Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Якщо допустити, що у добре скорегованої оптичної системи інтенсивність по перети­ну світлового пучка променів розподілена рівномірно, то поділивши за допомогою оптич­них елементів, що зв’язані з рухомою конструкцією, світловий потік і виконавши аналіз ін­тенсивності в поділених частинах легко побудувати датчик лінійних переміщень. Така від­носно проста ідея побудови датчиків є широко розповсюдженою і має значне застосуван­ня.

Найбільш простий із цих датчиків побудований з застосуванням призми-ніж. В якості призми-ніж, що ділить світловий потік коліматора, використовується прямокутна призма рис. 3.47. Датчик складається із двох частин: перша встановлена на об’єкті OS1, а друга — на об’єкті OS2. На об’єкті OS1 розміщують джерело випромінювання 1, що засвічує діа­фрагму 2 , встановлену в фокусі добре зкорегованого об’єктива 3 . Після об’єктива вихо­дить паралельний світловий потік діаметром Д, що обмежується оправою об’єктива. Світловий потік направляється на об’єкт Од2, на якому встановлена розподільча призма 4 (АР — 90°). Розділений призмою потік сприймається фотоприймачами 5 , підсилюєть­ся підсилювачем б і порівнюється блоком порівняння 7. При відсутності зміщення об’єк-

тів оптична вісь об’єктива буде проходить через ребро призми, при цьому світлові потоки Ф1 і Ф2 будуть рівними. Сигнали підсилювачів будуть однаковими і блоком порівняння бу­де видаватись нульовий сигнал різниці потоків. При переміщенні OS1 відносно Од2 в на­прямку перпендикулярному оптичній осі блок 7 буде видавати різницю сигналів пропор­ційну різниці світлових потоків Ф2 — Ф1 = Фр, а знак Фр буде характеризувати напрям пе­реміщення. Схема дозволяє вимірювати переміщення з точністю до десятих часток мік­рон, при цьому схема критична до кутових розкручувань об’єктів один відносно другого. Підвищення точності вимірювань такими датчиками забезпечується модуляцією світлово­го потоку.

Модуляція світлового потоку може проходити на об’єкті OS тобто до його ділення, а може і після ділення, тобто перед фотоприймачем на об’єкті OS2. Схема модуляції пе-

ред фотоприймачем потребує введення додаткового опорно­го каналу (ОК) рис. 3.48. Мо­дулятор здійснює почергове (із зсувом на 180°) перекрит­тя світлових потоків в кожному ппечі датчика. Сигнап різниці Іфп,->іФ2-фі) У вигляді

змінного струму порівнюється по фазі з сигналом іфп2 — f(Ф3)■ В залежності від

фазових співвідношень між вказаними сигналами визна­чають напрям переміщення. Для модуляції світлового по­току до його ділення, тобто на об’єкті OS1t необхідно допов­нити електронну частину дат-

чика блоком виділення сигналів у вигляді суми і різниці струму фотоприймачів. Цей блок має амплітудно-фазовий детектор, який по сумі і різниці виділених сигналів, фази яких збі­гаються або протилежні в залежності від напряму переміщення променя по розподільчій призмі, дозволяє отримати інформацію про величину і напрям переміщення.

Амплітудні датчики з діленням світлових потоків [151] дозволяють виконувати вимі­рювання лінійних переміщень у двох взаємно ортогональних напрямках. Ділення здійсню­ється чотиригранною пірамідою (рис. 3.49). При симетричному падінні світлового потоку відносно вершини піраміда поділить світловий потік ф. на чотири рівні частини і відіб’є ці

потоки в напряму чотирьох фотоприймачів фп1, фп2, фп3, фп4, так що

Д, розміщується на одній частині конструкції, а піраміда з фотоприймачами — на другій частині конструкції, лінійні переміщення якої необхідно виміряти. При зміщенні елементів конструкції, наприклад, уздовж осі х, на фотоприймачі фп1 і фп2, в залежності від напря­му переміщення світлової плями по гранях піраміди, поступлять потоки ф4Фф2. Пропор­ційно переміщенню Ах струм в фотоприймачах буде дорівнювати

Іфп^ф, — ф0+Аф, (3.52)

Іфп2 ~ Ф2 ~ Фо ~ Дфш (3.53)

При переміщенні променя з вершини піраміди одночасно уздовж осей х і у сигнал розузгодження може бути записано як

іфпх = (іфп1 — іфп2) — (іфп3 + іфп4), (3.54)

іфпу = (іфп4 — іфп4) — (іфп2 + іфп3). (3.55)

Більш широке застосування знаходять датчики такого типу, але з модуляцією світло­вого потоку [98, 101]. Схема датчика і форма вихідного сигналу при різноманітних перемі­щеннях одного елементу конструкції відносно другого приведені на рис. 3.50а. Тут верши­на дзеркальної піраміди 2 збігається з оптичною віссю об’єктива 1, а основа піраміди встановлюється в положення, перпендикулярне до оптичної осі. Вершина піраміди повин­на знаходитись строго в фокальній площині об’єктива. Якщо круг зображення світлового об’єкта лежить точно на оптичній осі, то піраміда поділить його на чотири рівні частини. Відбиті від граней піраміди світлові промені попадають на поверхні плоских дзеркал 3, відбиваються від них, проходять через модулюючий диск 4 , лінзи 5 , і поступають на фо-
топриймач 6, де перетворюються в електричний струм. Лінзи 5 будують зображення вхідного отвору в світлочутливій площині фотоприймача, чим забезпечується нерухомість світлових пучків відносно фотоприймача, навіть при зміщенні центра зображення з оптич­ної осі. Ця міра строго необхідна для фотоприймачів, які мають нерівномірність чутливості по поверхні світлочутливого шару. Модулюючий диск призначається для переривання світлових потоків відбитих від плоских дзеркал і обов’язково повинен мати нечітну кіль­кість отворів, щоб поперемінно переривати потоки відбиті від двох протилежних граней пі­раміди.

Рис. 3.50. Одночасне ділення і модуляція світлового потоку, а також форма вихідного сигналу амплітудного датчика

Якщо допустити, що модулюючий диск має всього один отвір кутовим розміром 180°, та круг зображення знаходиться строго на оптичній осі (епюра А рис. 3.50 б), світ­ловий потік, що падає на фотоприймач, не буде мати перемінної складової і його величи­на в любий момент часу буде дорівнювати половині світлового потоку від об’єктива. При

зображення, диск при своєму обертанні буде повністю перекривати світловий потік, форма модуляції якого прийме вид приведений на епюрах Б, В, Г. Обгинаюча імпульсів світлового потоку (її перша гармоніка) представляє собою первинний сигнал розузгоджен — ня. Фаза цієї обгинаючої змінюється на 90°, якщо розузгодження буде мати місце по дру­гій осі. При зміні розузгодження на протилежний напрям, фаза сигналу змінюється на 180°. Найбільш складним випадком є робота при переміщенні зображення уздовж ребра піраміди (епюра Д). В цьому випадку зображення зміщується на 45° відносно осей х і у, а форма промодульованого світлового потоку має східчастий вигляд. Проте і тут обги­наюча світлового потоку має періодичний характер. Якщо промодульований світловий по­тік, що має східчасту форму, розкласти в ряд фур’є [131]

і прийняти в відповідності з рис. 3.50, що а = fib і а + с = b, то для першої гармоніки світ­лового потоку можна записати

. b 2/3b. . 2b(/3-1) .

Ь(ш1) = — + с sin cot— ————— — cos cot.

2 5 7т

Із (3.57) амплітуда ф0 і фаза у визначаються формулами

і. = —J? n( П-1) А-1- ictv = ———————————— —

п (З

Для розглянутих вище напрямків зміщення зображень з оптичної осі при /? — 1 вираз для першої гармоніки обгинаючої має вид

При наявності любого іншого непарного числа отворів в модуляторі робота датчика проходить аналогічним чином, тільки частота модуляції (несуща частота) збільшується.

На практиці функції піраміди і чотирьох фотоприймачів можна сумістити у вигляді одного фотоприймача, світлочутливий шар якого поділений на чотири частини. Такі фото­приймачі, наприклад ФД19КК, називаються чотирипозиційними. Функціональна схема його підключення може мати вид, приведений на рис. 3.51. Тут відсутній ряд оптичних елементів, при цьому знімання інформації здійснюється по відношенню до загальної під­кладки 1. Для вимірювання по одній координаті достатньо з’єднати укупі / і II квадрат, а також III і IV. Вимірювання будуть виконуватись по відношенню до їх загальної межі роз­ділення 2 . При великих коефіцієнтах підсилення і при довгофокусних об’єктивах, викорис­товуючи такий фотоприймач в»нульовому»режимі вимірювань, можна досягти чутливості одиниці мікронів. До недоліків чотирипозиційних фотоприймачів можна віднести техноло­гічні складності виконання межі розділення, а також нерівномірність по чутливості площа­док (квадрантів) фотоприймачів. Така нерівномірність для серійних приладів досягає 20% , що обмежує їх використання в прецизійних вимірюваннях.

Загальним недоліком амплітудних фотоелектричних датчиків є їх слабка перешкодо — захищеність: світловий потік від будь-якого зовнішнього джерела викликає приросток електричного сигналу і дає додаткову похибку вимірювання. Іншими словами, нерівномір­ність засвічування приводить до нерівномірності чутливості. Компенсувати нерівномірність чутливості можна більш досконалою схемою рис. 3.52. Потік випромінювання від джерела світла, що розміщується на об’єкті Од1 (рис. 3.47), направляється на призму-ніж 1, де ді­литься на дві частини. Кожна частина за допомогою конденсорів 2 збирається на чутли­вих площадках фотоприймачів 3 . Електричні сигнали з фотоприймачів поступають в при­стрій 4 виділення суми і різниці сигналів.

Рис. 3.52. Удосконалена схема амплітудного фотоелектричного датчика

Отримані суми і різниці підсилюються підсилювачами суми 5 і різниці б, і поступа­ють на входи фазочутливого детектора 8, до виходу якого підключений реєстраційний прилад 9. Пристрій 7 — блок автоматичного регулювання підсилення — призначений для автоматичного підтримання рівня вихідного сигналу підсилювача різниці при зміні величи­ни вихідного сигналу підсилювача суми 5 . Фазовий детектор дозволяє виділити фазу сиг­налу по відношенню до опорного, тобто знак розузгодження.

Розглянемо більш детально роботу датчика. Зупинимося спочатку на принципі виді­лення суми і різниці електричних сигналів. Якщо світловий сигнал, промодульований у джерела, попаде на призму-ніж таким чином, що буде ділитися нею на дві рівні частини, то з виходу фотоприймачів будуть поступати змінні електричні сигнали, рівні між собою (рис. 3.53а, б). При підсумовуванні цих сигналів, отримаємо:

UA+UB= 2U; І

иА-ив

що відповідає поз. в і г рис. 3.53. При переміщенні світлового пучка променів відносно ребра призми-ніж на величину +х0, отримаємо збільшення сигналу з фотоприймача А, де по відношенню до опорної напруги інформація буде видаватись в фазі, і зменшиться сигнал з фотоприймача В (поз. д і е рис. 3.53.):

UA=UA+ AU; UB=UB — AU.

Рис. 3.53. Амплітуди сигналів на виході фотоприймачів удосконаленого датчика

Сума і різниця сигналів з фотоприймачів відповідає поз. ж і з рис. 3.53:

UA+UB= 2U; UA-UB= 2AU.

(3.62)

При переміщенні світлового пучка променів на величину — х0, сигнал збільшиться на фотоприймачі В, тобто на виході фазового детектора інформація буде в противофазі, а сумарний сигнал залишиться незмінним:

U"a=Ua-AU; UB=UB+ AU.

(3.63)

Ua+U"b=2U; U‘A-UB = -2AU (поз. и).

(3.64)

Аналізуючи приведені на рис. 3.53 графіки можна запевнити, що при зміщенні світло­вого пучка променів по аналізуючій призмі, змінюється амплітуда електричного сигналу

різниці, а при зміні напряму переміщення — змінюється знак електричного сигналу різниці (для перемінних сигналів змінюється фаза).

Точність роботи амплітудного фотоелектричного датчика залежить від ряду факто­рів, основними із яких є: нерівність чутливості фотоприймачів і характеристик світлового пучка. Нерівність чутливостей фотоприймачів приводить до того, що градуювальна харак­теристика датчика при зміні напряму переміщення світлового пучка по аналізуючій призмі буде мати різну крутість. Найбільш сприятливим для амплітудних датчиків є рівномірне розподілення енергії в перетині світлового пучка, а форма пучка — прямокутник або квад­рат.

Комментарии запрещены.