Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обоснование выбора и особенности амплитудно-фазового способа преобразования линейного перемещения в электрический сигнал. 14
1.1 Состояние вопроса и постановка задачи исследований 14
1.2 Анализ бесконтактных методов и средств измерения линейных перемещений ... 20
1.3 Предмет исследований 32
1.4 Физические и математические основы амплитудно-фазового способа преобразования 36
1.5 Базовая структурная модель амплитудно-фазовых оптоэлектронных датчиков линейных перемещений 39
Выводьгк главе 1 44
Глава 2 Физические и математические основы преобразования измерительной информации в оптоэлектронных датчиках линейных перемещений ...47
2.1 Математическая формализация процесса распределения светового потока в рефлексометрических измерительных преобразователях линейных перемещений... ...47
2.2 Вьгоод функции преобразования оптической системы измерительного канала оптоэлектронного датчика линейных перемещений 56
2.3 Описание структурных схем и принципа действия амплитудно-фазовых оптоэлектронных датчиков линейных перемещений с компенсационным каналом 62
2.4 Анализ и оптимизация параметров функции преобразования оптоэлектронного датчика линейных перемещений с компенсационным каналом 70
Выводы к глаце 2 77
Глава 3 Особенности конструктивной реализации оптоэлектронных датчиков линейных перемещений... 79
3.1 Обоснование выбора компонентной базы оптоэлектронных датчиков линейных перемещений ..79
3.2 Оптимизация конструктивного исполнения отдельных узлов рефлексометрических измерительных преобразователей линейных перемещений 92
3:3 Конструктивные особенности рефлексометрических измерительных преобразователей линейных перемещений ...105
3.4 Разработка схемно-конструктивных исполнений экспериментальных образцов оптоэлектронных датчиков линейных перемещений 111
Выводы к главе 3 ...117
Глава 4 Экспериментальные исследования и разработка способов снижения погрешностей оптоэлектронных датчиков линейных перемещений ...119
4.1 Основные составляющие погрешности измерения оптоэлектронного датчика линейных перемещений 119
4.1.1 Оценка методической погрешности 122
4.1.2 Исследование влияния изменения температуры окружающей среды 123
4.2 Способ температурной компенсации 128
4.3 Конструктивные способы линеаризации выходной характеристики рефлексометрических измерительных преобразователей ..134
4.4 Экспериментальные исследования макетных образцов оптоэлектронных датчиков линейных перемещений с компенсационным каналом 143
4.4.1 Состав лабораторного стенда и описание структурной схемы и принципа действия измерительной установки 143
4.4.2 Процедура настройки оптоэлектронного датчика линейных перемещений 149
4.4.3 Методика и результаты экспериментальных исследований 152
Выводы к главе 4 157
Заключение ...158
Перечень принятых сокращений 162
Список используемой литературы 164
Приложение
- Анализ бесконтактных методов и средств измерения линейных перемещений
- Вьгоод функции преобразования оптической системы измерительного канала оптоэлектронного датчика линейных перемещений
- Оптимизация конструктивного исполнения отдельных узлов рефлексометрических измерительных преобразователей линейных перемещений
- Конструктивные способы линеаризации выходной характеристики рефлексометрических измерительных преобразователей
Введение к работе
Актуальность работы
В бортовых информационно-измерительных системах (ИИС) ракетной и космической техники (РКТ) датчики играют особо важную роль, обеспечивая получение, обработку и передачу огромных объемов информации о физических процессах, происходящих в контролируемых системах. Непрерывное совершенствование изделий РКТ, развитие ИИС требуют повышения точности решения традиционных задач и расширения областей исследований закономерностей протекания физических процессов в экстремальных условиях эксплуатации, что, в свою очередь, предполагает создание высокоточных, надежных, малогабаритных и экономичных датчиков физических параметров. При этом предпочтение отдается датчикам, не требующим в процессе измерения энергетического взаимодействия с контролируемым объектом.
Большую потребность предприятия РКТ испытывают в датчиках, предназначенных для бесконтактного измерения перемещений в диапазонах 0-45, 0-60, 0 - 90, 0 -125, 0 -180, 0 - 250, 0 - 500, 0 - 800, 0 -1000 мм.
Перечисленным требованиям наилучшим образом отвечают бесконтактные оптоэлектронные датчики линейных перемещений (ОЭДЛП). Отсутствие силового воздействия на перемещающийся объект, возможность дистанционного измерения параметра делает ОЭДЛП незаменимыми в тех случаях, когда наличие даже незначительного силового воздействия может привести к недопустимому изменению состояния контролируемого объекта. Кроме того, отсутствие механической связи с объектом контроля и, соответственно, механической преобразующей системы внутри датчика, делает их надежными в эксплуатации, простыми в изготовлении и т.п.
Анализ научно-технической информации и публикаций в области оп-
6 тических измерений известных ученых Вайнберга В.Б., Воронцова Л.Н., Гречишникова В.М., Катыса Г.П., Конюхова Н.Е., Мирошникова М.М., Меркишина Г.В, Свечникова СВ., Якушенкова Ю.Г. и др., а также теоретические и экспериментальные исследования, выполненные автором данной работы, показали, что для решения поставленной задачи целесообразно применить рефлексометрический способ преобразования перемещения в электрический сигнал, основанный на регистрации изменения в зависимости от расстояния интенсивности отраженного светового потока. При этом встает задача уменьшения влияния нелинейных изменений пространственных характеристик светового потока, ведущих к резкому снижению интенсивности оптического сигнала с удалением от рабочего торца датчика контролируемого объекта и, соответственно, к высокой погрешности линейности функции преобразования, снижению точности измерения и диапазона измеряемых перемещений.
Известные малогабаритные ОЭДЛП имеют ограниченный диапазон и низкую точность измерения, а для измерения перемещений до 1000 мм используются датчики с неприемлемо большими габаритами и массой, также сложные в аппаратурной реализации, что не удовлетворяет требованиям со стороны ИИС РКТ. Это объясняется тем, что в известных ОЭДЛП не полностью учтены особенности пространственного распределения светового потока в оптическом канале, недостаточно решены вопросы оптимизации конструктивных параметров измерительных преобразователей и т.д.
Состояние оптического тракта ОЭДЛП в процессе воздействия измеряемой физической величины (перемещения) и не измеряемых параметров внешней среды определяет достоверность результатов измерения. Для достижения требуемых метрологических характеристик необходимо формирование рациональных пространственных структур пучка лучей в зоне измерения. Поэтому при проектировании ОЭДЛП на первый план выступают вопросы, связанные с распределением плотности мощности по сече-
нию пучка света, несущего измерительную информацию, характер измё-нения структуры излучения в зоне измерения.
К управляемым параметрам ОЭДЛП относятся: формы и радиусы кривизны преломляющих и отражающих поверхностей, расстояния между поверхностями, показатели преломления сред, составляющих оптическую систему, материалы конструктивных элементов оптического канала. Критериями эффективности оптической системы ОЭДЛП являются: линейность функции преобразования, диапазон измерения, глубина модуляции оптического сигнала, чувствительность преобразования, инерционность, технологичность изготовления, работоспособность в жестких условиях эксплуатации на протяжении всего срока службы с заданной точностью.
Определено, что, если световой поток, поступающий в зону измерений, - величина постоянная, то вид функции преобразования ОЭДЛП бу- . дет оцениваться по виду пространственной модуляционной функции в диапазоне измерения. Из-за сложности математической формализации этому вопросу до настоящего времени уделялось недостаточно внимания. Поэтому необходимо разработать общий подход к математической формализации описания процессов, происходящих в зоне измерений ОЭДЛП. В результате математического моделирования необходимо определить, как распределена оптическая мощность в зоне преобразования оптического сигнала. Это дает возможность рационально расположить конструктивные элементы датчика с заранее известными оптическими свойствами, что, в свою очередь, позволит снизить массо-габаритные характеристики ОЭДЛП, линеаризовать выходную зависимость датчика, повысить чувствительность преобразования и глубину модуляции оптического сигнала, расширить диапазон измерения.
Цель и задачи исследований
Целью диссертационной работы является повышение эффективности информационно-измерительных систем ракетно-космической техники
путем существенного улучшения метрологических и эксплуатационных характеристик оптоэлектронных датчиков линейных перемещений.
Научная задача, решаемая в работе, - научное обоснование, разработка и исследование новых и модернизированных бесконтактных оптоэлектронных датчиков линейных перемещений, реализующих амплитудно-фазовое преобразование перемещения в электрический сигнал, с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками для информационно-измерительных систем РКТ.
Для решения поставленной научной задачи проведены следующие исследования и разработки:
проведен анализ известных способов и средств бесконтактного измерения линейных перемещений;
разработаны структурные и математические модели рефлексометри-ческих измерительных преобразователей перемещений (РИПП) и ОЭДЛП в целом;
разработан алгоритм управления световым потоком в зоне измерений, обеспечивающий необходимую пространственную структуру пучка, максимальную чувствительность преобразования оптического сигнала, линейность функции преобразования, простоту юстировки элементов оптической системы;
выведена аналитическая зависимость между выходным и входным сигналами ОЭДЛП с компенсационным оптоэлектронным каналом;
дано теоретическое обоснование новых и модернизированных технических решений физической реализации РИПП и ОЭДЛП в целом, позволяющих при незначительной модификации конструктивного исполнения РИПП создать гамму ОЭДЛП для измерения перемещения в разных диапазонах измерения и в разных условиях применения;
проведен теоретический анализ метрологических и эксплуатационных возможностей ОЭДЛП, применяемых в условиях РКТ;
разработаны и внедрены новые способы снижения температурной погрешности и погрешности линейности ОЭДЛП;
проведены экспериментальные исследования и анализ технических возможностей разработанных экспериментальных образцов ОЭДЛП, в которых реализованы основные положения диссертации.
Методы исследований
При разработке математических и физических моделей РИПП и ОЭДЛП в целом использовались основные положения геометрической оптики, применялись методы математической физики, прикладной механики. При решении задач по синтезу и анализу РИПП и ОЭДЛП использовались положения теории чувствительности, погрешностей, гармонического анализа, дифференциального и интегрального исчисления, аналитической геометрии, методы численного анализа, имитационное и статистическое моделирование на ЭВМ. В экспериментальных исследованиях использовались положения теории измерений, планирования эксперимента и математическая обработка полученных результатов.
Достоверность результатов подтверждается их непротиворечивостью законам физики, корректным использованием современных аналитических и расчетных методов, математическим моделированием. Основные теоретические положения и результаты расчетов подтверждены экспериментальными исследованиями лабораторных макетов и реальных образцов ОЭДЛП.
Научная новизна работы заключается в следующем.
Методика проектирования ОЭДЛП амплитудно-фазового типа для информационно-измерительных систем изделий ракетно-космической техники включает в себя
новые структурные схемы с компенсационным оптоэлектронным каналом,
алгоритм преобразования светового потока,
- разработанный комплекс базовых функций преобразования РИПП,
учитывающих распределение светового потока в пространстве зоны изме
рения, анализ которых показал, что, изменяя целесообразным образом
схемные и конструктивные параметры РИПП, можно добиться улучшения
метрологических характеристик.
Методика расчета основных параметров оптической системы РИПП основана на определении закономерностей распределения светового потока в зоне измерения и связи диапазона измерения, угла наклона оптической оси источника излучения относительно оптической оси РИПП и расстояния между источниками и приемниками излучения.
Новые и усовершенствованные способы улучшения метрологических характеристик амплитудно-фазовых ОЭДЛП основаны на:
взаимной компенсации неинформативных изменений параметров оптического канала ОЭДЛП при воздействии ВВФ за счет использования оптико-электронного компенсационного канала;
взаимной компенсации изменений сигналов, обусловленных противоположно изменяющимися мощностью излучения источника излучения (ИРГ) и фоточувствительностью приемников излучения (ПИ) при изменении температуры окружающей среды;
уменьшении отраженного светового потока в начале диапазона измерения и его увеличении в конце диапазона измерения за счет формирования сходящегося к концу диапазона измерения светового потока и снижения потока рассеяния отраженного светового потока;
формировании необходимого сечения светового потока при использовании отражающей поверхности с переменным коэффициентом отражения.
Экспериментально исследованы метрологические и эксплуатационные характеристики разработанных новых ОЭДЛП с компенсационным каналом на диапазоны 0...1000 мм, подтвердившие основные теоретиче-
11 ские положения диссертационных исследований.
Практическая значимость работы
Работа обобщает теоретические и экспериментальные исследования, проведенные автором в Пензенском государственном университете (ПГУ) на кафедре "Приборостроение", и способствует решению актуальной научно-технической задачи создания новых бесконтактных ОЭДЛП с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками и внедрения их в ИИС на изделиях ракетно-космической техники.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют перейти к их промышленному проектированию, производству и внедрению. Научная и практическая значимость исследований подтверждается тем, что работа проводилась в рамках Федеральной космической программы России, НИОКР «Составные части и модули АСУ межвидового применения электроснабжения» (дог. №4/97-8 от 03.04.97 между ФГУП «Рубин» г. Пенза и ОАО НИИВТ г. Пенза), договора № 275 от 01.02.04 (НИР «Устройства сбора и обработки данных в информационно-измерительных системах») между ЗАО «НИИФИ и ВТ» г. Пенза и ПГУ.
Диссертационные исследования выполнялись и реализовывались в ПГУ при финансовой поддержке НИР аспирантов ВУЗов в форме гранта Министерства образования России (приказ Минобразования РФ от 12.05.2003 г.) шифр А03-3.20-362 «Оптимизация конструктивных исполнений оптоэлектронных датчиков линейных перемещений на основе формирования рационального распределения светового потока».
Реализация результатов работы
Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований автора (в соавторстве) использованы при разработке ОЭДЛП, а также внедрены в учебный процесс. В частности, эти результаты использовались при создании ОЭДЛП с компенсационным каналом для измерения перемещений в диапазонах 0...45, 0...60, 0...90, 0...125, 0...180, 0...250,
0...350, 0...500, 0...800, 0...1000 мм.
Разработаны макетные образцы ОЭДЛП: шифр ПГУ-ПО1-001, ПГУ-ПО2-001.
Элементы, теории проектирования, материалы по расчету ОЭДЛП использованы в НИОКР «Составные части и модули АСУ межвидового применения электроснабжения» в разделе «Унифицированные модули и устройства системы гарантированного электроснабжения», НИР «Устройства сбора и обработки данных в ИИС», «Оптимизация конструктивных исполнений оптоэлектронных датчиков линейных перемещений на основе формирования рационального распределения светового потока», а также в лекционном материале и лабораторном практикуме дисциплины «Теория измерений», преподаваемой студентам специальности 200100 "Приборостроение" в ПТУ.
Апробация работы
Основные, научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийском конкурсе на лучшую научную работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам по разделу «Авиация, авиастроение и воздушный транспорт» (г. Казань, 1998 г.), Всероссийской НТК «Состояние и проблемы технических измерений» (г. Москва, 1998 г.), Международной НТК «Методы и средства измерения в системах контроля и управления» (г. Пенза, 2002, 2003 г.г.), международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2004, 2005 г.г.), Международной НТК «Метрологическое обеспечение измерительных систем» (г. Пенза, 2005 г.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 20 работ, из них 18 статей в центральных (в том числе международных) изданиях и межвузовских сборниках, 2 тезисы докладов. Без соавторов опубликовано 5 работ.
13 f
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы, 8 приложений. Основная часть изложена на 170 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков, 6 таблиц. Список литературы содержит 105 наименований. Приложения к диссертации занимают 20 страниц.
На защиту выносятся следующие положения:
Структурные схемы, математические модели и алгоритмы преобразования сигналов РИПП и амплитудно-фазовых ОЭДЛП с компенсационным каналом, отвечающие алгоритму максимальной линеаризации выходной характеристики. '
Алгоритм преобразования светового потока, обеспечивающий требуемые энергетические соотношения и рациональные пространственные структуры пучка лучей в зоне измерений оптической системы ОЭДЛП.
Методика расчета основных параметров оптической системы, основанная на определении закономерностей распределения светового потока в зоне измерения.
Новые и усовершенствованные способы улучшения метрологических характеристик амплитудно-фазовых ОЭДЛП с компенсационным каналом
Новые технические решения РИПП и амплитудно-фазовых ОЭДЛП с компенсационным каналом с улучшенными метрологическими и экс-' плуатационными характеристиками, внедрение которых позволит повысить эффективность информационно-измерительных систем РКТ.
Анализ бесконтактных методов и средств измерения линейных перемещений
Методы и средства измерения линейных перемещений без элементов механической связи с контролируемым объектом относятся к методам и средствам неразрушающего контроля, в основу которых положены процессы взаимодействия физических полей и веществ с контролируемым объектом [44].
Неразрушающий контроль в зависимости от физических явлений, положенных в его основу, в соответствии с ГОСТ 18353-79 подразделяется на виды: магнитный, электрический, вихретоковый (электромагнитный), радиоволновой, тепловой, оптический, радиационный, акустический, проникающими веществами. Требование одностороннего расположения составных частей датчика относительно перемещающейся поверхности резко ограничивает разнообразие методов неразрушающего контроля, применимых для решения поставленной задачи. Ряд требований, таких, например, как диапазон контролируемых перемещений 0...1000 мм, необходимость минимизации габаритно-весовых характеристик, отсутствие электрической связи с перемещающимся объектом и другие, не позволяет реализовать большинство перечисленных методов. В таблице 1.3 приведены результаты анализа бесконтактных методов на соответствие измерительных средств, в основу которых они положены, требованиям п. 1.1. В соответствии с таблицей 1.3 можно сделать следующие выводы.
Магнитный, электрический, тепловой, вихретоковый методы пригодны при контроле перемещений в малых диапазонах (до 20 мм). Акустический и радиоволновой методы неприемлемы из-за сложности и громоздкости устройств, в основу которых они положены, и из-за невысокой точности измерения. Радиационный метод измерения применяется в случаях, когда иные средства не пригодны. Основным фактором, сдерживающим его применение, являются повышенные требования к технике безопасности при эксплуатации радиационных устройств. Наиболее полно предъявляемым требованиям отвечает оптический метод измерения, поэтому необходимо более подробно остановиться на анализе известных средств измерения линейных перемещений, в основу которых он положен. Оптический метод измерения линейных перемещений основан на регистрации параметров оптического излучения, взаимодействующего с контролируемым объектом. Измерительная информация представляется в виде изменения одного из параметров светового потока, которое затем с помощью фотоприемника преобразуется в изменение электрической величины [44]. Для измерения линейных перемещений возможно построение оптического датчика перемещения, принцип действия которого основан на регистрации параметров светового потока при изменении расстояния от источника света до фотоприемника. Так как требования п. 1.1 предполагают одностороннее расположение излучателя и приемника, возможно использование только отраженного излучения, и поэтому анализ существующих средств измерения линейных перемещений оптическим методом проводился в данном направлении (таблица 1.4). Оптические датчики условно можно разбить на две большие группы: с использованием когерентного и некогерентного излучения. Когерентное излучение применяется в оптических средствах измерения расстояний, в основу которых положены локационный и интерфе-рометрический методы контроля. Локационный метод основан на регистрации времени прохождения измеряемого расстояния излучением, скорость распространения которого известна и остается неизменной в процессе измерения, или на регистрации фазовой задержки сигнала. Обычно источник и приемник находятся на одной части изделия, а на другой устанавливается специальный отражатель [5,39]. На фигуре 1 таблицы 1.4 в качестве примера рассмотрено устройство для измерения расстояния, реализующее локационный фазовый метод. Устройство работает следующим образом. Когерентное излучение от источника излучения 1, пройдя через светоделитель 2, падает на отражатель 3, закрепленный на перемещающемся объекте. На приемники излучения 4 и 5 поступают части светового потока, отразившегося от светоделителя 2 при прямом и обратном прохождении соответственно. Перемещение отражателя 3 приводит к изменению фазы выходного сигнала U X). Выходной сигнал Uon(X) является опорным, и его фаза не изменяется при перемещении отражателя. Фазометр 6 измеряет разность фаз выходных сигналов U X) и Uon (X), которая пропорциональна перемещению контролируемого объекта. Локационный метод применяется для измерения больших расстояний (от десятков метров и более). Это объясняется тем, что для измерения меньших расстояний возникает необходимость измерять очень малые временные интервалы (10"9...10"11с) или малые фазовые задержки (10 3 ... 10"5 град), что связано с большой скоростью распространения световых волн. Технические средства измерения таких малых величин в настоящее время отсутствуют. Наиболее распространенными устройствами, в которых используется для измерения перемещений когерентное световое излучение, являются интерферометры. Принцип их действия основан на сравнении двух систем световых волн, образованных одним когерентным источником и идущих по разным оптическим путям. Оба пучка интерферируют в месте встречи [33,54,65]. В большинстве лазерных интерферометров используется классическая схема двухлучевого интерферометра Майкельсона (фигура 3 таблицы 1.4). Излучение от лазера 1 разделяется светоделителем 2 на два луча, один из которых через фильтр 4 направляется на неподвижный отражатель 3, а другой - на такой же отражатель 5, связанный с объектом контроля. Световые лучи, отразившись от отражателей, снова попадают в светоделитель, где объединяются и интерферируют. При перемещении объекта с отражателем 5 меняется разность хода интерферирующих полос пучков, что приводит к перемещению интерференционных полос. Число прошедших полос фиксируется фотоприемниками 6 и 7 и счетчиком 8 и пропорционально измеряемому перемещению.
Вьгоод функции преобразования оптической системы измерительного канала оптоэлектронного датчика линейных перемещений
Для определения начального светового потока Фо на входе оптического тракта и для вывода функции преобразования оптического тракта ОЭДЛП, структурная схема которого приведена на рисунке 2.4, разработана упрощенная конструктивно-оптическая схема, на которой показан ход лучей света от одного источника излучения (ИИ) до приемника излучения (ПИ) (рисунок 2.2). Источник излучения установлен под углом а к оптической оси приемника излучения и под углом (90-а) - к поверхности отражателя. Начальный световой поток ИИ Фии преобразуется с помощью линзы 1 в коллимированный поток Фо, который проходит путь Xi-cosa в на правлении к отражателю. При этом в соответствии с законом Бугера происходит затухание мощности светового потока [87]. Но ввиду того, что расстояние между источником и приемником излучения незначительно (меньше 1000 мм), а коэффициент затухания воздуха т 0, то при выводе функции преобразования этими потерями можно пренебречь. Отражатель закреплен на подвижной части объекта, перемещение Х{ которой контролируется. Поверхность отражателя имеет коэффициент отражения р и создает диффузно-направленное распространение отраженных лучей. Часть отраженного светового потока Фотр( 0 направляется на рабочий приемник излучения (РПИ). На светочувствительную площадку РПИ поступает только та часть светового потока Фрпи, которая распространяется в пределах апертурного угла (угла зрения) РПИ. Таким образом, в оптической системе датчика происходят следующие преобразования: где К\, К% Аз- коэффициенты передачи трактов «ИИ- линза 1»; «линза 1 -отражатель»; «линза 2 — ПИ» соответственно.
Световой поток ИИ распространяется в пределах индикатрисы с углом 2а. Не все лучи попадут на линзу 1, а только те, что распространяются в пределах угла 2ц/ относительно оптической оси ИИ: где r\,f\ — диаметр и фокусное расстояние линзы 1. Диаграмма направленности излучения аппраксимируется распределением (cosQY, где «=1,2,...- показатель, зависящий от типа ИИ [77]. Проинтегрировав в пределах от 0 до \/ световой поток Фщ сау)11, получим ПИ располагают так, чтобы диаметр светового пятна был меньше или равен длине фоточувствительной площадки приемника излучения (рисунок 2.3). В разрабатываемом ОЭДЛП для расширения диапазона измерения и снижения погрешности измерения, обусловленной угловыми смещениями отражателя, могут использоваться несколько ИИ, в частности четыре (см. п.2.3). Предполагая, что все они излучают одинаковый световой поток Фии, то на РПИ попадет суммарный поток: Поэтому в выражения (2.28), (2.29) необходимо ввести коэффициент, учитывающий количество используемых источников излучения. Подставив (2.23), (2.24), (2.26) в выражение (2.21), функция преобразования оптического тракта датчика примет вид - для нечетных степеней: Для повышения точности измерения за счет уменьшения погрешности от воздействия внешних дестабилизирующих факторов на основе базовой структурной схемы разработаны структурные схемы амплитудно-фазовых ОЭДЛП с компенсационным каналом (см. рисунок 1.2) [16,27]. Наличие компенсационного канала позволяет снизить погрешности от изменения мощности излучения ИИ, обусловленного изменением температуры окружающей среды, колебаний параметров питающего напряжения, временной нестабильности параметров ИИ и т.д., а также изменением чувствительности приемников излучения (фотодиодов).
Предложен способ температурной компенсации с сохранением алгоритма амплитудно-фазового преобразования [16]. Отличительной особенностью предложенного способа является то, что гармонический сигнал, про-модулированный в функции перемещения, формируют на рабочих приемниках излучения приемом отраженного от контролируемого объекта светового потока источника излучения, а другой гармонический сигнал формируют на компенсационных приемниках излучения приемом немодулированного в функции перемещения светового потока того же источника излучения. На рисунке 2.4 приведена структурная схема амплитудно-фазового ОЭДЛП, реализующего данный алгоритм. Отличительной особенностью предложенной схемы от схемы, приведенной на рисунке 1.2, является наличие дополнительного компенсационного канала. Рефлексометрический измерительный преобразователь перемещения (РИПП) датчика с компенсационным каналом представляет собой приемопередающую оптическую систему, состоящую из источника излучения 5 (ИИ) и приемников излучения: рабочего 6а (РПИ) и компенсационного 66 (КПИ). С помощью данного датчика алгоритм амплитудно-фазового преобразования, позволяющий одновременно добиться линейной зависимости выходной характеристики (см. п. 2.4) и уменьшения температурной погрешности от колебания мощности излучения ИИ (см. п.4.2), реализуется следующим образом.
Оптимизация конструктивного исполнения отдельных узлов рефлексометрических измерительных преобразователей линейных перемещений
Как показано в п. 2.1, в ОЭДЛП более предпочтительно использование распределенных ИИ (РИИ), поэтому ниже более подробно рассмотрены конструкции РИПП, использующие РИИ, представляющие собой ИИ, установленный в фокусе собирающей линзы (или на расстоянии, близком к фокусному). Рассмотрены три варианта взаимного расположения ИИ и рабочих ПИ (РПИ), приведенные на рисунках 3.5 - 3.8. В первом случае (см. рисунок 3.5) РПИ расположены симметрично относительно оптической продольной оси Л источника излучения по окружности, диаметр которой равен где djb dnu- диаметр линзы и РПИ соответственно, h - расстояние между ближайшими точками внешних диаметров РПИ и линзы. Основным условием для выбора диаметра D является обеспечение достаточной чувствительности преобразования в необходимом диапазоне измерения, которой можно добиться установкой РПИ в зоне максимальной освещенности при расположении ОЭ в конечной точке диапазона измерения, когда Х-Хи. Вторым условием является обеспечение минимальных габаритных размеров датчика. Данное условие достигается уменьшением всех составляющих формулы (3.1) до минимально возможных значений.
Минимальный диаметр линзы Л Бл определяется диаметром ИИ dm и апертурным углом а: где/- фокусное расстояние линзы. Уменьшение dun осуществляется подбором фотодиодов. Так, например, диаметр фотодиодов ФД-8К, КФДМ почти в 2 раза меньше диаметра фртодиодов ФД-19КК, ФД20-32К и т.п. Однако, как правило, уменьшение диаметра ПИ однозначно связано с уменьшением их интегральной чувстви тельности и, соответственно, ведет к снижению диапазона контролируемых перемещений. Как показали экспериментальные и теоретические исследования, фотодиоды типа ФД-8К, КФДМ наиболее целесообразно использовать при контроле перемещений в диапазонах до 100 мм. При контроле перемещений свыше 100 мм рекомендуются фотодиоды более высокой чувствительности (ФД-19КК, ФД20-32К и т.п.). Минимальный размер h ограничивается способом крепления линзы Л и рабочих приемников излучения в несущей детали НД. Размеры йд и dm имеют вполне определенные значения, изменение которых может привести к необходимости использования совершенно других типов ПИ и линз, что, в свою очередь, приведет к полной перекомпоновке всей конструкции датчика. Поэтому при подборе диаметра D варьируют размером А, т.е. размерами и конфигурацией несущей детали. Для получения достаточной чувствительности преобразования устанавливают рабочие ПИ относительно поперечной оси Y источника излучения таким образом, чтобы их светочувствительные площадки были расположены в фокальной плоскости линзы на расстоянии /=/. Увеличение этого расстояния нецелесообразно, так как при этом увеличиваются и габаритные размеры датчика и потери светового потока Фо, идущего к объекту контроля и обусловленные увеличением расстояния от рабочего торца датчика до ИИ. Уменьшение же расстояния / приведет к уменьшению светового потока ФОТР, отраженного от контролируемого объекта и падающего на светочувствительную площадку РПИ, за счет увеличения расстояния от объекта до РПИ. РПИ соединены между собой параллельно, поэтому суммарный ток 1 снимаемый с их общих точек, определится как где п - количество РПИ. где п - количество РПИ. Таким образом, чем больше п, тем больше выходной сигнал РИПП. В то же время количество РПИ ограничивается габаритными размерами датчика. Минимальное количество РПИ п определяется из условия Ппшї 4, т.е. количество РПИ должно быть не менее четырех [30]. Это объясняется тем, что изменение углового положения отражателя (в пределах допустимого, не более 10 градусов) относительно поперечной оси Y датчика, приведет к увеличению светового потока, падающего на РПИ, расположенные ближе к ОЭ, и уменьшению светового потока, падающего на РПИ, удаленные от отражателя. При этом выходной сигнал с первых фотоприемников увеличивается, а со вторых - уменьшится, суммарный же сигнал практически не изменится.
Уменьшение же числа РПИ может привести к погрешности измерения, обусловленной изменением суммарного тока при изменении углового положения отражателя. Ход лучей в описанном варианте приведен на рисунке 3.9 я. С целью уменьшения поперечных размеров датчика можно использовать второй вариант (рисунок 3.6), который отличается от первого тем, что РПИ расположены внутри коллиматорной системы. РПИ обращены светочувствительной площадкой к внутренней (обращенной к ИИ) поверхности линзы. РПИ устанавливают таким образом, чтобы они не закрывали основной световой поток Фо, идущий от ИИ в пределах его апертурного угла а, и в то же время воспринимали максимально возможный световой поток ФОТР, отраженный от контролируемого объекта.
Конструктивные способы линеаризации выходной характеристики рефлексометрических измерительных преобразователей
Как показано в п. 2.4 линейность выходной характеристики Ф=ДА) амплитудно-фазового ОЭДЛП зависит от кривизны а выходной характеристики рефлексометрического измерительного преобразователя Ui=f[X). Причем, чем меньше а, тем более линейной зависимости р=ДА) можно добиться.
Предлагаются технические решения, которые позволяют уменьшить нелинейность выходной характеристики Ui=f[X) конструктивным путем.
Известно, что в начале диапазона измерения выходной сигнал резко уменьшается с удалением отражающей поверхности, крутизна зависимости Ui=f(X) большая, в конце же диапазона измерения картина обратная, сигнал U\(X) изменяется незначительно. Отношение чувствительности преобразования в начале диапазона измерения SMAX К чувствительности преобразования в конце диапазона измерения SMIN достигает 30...40. Задача состоит в том, чтобы снизить значение указанного отношения. Этого можно добиться или уменьшением SMAX или увеличением SW.
Один из способов снижения чувствительности SMAX В начале диапазона измерения заключается в искусственном снижении светового потока, отраженного от объекта в начале диапазона измерения. Это достигается тем, что отражающая поверхность выполнена с переменным коэффициентом отражения р, причем коэффициент отражения увеличивается от точки пересечения оптической оси источника излучения с поверхностью в направлениях/?, перпендикулярных данной оси.
Тогда справедливо, что //=Яфпи(Я) р(Щ где ФпиО ) - световой поток на входе ПИ. Условие максимальной линеаризации за счет изменения коэффициента отражения имеет вид т.е. коэффициент отражения р должен изменяться обратно пропорционально световому потоку, падающему на приемник излучения ПИ, в диапазоне измерения (рисунок 4.4, а). Это позволит линеаризовать сигнал U\(X) (рисунок 4.4, б).
Однако, на практике, создать отражающий элемент с коэффициентом отражения, меняющимся по какому-то сложному закону, достаточно трудно, а порой нецелесообразно. Поэтому предложен более простой способ линеаризации, который в некоторой степени является упрощенным вариантом предыдущего, но при этом не менее эффективен.
Он заключается в том, что в центре отражающей поверхности, имеющей коэффициент отражения р, участок радиусом R выполнен с коэффициентом отражения ро= р//и, где т»\ (рисунок4.5). В рекомендуемом варианте данный участок (круг) выполнен черным, т.е. имитирует сквозное отверстие, причем радиус R определяется экспериментальным путем, так как распределение светового потока Фо вдоль поперечной координаты Y имеет достаточно сложный вид и для разных ИИ и конструктивных исполнений различно.
Поэтому на практике в начале снимается градуировочная харак-тздшстика С/рпи=ДЯ) для отражающей поверхности с постоянным коэффициентом отражения р (кривая 1 на рисунке 4.6). Затем подобная зависимость снимается с отражателем, в центре которого выполняется круг с коэффициентом отражения ро радиусом Rh затем радиусом R2 и т.д. путем постепенного их увеличения до получения необходимой в начале диапазона измерения
Для примера на рисунке 4.6 приведены экспериментальные зависимости С/Рга=Л ), снятые с нагрузки РПИ рефлексометрического измерительного преобразователя, конструкция которого приведена на рисунке 3.13.
В качестве отражающего элемента использовалась фторопластовая пластина диаметром 42 мм с чистотой обработки поверхности 0,63 (диффузная отражающая поверхность) в виде круга, в центре которого поверхность с радиусом R выполнена с коэффициентом отражения р 0 (черная). Из рисунка 4.6 видно, что с увеличением радиуса черного круга линейность характеристики UPm=AX) уменьшается в основном за счет снижения чувствительности преобразования &шгв начале диапазона измерения. Чувствительность преобразования в. конце диапазона измерения &ду изменяется незначительно, если площадь затененного участка не превышает 20 % от общей площади отражателя. Дальнейшее увеличение площади затемненного участка нецелесообразно из-за снижения SMN И, соответственно, диапазона измерения.
Данная схема поясняет второй способ линеаризации. Основная его идея заключается в следующем. Чувствительность преобразования SMAX В начале диапазона измерения снижается за счет сужения светового потока ИИ и, соответственно, уменьшения отраженного светового потока ФОТР, попадающего на РПИ. Ближе к концу диапазона измерения сужение светового потока Ф0, идущего от ИИ, увеличивает световой поток Фпи. поступающий на РПИ, за счет снижения пртока рассеяния отраженного светового потока, что в свою очередь ведет к увеличению чувствительности преобразования Бмш в конце диапазона измерения. Оптическая система датчика работает следующим образом. Световой поток ИИ, сфокусированный линзой ЛБ малого диаметра, падает параллельным пучком на линзу ЛБ большого диаметра, далее собирается в ее фокусе /Б, после которого начинается расходиться. Часть отраженного светового потока ФОТР поступает на РПИ, где преобразуется в электрический сигнал. Механизм линеаризации состоит в том, что в начале диапазона измерения за счет сужения светового пятна на отражающей поверхности по сравнению со световым пятном при параллельном ходе лучей (на рисунке 4.7 показаны штрих-пунктирной линией) значительно уменьшается отраженный от нее световой поток от значения Фо до значения Ф о. В точке диапазона измерения, совпадающей с задним фокусом /Б ЛИНЗЫ Ль пятно достигает своего минимального размера, в результате чего отра-жрнный световой поток Ф І значительно увеличивается в сравнении со свето-вым потоком Ф/ для случая с параллельным ходом лучей за счет уменьшения пртока рассеяния, не попадающего на РПИ. Аналогичные рассуждения справедливы и для любой точки диапазона измерения.
