Волоконно-оптический датчик угла поворота

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения угловых перемещений, и может быть использовано в различных областях, например в промышленной автоматике, в робототехнике, в частности для измерения угловых перемещений фаланг пальцев захватов антропоморфного робота и др.

Известен оптоволоконный датчик, основанный на деформации свободно установленного отрезка волокна (патент США US 5818982 А, Fiber optic sensor based upon buckling of a freely suspended length of fiber, МПК G02B 6/00, опубл. 06.10.1998 г.). Данный датчик основан на нелинейной деформации оптических волокон и оптических потерях при их изгибе. Для реализации датчика могут применяться одно - и многомодовые оптические волокна.

Недостатком данной конструкции датчика является неоднозначность результатов измерения, возникающая из-за изменения модового состава оптического излучения, происходящего вследствие деформации оптического волокна при его изгибе и низкая температурная стабильность датчика.

Известен оптический датчик положения и/или формы (заявка на патент США US 20110109898, Optical position and/or shape sensing, МПК G01N 21/84, опубл. 12.05.2011 г.), принцип действия которого основан на определении изменений длины оптических путей в каждой из жил многожильного кабеля, возникающих в результате изгиба участка кабеля. При этом угол изгиба волокна пропорционален удлинению периферийных волокон. Конечный угол изгиба многожильного кабеля представляет собой сумму всех предыдущих углов изгиба кабеля. В случае использования волокон с решетками Брэгга разность фаз, измеряемая относительно исходного состояния кабеля, аккумулируется. Суммарный угол изгиба на участке кабеля определяется коэффициентом пропорциональности, длиной участка кабеля, удлинением периферийных волокон. Блок-схема устройства измерения положения и формы многожильным оптоволоконным кабелем, включает в себя следующие элементы: устройство отображения формы изгиба (монитор); сеть лазерного мониторинга; системный контроллер и процессор для обработки данных; сеть сбора данных; опрашивающая сеть; контроллер поляризации; поляризационные светоделители; оптические разветвители; фотодетекторы; оптические интерферометры; оптические циркуляторы; выводные разветвители; оптоволоконный кабель, определяющий форму изгиба; волоконная катушка задержки; фарадеевское вращающее зеркало.

Недостатком данного датчика движения тела является недостаточная точность и стабильность результата измерения, большие габаритно-массовые показатели кабеля, не позволяющие использовать его в качестве датчика углового положения фаланг пальцев захватов, высокая стоимость кабеля с регулярной укладкой оптоволокна и высокая стоимость элементов и устройств обработки информации, например оптического интерферометра и др.

Известен оптоволоконный лист и датчик движения тела (патент США US 9420964, Optical fiber sheet and body motion sensor, МПК A61B 5/113, G01D 5/353, A61B 5/00, опубл. 23.08.2016 г.), содержащий волоконно-оптический лист, источник оптического излучения, компьютер. В качестве чувствительного элемента используется градиентное кварцевое оптоволокно, уложенное определенным образом на плоский листовой материал с клеевым слоем, формирующее волоконно-оптический измерительный лист. В кварцевом оптическом волокне возникают микроизгибные потери под действием нагрузки. Амплитудно-модулированный сигнал поступает в преобразователь оптического сигнала в электрический и обрабатывается программным обеспечением, установленным на ПК. Движение тела (изгиб волоконно-оптического листа) обнаруживается путем измерения изменения количества передаваемого оптического сигнала и определения избыточных потерь в полученном сигнале.

Данный датчик позволяет определить только суммарную деформацию/изгиб волоконно-оптического листа и не позволяет определить место деформации/изгиба волоконно-оптического листа. Датчик позволяет измерять только микроизгибы, что не позволяет использовать его в качестве датчика углового положения фаланг пальцев захватов.

Известен волоконно-оптический датчик изгиба и положения с изогнутыми светоизлучающими поверхностями (патент США US 5633494, Fiber optic bending and positioning sensor with selected curved light emission surfaces, МПК G01D 5/353, G02B 6/28, опубл. 27.05.1997 г.), принцип действия которого заключается в использовании в качестве чувствительного элемента участка оптоволокна, оптическая оболочка которого имеет определенную структуру. Чувствительный участок формируется в виде зубцов, глубина которых доходит до сердцевины оптоволокна, при этом целостность сердцевины не нарушается. Снаружи оптическая оболочка может быть закрыта защитной буферной оболочкой. При изгибе чувствительного участка волокна происходит нарушение закона полного внутреннего отражения и возникают потери регистрируемого оптического сигнала, пропорциональные изгибающему воздействию. Приведенное в патенте конструктивное исполнение включает чувствительное волокно с микроструктурированной оптической оболочкой в виде зубцов, защищенное буферной оболочкой, задатчики перемещения, платформы для установки волокна. При этом зависимость пропускания оптического волокна от угла изгиба имеет практически линейный характер.

Недостатком данного волоконно-оптического датчика изгиба и положения является недостаточная надежность конструкции вследствие нарушения целостности оптической оболочки и низкая температурная стабильность.

Известна оптическая линейная измерительная система и метод измерения (US 009470559 В2, Optical linear measurement system and method, 18.10.2016).

Оптическая линейная измерительная система и метод, определяющие движение подвижного объекта на основе измерения интенсивности оптического сигнала, распространяющегося в первом оптическом волокне, соединенным с подвижным объектом. При изменении линейного положения подвижного объекта изменяется радиус катушки первого оптического волокна. По мере изменения радиуса катушки интенсивность оптического сигнала изменения. Второе статическое стекловолокно используется для компенсации влияния температуры на результат измерения.

Недостатком данной конструкции датчика является неоднозначность результатов измерения, возникающая из-за изменения модового состава оптического излучения, происходящего вследствие деформации оптического волокна при его изгибе и низкая температурная стабильность.

Наиболее близким к настоящему изобретению по технической сути является датчик положения (патент ЕР 1867958 А2, Position Sensor, 19.12.2007 г.). Принцип работы датчика основан на определения положения шарнира, механически соединенного с отрезком оптического волокна, который в свою очередь оптически соединяет между собой лазерный светодиод и фотодетектор. Отрезок оптического волокна, свернутый в виде полукольца, в процессе поворота шарнира изменяет радиус и, как следствие, уровень оптической мощности, которая фиксируется фотодетектором и измеряется микроконтроллером.

Недостатком данной конструкции датчика положения является его низкая стабильность, связанная с влиянием изменения температуры на характеристики фотодетектора, лазерного диода и оптического волокна.

Так, увеличение температуры приводит к уменьшению выходной мощности Р_Изл лазерного диода (фиг. 1) с температурным коэффициентом около минус 2,5%/град.

Для фотодетектора (фотодиода) при увеличении температуры на 10°С величина темнового тока увеличивается примерно в 2 раза, а шунтирующее сопротивление удваивается при увеличении температуры на 6°С.

Кроме того, датчик обладает существенной нелинейность передаточной функции (фиг. 2).

Технический результат достигается за счет того, что в волоконно-оптический датчик угла поворота вводится дополнительно оптический делитель мощности, второй отрезок оптического волокна и второй фотодетектор. Оптический делитель мощности установлен с возможностью деления в равных отношениях сигнала лазерного диода на два отрезка оптического волокна., причем второй отрезок оптического волокна свернут в виде полукольца и его концы неподвижно закреплены на подвижном и неподвижном элементах конструкции с возможностью при угловом повороте шарнира изменения радиусов первого и второго полуколец, при этом микроконтроллер подключен к лазерному диоду и управляет его мощностью излучения так, что бы обеспечить постоянной величину суммы сигналов фото детекторов.

Техническая сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, где:

- на Фиг. 1 представлены выходные характеристики лазерного диода при различных температурах;

- на Фиг. 2 представлена позиционная (передаточная) характеристика датчика угла поворота: кривая 1 - выходной оптический сигнал первого полукольца, кривая 2 - выходной оптический сигнал второго полукольца, кривая 3 - результирующий выходной сигнал предлагаемого волоконно-оптического датчика угла поворота;

- на Фиг. 3 представлена структурная схема предлагаемого волоконно-оптического датчика угла поворота;

-на Фиг. 4 представлена позиционная (передаточная) характеристика предлагаемого волоконно-оптического датчика угла поворота: кривая 1 -зависимость U₁(ϕ,t)+U₂(ϕ,t) кривая 2 - позиционная характеристика волоконно-оптического датчика угла поворота U(ϕ).

Таким образом, предлагаемый волоконно-оптический датчик угла поворота содержит микроконтроллер 1, подключенный к нему лазерный диод 2, оптический делитель мощности 3, фотодетекторы 6, 7, выходы которых подключены к микроконтроллеру, а также два отрезка оптического волокна 4 и 5, свернутых в полукольца и оптически соединяющих оптический делитель мощности 3 с фотодетекторами 6, 7 (фиг. 3). Концы отрезков оптического волокна 4, 5 неподвижно закреплены на подвижном и неподвижном элементах конструкции таким образом, чтобы при угловом повороте шарнира радиус одного полукольца увеличивался/уменьшался, а радиус другого полукольца уменьшался/увеличивался.

Выходной сигнал (позиционная характеристика) такого волоконно-оптического датчика угла поворота определяется, согласно следующему выражению:

где U(ϕ) - зависимость выходного сигнала волоконно-оптического датчика от угла поворота ϕ;

U₁(ϕ, t)=Y₁(ϕ, t)⋅k, U₂(ϕ, t)=Y₂(ϕ, t)⋅k, Y₁(ϕ, t), Y₂ (ϕ, t) - электрические сигналы на выходах и оптические сигналы Y₁(ϕ, t), Y₂(ϕ, t) входах фотодетекторов 6, 7;

k - коэффициенты преобразования оптических сигналов в электрический фотодетекторами 6, 7.

При этом, для исключения влияния изменения сигналов U₁(ϕ, t) и U₂(ϕ, t) на эффективность температурной стабилизации характеристик фотодетекторов 6, 7, лазерного диода 2, оптического делителя 3 и отрезков оптического волокна 4, 5 микроконтроллер 1 управляет током накачки лазерного диода 2 так, что бы обеспечить постоянство суммы сигналов фотодетекторов 6, 7 при изменении, как угла поворота шарнира, так и температуры элементов 2-7 датчика:

U₁(ϕ, t)+U₂(ϕ, t)=Const.

Литература

1. Патент США US 5818982 А, Fiber optic sensor based upon buckling of a freely suspended length of fiber, МПК G02B 6/00, опубл. 06.10.1998 г.

2. Заявка на патент США US 20110109898, Optical position and/or shape sensing, МПК G01N 21/84, опубл. 12.05.2011 г.

3. Патент США US 9420964, Optical fiber sheet and body motion sensor, МПК A61B 5/113, G01D 5/353, A61B 5/00, опубл. 23.08.2016 г.

4. Патент США US 5633494, Fiber optic bending and positioning sensor with selected curved light emission surfaces, МПК G01D 5/353, G02B 6/28, опубл. 27.05.1997 г.

5. Патент US 009470559 B2, Optical linear measurement system and method, 18.10.2016 г.

6. Патент ЕР 1867958 A2, Position Sensor, 19.12.2007 г.

7. Д. Бейли, Э. Райт. Волоконная оптика: теория и практика/Пер. с англ. - М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 2006. - 320 с.

8. W. W. Chow, S. W. Koch. Semiconductor Laser, Fundamentals. Springer, 1998.