Основные конструктивные схемы оптоэлектронных преобразователей

В механообрабатывающем производстве и в соответствующих исследованиях наиболее удобно применять амплитудную модуляцию оптического излучения.

Амплитудная модуляция оптического излучения может быть осуществлена за счет:

• • ослабления светового сигнала в среде при изменении коэффициента поглощения;
• • изменения поперечного сечения оптического канала;
• • генерации дополнительного излучения при воздействии измеряемого физического фактора;
• • изменения отражательной или поглощательной способности при изменении показателя преломления или при нарушении полного внутреннего отражения.

В автоматизированном производстве контроль качества обработанной поверхности осуществляется с помощью датчиков шероховатости, принцип действия которых основан на рассеянии светового луча.

На рис. 5.13 показана принципиальная схема датчика контроля шероховатости, который работает следующим образом. Пучок света, испускаемый инфракрасным светодиодом 8_У с помощью линзы 7 и объектива J, проходя через полупрозрачное зеркало б, фокусируется на поверхности контролируемой детали 4. Отраженный от поверхности контролируемой детали свет 5 снова проходит через систему линз объектива J, попадает на полупрозрачное зеркало 6 и направляется им на датчик изображения 2. Датчик изображения 2 преобразует поступивший на него световой поток в распределение интенсивности света 7,.

Рис. 5.13. Принцип работы светового датчика шероховатости.

что позволяет однозначным образом судить о параметрах шероховатости контролируемой детали.

В современных системах управления технологическими процессами бесперебойный автоматический режим работы обеспечивается поступающими непосредственно с датчиков сигналами корректировки. Например, с помощью оптического датчика осуществляют автоматическое управление процессом шовной сварки. Такой датчик работает по методу отражения падающего света от свариваемого шва. Отраженный свет используется для контроля и корректировки параметров технологического процесса.

Оптические методы довольно широко используются для измерения давлений. Схема простейшего оптического датчика, применяемого для измерения колебаний давления в трубопроводах, приведена на рис. 5.14.

В соответствии с рис. 5.14 между светодиодом 1 и двумя фотоприемниками 2 w 3 размещена шторка 4, перекрывающая поток излучения, который падает на один из фотоприемников 2 или 3. Шторка 4 жестко установлена на эластичной мембране 5, воспринимающей измеряемое давление. Для того чтобы произвести перекрытие светового потока между светодиодом / и.

Рис. 5.14. Схема простейшего оптического датчика давления.

фотоприемниками 2 и J, достаточно перемещения шторки 4 на доли миллиметра.

Для измерения акустических волн в жидкости применяют датчики более высокой чувствительности и с более высокими динамическими качествами. Пример такого датчика показан на рис. 5.15.

Здесь для модуляции светового потока применены специальные дифракционные решетки 5, закрепленные на эластичных диафрагмах 4. Излучение от подводящего световода / проходит через коллиматор J, где оно преобразуется в поток параллельных лучей. Затем это организованное световое излучение проходит через две дифракционные решетки 5, после чего вводится в приемный световод / через коллиматор J, аналогичный тому, который стоит на входе. Под действием давления Р происходит.

Рис. 5.15. Схема чувствительного высокочастотного оптического датчика давления перемещение диафрагм 4, а. следовательно, и дифракционных решеток 5. В результате изменяется мощность излучения, которая передается от подводящего к отводящему световоду. Расстояние между плоскостями решеток выбирается в пределах 0,7… 1,0 мкм. Датчик может реагировать на смещение порядка (3…4) • 10″ ⁴ нм при рабочем диапазоне частот в пределах от 100 Гц до.5,5 кГц.

В автоматических устройствах часто применяется оптический переключатель с зеркальной шторкой, который изображен на рис. 5.16. Он может работать в режиме пропускания (рис. 5.16, а) и в режиме отражения (рис. 5.16, б).

При отсутствии электрического напряжения на электромагните 7 под действием пружины 4 железная шторка 5 с зеркалами опускается в крайнее нижнее положение и энергия светового излучения прямо передается от световода 1 к световоду 6. При подаче электрического напряжения на обмотку электромагнита 7 железная шторка 5 с зеркалами, преодолевая пружину 4, притягивается к нему, и оптическое излучение, выходящее из световода^ 7, отражается в направлении световода 2 Одновременно сигнал со световода 3 передается в световод 6. Потери при отражении сигналов от зеркал шторки 5 практически отсутствуют. Указанные зеркала изготавливаются вакуумным напылением хрома и золота. Время переключения прибора составляет примерно 10 мс.

Рис. 5.16. Оптический переключатель с зеркальной шторкой.

Рис. 5.17. Схема и статическая характеристика поперечного волоконно-оптического преобразователя.

В качестве отражающей шторки может использоваться граница раздела «жидкость — воздух» или «жиДкость — жидкость». Например, используют пузырьки ртути, находящиеся в заполненной электролитом емкости.

Оптоэлектронные методы часто применяют для контроля скорости потока жидкости или, что однозначно с этим связано, для построения оптических расходомеров. Идея построения таких расходомеров состоит в том, что любое колебание световода вызывает изменение интерференционной картины на выходе этого световода. Здесь возможны два решения: построение поперечных и продольных волоконно-оптических расходомеров.

На рис. 5.17 приведены схема поперечного волоконно-оптического расходомера (рис. 5.17, а) и его статическая характеристика (рис. 5.17, б).

В таком датчике поперек трубопровода 1 устанавливается оптическое волокно 2, нагруженное грузом (или усилием) 3. Под действием потока омывающей волокно жидкости оно будет совершать колебания, частота которых зависит от скорости движения потока.

В продольном волоконно-оптическом расходомере, который изображен на рис. 5.18, интерферометрический волоконный.

Рис. 5.18. Схема продольного волоконно-оптического расходомера.

датчик установлен параллельно оси потока жидкости. Для повышения степени взаимодействия световода с потоком жидкости на нем устанавливают дополнительные лопасти. На рис. 5.18: / — световоды, 2 — трубопровод, 3 — дополнительные лопДсти, 4 — установочные растяжки. Погрешность измерения такого рода датчиков лежит в пределах 5 %.

Общим недостатком двух названных способов оптического измерения скорости потока является то, что, будучи помещенными в поток жидкости, датчики вызывают возмущения этого потока. Подобных искажений удается избежать, применяя бесконтактные методы измерений, основанные на использовании лазера (применяя так называемые лазерные анемометры).

Суть лазерных методов состоит в том, что луч лазера разделяется в полупрозрачном зеркале на два луча, которые фокусируются в одной точке в пределах прозрачного участка трубопровода. Пройдя через жидкость, рассеянный ею свет попадает на фотоумножитель, где преобразуется в напряжение, пропорциональное измеряемому расходу жидкости.

Электронно-оптические методы позволяют строить датчики, являющиеся индикатором вида жидкости. Идея построения таких датчиков состоит в том, что индицируется переменный скачок показателя преломления на границе световода, что, естественно, зависит от вида жидкости, омывающей данный световод. Принципиальная схема такого датчика приведена на рис. 5.19.

Здесь поток излучения от источника 1 проходит через поляризатор 2 и входную призму 3, а затем поступает в плоский упругий световод 4 и движется по нему с помощью полных.

Рис. 5.19. Индикатор вида жидкости.

внутренних отражений от его параллельных внешних поверхностей. На выходной поверхности призмы вывода (также 3) с помощью установленного там полупрозрачного покрытия 7 поток излучения разделяется на два. Прошедшая через полупрозрачное покрытие часть потока попадает на фотоприемник 8, а часть потока, отразившаяся от покрытия 7, проходит анализатор 6 и достигает фотоприемника 9.

При наличии на внешней поверхности плоского световода 4 контролируемой жидкости 5 происходит его деформация под тяжестью этой контролируемой жидкости. Состояние поляризации зависит от массы контролируемого слоя жидкости над световодом и однозначно определяется ее плотностью. Анализатор 6 и второй фотоприемник 9 позволяют выделить сигнал, зависящий от показателя преломления контролируемой жидкости и от ее плотности. Вычислитель 10 позволяет сформировать и разделить два сигнала, которые соответствуют показателю преломления и плотности контролируемой жидкости.

На рис. 5.20 представлена схема световолоконного датчика относительных перемещений. Он состоит из коаксиального световода /, а также подводящего 2 и отводящего 3 световодов. На конце подводящего световода 2 установлен светодиод-источник 4, а на конце отводящего световода 3 — фотодиод-приемник 5. Позицией 6 обозначен измеряемый объект, например обрабатываемая деталь.

Рис. 5.20. Схема световолоконного датчика относительных перемещений.

Датчик, изображенный на рис. 5.20, работает следующим образом. От светодиода 4 излучение проходит через подводящий световод 2, затем попадает в коаксиальный световод 7, отражается от поверхности детали 6, снова попадает в коаксиальный световод 7 и по отводящему световоду 3 поступает на фотодиод 5, где и регистрируется с помощью измерительной аппаратуры.

Такой датчик позволяет измерять шероховатость поверхности и относительные расстояния между рабочим торцом закрепленного коаксиального световода 7 и поверхностью 6.

На рис. 5.21 представлена схема датчика для контроля крутильных колебаний. Изображенный на рисунке датчик содержит корпус 7 в виде двух сообщающихся сосудов, частично заполненных инертной рабочей жидкостью 2, например ртутью. Сосуд 3 герметически закрыт, а в другом размещен коаксиальный световод 4, рабочая поверхность которого обращена в сторону инертного элемента 2. Стержень коаксиального световода 4 со;

Рис. 5.21. Схема оптоэлектронного датчика для контроля крутильных колебаний единен подводящим световодом 5 с источником светового излучения (светодиодом) 6, а отводящий световод 7 связан с преобразователем 8 светового излучения в электрический сигнал (фотодиодом). Этот сигнал через усилитель 9 связан с измерительным устройством 10. Датчик устанавливается вертикально на исследуемом объекте 11. В свободных полостях сосудов 3 воздух откачан.

В исходном положении световое излучение от источника 6 поступает по световоду 5 в коаксиальный световод 4, отражается от внешней поверхности инертного элемента 2, снова попадает в коаксиальный световод 4, затем в преобразователе 8 превращается в электрический сигнал, регистрируемый устройством 10. При наличии крутильных колебаний изменяется величина зазора между рабочей поверхностью инертного элемента 2 и световодом 4, а следовательно, и величина рассеянного светового сигнала, которая регистрируется в измерительном устройстве 10.

Существует также множество принципиальных схем и конструкций оптоэлектронных датчиков для контроля вибраций резцов, возникающих в процессе обработки металлов, в том числе и на станках-автоматах.