RU2115100C1 - Оптический способ измерения силы - Google Patents
Оптический способ измерения силы Download PDFInfo
- Publication number
- RU2115100C1 RU2115100C1 RU96114527A RU96114527A RU2115100C1 RU 2115100 C1 RU2115100 C1 RU 2115100C1 RU 96114527 A RU96114527 A RU 96114527A RU 96114527 A RU96114527 A RU 96114527A RU 2115100 C1 RU2115100 C1 RU 2115100C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- photodetectors
- meas
- load
- screen
- force
- Prior art date
Links
Landscapes
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
Abstract
Способ предназначен для использования в измерительной технике. Световой поток направляют на являющийся частью деформируемого элемента экран, которым осуществляют частичное затенение одного из двух фотоприемников, размещенных в одной плоскости. Плоскость размещения затеняющего экрана переносят в плоскость размещения фотоприемников проецированием. Сигналы F1 и F2 с выходов первого и второго фотоприемников преобразуют в величину Y = F1 / F2. Определяют Yэт. для эталонной нагрузки Pэт., Yо - при отсутствии нагрузки и Yизм. для измеряемой нагрузки Pизм., которую вычисляют из выражения, приведенного в описании. Технический результат заключается в учете опорного светового потока, претерпевающего те же изменения, что и основной, для компенсации нестабильности светового излучения и тракта регистрации. Способ обеспечивает повышенную точность, простоту реализации и универсальность. 1 з.п. ф-лы, 1ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к средствам измерения силы, вызывающей деформацию или перемещение чувствительного элемента, регистрируемые оптическими средствами.
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.
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.
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.
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.
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.
Данный способ реализован в устройстве, описанном в заявке Великобритании N 1423699, МПК G 01 L 1/04, 1976.
Недостатком такого способа является низкая технологичность реализации и точность, принципиально ограниченная четвертью длины волны используемого излучения.
Известен также способ, основанный на использовании эффекта изменения показателя преломления ряда светопрозрачных материалов (стекла, кристаллов, пластмасс) под воздействием нагрузки.
Такой способ реализован, например, в устройство, описанном в заявке ЕПВ N 0119592, МПК 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.
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).
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.
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.
Настоящее изобретение направлено на создание оптического способа измерения силы, обладающего простотой реализации, дешевизной, универсальностью и высокой точностью.
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 yэт при воздействии на чувствительный элемент эталонной нагрузки pэт, yо- при отсутствии нагрузки на чувствительный элемент и yизм при воздействии на чувствительный элемент измеряемой нагрузки pизм., которую определяют из выражения:
pизм = (yо-yизм) • pэт/(y0-yэт).
pизм = (yо-yизм) • pэт/(y0-yэт).
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.
Кроме того, для компенсации погрешности измерения, вызванной временной нестабильностью коэффициентов преобразования фотоприемников, вводят дополнительную операцию, которая заключается в следующем.
Кратковременно вводимым в световой поток телом затеняют участок площади известной величины, по крайней мере, одного из фотоприемников. Определяют отношение сигналов с фотоприемников yт на моменты времени, соответствующие разным операциям измерения. Эти результаты учитывают при определении pизм путем введения в выражение дополнительного коэффициента пропорциональности.
Введение дополнительной операции также целесообразно для проверки работоспособности преобразующей части устройства, реализующего способ, после длительных перерывов в работе.
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 Jо в плоскости Б и коэффициенту чувствительности K1 первого фотоприемного тракта:
F1 = K1 • Jо.
F1 = K1 • Jо.
В то же время сигнал F2 с затеняемого фотоприемника 6 равен:
F1 = K2 • Jо • (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.
F1 = K2 • Jо • (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.
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.
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.
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 pизм и pэт выражение (3) примет вид:
y0-yизм = y0• (pизм•L•Aизм/(b•S0•A0) + (A0-Aизм)/A0);
где
Aизм - отношение K2/K1 на момент времени измерения сигналов с фотоприемников при воздействии измеряемой нагрузки, и
y0-yэт = y0•(pэт • L•Aэт/(b•S0•A0) + (A0-Aэт)/A0);
где
Aэт - отношение K2/K1 на момент времени измерения сигналов с фотоприемников при воздействии эталонной нагрузки.
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 pизм и pэт выражение (3) примет вид:
y0-yизм = y0• (pизм•L•Aизм/(b•S0•A0) + (A0-Aизм)/A0);
где
Aизм - отношение K2/K1 на момент времени измерения сигналов с фотоприемников при воздействии измеряемой нагрузки, и
y0-yэт = y0•(pэт • L•Aэт/(b•S0•A0) + (A0-Aэт)/A0);
где
Aэт - отношение K2/K1 на момент времени измерения сигналов с фотоприемников при воздействии эталонной нагрузки.
При условии, что измерения следуют друг за другом без интервалов, т.е. когда временная нестабильность сведена к минимуму и A0 = Aэт = Aизм, из (4) и (5) сдедует:
y0-yизм = y0 • pизм• L/(b•S0);
y0-yэт = y0 • pэт• L/(b•S0)
Отсюда pизм = pэт • (y0-yизм)/ (y0-yэт);
Выражение (8) будет с достаточно высокой точностью учитывать результаты измерения, если значения y0 и yэт определяют непосредственно до или после измерения неизвестной нагрузки.
y0-yизм = y0 • pизм• L/(b•S0);
y0-yэт = y0 • pэт• L/(b•S0)
Отсюда pизм = pэт • (y0-yизм)/ (y0-yэт);
Выражение (8) будет с достаточно высокой точностью учитывать результаты измерения, если значения y0 и yэт определяют непосредственно до или после измерения неизвестной нагрузки.
В случае, когда имеют место значительные временные промежутки между замерами, влияние отношения A на результат измерения в случае его временной нестабильности может оказаться ощутимым.
Для компенсации этого влияния кратковременно затеняют известную величину SТ 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 yт при кратковременном затенении вводимым телом на момент времени tэт, соответствующий калибровке, и на момент времени tизм, соответствующий процессу измерения, и учитывают эти результаты при определении pизм.
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 tэт и измерения tизм, соответственно, а отношение сигналов с фотоприемников в моменты времени tизм и tэт, соответственно. Для определения отношения выполняют следующие операции.
где
- отношения K2/K1 при нулевой нагрузке в моменты времени калибровки tэт и измерения tизм, соответственно, а отношение сигналов с фотоприемников в моменты времени tизм и tэт, соответственно. Для определения отношения выполняют следующие операции.
При введении в измерительный канал вспомогательного тела отношение сигналов с фотоприемников yт составит:
yт= (S0-SТ)•A0;
где
SТ - известная заранее площадь затененного участка фотоприемника.
yт= (S0-SТ)•A0;
где
SТ - известная заранее площадь затененного участка фотоприемника.
На момент калибровки проводят два измерения при нулевой нагрузке с введением вспомогательного тела:
и без него:
Из (11) и (12) следует:
На момент tизм 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.
и без него:
Из (11) и (12) следует:
На момент tизм 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.
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 Ризм определяют, используя параметр Y, Y выраженный отношением сигналов F1 и F2 с выходов фотоприемников, по формуле
Ризм. = Рэт. • (Yо - Yизм.) / (Yо - Yэт.),
где Yо, Yэт., Yизм. - отношение сигналов с выходов фотоприемников соответственно при отсутствии нагрузки на чувствительный элемент, при воздействии на чувствительный элемент эталонной нагрузки Рэт. и при воздействии на чувствительный элемент измеряемой нагрузки Ризм..
Ризм. = Рэт. • (Yо - Yизм.) / (Yо - Yэт.),
где Yо, Yэт., Yизм. - отношение сигналов с выходов фотоприемников соответственно при отсутствии нагрузки на чувствительный элемент, при воздействии на чувствительный элемент эталонной нагрузки Рэт. и при воздействии на чувствительный элемент измеряемой нагрузки Ризм..
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 Yт с фотоприемников на моменты времени tэт. и tизм., соответствующие измерению эталонной и измеряемой нагрузки, и учитывают эти результаты при определении измеряемой нагрузки Ризм. путем введения дополнительного коэффициента пропорциональности.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU96114527A RU2115100C1 (ru) | 1996-07-16 | 1996-07-16 | Оптический способ измерения силы |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU96114527A RU2115100C1 (ru) | 1996-07-16 | 1996-07-16 | Оптический способ измерения силы |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2115100C1 true RU2115100C1 (ru) | 1998-07-10 |
RU96114527A RU96114527A (ru) | 1998-10-27 |
Family
ID=20183456
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU96114527A RU2115100C1 (ru) | 1996-07-16 | 1996-07-16 | Оптический способ измерения силы |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2115100C1 (ru) |
-
1996
- 1996-07-16 RU RU96114527A patent/RU2115100C1/ru active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
U S 4764015 А, 16.08.883 * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2211696B1 (en) | Intra-oral three-dimensional imaging system | |
EP0214845B1 (en) | Device and method for determining displacement | |
US5349439A (en) | Opto-electronic measuring device with optical air wedge spectral analysis arrangement | |
ATE67305T1 (de) | Lichtelektrische messeinrichtung. | |
JP3404605B2 (ja) | 電界センサ | |
GB2117918A (en) | Standing wave interferometer for measuring optical path differences | |
CN107329373B (zh) | 一种套刻误差测量装置及方法 | |
RU2115100C1 (ru) | Оптический способ измерения силы | |
DE3767876D1 (de) | Lichtelektrische positionsmesseinrichtung. | |
CN109387148A (zh) | 一种位移侦测装置及物***移的测量方法 | |
JPS6244201B2 (ru) | ||
JPH04283683A (ja) | 光波測距装置 | |
RU2186352C2 (ru) | Оптический способ измерения силы (варианты) | |
JPH0814943A (ja) | 変位量検出装置 | |
JPS5861436A (ja) | 投影型mtf測定装置の受光素子 | |
JPH041536A (ja) | 光パワーメータ | |
JPH04258705A (ja) | 位置感知放射検出装置 | |
JPH0512753Y2 (ru) | ||
JPS58120104A (ja) | 透明体板厚みの光学的測定方法 | |
JPH0430736B2 (ru) | ||
JPS6179106A (ja) | 光学式測定機器におけるエツジ検出装置 | |
SU1657957A1 (ru) | Устройство дл измерени перемещени объекта | |
JPH02187604A (ja) | 受光位置検出装置 | |
JPS55124002A (en) | Optical position detector | |
JP2810194B2 (ja) | 干渉光学系及びそれを備えた露光装置 |