RU2115100C1 - Optical method measuring force - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: luminous flux is directed on to screen that is part of deformed element which partially shadows one of two photodetectors placed in one plane. Plane of position of shadowing screen is transferred to plane of location of photodetectors by projection. Signals F₁ and F₂ from outputs of first and second photodetectors are converted to value Y=F₁/F₂. Y_ref for reference force P_ref, Y_ab in absence of force and Y_meas for measured force P_meas are determined from expression given in description of invention. Technical result consists in due account of reference luminous flux that experiences same changes that the basic one for compensation of instability of luminous radiation and registration path. EFFECT: increased accuracy, versatility and simplicity of realization of given method. 1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к средствам измерения силы, вызывающей деформацию или перемещение чувствительного элемента, регистрируемые оптическими средствами. The invention relates to measuring technique, and more particularly to means for measuring the force that causes deformation or movement of a sensitive element, recorded by optical means.

Существует большое разнообразие измерительных устройств, реализующих способы, основанные либо на анализе изменения оптических свойств чувствительных элементов, испытывающих деформацию под воздействием измеряемой силы, либо на измерении с помощью светового луча перемещения чувствительного элемента. There is a wide variety of measuring devices that implement methods based either on the analysis of changes in the optical properties of sensitive elements experiencing deformation under the influence of the measured force, or on measurement using a light beam to move the sensitive element.

В частности, известен способ измерения давления, в соответствии с которым свет пропускают от источника света до фотоприемника по оптическому волокну, испытывающему деформации под воздействием измеряемой силы (давления), вызывающие изменение его светопропускающих свойств, и преобразуют освещенность фотоприемника в электрический сигнал. In particular, there is a known method of measuring pressure, in which light is transmitted from the light source to the photodetector through an optical fiber that undergoes deformations under the influence of the measured force (pressure), causing a change in its light transmitting properties, and converts the illumination of the photodetector into an electrical signal.

Такой способ реализован, например, в устройствах, описанных в заявке ЕПВ 0082820, МПК G 01 L 1/24, G 01 B 11/16, 1983; в патенте США N 4459477, МПК G 01 L 1/24, 1984; в заявке ФРГ N OS 3230615, МПК G 01 L 1/04, 1984. Such a method is implemented, for example, in the devices described in the application EPO 0082820, IPC G 01 L 1/24, G 01 B 11/16, 1983; U.S. Patent No. 4,459,477; IPC G 01 L 1/24, 1984; in the application of Germany N OS 3230615, IPC G 01 L 1/04, 1984.

Недостатками такого способа являются значительная нелинейность зависимости выходного сигнала от измеряемой величины; определенное влияние на результаты измерений возможных изгибов, перемещений оптических волокон в процессе работы и эксплуатации, в целом приводящие к относительно невысокой точности измерений. The disadvantages of this method are the significant non-linearity of the dependence of the output signal on the measured value; a certain influence on the measurement results of possible bends, displacements of the optical fibers during operation and operation, generally leading to relatively low measurement accuracy.

Известен оптический способ измерения силы, заключающийся в анализе интерференционного изображения, формируемого оптическими клиньями и пластинами, выполненными из кварца, которые перемещают, воздействуя на них измеряемым усилием. A known optical method for measuring force is to analyze the interference image formed by optical wedges and plates made of quartz, which are moved by acting on them with a measured force.

Данный способ реализован в устройстве, описанном в заявке Великобритании N 1423699, МПК G 01 L 1/04, 1976. This method is implemented in the device described in the application of the UK N 1423699, IPC G 01 L 1/04, 1976.

Недостатком такого способа является низкая технологичность реализации и точность, принципиально ограниченная четвертью длины волны используемого излучения. The disadvantage of this method is the low technological implementation and accuracy, fundamentally limited to a quarter of the wavelength of the radiation used.

Известен также способ, основанный на использовании эффекта изменения показателя преломления ряда светопрозрачных материалов (стекла, кристаллов, пластмасс) под воздействием нагрузки. There is also known a method based on the use of the effect of changing the refractive index of a number of translucent materials (glass, crystals, plastics) under the influence of a load.

Такой способ реализован, например, в устройство, описанном в заявке ЕПВ N 0119592, МПК G 01 G 3/12, 1984. This method is implemented, for example, in the device described in the application EPO N 0119592, IPC G 01 G 3/12, 1984.

Недостатком такого способа является принципиальная невозможность обеспечения линейной зависимости интенсивности света, реагирующего на изменение показателя преломления на участке оптического тракта, от приложенной нагрузки и нестабильность результатов измерения при воздействии климатических и временных факторов. The disadvantage of this method is the fundamental impossibility of providing a linear dependence of the intensity of light that responds to a change in the refractive index in the optical path, on the applied load and the instability of the measurement results when exposed to climatic and temporal factors.

Прототипом выбран способ измерения силы, вызывающий перемещение чувствительного элемента с экраном, на который направляют световой поток, а затем проецируют его в плоскость размещения двух фотоприемников (заявка Франции N 2172445, МПК G 01 B 11/00, 1973). The prototype selected a method of measuring the force, causing the sensor to move with a screen onto which the light stream is directed, and then project it into the plane of placement of the two photodetectors (French application N 2172445, IPC G 01 B 11/00, 1973).

Световой поток, отраженный от светоотражающего покрытия экрана, имеет некоторое пространственное распределение интенсивности светового потока в плоскости размещения фотоприемников. При перемещении экрана регистрируется разность интенсивностей световых потоков на фотоприемниках. The luminous flux reflected from the reflective coating of the screen has a certain spatial distribution of the light flux intensity in the plane of the photodetectors. When moving the screen, the difference in the intensities of the light flux at the photodetectors is recorded.

Недостатком данного способа является то, что его реализация требует использования относительно сложной оптической системы для формирования прямых и отраженных световых потоков. Кроме того, способ не исключает влияния на результаты измерения пространственной и временной нестабильностей тракта регистрации и светового источника. The disadvantage of this method is that its implementation requires the use of a relatively complex optical system for the formation of direct and reflected light fluxes. In addition, the method does not exclude the influence on the measurement results of spatial and temporal instabilities of the registration path and the light source.

Настоящее изобретение направлено на создание оптического способа измерения силы, обладающего простотой реализации, дешевизной, универсальностью и высокой точностью. The present invention is directed to the creation of an optical method of measuring force with ease of implementation, low cost, versatility and high accuracy.

Для этого в известном оптическом способе измерения силы, по которому световой поток направляют на экран, являющийся частью чувствительного деформируемого элемента, а затем проецируют его в плоскость размещения двух фотоприемников, согласно изобретению, экраном осуществляют частичное затенение первого фотоприемника при полном отсутствии затенения второго, и преобразуют сигналы F₁ и F₂ с выходов первого и второго фотоприемников, соответственно, в величину y = F₁/F₂, при этом определяют y_эт при воздействии на чувствительный элемент эталонной нагрузки p_эт, y_о- при отсутствии нагрузки на чувствительный элемент и y_изм при воздействии на чувствительный элемент измеряемой нагрузки p_изм., которую определяют из выражения:
p_изм = (y_о-y_изм) • p_эт/(y₀-y_эт).To do this, in the known optical method of measuring the force by which the light flux is directed to a screen that is part of a sensitive deformable element, and then projected into the plane of placement of two photodetectors, according to the invention, the screen partially shades the first photodetector in the complete absence of shading of the second, and transforms signals F ₁ and F ₂ from the outputs of the first and second photodetectors, respectively, in the value y = F ₁ / F ₂ and the _floor define y when exposed to a reference sensor element p th load _fl, y _of - the absence of load on the sensing element and y _edited when subjected to load sensing element measured _{edited p.} which is determined from the expression:
_edited p = (y _a -y _MOD) • p _fl / (y ₀ -y _fl).

Техническим результатом предложенного способа является учет опорного светового потока (не изменяемого экраном), претерпевающего те же изменения, вызванные нестабильностью светового излучения и тракта регистрации, что и основной световой поток, несущий полезную информацию. При этом формирование световых потоков по принципу затенения может быть осуществлено очень простыми техническими средствами, т. к. отсутствует необходимость в отраженных световых потоках, а следовательно, и в сложной оптической системе с зеркальными элементами. Перенос изображения (проецирование) плоскости размещения экрана в плоскости фотоприемников может быть осуществлен с помощью обычного оптического объектива. Такой перенос изображения позволит избавиться от нежелательного явления дифракции на кромке затеняющего экрана, стоящего на пути светового потока, что способствует однозначности выходных электрических сигналов фотоприемников. The technical result of the proposed method is to take into account the reference light flux (not variable by the screen), which undergoes the same changes caused by the instability of the light radiation and the registration path as the main light flux carrying useful information. In this case, the formation of light fluxes by the principle of shading can be carried out by very simple technical means, since there is no need for reflected light fluxes, and therefore, in a complex optical system with mirror elements. Image transfer (projection) of the plane of the screen in the plane of the photodetectors can be carried out using a conventional optical lens. Such image transfer will allow to get rid of the undesirable phenomenon of diffraction at the edge of the shading screen, standing in the path of the light flux, which contributes to the uniqueness of the output electrical signals of the photodetectors.

Кроме того, для компенсации погрешности измерения, вызванной временной нестабильностью коэффициентов преобразования фотоприемников, вводят дополнительную операцию, которая заключается в следующем. In addition, to compensate for the measurement error caused by the temporary instability of the conversion coefficients of the photodetectors, an additional operation is introduced, which consists in the following.

Кратковременно вводимым в световой поток телом затеняют участок площади известной величины, по крайней мере, одного из фотоприемников. Определяют отношение сигналов с фотоприемников y_т на моменты времени, соответствующие разным операциям измерения. Эти результаты учитывают при определении p_изм путем введения в выражение дополнительного коэффициента пропорциональности.A body that is briefly introduced into the luminous flux obscures a part of the area of known size of at least one of the photodetectors. The ratio of signals from photodetectors y _{t is} determined at time instants corresponding to different measurement operations. These results are taken into account when determining p _ism by introducing an additional proportionality factor into the expression.

Введение дополнительной операции также целесообразно для проверки работоспособности преобразующей части устройства, реализующего способ, после длительных перерывов в работе. The introduction of an additional operation is also advisable to verify the operability of the converting part of the device that implements the method, after long interruptions in operation.

Способ проиллюстрирован чертежом, где на пути потока света от источника 1 установлен экран 2, связанный с чувствительным элементом 3, воспринимающим силу p. С помощью объектива 5 изображение плоскости A, в которой размещен экран 2, переносят (в перевернутом виде) в плоскость Б, где размещены фотоприемники 5, 6, электрические выходные сигналы которых обрабатывает по заданному алгоритму электронное устройство 7. Размеры и форму экрана 2 выбирают таким образом, чтобы он, имея четко очерченную (острую) кромку, во всем диапазоне измеряемых нагрузок затенял ту или иную часть площади фотоприемника 6, оставляя фотоприемник 5 полностью незатененным. Поэтому когда поток света от источника 1 направляют на экран 2, перемещаемый вследствие деформации чувствительного элемента 3 под действием силы p, он по-разному воспринимается фотоприемниками 5 и 6. Сигналы, снимаемые с фотоприемников, пропорциональны падающим на них световым потокам. Так, сигнал F₁, снимаемый с фотоприемника 5, прямо пропорционален плотности светового потока J_о в плоскости Б и коэффициенту чувствительности K₁ первого фотоприемного тракта:
F₁ = K₁ • J_о.The method is illustrated in the drawing, where a screen 2 is mounted on the path of the light stream from the source 1, connected to the sensing element 3, which receives the force p. Using the lens 5, the image of the plane A, in which the screen 2 is placed, is transferred (upside down) to the plane B, where the photodetectors 5, 6 are placed, the electrical output signals of which are processed by the electronic device 7. The dimensions and shape of the screen 2 are chosen as follows so that he, having a clearly defined (sharp) edge, in the entire range of measured loads obscures one or another part of the area of the photodetector 6, leaving the photodetector 5 completely unshaded. Therefore, when the light flux from the source 1 is directed to the screen 2, which is moved due to the deformation of the sensitive element 3 under the action of the force p, it is differently perceived by the photodetectors 5 and 6. The signals taken from the photodetectors are proportional to the light flux incident on them. So, the signal F ₁ , taken from the photodetector 5, is directly proportional to the density of the light flux J _about in the plane B and the sensitivity coefficient K _{1 of the} first photodetector:
F ₁ = K ₁ • J _about .

В то же время сигнал F₂ с затеняемого фотоприемника 6 равен:
F₁ = K₂ • J_о • (S₀ - x • L),
где
S₀ - регистрируемая часть засвечиваемой площади, не затеняемая экраном 2 при отсутствии нагрузки; x - величина смещения экрана 2 при приложении нагрузки; L - ширина засвечиваемой области в плоскости Б; K₂ - коэффициент чувствительности второго затеняемого фотоприемника 6.At the same time, the signal F ₂ from the shaded photodetector 6 is equal to:
F ₁ = K ₂ • J _о • (S ₀ - x • L),
Where
S ₀ - the recorded part of the illuminated area, not obscured by the screen 2 in the absence of load; x is the amount of displacement of the screen 2 when the load is applied; L is the width of the illuminated region in the plane B; K ₂ - sensitivity coefficient of the second shaded photodetector 6.

Для исключения влияния параметров тракта прохождения светового потока используют параметр y(x), выраженный отношением сигналов с фотоприемников 5, 6:
y(x) = F₂/F₁ = K₂/K₁ • (S₀-x•L) = A • (S₀-x•L);
При отсутствии нагрузки, т.е. когда смещение экрана 2 равно нулю, отношение сигналов составит:
y₀ = S₀•(K₂/K₁)₀ = S₀•A₀;
где
A₀ - отношение коэффициентов чувствительности фотоприемников, соответствующее моменту времени измерений с нулевой нагрузкой.To exclude the influence of the parameters of the light path, the parameter y (x), expressed as the ratio of signals from photodetectors 5, 6, is used:
y (x) = F ₂ / F ₁ = K ₂ / K ₁ • (S ₀ -x • L) = A • (S ₀ -x • L);
In the absence of load, i.e. when the screen offset 2 is zero, the signal ratio will be:
y ₀ = S ₀ • (K ₂ / K ₁ ) ₀ = S ₀ • A ₀ ;
Where
A ₀ is the ratio of the sensitivity coefficients of the photodetectors corresponding to the instant of measurement with zero load.

Из (1, 2) следует:
y₀ - y(x) = S₀•A₀ - A•(S₀-x•L) = (A₀-A)•S₀ + x•L•A = y₀ • (x•L•A/(S₀ • A₀) + (A₀-A)/A₀);
Нагрузка p на чувствительный элемент связана со смещением экрана x при деформации чувствительного элемента соотношением p = b•x, где b - коэффициент упругости чувствительности элемента 3. Поэтому для измеряемой и эталонной нагрузок p_изм и p_эт выражение (3) примет вид:
y₀-y_изм = y₀• (p_изм•L•A_изм/(b•S₀•A₀) + (A₀-A_изм)/A₀);
где
A_изм - отношение K₂/K₁ на момент времени измерения сигналов с фотоприемников при воздействии измеряемой нагрузки, и
y₀-y_эт = y₀•(p_эт • L•A_эт/(b•S₀•A₀) + (A₀-A_эт)/A₀);
где
A_эт - отношение K₂/K₁ на момент времени измерения сигналов с фотоприемников при воздействии эталонной нагрузки.From (1, 2) it follows:
y ₀ - y (x) = S ₀ • A ₀ - A • (S ₀ -x • L) = (A ₀ -A) • S ₀ + x • L • A = y ₀ • (x • L • A / (S ₀ • A ₀ ) + (A ₀ -A) / A ₀ );
The load p on the sensitive element is associated with the displacement of the screen x during deformation of the sensitive element by the ratio p = b • x, where b is the coefficient of elasticity of the sensitivity of element 3. Therefore, for the measured and reference loads p _ism and p _this expression (3) will take the form:
y ₀ -y _meas = y ₀ • (p _meas • L • A _meas / (b • S ₀ • A ₀ ) + (A ₀ -A _meas ) / A ₀ );
Where
A _ISM - the ratio of K ₂ / K ₁ at the time of measurement of signals from photodetectors under the influence of the measured load, and
y ₀ -y _floor = y ₀ • (p _floor • L • A _floor / (b • S ₀ • A ₀ ) + (A ₀ -A _floor ) / A ₀ );
Where
A _et - the ratio of K ₂ / K ₁ at the time of measurement of signals from photodetectors when exposed to a reference load.

При условии, что измерения следуют друг за другом без интервалов, т.е. когда временная нестабильность сведена к минимуму и A₀ = A_эт = A_изм, из (4) и (5) сдедует:
y₀-y_изм = y₀ • p_изм• L/(b•S₀);
y₀-y_эт = y₀ • p_эт• L/(b•S₀)
Отсюда p_изм = p_эт • (y₀-y_изм)/ (y₀-y_эт);
Выражение (8) будет с достаточно высокой точностью учитывать результаты измерения, если значения y₀ и y_эт определяют непосредственно до или после измерения неизвестной нагрузки.Provided that the measurements follow each other without intervals, i.e. when temporary instability is minimized and A ₀ = A _et = A _ISM , from (4) and (5) the following results:
y ₀ -y _meas = y ₀ • p _meas • L / (b • S ₀ );
y ₀ -y _floor = y ₀ • p _floor • L / (b • S ₀ )
Hence, p = p _{edited fl} • (y ₀ -y _MOD) / (y ₀ -y _fl);
Expression (8) will take into account the measurement results with fairly high accuracy if the values of y ₀ and y _{et are} determined immediately before or after the measurement of an unknown load.

В случае, когда имеют место значительные временные промежутки между замерами, влияние отношения A на результат измерения в случае его временной нестабильности может оказаться ощутимым. In the case when there are significant time intervals between measurements, the influence of the ratio A on the measurement result in the event of its temporary instability may be noticeable.

Для компенсации этого влияния кратковременно затеняют известную величину S_Т участка площади, по крайней мере, одного из фотоприемников (5 или 6) кратковременным введением в световой поток дополнительного тела как в процессе калибровки при замере эталонной нагрузки, так и в процессе измерения неизвестной нагрузки. При этом определяют отношение сигналов с фотоприемников y_т при кратковременном затенении вводимым телом на момент времени t_эт, соответствующий калибровке, и на момент времени t_изм, соответствующий процессу измерения, и учитывают эти результаты при определении p_изм.To compensate for this effect, the known value S _{T of the} area area of at least one of the photodetectors (5 or 6) is briefly shaded by the short-term introduction of an additional body into the light flux both during the calibration process when measuring the reference load and during the measurement of the unknown load. In this case, the ratio of signals from the photodetectors y _t is determined during short-term shading by the introduced body at time t _et , corresponding to the calibration, and at time t _ism , corresponding to the measurement process, and these results are taken into account when determining p _ism .

В качестве примера рассмотрим случай, когда процесс калибровки существенно разнесен по времени с процессом непосредственного измерения неизвестной нагрузки. Опустив предшествующие преобразования, приведем выражение для измеряемой нагрузки:

где

- отношения K₂/K₁ при нулевой нагрузке в моменты времени калибровки t_эт и измерения t_изм, соответственно, а

отношение сигналов с фотоприемников в моменты времени t_изм и t_эт, соответственно. Для определения отношения

выполняют следующие операции.As an example, we consider the case when the calibration process is significantly spaced in time with the process of directly measuring the unknown load. Omitting the previous transformations, we give an expression for the measured load:

Where

- the ratio of K ₂ / K ₁ at zero load at the time points of calibration t _et measurement t _ISM , respectively, and

the ratio of signals from photodetectors at time t _ISM and t _FL , respectively. To determine the relationship

perform the following operations.

При введении в измерительный канал вспомогательного тела отношение сигналов с фотоприемников y_т составит:
y_т= (S₀-S_Т)•A₀;
где
S_Т - известная заранее площадь затененного участка фотоприемника.With the introduction of an auxiliary body into the measuring channel, the ratio of signals from photodetectors y _t will be:
y _t = (S ₀ -S _T ) • A ₀ ;
Where
S _T is the previously known area of the shaded area of the photodetector.

На момент калибровки проводят два измерения при нулевой нагрузке с введением вспомогательного тела:

и без него:

Из (11) и (12) следует:

На момент t_изм также проводят два измерения при нулевой нагрузке с введением вспомогательного тела и без него:

Отсюда:

Из (13) и (16) следует:

Таким образом, осуществив измерение дополнительных параметров, можно компенсировать временной уход коэффициентов чувствительности фотоприемников и тем самым обеспечить прецизионную точность измерений.At the time of calibration, two measurements are carried out at zero load with the introduction of an auxiliary body:

and without it:

From (11) and (12) it follows:

At time t _ism , two measurements are also carried out at zero load with the introduction of an auxiliary body and without it:

From here:

From (13) and (16) it follows:

Thus, by measuring additional parameters, it is possible to compensate for the temporary departure of the sensitivity coefficients of the photodetectors and thereby ensure precise measurement accuracy.

Claims (2)

1. Оптический способ измерения силы, заключающийся в том, что световой поток направляют на экран, являющийся частью деформируемого под действием силы чувствительного элемента, и проецируют его в плоскость размещения двух фотоприемников, отличающийся тем, что экраном осуществляют частичное затенение одного фотоприемника при полном отсутствии затенения другого, а измеряемую нагрузку Р_изм определяют, используя параметр Y, Y выраженный отношением сигналов F₁ и F₂ с выходов фотоприемников, по формуле
Р_изм. = Р_эт. • (Y_о - Y_изм.) / (Y_о - Y_эт.),
где Y_о, Y_эт., Y_изм. - отношение сигналов с выходов фотоприемников соответственно при отсутствии нагрузки на чувствительный элемент, при воздействии на чувствительный элемент эталонной нагрузки Р_эт. и при воздействии на чувствительный элемент измеряемой нагрузки Р_изм..1. The optical method of measuring the force, which consists in the fact that the light flux is directed to a screen that is part of the sensor deformed by the force of the sensing element, and projected into the plane of placement of two photodetectors, characterized in that the screen partially shades one photodetector in the complete absence of shading another, and the measured load P _ISM is determined using the parameter Y, Y expressed by the ratio of the signals F ₁ and F ₂ from the outputs of the photodetectors, according to the formula
R _meas. = P _et. • (Y _o - Y _meas. ) / (Y _o - Y _fl. ),
where Y _about , Y _floor. , Y _rev. - the ratio of the signals from the outputs of the photodetectors, respectively, in the absence of load on the sensitive element, when exposed to the sensitive element of the reference load P _et. and when exposed to a sensitive element of the measured load P _ISM. . 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что кратковременно вводимым в световой поток телом затеняют участок площади известной величины по крайней мере одного из фотоприемников, определяют отношение сигналов Y_т с фотоприемников на моменты времени t_эт. и t_изм., соответствующие измерению эталонной и измеряемой нагрузки, и учитывают эти результаты при определении измеряемой нагрузки Р_изм. путем введения дополнительного коэффициента пропорциональности.2. The method according to claim 1, characterized in that the body is briefly introduced into the luminous flux to obscure a portion of a known area of at least one of the photodetectors, the signal ratio Y _t from the photodetectors is determined at time moments t _et. and t _meas. corresponding to the measurement of the reference and measured load, and take these results into account when determining the measured load P _meas. by introducing an additional coefficient of proportionality.