Датчик перемещений

Изобретение относится к средствам контрольно-измерительной техники и может быть использовано для регистрации параметров колебательных процес 5 сов в механических системах.Целью изобретения яляется повышение точности контроля за счет уменьшения погрешности регистрации смещения луча света, зеркально отраженного 10 от объекта контроля.Иа Фиг. 1 представлена структурная схема датчика перемещений; на фиг. 2 - схема датчика с возможностью определения интегрального перемещения 15 частей; на фиг. 3 - схема датчика для измерения относительных перемещений объекта; на Фиг. 4 - схема датчика для измерения протяженных объектов.Датчик перемещений (фиг. 3) состо 20 ит из источника 1 монохроматического светового потока, светоделителя 2, закрепленного внутри датчика отражателя 3, поляризаторов 4 и 5 со взаимно ортогональными осями поляризации, 25 внешних отражателей б и 7, внутреннего отражателя 8, сумматора 9 световых отоков, анализаторов 10 и 11, Фоториемников 12 и 13 и корпуса 14, При этом измеряются перемещения объек- а 15.Источником 1 монохроматического ветового потока может быть светоиод, лазер или лампа накаливания о светофильтром. Светоделитель 2- стеклянная пластинка, плоско направенная, установленная под,углом к ходному световому потоку. В зависиости от угла часть светового потокатражается, а другая часть проходит квоэь пластинку.Поляризаторы 4 и 5 и анализаторы 10 и 11 - органические пленки, Жоторые пропускают световой поток с электрическими колебаниями, направленными вдоль их оси поляризации,Сумматор представляет собой полупрозрачное зеркало, отражающее световой поток, попадающий на него с одной стороны, и пропускающее световой ноток, попадающий на него с другой стороны. Полупрозрачное зеркало устанав-, ливается так, что отраженный и прошедший световые потоки складываются и распространяются вдоль одногб направления, и одна половина этого потока проходит через первый, и вторая через второй анализаторы. Фотоприемники 12 и 13 представляют собой фотодиод или Фотоумйжитель, отражатели 3, 6 - 8 - зеркала с неметаллическими покрытиями, чтобы не изменяли поляризацию отраженного светового потока.Корпус 14 выполнен непрозрачным с окнами для выходящих и входящих световых потоков.Отражатель 6 установлен н точке контроля перемещения объекта 15 ис - следования, а отражатель 7 закреплен неподвижно относительно корпуса 14 датчика, но вблизи отражателя 6 на расстоянии, превышающем возможное перемещение объекта.Для определения интегрального перемещения частей контролируемого объекта датчик перемещений (Фиг, 2) содержит п (по числу и измеряемых точек объекта) последовательно включенных пар отражателей, причем первые отражатели 61, 6 б каждой пары установлены на объекте исследования, а вторые отражатели 7 , 7,,7 закреплены вне объекта исследования.Датчик перемещений для измерения ш относительных перемещений (Фиг. 3) содержит источник 1 монохроматического светового потока, свето- делитель 2, отражатель 3, поляризаторы 4 и 5, отражатели б .,6 закрепленные в первых неподвижных точках объекта 15, внутренние отражатели 83 светосумматоры 91 9 , анализаторы 10,,10 11 11 , Фотоприемники 12 1213 ,13,.Кроме того, датчик содержит отражатели 16 16 закрепленные на корпусе 14, отражатели 77 П, закрепленные в других неподвижных точках объекта 15, по отношению к которым измеряется разность перемещений точек, где установлены отражатели б 1, 66 и линейки светоделителей 18 р 4 в фу 13 щи 191 уе в р 19 шюДатчик перемещений с возможностью контроля протяженных объектов (Фиг,4) содержит также коплиматор 20 и два непрозрачных корпуса 21 и 17 с окнами, причем во втором из них помещены отражатели 8, сумматоры 9, анализаторы 10 и 11 и Фотоприемники 12 и 13. Светоделитель 2 установлен так,что делит на равные части световоймонохроматический поток источника 1, 1411573Первый выход делителя 2 оптически связан с входом первого поляризатора 4, а второй выход через отражатель 3 - с входом второго .поляризатора 5.В датчике перемещений (фиг. 1) выходы поляризаторов 4 и 5 соответственно оптически связаны с отражателями 6 и 7, последний из которых непосредственно, а отражатель 6 через внутренний отражатель 8 оптически связаны с соответствующими входами сумматора 9, выход которого, з свою очередь, оптически связан с анализаторами 10 и 11 и далее с Фотоприемниками 12 и 13Для определения интегрального перемещения точек объекта (фиг. 2, 6 о) выход поляризатора 4 оптически связан с внутренним отражателем 3 по О следовательно через отражатели 6 1,71, 66, а выход поляризатора 5 оптически связан с соответствующим входом сумматора 9 через отражатель 7.Отражатели 7- 7 з установлейы не подвижно вне объекта исследования.При измерении относительных перемещений контролируемого объекта в датчике перемещений (фиг. 3) выход поляризатора 4 оптически связан с входом первого делителя 181 в первой линейке делителей. Первый выход делителя 13 оптически связан с входом следующего делителя 13 и так последовательно соединены все делители 18 линейки - первый выход предыдущего делителя 18 оптически связан с входом последующего делителя 18 + Вторые выходы делителей 13 13 щ линейки оптически свя заны чер ез соответствующие отражатели 6,6 на исследуемом объекте 15 и отражатели 318,с первыми входами сумматоров 9,9светового потока.Делители 18118 в линейке ,установлены под таким углом, что делят входящий на линейку световой поток на равные части в зависимости от числа делителей.Выход поляризатора 5 оптически связан с входом первого делителя 191 в другой линейке, которая аналогична первой. Вторые выходы делителей 19 19оптически связаны через отражатели 16,16 с вторыми вхо"55 дами сумматоров 9,9 оптических потоков.Г ГОтражатели оа,и 71, 7 установлены в исследуемых точках объекта 15 исследования, отражатели 8,Зи 1616, закреплены жестко относительно корпуса 14 датчика, причем отражатели 8 3 и сумматоры 99 установлены так, что входные световые потоки, слагаясь в сумматорах 9,9 , однонаправлены, и первые половины световых потоков попадают на первые, а вторые на вторые анализаторы в парах.Отражатели и делители выбираются из условия постоянства поляризации входных выходных световых потоков.Выходы сумматоров 99 оптически связаны попарно с входами пар анализаторов, соответственно, 10 1,,10, и 11 11, 9, с 101 и11 , 9 с 10. и 11, 9 с 10 и 11 З и т,д. 9с 10 и 11 щ, которые установлены так, что по площади световые потоки с сумматоров делятся на равные части на анализаторах. Оси поляризации анализаторов 10 10составляют угол 45 О относительно плоскостей полязирации входящих световых потоков на сумматоры 9, 9. Анализаторы 11 .11 установлены так, что ихо оси поляризации составляют угол 67 относительно осей поляризации анализаторов 10 10,.Датчик перемещений работает следующим образомИсто 1 ннк 1 светового потока излучает направленный монохроматический световой поток с круговой поляризацией на светоделитель 2., Последний делит световой поток на две равные составляющие, одна из которых поступает на поляризатор 4, а вторая через отражатель 3 - на поляризатор 5. Поскольку оси поляризации поляризаторов 4 и 5 взаимно перпендикулярны, поляризаторы 4 и 5 вьщеляют плоско- поляризованные световые потоки, плоскости поляризации которых взаимно перпендикулярны.Плоскополяризованный световой поток с выхода поляризатора 4 попадает через окно в корпусе 14 датчика, отражатель 6, закрепленный на объекте 15 исследования, окно в корпусе 14 и отражатель 8 на первый вход сумматора 9 световых потоков.Плоскополяризованный световой поток с выхода поляризатора 5 с плоскостью поляризации, перпендикулярнойплоскости поляризации светового потокас выхода поляризатора 4, через окно1411573 5в корпусе 14 датчика, отражатель 7, неподвижно закр епле нный от носит ел ьно корпуса 14 датчика вблизи (но на расстоянии превышающем возможное переЭ5 мещение объекта) отражателя 6, поступает йа второй вход сумматора 9 све товых потоков. С выхода сумматора 9 результирующий световой поток поступает на анализаторы 10 и 11, которые делят суммарный световой йоток по сечению на две равные составляющие. Оси поляризации их сдвинуты относительно друг друга на угол 67 и ось поляризации анализатора 10 составляет угол 45 с осями поляризации поляризато" ров, а значит, и с плоскостями поляризации составляющих светового потока, поступающих на вход анализатора 10. Поэтому при различном сдвиге фаз сос тавляющих светового потока, поступающих на вход анализаторов 10 и 11, последние пропускают лишь составляющую, плоскость поляризации которой совпа, дает или близка к оси поляризации 25анализатора 10 или 11. Яркость выход-ного светового потока с анализаторов 10 и 11 изменяется в соответствии с изменением сдвига фаз составляющих входного светового потока. С выхода анализатора 10 световой поток поступает на вход Фотоприемника 12, а с выхода анализатора 11 - на вход Фото,приемника 13.В исходном состоянии объект 15ЗБнеподвижен и для определенности бу дем считать, что оптические пути сос тавляющих световых потоков анализато" ров 4 и 5 до сумматора 9 таковы, что сдвиг фаэ между составляющими равен О, Кроме этого, ось анализатора установлена так, что при сдвиге Фаэ 0 свео топропускание анализатора максимально и сигнал с фотоприемника 12 максимален. При перемещении объекта 15, а45 с ним и отражателя б так, что изменение длины пути светового потока с поляризатор 4 составляет половину длины волны Я/2 источника 1 светового потока, прошедший через анализатор 1050 световой поток изменяется до минимума и снова возрастает до максимума. .1 При изменении длины пути светового потока на 7 Фаза изменяетсяна 3609 при этом световой поток после анализатора 10 изменяется от минимума до максимума дважды и дважды изменяется сигнал на выходе Фотоприемника 12. Аналогично изменяются световой поток на выходе анализатора 11 и сиг - нал на выходе Фотоприемника 13, но со сдвигом и запаздыванием на 67 ф относительно сигнала с Фотоприемника 12. Прн перемещении в другую сторонуобъекта 15 запаздывание сигнала с Фотоприемника 13 меняет знак, т.е. познаку сдвига сигнала Фотоприемника 13относительно сигнала с Фотоприемника12 судят о направлении перемещенияобъекта 15, а по числу максимумовсигнала фотоприемника 12 судят о величине перемещения.На точность измерения перемещенийобъекта 15 влияет относительное изменение оптической длины пути световых потоков от двух поляризаторов 4и 5, Для уменьшения этой погрешностиих делают близкими за счет установкиотражателя 7 вблизи отражателя 6, нона расстоянии, превышающем амплитудуожидаемого перемещения объекта.Для измерения интегральных перемещений (фиг. 2) устанавливают дополнительно отражатели 7, 7, неподвижные относительно корпуса 14 датчика, и отражатели 6 , 6на объек -те 15 с сохранением оптической связивыхода поляризатора 4 с входом сумматора 9 световых потоков. В этомслучае получаем на выходе датчикасигнал, пропорциональный алгебраической сумме перемещений точек объекта 15, в которых закреплены отражатели 61-6, Точек интегрированногозамера может быть больше 61б,717 . Их количество определяет1 фф околичество пар этих отражателей ирасходимость светового потока источника 1,Таким образом, датчик перемещенийпозволяет измерять перемещения объекта исследований с точностью до,1/2,причем позволяет измерять алгебраическую сумму перемещений несколькихточек объекта,По сравнению с известным точностьпредлагаемого датчика выше, его Функциональные возможности расширены засчет измерения алгебраической суммыперемещений, динамические характеристики датчика улучшены за счет уменьшения перемещаемых масс (лишь массыотражателей, закрепленных на объектеисследования), возмущения в движениеобъекта исследования практически неу14115вносятся (сняты напряжения для создания давления в жидкости),При измерении относительных перемещений датчик перемещений (Фиг. 3)5работает следующим образом.В исходном состоянии световой поток источника 1, разделенный на дверавные составляющие делителем 2, попадает на входы поляризаторов 4 и 5,которые выделяют плоскополяризованные световые потоки вдоль их осейполяризации. Выходные взаимно перпендикулярно поляризованные световыепотоки с выходов поляризаторов 4 и 5попадают на линейки делителей световых потоков 18 18 щ и9 19, где разделяются на две равныевфчасти в зависимости от количестваделителей. Световой поток поляризатора 4 с делителей 18 18,через отражатели 6 6на объекте15 и отражатели 8 3 , попадаетна равные входы сумматоров 9 19 . На вторые входы этих сумматоров 25поступают световые потоки поляризатора 5 через делители 1919отражатели 16,16 и закрепленные на объекте 15 отражатели7,30Таким образом, на входы сумматоров 91,9 поступают взаимно перпендийулярно поляризованные световыепотоки равной величины, отраженныеГ Гот отражателеи о 1о, и 71,357 , закрепленных в разных точках объекта 15 исследования. Сумматорами9 9 ь они слагаются и одновременно анализируются анализатораМи101О пи 11 1.11 ю. С выходов 40этих анализаторов световые потокипоступают на входы Фотоприемников1.212 и 13,13При изменении оптической длины пути по одному из входов одного из сум 45.маторов 919 ь относительно оптической длины пути светового потока подругому входу того же сумматора изменяется сдвиг Фаэ составляющих выходного светового потока сумматоров. Это50вызывает. вращение плоскости поляризации результирующего световогопотока, которое Фиксируется анализаторами 10110, и 11 11 ., Навыходе этих анализаторов меняетсяамплитуда светового потока., а значит,сигнал на выходе Фотоприемник 1 в 121,,12 и 13 ,13 . Причем иэ-заустановки анализаторов .10,10 п 73со сдвигом пх осей поляризации нао67 относительно осей поляризациисоответственно анализаторов 1111, сигнал на выходе Фотоприемников1313, изменяется с задержкойотйосительно сигналов Фотоприемников 12112, Знак задержки говорит о направлейии перемещений точекобъекта 5, соответствующих отражателям 6 6 и 7 ;,7 . Числопереходов через максимум сигналов выхода фотоприемников 12. ,12 соответствует амплитуде относительногоперемещения отражателей 6 16,.Один йереход через максимум соответствует относительному перемещению наполовину длины волны У 2 световогопотока источника 1,Для исследования протяженных объ"ектов источник 1 связан с входомсветоделителя 2 через коллиматор 20,Источник 1, коллиматор 20, отражатель 2, поляризаторы 4 и 5, делители 18 , , 18 , 9, , , 19 , отражатели 161 16 размещаются в корпусе 21 с окнами, а отражатели 81.8 ь сумматоры 919 анализаторы10 10 1111фотоприемновлены в корпусе 17 с окнам;. Корпусы 21 и 17 датчика могут разноситься на значительное расстояние другот друга с обеспечением оптическойсвязи между ними.Первый корпус 21 устанавливаетсяв одном месте вблизи объекта 15 исследования, а второй корпус 17 датчика -в другом месте вблизи объекта 15 исследования. С помощью отражателей наообъекте 15 исследований и отражателейвне его организуется оптическая связьмежду корпусами датчиков. Для учетаизменений расстояния между корпусами может использоваться однокорпуснойдатчик или один из каналов этого жедатчика. Следовательно, датчик перемещений обладает точностью /2 и позволяет измерять алгебраическую сумму перемещений различных точек объекта исследований по многим. каналам. Причем при выполнении в двух корпусах датчик позволяет производить исследование протяженных объектов. Таким образом, датчики перемещений обеспечивают измерение перемещений объекта исследованийс точностью до ),/2.Формула изобретения1. Датчик перемещений, содержащий йсточник света, оптически связанный 4 ним светоделитель, связанные с выхоом последнего несколько оптических аналов, каждый из которых выполненвиде последовательно оптически связанных зеркал, по крайней мере одно Из которых предназначено цля установ ки на контролируемом объекте, и расположенный на выходе этих каналов 4 отоприемник, о т л и ч а ю щ и й с я 1 ем, что, с целью повышения точности контроля,. он снабжен установленными на выходе светоделителя поляризаторами с взаимно ортогональцыми осями полязирации, а фотоприемник выполнен в виде последовательно оптически связанных светосумматора, анализаторов и фотоэлектронных преобразователей.2. Датчик по и. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что он снабжен дополнительными светоделителями и Фотоприемниками, установленными соответственно на выходах поляризаторов и оптических каналов.1 ч 11573 Составитель Аедактор О.Головач Техред .Л,Олнйн уханииКоррект р О,Кравцов одпис н СССР Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная,аказ 3643/36 Тираж 680 ВИИПИ Государственного по делам изобретений 3035, Москва, Ж, Рауш