Оптико-электронное устройство для измерения линейных перемещений

 

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повьшение точности измерения путем исключения ошибки в измерениях из-за неравномерности временных интервалов появления импульсов дискретизации с моментами дискретизации амплитуды информационного сигнала . Устр-во с помощью блока 1 формирования интерференционных или муаровых полос линейки 2 фотоприемников, связанной с ним, блока 3 автоматической регулировки усиления (АРУ) формирует сигналы, амплитуда которых определяется только линейными перемещениями объекта и не зависит от вредных воздействий на устр-во. Информационные сигналы косинусоидального типа подаются на вход блока 4 линеаризации , который представляет собой п идентичных каналов 7, причем количество каналов равно половине числа фотоприемников в линейке 2. Каждый канал 7 содержит дифференциi (/) эо о :о эо

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1

80 .1284}313 (50 4 G 01 В 21/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ 173

Ф (f

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3907563/24-28 (22) 05.06.85 (46) 30.12.86. Бюл. ¹ 48 (71) Специальное конструкторско-технологическое бюро с опытным производством Минского радиотехнического института, (72) А. Н. Мотуз, Б. В. Никульшин, В. Н. Шульга и Л. Н. Морозевич (53) 531 ° 7(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 3727430, кл. G 01 В 21/00, 1985. (54) ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ (57) Изобретение относится к измери тельной технике. Целью изобретения является повышение точности измерения путем исключения ошибки в измерениях из-за неравномерности временных интервалов появления импульсов дискретизации с моментами дискретизации амплитуды информационного сигнала. Устр-во с помощью блока 1 формирования интерференционных или муаровых полос линейки 2 фотоприемников, связанной с ним, блока 3 автоматической регулировки усиления (АРУ) формирует сигналы, амплитуда которых определяется только линейными перемещениями объекта и не зависит от вредных воздействий на устр-во. Информационные сигналы косинусоидального типа подаются на вход блока 4 линеаризации, который представляет собой п идентичных каналов 7, причем количество каналов равно половине числа фотоприемников в линейке 2.

Каждый канал 7 содержит дифференци1280318 атор 8, двухполупериодный выпрямитель 9, дифференциальный усилитель

10, инвертирующий усилитель ll коммутатор 12, сумматор 13 и элемент 14 управления, что позволяет преобразовать информационйый нелинейный сигнал в линейно изменяющийся сигнал, Сигналы с выходов блока 4 линеаризации подаются на основные входы блока 5 формирователей, на дополнительИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений, амплитуд вибраций, линейных размеров деталей. 5

Цель изобретения — повышение точности измерения путем введения блока линеариэации, позволяющего преобразовать информационный сигнал в линей- fp но изменяющийся и тем самым исключить ошибку в измерениях из-за неравномерности временных интервалов появления импульсов дискретизации и моментов дискретизации амплитуды ин- 15 формационного сигнала.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг, 2— временные диаграммы его работы.

Устройство сопержит блок 1 Фор- 2р мирования интерференционных или муаровых полос, линейку 2 фотоприемников, блок 3 автоматической регулировки усиления (АРУ), блок 4 линеаризации, блок 5 формирователей и блок 25

6 индикации. Количество идентичных каналов 7 в блоке 4 линеаризации равно половине числа фотоприемников, входящих в линейку 2 фотоприемников °

Каждый канал 7 состоит из дифферен- 30 циатора 8, двухполупериодного выпрямителя 9, дифференциального усилителя 10, инвертирующего усилителя 11, коммутатора 12, сумматора 13 и элемента 14 управления..Элемент 14 управления содержит первый 15 и второй

16 компараторы, инвертор 17, первую схему 18 совпадения, третий компаратор 19, вторую 20, третью 21 и четвертую 22 схемы совпадения, а также 4р первую.23 и вторую 24 схемы ИЛИ. ные входы которого подаются сигналы с источника 28 опорных напряжений.

В блоке 5 формирователей происходит дискретизация информационных сигналов, т.е. преобразование их в импульсы прямоугольной формы, которые подсчитываются блоком 6 индикации.

Число импульсов, подсчитанных блоком 6 индикации, прямо пропорционально величине перемещения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Блок 3 АРУ состоит из узла 25 усилителей, узла 26 управления, схемы 27 сравнения, источника 28 опорных напряжений, суммирующего узла 29 и узла 30 дифференциальных усилителей.

Блок 1 формирования интерференционных или муаровых полос оптически связан с линейкой 2 фотоприемников, выходы которой подключены к входам узла 25 усилителей, выходы источника 28 оптических напряжений соединены с дополнительными входами блока 5 формирователей, выходы которого соединены с входами блока 6 индикации.

Выход суммирующего узла 29 подключен (к первым входам дифференциальных усилителей 10 каждого канала 7. Входы каналов 7 блока 4 линеаризации соединены с выходами узла 30 дифференциальных усилителей, причем вход канала 7 соединен с входом дифференциатора 8, первым входом элемента 14 управления и третьим входом сумматора 13, выход дифференциатора 8 соединен с вторым входом элемента 14 управления и входом двухполупериодного выпрямителя 9, выход которого сое. динен с вторым входом дифференциального усилителя 10 выход которого соединен с входом инвертирующего

1 усилителя 11 и вторым входом коммутатора 12, первый вход которого соединен с выходом инвертирующего усилителя 11, а третий и четвертый входы— с первым и вторым выходами элемента

14 управления соответственно, первый и второй выходы коммутатора 12 соединены с первым и вторым входами сумматора 13 соответственно, выход сумматора 13 является выходом канала 7

1280318 блока 4 линеаризации, выходы каналов

7 блока 4 линеаризации соединены с соответствующими основными входами блока 5 формирователей.

Вход первого компаратора 15 является первым входом элемента 14 управления, вход второго компаратора

16 соединен с входом третьего компаратора 19 и является вторым входом элемента 14 управления, выход первого компаратора 15 соединен с входом инвертора 17, вторым входом первой схемы 18 совпадения и первым входом второй схемы 20 совпадения,.выход второго компаратора 16 соединен с первым входом первой схемы 18 совпадения и вторым входом третьей схемы 21 совпадения, выход инвертора 17 соединен с первым входом третьей 21 и вторым входом четвертой 22 схем 20 совпадения, выход третьего компаратора 19 соединен с вторым входом второй схемы 20 совпадения и первым входом четвертой схемы 22 совпадения, выход которой соединен с вторым входом второй схемы ИЛИ 24, первый вход которой соединен с выходом третьей схемы 21 совпадения, первый и второй входы первой схемы ИЛИ 23 соединены соответственно с выходами первой 18 и второй 20 схем совпадения, выходы первой 23 и второй 24 схем ИЛИ являются выходами элемента 14 управления, Устройство работает следующим об5 разом.

Из интерференционной картины, сформированной блоком l формирования интерференционных или муаровых полос, выделяются две полосы равной щ ширины, темная и светлая, которые проецируются на линейку 2 фотоприемников, на выходе которой формируются сигналы, пропорциональные распределению освещенности вдоль выделенного участка. Расстояние между .крайними фотоприемниками линейки 2 равно периоду интерференционной или муаровой, полосы, а количество фотоприемников, приходящихся на ширину обоих полос, выбирается одинаковым.

При линейных перемещениях контролируемого объекта происходит перемещение границы раздела интерференционных полос по фотоприемникам линей,ки 2, в результате чего на их выхо дах формируется электрический сигнал, амплитуда которого пропорциональна величине перемещения, а фаза связана с пространственным приложением фотоприемников в линейке 2. Для исключе" ния влияния на амплитуду выходного сигнала, снимаемого с выходов фотоприемников линейки 2, вредных воздействий, таких как изменение яркости излучателя, чувствительности фотоприемников при температурных воздействиях,и т.п.,предусмотрена автоматическая регулировка коэффициента передачи усилителей н блоке 3 АРУ.

На основных выходах блока 3 АРУ формируются сигналы, амплитуда которых определяется только линейными перемещениями объекта и не зависит от вредных воздействий на устройство.

Определив максимальное и минимальное значения информационных сигналов, снимаемых с основных выходов блока 3

АРУ при возможных перемещениях контролируемого объекта, и разбив диапазон изменений информационных сигналов на ряд дискретных уровней с шагом квантования Ь11, можно значительно увеличить разрешающую способность устройства и тем самым расширить динамический диапазон измерений без значительного увеличения количества фотоприемников в линейке 2.

С дополнительных выходов блока 3

АРУ снимаются напряжения, изменяющиеся дискретно с шагом ЬU, от минимального до максимального значения изменения информационных сигналов..

Напряжения с дополнительных выходов блока 3 АРУ подаются на один иэ входов усилителей в блоке 5 формирователей, на вторые входы которых подаются информационные сигналы,и при повышении информационным сигналом величины опорных напряжений с выходов усилителей в блоке S формирователей поступают прямоугольные импульсы, которые считываются блоком 6 индикации.

Поскольку информационные сигналы, снимаемые с основных выходов блока 3

АРУ, изменяются по закону косинусоидального типа, так как светочувствительная поверхность фотоприемников линейки 2 имеет неравномерный коэффициент передачи по своей поверхности, то при равномерной дискретизации с шагом квантования hU при изменении величины амплитуды такого сигнала имеет место ошибка в измерениях иэза неравномерности временных интервалов появления импульсов дискретизации с моментами дискретизации амплитуды информационного сигнала.

С целью повьш ения точности измерений в устройство введен блок 4 линеаризации, позволяющий преобразовать информационный сигнал в линейно изменяющийся и тем самым поставить в ли нейное соответствие временные интервалы между появлением импульсов дискретизации с моментами дискретизации 10 амплитуды информационного сигнала.

Блок 4 линеаризации выполнен в виде и идентичных каналов 7, причем число каналов равно количеству фотоприемников в линейке 2, приходящихся 15 на ширину одной интерференционной полосы.

Работу одного из каналов блока 4 линеаризации поясняют временные диаг- 20 раммы, представленные на фиг. 2. ,Информационный сигнал, снимаемый с первого выхода блока 3 АРУ, показан на фиг. 2а. При этом предполагается, что фотоприемники линейки 2, 25 приходящиеся на ширину светлой и темной полос, объединяются попарно и подключаются через усилители к входам дифференциальных. усилителей в блоке 3 АРУ. Так, если в линейке 2 30 имеется 20 фотоприемников и из них

10 фотоприемников поперек светлой полосы, то 1-й и 11-й фотоприемники подключаются к входам одного дифференциального усилителя, 2-й и 12-й— к входам другого и т.д. Это позволяет автоматически скомпенсировать любой дрейф в уровне постоянной составляющей сигнала, вызванный, например, температурной зависимостью чувстви- щ тельности фотоприемников, изменением яркости излучателя и т,п.

С целью расширения динамического диапазона измерений с сохранением ширины вырезанных полос светочувстви- 45 тельные поверхности фотоприемников линейки 2 объединены через волоконнооптический жгут с объединенным входным торцом, что позволяет исключить промежутки между фотоприемниками линейки 2 и сделать ее сплошной на всем участке измерений. На фиг. 2а промежуток времени tä-t соответствует прохождению границы раздела интерференционных полос по светочувствитель- 55 ной поверхности 1-ro и (N/2+1)-го фотоприемников, где N — число фотоприемников в линейке 2, Промежуток времени t -t> соответствует прохожде1280318 6 нию границы раздела интерференционных полос через светочувствительные поверхности 2-ro и (N/2+2)-го, 3-го и (N/2+3)-го и т.д. до N/2-ro u N-ro фотоприемников.

Пунктиром на фиг. 2а показано изменение информационного сигнала с второго выхода блока 3 АРУ, входы которого подключены к 2-му и (И/2+

+2)-му фотоприемникам линейки 2.

Аналогично, со сдвигом.по фазе на

2ii tq величину (р = — — (Т вЂ” период следоО Т вания информационного сигнала) по отношению к сигналу, снимаемому с предыдущего выхода блока 3 АРУ, изменяются сигналы с последующих основных выходов блока 3 АРУ (не показаны).

Момент t> (фиг. 2а) соответствует смещению интерференционных полос на ширину одной полосы, т.е. на половину периода, что равнозначно перемещению контролируемого объекта на h /2, где — длина волны используемого источника света. В следующем полупериоде (промежуток времени t>-t<) изменение сигнала инверсно сигналу в промежутКе t -С . Момент 16 (фиг. 2а) соответствует смещению интерференционных полос на период их следования, что равнозначно перемещению контролируемого объекта на величину, равную 1 .

Изменение сигнала в последующие промежутки времени аналогично изменению промежутке 1 -t6 ° С выхода дифференциатора 8 снимается сигнал, представляющий собой производную от входного сигнала (фиг. 26). С выхода двухполупериодного выпрямителя 9 снимается сигнал, представленный на фиг. 2в. С дополнительного выхода сумматора в блоке 3 АРУ снимается сигнал с коэффициентом деления N/2, где N — число фотоприемников нейке 2, что соответствует максимальному значению амплитуды информационного сигнала, снимаемого с основных выходов блока 3 АРУ (фиг. 2а, в,величина U ). Эта величина постоянного напряжения подается на один из входов дифференциального усилителя 10, с выхода которого снимается разностный сигнал, представленный на фиг.2г.

Инверсия этого сигнала (снимаемого с выхода инвертирующего усилителя 11) показана на фиг. 2д. Оба сигнала (фиг. 2 г,д)подаются на основные входы коммутатора 12, на управляющие входы которого подаются импульсы с

1280318

20 выхода элемента 14 управления. Величины порога срабатывания компараторов 15, 16 и 19 в элементе 14 управления соответственно Un(, ) =0 В;

U>(ü) —— 0,05 Uù В; UÄ(п) =-0,05 U В (U — величина максимальной амплитуды информационного сигнала), На фиг. 2б величина Uz, соответствует порогу срабатывания,компаратора 16, а 11„ — компаратора 19 ° Работу элемента 14 управления поясняют временные диаграммы на фиг. 2е-н. Обозначение диаграмм соответствует обозначению характерных выходных точек функциональной схемы устройства (фиг. 1). С выходов коммутатора 12 снимаются сигналы, представленные на фиг.2п,р,, причем импульсы с выхода первой схемы ИЛИ 23 открывают электронный ключ в коммутаторе 12 для сигнала, снимаемого с выхода инвертирующего усилителя ll (фиг. 2д), .а импульсы с выхода второй схемы ИЛИ

24 открывают электронный ключ для сигнала, снимаемого с выхода дифференциального усилителя 10 (фиг. 2r).

С выхода сумматора 13 снимается линейно изменяющийся сигнал (фиг. 2к), пунктиром показаны сигналы, поступающие на входы сумматора (а — сигнал, снимаемый с первого выхода блока 3 АРУ, и, р — сигналы, снимаемые с выходов коммутатора 12).

Работа остальных каналов блока 4 линеаризации аналогична работе описанного канала.

Таким образом, с выхода блока 4 4р линеаризации снимаются линейно изменяющиеся сигналы, сдвинутые друг относительно друга по фазе, определяемой пространственным положением фотоприемников в линейке 2. Дискретиза- 4 ция таких сигналов с равномерным шагом квантования gU (фиг. 2т) дает возможность поставиТь в линейное соответствие интервалы времени (at, фиг. 2ф) между появлениями импульсов дискретизации (снимаемых с выхода блока 5 формирователей) с величиной шага квантования амплитуды информационного сигнала, что в конечном итоге позволяет повысить точность измерений. Число импульсов (фиг. 2ф), сосчитанных блоком 6 индикации, прямо пропорционально величине переме.щения. формула и з о б р е т е н и я

1. Оптико-электронное устройство для измерения линейных перемещений, содержащее блок формирования интерференционных или муаровых полос, линейку фотоприемников, связанную с ним, блок автоматической регулировки усиления, состоящий из последовательно связанных узла усилителей, суммирующего узла, схемы сравнения и узла управления, узла дифференциальных усилителей и источника опорного напряжения, причем выходы узла усилителей подключены к входам узла дифференциальных усилителей, выход источника опорного напряжения подключен к входу схемы сравнения, а выход узла управления подключен к входу узла усилителей, блок формирователей и блок индикации, выходы линейки фотоприемников подключены к входам узла .усилителей, выходы источника опорного напряжения подключены к дополнительным входам блока формирователей, выходы блока формирователей соедине= ны с входами блока индикации, о т— л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений, оно снабжено блоком линеаризации, количество каналов в котором равно половине числа фотоприемников линейки, каждый канал блока линеаризации содержит соединенные последовательно днфференциатор, двухполупериодный выпрямитель, дифференциальный усилитель, инвертирующий усилитель, коммутатор, сумматор и элемент управления, выход суммирующего узла подключен к первым входам дифференциальных усилителей каналов блока 1инеаризации, входы каналов которого соединены с соответствующими выходами узла дифференциальных усилителей, причем вход канала является входом дифферанциатора, первым входом элемента управления и третьим входом сумматора, а выход дифференциатора является вторым входом элемента управления, выход дифференцирующего усилителя соединен с вторым входом коммутатора, третий и четвертый входы которого соединены с первым и вторым выходами элемента управления соответственно, второй выход коммутатора соединен с вторым входом сумматора, выход сумматора является выходом канала блока линеаризации, выходы каналов блока

128031 8

Составитель С. Конюхов

Техред М.Ходанич

Корректор Л. Пилипенко

Редактор А. Огар

Заказ 7047/39 Тираж 670

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4 линеаризации являются основными входами блока формирователей.

2. Устройство по п. 1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что элемент управления каждого из каналов блока линеаризации выполнен в виде последовательно соединенных первого компаратора, инвертора, третьей схемы совпадения, второй схемы ИЛИ, последовательно соединенных второго компара- 1О тора, первой схемы совпадения, первой схемы ИЛИ, третьего компаратора, второй и четвертой схем совпадения, вход первого .компаратора является первым входом элемента управления, вход вто15 рого компаратора соединен с входом третьего компаратора и является вторым входом элемента управления, выход первого компаратора соединен с вторым входом первой схемы совпадения и первым входом второй схемы совпадения, выход второго компаратора соединен с вторым входом третьей схемы совпадения, выход инвертора соединен с вторым входом четвертой схемы совпадения, выход третьего компаратора соединен с вторым входом второй схемы совпадения и с первым входом четвертой схемы совпадения, выход которой соединен с вторым входом второй схемы ИЛИ, выход второй сХемы совпадения соединен с вторым входом первой схемы ИЛИ, выходы первой и второй схем ИЛИ являются выходами элемента управления.