Выбор датчика контроля натяжения
Измерение натяжения пилы нужно производить в диапазоне 410кгс + 6,25%, т.е. в рабочем диапазоне нужно производить измерения в пределах (0,11 + 0,0069) мм, следовательно необходимо делать измерения с точностью, не меньшей 6 мкм.С учетом поставленных требований был выбран контактный датчик измерений малых перемещений (см. рис.5), электрическую часть которого составляет волоконно-оптический преобразователь.
Измерительные волоконно-оптические преобразователи представляют собой относительно новую область измерительной техники. Основными элементами таких преобразователей являются источник оптического излучения и фотоприемник (см. рис.6). Объект (среда) исследования помещается между источником и приемником и меняет характеристики потока излучения, попадающего на приемник, а значит и выходное напряжение, снимаемое с фотоприемника. Для отделения объекта исследования от оптопреобразователей могут быть использованы специальные оптически прозрачные каналы с волоконной структурой - световоды.
Датчик измерения натяжения пилы
Рис.5.
На основе волоконно-оптических преобразователей созданы устройства обработки изображения, а также малогабаритные преобразователи линейных и угловых перемещений, датчики давления, уровнемеры, измерители качества поверхности и другие устройства.
Структурная схема волоконно-оптического преобразователя.
Uвых.
Рис.6.
Датчик измерения натяжения пилы также построен на волоконно-оптическом преобразователе.
Основными преимуществами волоконно-оптических преобразователей являются возможность подведения света к контролируемой точке и установка электронных элементов преобразователей в удаленном месте, что важно при измерении во взрыво- и пожароопасных агрессивных средах, при наличии внешних электромагнитных полей, в труднодоступных местах.
В качестве источника излучения могут быть использованы твердотельные полупроводниковые лазеры или светоизлучающие диоды, в качестве фотоприемников - фоторезисторы, фотодиоды и фототранзисторы. Лазерные источники применяются при повышенных требованиях к когерентности излучения. Светодиоды, работающие в инфракрасной области спектра, имеют по сравнению с лазерами повышенную удельную мощность излучения и высокий коэффициент полезного действия.
Структура волоконно-оптических преобразователей перемещений со световодами (волоконно-оптических преобразователей с внешней модуляцией по Е.А. Заку /4/) зависят от конструкции световодного канала и электронной схемы преобразователя.
В датчике измерения натяжения пилы используется преобразователь с двумя раздельными световодами, по одному из которых излучение от источника достигает объекта измерения, а по второму отраженный свет возвращается к фотоприемнику. Торцы световодов объединены в общий коллектор (расщепленный световод). Такой преобразователь является наиболее простым по конструкции.
Структурная схема преобразователя состоит из следующих элементов :
- 1) устройство стабилизации тока светоизлучающего диода;
- 2) прецизионный усилитель постоянного тока;
- 3) устройство регулирования коэффициента усиления;
- 4) устройство смещения нуля усилителя постоянного тока;
- 5) устройство стабилизации напряжения питания;
- 6) источник излучения;
- 7) фотоприемник;
- 8) световоды;
- 9) измерительная поверхность.
Устройство стабилизации тока светоизлучающего диода обеспечивает запитку светодиода постоянным током 60 мА (см. /4/). Устройство регулировки коэффициента усиления позволяет менять коэффициент усиления прецизионного усилителя постоянного тока от 40 до 80 дБ (см. /4/) и регулировать таким образом чувствительность волоконно-оптического преобразователя. Устройство смещения нуля усилителя обеспечивает регулировку выходного напряжения преобразователя при установке рабочего диапазона.
В волоконно-оптическом измерительном преобразователе в качестве источника излучения используется арсенид-геллиевый инфракрасный светоизлучающий диод типа АЛ107А, значение длинны волны которого лежит в пределах 0,9-1 мкм /4/. В качестве фотоприемника при работе в паре с инфракрасными светоизлучающими диодами лучше подходят кремниевые фотодиоды, имеющие высокую чувствительность в диапазоне 0,8-0,9 мкм /5/ и обладающие высоким быстродействием. В волоконно-оптическом измерительном преобразователе в качестве фотоприемника используется фотодиод типа ФД256.
Как элемент электрической цепи светоизлучающий диод характеризуется вольт-амперной характеристикой, близкой к характеристике обычного диода.
Одним из недостатков светоизлучающих диодов является зависимость интенсивности излучения от температуры.
С увеличением температуры интенсивность излучения уменьшается и максимум спектральной характеристики смещается в сторону длинных волн. Величина и характер изменения интенсивности светоизлучающих диодов при изменении температуры окружающей среды определяется их физико-химическими свойствами.
В случае линейного характера изменения интенсивности излучения светоизлучающего диода в заданном диапазоне температур температурная нестабильность излучения характеризуется температурным коэффициентом КТ, значение которого находится из выражения :
(13)
где Ф - величина изменения интенсивности излучения светоизлучающего диода; Фмах - максимальная интенсивность излучения; Т - изменение температуры светоизлучающего диода.
Значения температурных коэффициентов для некоторых светоизлучающих диодов приведены в /6/. Однако изменение интенсивности излучения от температуры имеет более сложный характер. В /6/ приведены графические зависимости мощности излучения и прямого напряжения от температуры.
Питание светоизлучающего диода может осуществляться в различных режимах: постоянным током, импульсным током и током специальной формы (например, питание током, сформированным по экспоненте). В нашем случае используется питание постоянным током. Применяются следующие методы стабилизации интенсивности излучения светоизлучающих диодов : термостатирование, изоляция диодов от от различного рода дестабилизирующих воздействий, введение в цепь питания термочувствительных элементов с обратной температурной характеристикой, выбор оптимальных сопротивлений цепи питания, стабилизация рабочего режима введением обратной связи по термозависимому параметру светоизлучающего диода и др.
Световод представляет собой пучок элементарных оптических волокон и предназначен для передачи и фокусировки оптического излучения. Элементарное оптическое волокно - тонкая гибкая нить диаметром от 5 до 300 мкм, изготовленная из прозрачного материала (обычно кварцевого стекла) таким образом, что ее центральная часть оптически более плотная, чем периферийные области. Вследствие этого, благодаря эффекту полного внутреннего отражения от границы раздела материалов с разной плотностью, направляемый на торец волокна сколимированный луч света распространяется вдоль его оси и может пройти с малым затуханием значительное расстояние.
Различают ступенчатые и градиентные световоды. В ступенчатых световодах, выполненных из материалов с постоянными показателями преломления, траектория распространения световых лучей представляет собой ломанную линию. Показатель преломления градиентных световодов плавно уменьшается от центра к краю, вследствие чего лучи, распространяющиеся вдоль световода, имеют плавную траекторию /7,8/.
Поперечное сечение световодов может иметь круглую, прямоугольную, шестигранную и другую более сложную форму.
В зависимости от упорядочности укладки пучков элементарных волокон на входном и выходном торцах различают световоды регулярные (для передачи изображения) и нерегулярные (для передачи потока излучения).
По форме торцевых поверхностей световоды бывают простые (оба торца имеют одинаковую форму), ленточные, кольцевые, расщепленные.
Распространение световых лучей внутри элементарного световода определяется законами геометрической оптики при условии, что диаметр световода в несколько раз превышает длину световой волны. Если диаметр соизмерим с длиной волны, то в световоде могут распространятся только вполне определенные типы волн (моды). Световоды, применяемые в данном волоконно-оптическом преобразователе, являются многомодовыми : число мод в них больше единицы.
К основным оптическим характеристикам световодов относятся : числовая апертура, коэффициент пропускания и разрешающая способность. Числовая апертура характеризует максимальный телесный угол конического пучка лучей, пропускаемых световодом при условии полного внутреннего отражения от оболочки.
Коэффициент пропускания определяется как отношение потока излучения, выходящего из световода, к потоку, входящему в него.
Разрешающая способность световода, измеряемая числом линий на 1 мм, примерно равна половине числа волокон, размещенных на 1 мм торца световода.
Настройка датчика происходит следующим образом : при помощи рукоятки (маховика) производится сжатие тарельчатых пружин устройства натяжения, сжатие пружин контролируется по микрометру (для крепления микрометра в том же фланце, в котором устанавливается датчик натяжения предусмотрено специальное отверстие), величина сжатия пружин должна в этом случае соответствовать величине нижнего порога рабочего диапазона усилий. После чего производится прижатие контактной поверхности датчика к диску пружины (фактически будем контролировать величину перемещений этого диска). Напряжение, которое появилось на выходе преобразователя заносим в память устройства управления. Далее аналогично находим значение напряжения, которое будет соответствовать верхнему порогу рабочего диапазона усилий. В результате мы имеем две точки в рабочем диапазоне измерений, а так как мы выяснили, что характер функции сжатия тарельчатых пружин носит линейный характер (см.п.2.4.2.1.1),то теперь мы можем после соответствующих вычислений получить велечину натяжения ленточной пилы в любой момент времени.
