Преобразователь перемещений

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 21/00 51)5 6 НИЯ АВТОРСКОМУ С ЕЛЬСТ ова ия, оеГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(71) Самарский авиационный институт им.акад, С,П.Королева(56) Авторское свидетельство СССРМ 1392365, кл, 6 01 В 21/00, 1988,Агейкин Д.И., Констина Е.Н., КузнецН.Н, Датчики контроля и регулированСправочные материалы. М,; Машинострние, 1965, с, 119-120,(57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике. Целью изобретения является повышение точности за счет уменьшения минимальной достоверно измеряемой величины перемещения, определяющей систематическую погрешность преобразователя. Сформированное оптической системой преобразователя когерентное световое излучение разделяешься на измерительный и опорный потоки, распространяющиеся соответственно через одноименные одномодовые оптические волокна В 12 и 16 и затем вновь объединяемые в один поток, проходящий ерез злемент 20 визуализации интерференционной картины и щель (периодическую маску) 21 и воспринимаемый фотоприемником 23, выходной= Фо 8 и Ф 1,30 35 40 45 сигнал которого детектируется амплитудным детектором 24, Измерительное ОВ 12 охватывает часть 25 внутреннего керна неподвижного сердечника 2 броневого типа, выполненную из магнитострикционного материала, Возбуждающая обмотка 3 сердечника запитывается генератором 1. Якорь 4 Ьферромагнитный диск) связан с Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для измерения различных перемещений,Цель изобретения - повышение точности измерений за счет уменьшения минимальной достоверно измеряемой величины перемещения, определяющей систематическую погрешность преобразователя, ограничивающую наряду с прочими факторами точность измерений,На чертеже представлена структурнаясхема электромагнитного преобразователяперемещений. Электромагнйтный преобразователь 15 перемещений содержит пвнератор 1, неподвижный сердечник 2 броневого типа с воз.буждающей обмоткой 3, подключенной к выходу гечератора 1, подвижный якорь 4. Якорь 4 выполнен в виде ферромагнитного диска и связан с перемещающимся объектом. Устройство содержит также источник 5 оптического излучения, расположенные по ходу излучения коллиматор 6 и первый светоделитель 7. Светоделитель 7 формирует измерительный и опорный потоки излучения 8 и 9 соответственно.По ходу измерительного потока 8 расположены первый фокусирующий микрообъектив. 10, первый микропозиционер .11, измерительное одномодовое оптическое волокно 12 и первый выходной объектив 13. По ходу опорного потока 9 расположены второй фокусирующий микрообъектив 14, второй микропозиционер 15, опорное одномодовое оптическое волокно 16 и второй выходной объектив 17. Преобразователь содержит также второй светоделитель 18, оптически сопряженный с опорным и измерительным потоками излучения 9 и 8 соответственн 6 и формирующий выходной поток 19 излученияПо ходу выходного потока излучения расположены элемент 20 визуализации интерференционной картины, экран 21 со щелью и,собирающей линзой 22, фотоприемник 23 и перемещающимся объектом. Положительный эффект обеспечивается использованием в качестве информационного параметра изменение фазы когерентного излучения путем изменения условий распространения оптического пути последнего с помощью магнитострикционного эффекта. 1 ил.амплитудный детектор 24, Источнйк излучения выполнен когерентным, Фотоприемник "23 оптически сопряжен с собирающей линзой 22, его выход соединен со входом амплитудного детектора 24. Часть 25 внутреннего керна броневого сердечника 2 выполнена из магнитострикционного материала и охвачена измерительным одномодовым оптическим волокном 12,Электромагнитный преобразователь перемещений работает следующим образом, Возбуждающая обмотка 3 запитывается синусоидальным током с частотой в;= =Ози в 1 от генератора 1. В магнитной системе сердечник 2 - якорь 4 возникает электромагнитное поле. Величину магнитного потока Ф, распространяющегося в магнитной системе, пренебрегая величинами маг- нитных сопротивлений сердечника 2 и якоря 4, а также величинами потерь в них на вихревые токи и гистерезис, можно описатьвыражением: ф Яо ооВоЯоо 2 д 2 д где ЧЧ - число витков возбуждающей обмотки 3;- величина тока, протекающего по возбуждающей обмотке 3;д - измеряемая величина - расстояниемежду сердечником 2 и якорем 4;,ио =4 л 10 Гнlм;Зо - эффективная площадь сечения сердечника 2;Фо - амплитуда магнитного потока Ф.От величины Ф можно перейти к величине напряженности магнитного поля Н, согласно выражениям:Н=В/р., В =фП.,где В - величина индукции магнитного поля:(3) Ев = Гзози ж 1+ Гз,аР, сегп Н Ью Из выражения (2) видно, что при изменении величины д измеряемого переме щения меняется напряженность Н в сердечнике 2. Под действием магнитного поля происходят деформации участка 25, выполненного из мэгнитострикционного материала, помещенного в нерабочий воз душный зазор сердечника 2. Участок 25 сердечника 2 охвачен измерительным волокном 12, например волокно нэвивается нэ магнитострикционный материал, причем от количества витков зависит чувствитель ность к деформациям магнитострикционного материала. Деформации приводят к изменению длины оптического пути света, распространяющегося в измерительном волокне 12. Фаза световой волны с выхода 20 измерительного волокна претерпевает гармонические изменения 25где Е - значение фазы световой волны вотсутствие внешнего сигнала,и - .частота генератора 1,Ево - амплитуда фазовой модуляциисветовой волны в измерительном волокне 3012, пропорциональная величине д измеряемого перемещения.Свет от источника 5 оптического излучения, который должен быть когерентным,например, возможно применение полупроводникового или газового лазера, через коллиматор 6 попадает на светоделитель 7,Микрообъективы 10 и 14 фокусируют оптические потоки на входные торцы измерительного и опорного одномодовых 40оптических волокон 12 и 16 соответственно.Для обеспечения эффективного вводаизлучения в волокна 12 и 16 обязательноприменение микропозиционеров 11 и 15 соответственно, так как диаметр сердцевины 45одномодового волокна составляет 5 - 8 мкм.Опорное волокно 16 находится в стабильных внешних условиях, чтобы исключитьили уменьшить дрейф фазы Гг на вьходеопорного волокна. Выходные объективы 13 50и 17 превращают расходящиеся волновыефронты световых излучений, выходящих изизмерительного и опорного волокон 12 и 16соответственно, в плоские,Светоделитель 18 применен для совмещения этих фронтов таким образом, чтобыв плоскости элемента 20 визуализации интерференционной картины можно было наблюдать картину интерференции опорной и измерительной волн 9 и 8 соответственно. Щель в непрозрачном экране 21 ориентируют параллельно полосам интерференционной картины, а .:ериод интерференционной картины должен быть, как минимум, вдвое больше, чем ширина щели. Щель экрана 21 располагают таким образом, чтобы ее ось совпадала с границей темной и светлой полос. Вместо щели можно использовать периодическую маску, Часть Энергии интерференционной картины детектируется фотоприемником 23, расположенным в фокусе собирающей линзы 22. Полезный электрический сигнал в цепи фотоприемника 23, можно описать выражением где Р - оптическая мощность, попадающаяна приемную площадку фотоприемника,е - заряд электрона,а - глубина модуляции (контраст) интерференционной картины,с - квантовая эффективность (число фотоэлектронов на один квант света) фотоприемника,Ь - постоянная Планка,у - частота излучения,Л Е - фазовое рассогласование междуизмерительным и опорным плечами 12 и 16интерферометра, Л Е = Ев - Ег.Величину ЛГ можно описать выражениемЛ Е= п 1 Н, (4) где в - коэффициент, зависящий от константы мэгнитострикции, напряженности постоянного поля подмагничивания в случае его необходимости (это зависит от типа применяемого магнитострикционного материала), длины волны светового излучения и оптических свойств волокна,- длина рабочего оптического волокна.Перепишем (3) с учетом (4) Подставив (2) в (5), окончательно пол- учим аР цевИо2 дзи вт. Из формулы (6) видно, что величина амплитуды тока фотоприемника 23 обратно пропорциональна величине д измеряемого перемещения.Величину сигнала О на выходе фотоприемника 23 можно описать выражениемО =(1,где 1 - коэффициент преобразования.Амплитудный детектор 24 выделяет амплитудное значение величины О сигнала сфотоприемника 23, которое согласно (б) обратно пропорционально измеряемой величине д,В качестве магнитострикционного материала можно использовать магнитострикционные металлы (железо, никель, кобальт),а также сплавы на их основе и магнитострикционные металлические стекла (метгласы), В первом случае часть 25 15сердечника 2 непосредственно изготавливают из магнитострикционного метал ла, причем желательно так подобратьматериалы сердечника 2 и участка 25, чтобывеличина относительной магнитной прони. цаемости,и магнитострикционного металлаприближалась к величине р ферромагнитного материала, из которого изготовлен сердечник 2, чтобы минимизировать потери всердечнике 2 за счет введения участка 25, 25Во втором случае участок 25 представляетсобой каркас с лентой из метгласа. Необходимо отметить, что значение константы магнитострикции метгласов на один-двапорядка выше, чем у металлов, поэтому применение метгласов способствует дальнейшему уменьшению минимальнойдостоверно измеряемой величины перемещения.При практической реализации устройства возникает ряд проблем, связанных соснижением различного рода шумов (источников излучения, а также обусловленныхпроцессами, происходящими при перемагничивании магнитострикционного материала 25, сердечника 2 и якоря 4, перепадамитемператур и вибрациями),Поэтому частоту а генератора 1 желательно выбирать в диапазоне от 1 до 10 кГц .(что является оптимальным и для питания 45индуктивных преобразователей), так как вэтом диапазоне частот незначительны шумы лазеров и шумы, вызванные влияниемтемпературы и вибрациями, которые проявляются в более низкочастотном диапазоне. 50Динамический диапазон устройства ограничен амплитудой фазовой модуляцииЛ смакеРх/2, Однако, даже для Ь Гмакс =(2) вместози ат подставлялось эффективное значение кафф = 1/ 1/2, Максимальноизмеряемое смещение дмакс ограничивает ся шумами различного рода, уровень которых зависит от конструкции преобразователя перемещений в целом.В работе подсчитана величина минимально детектируемой напряженность Нми 11магнитного поля, которая составляет 1310А/м для никеля и 810А/м для метгласов,что соответствует величинам д = 2,710 ми д = 4,410 м соответственно в случае 1 с ==20 мА и И = 500 витков. Однако в реальныхустройствах практически достижим диапазон д от 0 до 1 м, причем индуктивный датчик 2 необходимо экранировать отвоздействия внешнего магнитного поля.. Ниже приведены значения минимальной достоверно измеряемой величиныперемещения Лд, измеряемой преобразователем при воздушном зазоре до междусердечником 2 и якорем 4, до 1 = 0,1 мм ид 02=1 М.Величина Наин зависит от конкретнойреализации устройства в целом, в частностиот типа применяемого магнитострикционного материала. Как видно из конкретногочислового примера, величина Лд описываемого преобразователя на несколько порядков меньше, чем у прототипа.Величина Лд, приведенная в числовомпримере, не является предельно достижимой для описываемого устройства,Ее можно уменьшать и далее, если увеличивать габариты сердечника 2 и величинутока , протекающего по обмотке возбужде"ния 3. В случае, если не требуется высокаяразрешающая способность, при значениивеличины Лд, равном 0,1 мкм, как у традиционных электромагнитных преобразователей и прототипа, можно значительноснизить габариты сердечника, а также снизить требуемую величину мощности генератора 1, вследствие снижения величины тока,протекающего по возбуждающей обмотке3 сердечника 2.Формула изобретенияПреобразователь перемещений, содержащий генератор, неподвижный сердечникброневого типа с возбуждающей обмоткой,подключенной к выходу генератора, подвижный якорь, выполненный в виде ферромагнитного диска и связываемый сперемещающимся объектом, источник оптического излучения, фотоприемник и амплитудный детектор, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повышения точности, он снабжен расположенными по ходу излученияколлиматором, первым светоделителем,расположенными соответственно по ходуизмерительного и опорного потоков излучения, сформированных первым светоделите1805291 Составитель Н, ЛимановаРедактор Л. Народная Техред М, Моргентал Коррек М, Дем Заказ 934 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4(5 оизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина лем, первым фокусирующим микрообьективом, первым микропозиционером, измерительным одномодовым оптическим волокном, первым выходным объективом, и вторым фокусирующим микрообьективом, вторым микропозиционером, опорным одномодовым оптическим волокном, вторым выходным объективом, вторым светоделителем, оптически сопряженным с опорным и измерительным потоками излучения, расположенными по ходу выходного потока излучения,сформированного вторым светоделителем, элементом визуализации интерференцион-.ной картины, экраном со щелью и собирающей линзой, источник излучения выполнен 5 когерентным, фотоприемник оптически сопряжен с собирающей линзой, его выход соединен с входом амплитудного детектора, а часть внутреннего керна броневого сердечника выполнена из магнитострикцион ного материала и охвачена измерительнымодномодовым оптическим волокном,