник 1 света, фотоприемник 8 и волокно находятся на одной прямой, При дрейфе волокна (из-за непрямолинейности заготовки и т.п,) н направлении Х-Х (фиг, 1) поянляется постоянная состанляющая сигнала Б на выходе триггера 5 Шмитта и вызывает возрастание или убывание выходного напряжения интегратора 11, Выходное напряжение интегратора 11 подается на второй усилитель 10 мощности и далее на исполнительный элемент 9 и вызывает перемещение фотоприемника 8 в направлении дрейфа волокна, Когда перемещение фотоприемника сравняется с величиной дрейфа, симметрия сигнала 11 восстановится, при этом на выходе интегратора 11 установится напряжение Цх пропорциональное величине и иаправлению дрейфа 11= КХ, где К - коэффициент пропорциональности, С выхода усилителя 7 мощности снимается сигнал с частотой автоколебаний 1, При условии подбора постоянной времени опережения фазового корректора, равной половине длительности переходного процесса возбудителя = г., /2, частота автоколебаний в точности равна собственной резонансной частоте участка волокна, и натяжение волокна определяется по Формуле тРг = 41, БЙгде Р - натяжение волокна на участке заготовка-фильера;1, - длина участка волокна междузаготовкой и фильерой 1р - плотность материала волокна;ЯЬ - площадь поперечного сеченияволокна;1 - частота автоколебаний.Датчик натяжения может быть выполнен следующим образом.В качестне источника 1 света может использоваться лампа накаливания, снетоизлучающий диод либо лазерный источник. Фотоприемником 8 является дифференциальный фотоприемник с разделенной на две примыкающие друг к другу части фоточувствительной площадкой, В качестве такого приемника может применяться дифференциальный фотодиод или дифференциальный фото- резистор. Усилитель 3 фототока ныполнен по схеме дифференциального усилителя постоянного тока. Фильтр нижних частот может быть выполнен в виде интегрирующей цепи с постоян 1ной времени КС кс в в , где К и С -Ьсопротинление и емкость интегрирующей цепи: ГЬ - частота автоколебаний, соответствующая максимальному значению измеряемого натяжения (верхней границе диапазона измеряемого натяжения): ЕЬ рассчитывается по формулепри Р = Р,. Усилители 7 и 10 мощности выполнены по схеме усилителей постоянного тока с выходной мощностью, соответствующей номинальной мощности, необходимой для работы возбудителя 2 и исполнительного эле" мента 1. Постоянная времени ннтегра"1тора выбирается Т,- й 10 с,н где й - нижняя частота автоколебанний, соответствующая нижней границе диапазона натяжения Р мин. В качестве исполнительного элемента 11 может использоваться регистратор самопишущего прибора. Выходной функцией регистра" тора, является угол поворота вала, пропорциональный току, подаваемому в обмотку регистратора. На валу регистратора устанавливается рычаг, на котором располагается фотоприемник 8. Если в качестве источника света используется светоизлучающий диод или малогабаритная лампа накаливания, источник света также может быть установлен на рычаге регистратора, как показано на фиг. 3, где позицией 12 обозначен источник света, позицией 13 - фотоприемник, позицией 4 - регистратор. Для повышения чувствитель-.ности фотоприемника к смещению волокна в схему датчика может бытьвведен объектив (линза), создающийболее четкое теневое иэображение волокна на фоточувствительной площадкефотоприемника.Фазоный коллектор 6 может быть ныполнен н соотнетстнии с принципиальной электрической схемой (фиг. 4).Схема на фиг. 4 включает и себя формирователь импульсов на элементахТ 1, К 1, Ч 01, Ч 02, генератор пилообразного напряжения на элементахК 2 КС,С , ЧТ 1, ЧТ 2, пиковый детекторсо схемой сравнения на элементахК 7-К 10, СЗ, Ч)3, А 1, компаратор А 2,ключ электронный на транзисторе ЧТЗ,модулятор на элементах К 5-К 17, АЗ,триггер Шмитта на элементах К 18, К 19,.А 4.Схема на фиг. 4 работаетследующимобразом.Сигнал 11 с выхода триггера 5 Имитта подается на вход формирователя импульсов на элементах Т 1, К 1, Ч 01,Ж 2 (фиг. 4). На выходе формирователя импульсов образуется сигнал 1,к я(фиг5) н виде последовательностидельта-импульсов, вырабатываемых вмоменты изменения знака сигнала 0.Формирователь импульсов синхронизирует работу генератора пилообразногонапряжения путем периодического разряда конденсатора С 2, заряжаемого отгенератора тока на транзисторе ЧТ 1.Форма сигнала на конденсаторе С 2имеет вид Б, (фиг. 5). Скорость 40нарастания (наклон пилы) сигнала 1 густанавливается постоянной, в результате чего амплитудное значение этогосигнала пропорционально периоду сигнала Г, Пиковый детектор со схемойсравнения на операционном усилителеА формирует на конденсаторе СЗ постоянное напряжение П сс = Угпн макс смгде 0 гон макс постоянное напря"жение, равное амплитудному значению 50напряжения Б; 1, - постоянное,напряжение смещения, подаваемое сделителя напряжения К 7, К 8 (фиг. 4).На выходе компаратора А 2 (фиг. 4)формируется сигнал Б,ц,д (фиг. 5).55 Модулятор на операционном усилителеАЗ (фиг. 4) преобразует сигнал1,в сигнал П(фиг. 5), причеммодполярность импульсов сигнала Б,допределяется состоянием электронного ключа 17 ТЗ, управляемого входнымсигналом И . Триггер 11 митта на опе -рационном усилителе А 4 (фиг, 4) пре 5образует сигнал И,(фиг, 5) в сигнал Из (фиг, 5), являющийся выходным сигналом фазового корректора 6,Сигнал И опережает сигнал И(фиг. 2 и 5) на постояннуи времениопережения , причем величиназадается напряжением, снимаемым с делителя К 7, КЯ (фиг. 4).Возбудитель 2 датчика натяженияможет быть выполнен в двух вариантах - электроакустическом и электростатическом. В электроакустическомварианте возбудителя используетсголовка диффузорного электродинамического громкоговорителя, Для повышения эффективности возбуждения колебаний волокна головка громкоговорителя снабжена диафрагмой, в которойимеется щель с примыкающими к краямщели лепестками, Устройство электроакустического возбудителя показанона фиг. б, где позицией 15 обозначена головка громкоговорителя; позицией 1 б - диафрагма со щелью, позицией17 - лепестки. При работе датчика натяжения волокно проходит в пространство между лепестками, не касаясьих, как показано на фиг, 6.Электроакустический возбудительработает следующим образом.Колебания диффузора громкоговори 35теля вызывают периодические измененияобъема воздушной среды между диффузором и диафрагмой, Щель в диафрагмедействует как акустический трансфор 40матор, в результате чего скоростьдвижения частиц в пространствемежду лепестками возрастает по сравнению со скоростьи перемещения диффузора пропорционально отношению45площадей диффузора и цели, Сила,действующая на волокно, пропорциональна скорости частиц воздушной средыи, следовательно, производной токав катушке громкоговорителя при условии Г,2, где Г , - основная50резонансная частота громкоговорителя; Г - частота колебаний диффузора.При подаче на возбудитель усиленного сигнала Из (фиг. 2) действующаяна участок волокна сила Р(С) (фиг, 2)представляет собой последовательностьположительных и отрицательных импульсов конечной. длительности, Дли(2) фазовый сдвиг между И,и 1, в раддлительность переходногопроцесса;частота сигналов И иР, (г.);основная резонансная частота головки громкоговогде п,п рителя;С - скорость звука в воздухе;7 - объем воздушной средымежду диффузором и диафрагмой;Б - площадь щели в диафрагмевозбудителя,При получении формулы (2) учитывалось, что добротность подвижной системы головки громкоговорителя составляет Ц = 1-2,Известно, что фазовый сдвиг величиной Ь (в рад) вызывает отклонение ЬГ частоты автоколебаний от собственной резонансной частоты Г, равное: ЬЬй = й20 где Я - добротность колеблющегосяучастка струны,Введение фазового корректЬра спостоянной времени опереженияС п,пприводит к тому что фазо 2увый сдвиг между Из и Р становится близким к нули и, слсдовательно,близко к нулю отклонение частотыЬГ. Практически выполнение условия7 н Т п,п/2 легче достигается с большей абсолютной точностью при меньшихзначениях ЬГ . Кроме того, из диаграмм на фиг, 2 с очевидностью следует, что наименьший возможный период автоколебаний составляет Т = 2.,Следовательно, величину С .п и, соответственно, р следует при возможности уменьшать с целью расшительность переходного процесса определяется инерционностью подвижной системы громкоговорителя, свойствами воздушной среды и геометрическими параметрами возбудителя, Расчеты показывают, что фазовый сдвиг между перьой гармоникой сигнала Г и Р, (1:) приблизительно равен;2 Д Ч143077рения диапазона частоты автоколебаний и, соответственно, диапазона натяжения, Для того, чтобы минимизировать фазовый сдвиг ь необхоьдимо в первую очередь использоватьголовку громкоговорителя с частотойосновного резонанса Го г я Ггдеьфй - собственная резонайсная частотаьучастка волокна при максимальном натяжении Р. Ланному требованиюудовлетворяют высокочастотные головки громкоговорителей, а также некоторые типы среднечастотных малогабаритных головок с частотой основного резонанса й гр з 300 Гц. Лля оптического волокна натяжение, как правило, не превышае, 50 Гс, ПринимаяР= 100 Гс Лля кварцевого опти 2 МАРКСческого волокна со стандартным диаметром )25 мкм, расстоянием между заготовкой и фильерой Е = 1 м ( см,фиг. 1) получим в соответствии с (1)Йь = 97 Гц, т,е, условие Г грйьпри Гог = 300 Гц приблизительно выполняется,уменьшение составляющей фазовогосдвига, обусловленной сжатием воздушной среды между диафрагмой и диффузором возбудителя, достигается уменьшением объема У и увеличением площади щели. В то же время, получение необходимой амплитуды колебаний требует уменьшения площади щели, т.е,35уменьшение расстояния .между лепестками. Однако расстояние между лепестками нельзя уменьшать неограниченно,поскольку с учетом требования бесконтактности датчика необходима некоторая свобода перемещения волокна вплоскости Х-Х (фиг. 1), Практически,учитывая особенности технологического процесса вытягивания оптическоговолокна, расстояние между лепесткамивыбирается равным 6-10 мм. В этомслучае, как показывают расчеты, сос 2 И,Чтавляющая фазового сдвига агсг - С Боказывается значительно меньшей вели Очины ---- в уравнении (2), поэтоо.грму уменьшение фазового сдвигав основном достигается выбором головки громкоговорителя с более высокойчастотой основного резонанса. Поскольку высокочастотные головки громкоговорителей имеют ограниченную амплитуду колебаний диффузора, возможность 68 получения требуемой для работы фотоприемника амплитуды колебаний волокна определяется экспериментально.На фиг7 показан электроакустический возбудитель с двумя головками громкоговорителей, что позволяет подводить удвоенную мощность по сравнению с возбудителем (фиг. 6) и при том же расстоянии между лепестками получать удвоенную амплитуду колебаний волокна. Возбудитель, показанный на фиг. 7, имеет камеру клинообразной формы, что необходимо для минимизации внутреннего объема Ч. Лепестки возбудителей на фиг6 и 7 должны быть параллельными для предотвращения расхождения акустической волны на выходе щели, так как в противном случае возможен дополнительный фазовый сдвиг, зависящий от расстояния ме:кду волокном и диафрагмой возбудителя.При выбранной конструкции и параметрах возбудителя возможность получения требуемой амплитуды колебаний волокна определяется экспериментальным путем. Например, установлено, что при использовании возбудителя колебаний, имеющего конструкцию, показанную на фиг. 7, с двумя головками громкоговорителей типа 0,25 ГДс йс= 300 Гц при расстоянии между лепестками 6 мм, длине участка волокна 1 м (кварцевое оптическое волокно диаметром 125 мм) амплитуда колебаний волокна достигает 1 мм на частоте автоколебаний 30-100 Гц, что соответствует натяжению 10-100 Гс.На фиг. 8 покаэана схема электростатического возбудителя, Возбудитель (фиг. 8) содержит две пары электродов Э 1, Э 1 и Э 2, Э 2 , ориентированных вдоль волокна (расположение волокна и электродов на фиг, 1 показано в сечении). Электрическая схема электростатического возбудителя на фиг. 8 содержит элементы; емкости С 1-СЗ, высоковольтные трансформаторы Т и Т 2, диоды Ч 1)1-Ч 06..Электростатический возбудитель (фиг, 8) работает следующим образом,При подаче на вход возбудителя прямоугольного напряжения И в моменты изменения знака напряженйя на повьппающих обмотках трансформаторов Т и Т 2 поочередно генерируются высоковольтные импульсы напряжения, которые через диоды ЧП и У 02 поочередно пода 1430768 10ются на электроды Э 1, Э 1 или 32, Э 2. Цепочки К 1, С и К 2, С 2 необходимы для увеличения длительности импульсов и, соответственно, увеличения эффективного значения переменной силы, действующей на волокна со стороны электродов. Расстояние между электродами (фиг, 8) выбирается в пределах 6-10 мм по тем же причинам, что и для электроакустического возбудителя, Длина электродов ограничивается требуемыми габаритами датчика натяжения и выбирается в пределах 50-100 мм.15При увеличении мощности, годаваемой на возбудитель, до уровня, обеспечивающего амплитуду колебаний в несколько миллиметров, предлагаемый датчик натяжения может быть также использован в качестве средства для создания плавных периодических микро- неоднородностей геометрических размеоов оптического волокна, что позво 25 ляет в некоторых случаях улучшить1передающие свойства волокна.Ф о р м у л а и з о б р е т е н и яДатчик натяжения преимущественно оптического волокна, содержащий датчик положения волокна, соединенный последовательно включенными электрически усилителем, фильтром низкой частоты, фазовым корректором и возбудителем колебаний волокна, о т - л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, в него введены последовательно соединенные интегратор, усилитель и исполнительный элемент, а также триггер Шмитта, включенный между фильтром низкой частоты и фазовым корректором, причем выход триггера Шмитта подключен к входу интегратора, а исполнительный элемент механически связан с датчиком положения волокна.