Способ выработки информации о расположении штриха меры при ее динамической поверке

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам обработки информации о расположении штрихов мер при их динамической поверке . Цель изобретения - повышение точности выработки информащ1и о расположении штриха меры за счет уменьшения погрешности, вызванной наличием шума в сигнале. Сущность способа заключается в том, что в измерительном сигнале, сформированном на выходе фотоэлектронного микроскопа, в его квазилинейной зоне, предшествующей нулевому значению, выделяют расчетный участок tp , делят его на две равные части, определяют среднее значение напряжения для каждого из них, затем определяют длительность отсчетного интервала времени по формуле IOTCI 7.(U, - Ujj) -Тр/4, где Г, - длительность расчетного участка сигнала , и , и - средние значения сиг- , нала на первой и второй половинах расчетного участка, по окончании которого формируют отсчетный импульс, характеризующий расположение штриха мес ры. 3 3.п. ф-лы, 5 ил. (Л оо 4 00 О)

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1348642 А 1 (51)4 С 01 В 21/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ -

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTKPbITVM (2 1) 3952845/24-28 (22) 10.09.85 (46) 30. 10.87. Бюл. И- 40 (71) Экспериментальный научно-исследовательский институт металлорежущих станков (72) Ю.Н.Рогов (53) 531.7(088.8) (56) Отчет по теме 305-75 ° Создание особо точных полупроводниковых малогабаритных средств автоматического измерения малых перемещений и точного позиционирования узлов ГРС, КРС и КФС, Гос. рег. У 76085191, ОКБС, Л., 1979, с. 14-26 ° (54) СПОСОБ ВЫРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ О

РАСПОЛОЖЕНИИ ШТРИХА МЕРЫ ПРИ ЕЕ ДИНАМИЧЕСКОИ ПОВЕРКЕ (57) Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам обработки информации о расположении штрихов мер при их динамической поверке. Цель изобретения — повышение точности выработки информации о расположении штриха меры за счет уменьшения погрешности, вызванной наличием шума в сигнале. Сущность способа заключается в том, что в измерительном сигнале, сформированном на выходе фотоэлектронного микроскопа, в его кваэилинейной зоне, предшествующей нулевому значению, выделяют расчетный участок р, делят его на две равные части, определяют среднее значение напряжения для каждого из них, затем определяют длительность отсчетного интервала времени по формуле

= р 0 /2(6, — 0 ) — /4, где длительность расчетного участка сигнала, U, U — средние значения сигнала на первой и второй половинах рас четного участка, по окончании которого формируют отсчетный импульс, характеризующий расположение штриха меры. 3 э.п. ф-лы, 5 ил.

1348642

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам обработки информации о расположении штрихов мер при их динамической поверке.

Цель изобретения — повышение точности выработки информации о расположении штриха меры эа счет уменьшения погрешности, вызванной наличием шума в сигнале.

На фиг.1 приведена структурная схема последовательности операций способа; фиг.2 — аналого-временная диаграмма,обработки сигнала, на фиг.3 аналого-временная диаграмма компенса ции изменения постоянной составляющей выходного сигнала, на фиг.4 временная диаграмма компенсации изменения расстояния между шкаловой поверхностью меры и фотоэлектрическим микроскопом, на фиг.5 — блок-схема устройства, реализующего способ.

Устройство содержит фотоэлектрический микроскоп 1, электронный компаратор 2, линии 3 и 4 задержки, электронный вольтметр 5, ЭВМ 6, счетную ( схему 7 сравнения. Выход фотоэлектрического микроскопа 1 связан с входами электронного вольтметра 5 и электронного компаратора 2, выход которого связан с входами линий 3 и 4 задержки.

К входам 3ВМ 6 подключены выход линии 3 задержки и первый и второй выходы электронного вольтметра 5, вход которого связан с первым и вторым вы35 ходами линии 4 задержки. Входы схемы

7 сравнения связаны с выходами 3ВМ и вторым выходом линии 4 задержки.

Последовательность операций осуществления способа следующая. о I Ч ьык > (1) где 1 — величина квазилинейной зоны ко сигнала, предшествующей его

40 нулевому значению, мм; время, необходимое для вычисления значения „,„, с;

Ч вЂ” скорость перемещения меры относительно микроскопа, 45 мм/с, Соблюдение неравенства (1) необходимо для того, чтобы вычисление значения т-,,„ было закончено до его окончания.

Определение средних значений напряжений U u U (фиг. 1) на первой, и второй, половинах расчетного участка „ сигнала U(x) по55 зволяет построить линию регрессии

К(У(х)1 этого сигнала по точкам с коШтрих поверяемой меры при помощи оптической системы, содержащейся в фотоэлектронном микроскопе 1, проецируется на фотоприемник фотоэлектронного микроскопа 1, выполненного в виде двух светочувствительных слоев, соединенных дифференциально и включенных в мостовую схему. При перемет щении поверяемой меры относительно фотоэлектронного микроскопа 1 на его выходе формируется измерительный сигнал, характеризующий положение штриха поверяемой меры относительно фотоприемника фотоэлектрического микроскопа 1. При проецировании штриха меры на один иэ светочувствительных слоев происходит разбаланс мостовой схемы и появляется сигнал рассогласования.

Когда изображение штриха приходит в положение, симметричное относительно светочувствительных слоев фотоприемника, сигнал рассогласования стано-, вится равным нулю.

Таким образом, выходной измерительный сигнал имеет кваэилинейную зону, предшествующую нулевому значению сигнала. Равенство нулю среднего значения выходного измерительного сигнала соответствует совмещению центров штриха и поля зрения микроскопа

1. В квазилинейной зоне сигнала выделяют расчетный участок . Причем время между концом расчетного участка сигнала и моментом равенства сигР нала нулю устанавливают больше, чем время вычисления длительности отсчетного интервала времени к„,„ . Делят расчетный участок, на две равные части. Определяют средние значения напряжения сигнала каждой части. По прошествии отсчетного интервала времени, начало которого соответствует окончанию расчетного участка сигнала, формируют отсчетный импульс, характеризующий расположение штриха.

Длительность расчетного участка сигнала является интервалом усреднения его значений, в результате которого вырабатываются средние значения и Ц . Положение, относительно конца отсчетного интервала времени устанавливается таким образом, чтобы соблюдалось неравенство

1 р, х . ордината (-2 - U,) и (-2- и2), где (2) о 20 (4)

3 1348 .значения О» и U являются ординатами

R(U(x)) .

Длительность отсчетного интервала времени C„„ является характеристикой информативного параметра измерительного сигнала Б(х). Значение равно времени от окончания расчетного интервала ср до момента совмещения с нулем напряжения восстановленного на фоне шумов измерительного. сигнала.

Значение с...„ прогнозируется путем вычисления по следующей зависимости на основе определенных средних значений напряжений U u U . Длитель- 1

2 15 ность отсчетного интервала времени определяют по зависимости (Lp отсч

° Ф ЯВ

2(U, -U) где » „сч. — длительность отсчетног интервала времени; — длительность расчетного участка сигнала, U, „ 1) — срецние значения сигнала на первой и второй половинах расчетного участка.

Зависимость, по которой определяется значение длительности „сч отсчетного интервала времени, выводится на основании графика сигнала U(x) З0 (фиг.2), При условии эргодичности сигнала

U(x) и описании комбинации математических ожиданий напряжения сигнала

U(x) по ансамблю его реализаций линией регрессии R(U(x)) средние значения П, и U напряжений этого сигнала соответственно на первой р» и второй р2 половинах его расчетного участка Т могут быть приняты в ка- 40 честве оценки математических ожиданий напряжения сигнала V(x). Тогда в связи с взаимо однозначным соответствием

7р

Б У И +с « — «У (3) 45

2 2 4 отсч. 2 будет верно равенство

lp ф

2 U — U

Х 2.

Р 2

+ с тсч.

4 иэ которого значение i,Ta равно

« 2 «Р с ««« отеч. 2(U 0 ) 4 ° 1

Правомочность использования указанного выражения для определения „,„ т.е. выполнимость условий (3), подтверждается результатами экспериментальных исследований.

642 4

Далее определяют напряжение постоянной составляющей сигнала и алгебраически суммируют его со средними значениями напряжения сигнала на первой и второй половинах его расчетного участка.

Напряжение U постоянной составляющей сигнала U(x) характеризует мощность P светового потока, воспринимаемого фотоприемником фотоэлектрического микроскопа, которая зависит от градиента коэффициента отражения или пропускания меры по ее длине.

Изменение мощности P ведет к нарушению баланса моста постоянного тока, в -диагональ которого включены светочувствительные слои фотоприемника, иэ-за чего происходит смещение во времени отсчетного импульса (фиг.5).

-Определение напряжения постоянной составляющей сигнала и алгебраическое суммирование его со средними значениями U и U2 обеспечивают компенсацию смешения отсчетного импульса за счет изменения рассчитываемого отсчетного интервала времени с, „ на величину компенсирующего интервала 1„, равного л л р U (5)

Учет влияния изменения напряжения

U постоянной составляющей на погрешность выработки информации уменьшает зависимость момента формирования отсчетного импульса от градиента распределения коэффициента отражения (пропускания) меры по ее длине. Действие этого фактора на сигнал выражается в изменении постоянной составляющей сигнала, т.е, смещении его информативного параметра относительно нуля, по которому происходит формирование информации. Кроме того, на интервале перемещения меры, соответствующем расчетному участку сигнала, дополнительно определяют изменение расстояния между шкаловой поверхностью меры и микроскопом и алгебраически суммируют отсчетный интервал времени с компенсирующим интервалом, значение которого вычисляют по зависимости

Ь о

f (nh) dh3 (6) а о где 7„ — компенсирующий интервал;

V — скорость перемещения меры, аЬ вЂ” изменение расстояния между шкаловой поверхностью и мик42 где

5 13486 роскопом соответственно в начале и конце расчетного участка „

f(6h) — функция влияния изменения расстояния на регистрируемое расположение штриха.

Данная зависимость выводится на основании того, что среднее значение функции влияния f(ah) на расчетном

1 л участке, равное интегралу f(ah)dh, I

< о связано с временным интервалом Ь на который смещается,,„ из-эа изменения расстояния между шкаловой поверхностью и микроскопом, коэффициентом масштабного преобразования 1/Ч.

Таким образом, алгебраическое суммирование „ с „„ компенсирует

Ь i„„(h) °

Вид функции f(h) влияния изменения расстояния между микроскопом и шкаловой поверхностью определяется качеством оптической системы микроскопа, чистотой шкаловой поверхности, а также профилем и контрастностью штрих@в меры, Для штриховых мер, изготовленных по 0-1-му классу точности, взаимодействующих с фотоэлектрическим микроскопом мод. МФ-20, функция f(ah) при изменении расстояния между микроскопом и шкальной поверхностью меры в пределах +50 мкм имеет квазилинейный вид (получен по экспериментальным данным). Учет изменения расстояния между шкаловой поверхностью меры и микроскопом, выполняемый путем определения измерения этого расстояния, вычисления компенсирующего интервала и его суммирования с отсчетным интервалом времени, уменьшает погрешность от изменения этого расстояния. Изменяется указанное расстояние из-за непрямолинейности траектории перемещения меры, деформаций от перераспределения нагрузки на механической части измерительной машины, вибрации узлов по оси, совпадающей с оптической осью микроскопа, и т.п.

Кроме того, с целью уменьшения динамической погрешности на расчетном участке сигнала дополнительно определяют значение виброскорости, алгебраически суммируют отсчетный интервал времени с интервалом частотной коррекции, значение которого вычисляют по зависимости

;, = к,ч (f = к,(v + sv,)), () значение интервала частотной коррекции, C(f = К (V + SV )) — значение. фазочастотной характеристики схемы обработки информации;

V — скорость перемещения меры, S „, — значение виброскорости;

К, К2 — коэффициенты масштабного преобразования значений фазы сигнала h, время и скорости перемещения в частоту сигнала соответственно.

Вывод зависимости, определяющей значение интервала частотной коррекции, основан на том, что от изменения скорости V.ïåðåìåùåíèÿ меры, из-за наличия виброскорости S„ изменяется частота f сигнала. При этом смещение фазы Ч сигнала определяется фазочастотной характеристикой ч(Й

= К (.Ч + S )) схемы обрзботки информации, где К, — коэффициент масштабного преобразования скорости перемещения Ч в частоту

Так как изменение фазы Ч сигнала ведет к смещению „,„, то произведение 4 (f = К (Ч + S )) на К, (коэффициент масштабного преобразования фазы Ч сигнала во время) равно значению интервала . частотной коррекции .

Вид фазочастотной характеристиКи

9(f = К (Ч + S„. )) устройства обработки информации определяется фазочастотными характеристиками электронных элементов, из которых оно состоит, и схемой их соединения; он может быть получен расчетным путем по известным методам теории электрических цепей или экспериментально.

В связи со взаимооднозначным соответствием между частотой f сигнала и скоростью V перемещения меры относительно микроскопа, определяемым коэффициентом К масштабного преобра2 зования, функция влияния виброскорости S на фазу Ч сигнала может быть выражена через фазочастотную xapakтеристику Ч (f = K2-(Ч + S„. )) со значениями Ч и S„., приведенными к частоте f сигнала. При осуществлении аттестации меры на фиксированной скорости Ч в связи с небольшими колебаниями ее значения и, соответственно, значения частоты сигнала, вид фаэочастотной характеристики близок к линейному.

Определение виброскорости меры позволяет вычислить интервал частотной

1348642

1. Способ выработки информации о расположении штриха меры при ее дина мической поверке, заключающийся в том, что меру перемещают относительно фотоэлектрического микроскопа, регистрируют на его выходе измерительный сигнал с квазилинейной зоной, предшествующей нулевому значению сигнала, которое соответствует совмещению центров штриха меры и поля зрения фотоэлектрического микроскопа, форьыруют отсчетный импульс, характеризующий расположение штриха меры, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности выработки информации о расположении штриха меры, в квазилинейной зоне измерительного сигнала выделяют расчетный участок делят его на две равные части, ойределяют средние значения напряжения сигнала для каждой части расчетного участка измерительного сигнала, определяют длительность отсчетного интервала времени „,„, а отсчетный импульс, характеризующий расположение штриха меры, формируют по окончании тного интервала времени, причем льность расчетного участка выт из условия отсче

Определение изменения nh. Расстоя\ I ния между шкаловой поверхностью и микроскопом ah 3 мкм, по которому вы- 5п числяется компенсирующий интервал л производится бесконтактным датчиком малых перемещений. Алгебраическое суммирование отсчетного интервала о,сс. вРемени co H IeHHe Lë компенсирующего интервала, значение которого соответствует 0,3 мкм, вычисляют по зависимости (6) на ЭВМ 6 или на электронной логической схеме ввел

Ьр где 1 о вы . величина квазилинейной эоны сигнала, предшествующего нулевому значению; скорость перемещения меры относительно фотоэлектрониого микроскопа; время, необходимое для вычисления значения о,.

"выч коррекции, т.е. величину, на которую дением значения в счетную схему срав нужно сместить отсчетный импульс. Ал- нения. гебраическое суммирование этих интер- Величина виброскорости составляет валов позволяет уменьшить динамичес- 0,1 Ч. Определение значения виброско кую погрешность, возникающую иэ-эа

5 рости перемещения меры относительно изменения скорости перемещения, микроскопа выполняется виброизмериВыработка информации о расположе- тельными датчиками, например, пьезонии штриха меры при ее динамической электрическими. Значение виброскорос поверке предлагаемым способом произ- 10 ти используется для вычисления интер водится путем перемещения меры отно- вала7 частотной коррекции.

1 сительно микроскопа 1 с постоянной Алгебраическое суммирование отсредней скоростью на лазерном компа- счетного интервала „,„ времени с раторе MC-6523. Выделение сигнала V х интервалом частотной коррекции вы

1 на выходе микроскопа ФМ-20 выполняет- числяют по зависимости (7) на ЭВМ 6

15 ся дифференциальным включением пози- или введением значения 7, соответционно-чувствительной микросхемы ти- ствующего 0,1 мкм, в счетную схему 7 па 1ПП921 в диагональ моста постоян- сравнения. ного тока, на которую проецируется с к увеличением 16 изображение штриха. Ф о р м у л а и э о б р е т е н и я

Вьщеление начала расчетного участка сигнала l, равного 2 мс, производится электронным компаратором 2, а его длительность задается линией 3 задержки. Деление расчетного участка, на 25 две половины р, и с, осуществляется дополнительной линией 4 задержки.

Определение средних значений U u ! напряжения порядка 5-10 В на участках р, и р для вычисления по ним отсчетного интервала „,„ производится электронным вольтметром 5. Выделение длительности с„,„ порядка 1 мс отсчетного интервала времени по зависимости (2) производится на ЭВМ 6, реализую— щей указанный в ней алгоритм. Формирование отсчетного импульсаЬ, вЂ,.-„ выполняется счетной схемой 7 сравнения при равенстве текущего времени после окончания расчетного участка, сигнала длительности отсчетного интервала времени,, ц

Определение напряжения U постоянной составляющей сигнала, не превьппающего

2 В, производится электронным вольтметром 5. Величина погрешности при 45 этом равна 0,2 мкм.

9 13

2. Способ по и.1, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью уменьшения погрешности от градиента распределения коэффициента отражения или пропускания меры по ее длине, определяют напряжение постоянной составляющей сигнала и алгебраически суммируют его со средними значениями напряжения сигнала на первой и второй частях его расчетного участка.

3. Способ по пп.1 и 2, о т л и ч а ю шийся тем, что на интервале перемещения меры, соответствующем расчетному участку сигнала, определяют изменение расстояния между шкаловой поверхностью меры и фотоэлектронным микроскопом, функцию влияния из48642 !О менения расстояния между шкаловой поверхностью меры и фотоэлектрическим микроскопом на регистрируемое расположение штриха меры, компенсирующий

5 интервал „ и алгебраически суммируют отсчетный интервал времени, „ с полученным компенсирующим интервалом.

4. Способ по пп.1-3, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью уменьшения динамической погрешности, на расчетном участке сигнала дополнительно определяют значение виброскорости меры, фазочастотную характеристику схемы обработки информации, интервал частотной коррекции и алгебраически суммируют с его значением отсчетного интервала времени.

1348642

1348642

Составитель О.Несова

Техред М.Ходанич Корректор В.Гирняк

Редактор И.Касарда

Заказ 5178/39

Тираж 676 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4