Оптический датчик перемещений

(51)5 6 01 В 21/00 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ь= - о -2- ( (1 -- спи др 2 2,(180 Установка в крепежной отоприемника, обращенно увствительной площадкой щей площадке источник етали второго своей свето- светоизлучаизлучения и ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Научно-исследовательский институт фйэических измерений(56) Авторское свидетельство СССРМ 1562688, кл, 6. 01 В 21/00; 1988,(54) ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЙ(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано вдатчиках линейных перемещений, Целью Изобретение относится к контрольноизмерительной. технике и может быть использовано при конструировании оптических датчиков линейных перемещений.По основному авт,св. М 1562688 известен оптический датчик перемещений, содержащий цилиндрический корпус, крепежную деталь, две линзы, источник излу. чения и фотоприемник.Недостаток укаэанного датчика заключается в низкой точности измерения, обусловленной колебаниями мощности излучения источника-излучения (например, при изменении температуры в диапазоне +50 С для серийно выпускаемых светодиодов. мощность их излучения может меняться на 300).Целью изобретения является повышение точности измерений оптических датчи-, ков перемещений.Поставленная цель достигается тем, что оптический датчик перемещений снабжен изобретения является повышение точности измерений за счет исключения влияния температурных флуктуаций. Часть.,светового потока попадает на компенсационный фотоприемник, установленный ортогонально оси источника излучения, а остальная часть излучения направляется линзой малого раз. мера на контролируемый объект, и отраженный пучок через сквозное отверстие в корпусе фокусируется линзой большого раз. мера на рабочий фотоприемник. Выходным сигналом датчика является разность фаз суммарного сигнала с обоих фотоприемников и сигнала с компенсационного фотоприемника, 3 ил. 1 В вторым фотоприемником, установленным внутри крепежной детали так, что его оптическая ось и оптическая ось источника излучения взаимно перпендикулярны и лежат в одной плоскости, а расстояние и от оптической оси источника излучения до светочувствительной площадки второго фотоприемника и расстояние от излучающей площадки источника излучения до оптической оси второго фотоприемника определяются выражениямиИсточник 4 излучения установлен в фокусе линзы 3 на расстоянии Ь таким образом, что через линзу проходит не менееполовины мощности излучения (для источ 5 ника излучения ЗЛ 107 Б в угле 60). Внутренний диаметр полости втулки Окрепежной детали 2 равен диаметру линзы3. Второй фотоприемник 5 установлен так,чтобы он не перекрывал световой поток,10 идущий к контролируемому объекту в пределах телесного угла й (Фиг, 2) половинноймощности (для ЗЛ 107 Б а = 60 О), и чтобы наего светочувствительную площадку падалмаксимально возможный световой поток ис 15 точника излучения, распространяющийсяэа пределами угла а, но в пределах угла ф(где 3 - максимальный телесный угол индикатрисы источника излучения), на фиг, 2обозначен через у: ауф (для ЗЛ 107 Б20 60 а 1200).Такому т ебованию соответствует положение второго фотоприемника; приведенное на фиг. 2, когда его светочувствительнаяплощадка расположена на расстоянии Ь от25 оптической оси источника излучения и еговнешний диаметр б полностью вписан в диаметр внутренней поверхности втулки крепежной детали, и на расстоянииотносительно излучающей поверхности ис 30 точника излучения,Из ЬАВС расстояниеЬ= - О - о2 . 22На фиг. 2 расстояние35 бпи+а,2где спи - внешний диаметр второго Фотоприемникаа;.а - расстояние от светоизлучающей по 40 верхности источника излучения до второгоФотоприемника.Из ЛОЕРЫ расстояние- - У: Пи, 2 а = 119 ф45180 О -где ф 2Тогда где- расстояние от оптической оси второго фотоприемника до излучающей площадки 50 источника излучения;дни - внешний диаметр второго Фотоприемника;1 - фокусное расстояние линзы малого диэмегра;ф - максимальный телесный угол индикатрисы источника излучения.Указанные расстояния.Ь ивыбирались из следующих соображений (Фиг, 2),воспринимающего только световой поток источника излучения, дает возможность скомпенсировать изменения мощности излучений источника излучения.На фиг. 1 показан предлагаемый датчик, общий вид и разрез А-А; на фиг, 2 - конст. руктивная схема поясняющая определение места расположения второго фотоприемника; на фиг, 3 - векторная диаграмма сигналов на выходе датчика.Датчик (фиг. 1) содержит цилиндрический корпус 1, внутри которого вдоль продольной оси Х соосно с ней последовательно расположены деталь 2, в полости которой расположена линза 3. малого диаметра, в фокусе линзы 3 - источник 4 излучения, второй фотоприемник 5, его оптическая ось и оптическая ось источника излучения взаимно перпендикулярны и лежат в одной плоскости, причем второй фотоприемник не перекрывает световой поток, идущий к контролируемому объекту, линзу 6 большого диаметра и в фокусе линзы б фотоприемник 7,Светочувствительная площадка второго фотоприемника 5.расположена относительно центра оптической оси источника.излучения на расстоянии Ь, которое определяется выражением где Ь - расстояние от оптической оси источника излучения до площадки второго фотоприемника;О - внутренний диаметр полости крепежной детали;б - диаметр светочувствительной площадки второго фотоприемника,а этическая ось второго фотоприемника - на расстоянииотносительно излучающей поверхности источника излучения, определяемом выражением 8 и-я + спии спит 9. Уменьшение расстояния Ь нецелесообразно, так как уменьшается световой поток, идущий к объекту. контроля, а увеличение приводит к снижению светового потока, поступающего на второй Фотоприемник.Расстояниевыбирается из условия обеспечения чувствительности преобразо(3) 45 агс Ок сов ярк + -Опи , дпн 2 2вания второго фотоприемника, достаточнойдля вторичного преобразования.Перед линзой 3 (фиг. 1) малого диаметрарасполагается контролируемая поверхность объекта 8, имеющая возможность перемещения параллельно оси Х корпуса 1.Деталь 2 центрируется в корпусе 1своей внешней цилиндрической поверхностью и фиксируется в нем. Фиксация можетосуществляться любым способом: посадка с 10натягом, клеевое соединение, реэьбовое соединение и т,д.Полость, служащая для размещениялинзы 3, источника 4 излучения и второгофотоприемника 5, выполнена в специальном выступе детали 2, имеющем минимальную площадь торцевой поверхности с.целью обеспечения прохождения максимально возможного светового потока черезсквозное окно и попадающего на линзу 6 20большого диаметра,Датчик работает следующим образом.Световой поток источника 4 излучения(фиг. 1), промодулированный по синусоидальному закону и сфокусированный линзой 3 малого диаметра, попадает наповерхность контролируемого объекта 8, ачасть светового потока - на светочувстВительную площадку второго фотоприемника5, с выхода которого снимается синусоидальный сигнал. О Световой поток, отразившись от контролируемого объекта 8,через сквозное отверстие в детали 2 фоку-.сируется линзой 6 большого диаметра насветочувствительную площадкуфотоприемника 7, с выхода которого снимается синусоидальный сигнал Ор. Выходным сигналомдатчика является фаза рсуммарного гармонического сигнала О относительно одногоиз суммируемых.сигналов, в нашем случае 40компенсационного О,Фаза выходного сигнала у определяется выражением где гррк - угол сдвига фаз между сигналами О и Ор,Угол щ формируется с помощью фа зосдвигающего устройства.На векторной диаграмме (фиг. 3) напря- . жения с индексом "н" соответствуют напряжениям в начале диапазона измерения, с индексом "к" - в конце диапазона измере ния, а с индексом "т" - при воздействии температуры.Как видно из векторной диаграммы (фиг. 3), при перемещении контролируемого объекта 8 изменяется сигнал Ор, а следовательно, изменяется величина и направление суммарного напряжения О" и О (р и р),Рассмотрим случай, когда чувствительность всех фотоприемников постоянная.При воздействии температуры изменяется мощность светового потока излучения и, следовательно, равноп ропорционально изменяются напряжения Ор и О: где К 1 - температурный коэффициент.При этом изменяется величина суммарных сигналов О, но их направление остается неизменным (у" =р" р - Ъ),Используя выражение (3), запишем Следовательно, погрешность от воздействия температуры при равнопропорциональных изменениях сигналов Ор и О в процессе измерения перемещения не вносится (р= р).Технико-экономическим преимуществом предлагаемого датчика по сравнению с прототипом является повышение точности измерений за счет снижения погрешности, обусловленной колебанием мощности излучения источника излучения. Формула изобретения Оптический датчик перемещений по авт. св. М 1562688, о т л и ч а ю щ и й с я тем. что, с целью повышения точности измерения, он снабжен вторым фотоприемником, установленным внутри крепежной детали так, что его оптическая ось и оптическая ось источника излучения взаимно перпендикулярны и лежат в одной плоскости, а расстояние и от оптической оси истоцника излучения до светочувствительной площадки второго фотоприемника и расстояние 1 от излучающей площадки источника излучения до оптической оси второго фотоприемника определяются выражениями где О - внутренний диаметр полости втулкикрепежной детали;1717959 г,0 д - диаметр светочувствительной площадки второго фотоприемника;дан - внешний диаметр второго фотоприемника; 1 - фокусное расстояние линзы малогодиаметра;ф - максимальный телесный угол индикатрисы источника излучения.51717959 р В Составитель 8. КлимоТехред М.Моргентал р ректор Н кая едактор О.Юрковецк роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 Заказ 869 Гираж Подписное . ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5