Оптический датчик перемещений с фазовым выходом

 

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является расширение диапазона измерений за счет повышения чувствительности и линейности выходной характеристики датчика. Оптический датчик перемещений с фазовым выходом содержит однофазный источник I переменного напряжения, который осуществляет амплитудную модуляцию светового потока излучателя 2 светового потока. Модулированный световой поток падает на второй фотоприемник 4 опорного сигнала и на отражающую поверхность 12 объекта контроля, от которой световой поток попадает на первый фотоприемник 3 отраженного сигнала. На выходах фотоприемников 4 и 3 формируются гармонические сигналы, сдвинутые один относительно другого по фа-. зе на 180 за счет питания фотоприемников напряжением постоянного тока разной полярности, С помощью фазовращателей 5 и 6 формируют сигналы, сдвинутые по фазе относительно отраженного сигнала в сторону опережес S

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (!1) А1 (594 С Ol В 21 00

gpe ;-..

1 (ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4116731/24-28 (22) 11.09.86 (46) 23.06.88. Бюл. 1(23 (72) А.В.Любомиров, Н.Д.Конаков, Г.А.Киреева и В.Н.Аштаева (53) 531.7(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1226060, кл. G Ol В 21/00, 1984. (54) ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

С ФАЗОВЫМ ВЫХОДОМ (57) Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является расширение диапазона измерений за счет повышения чувствительности и линейности выходной характеристики датчика. Оптический датчик перемещений с фазовым выходом содержит однофазный источник 1 переменного напряжения, который осуществляет амплитудную модуляцию светового потока излучателя 2 светового потока.

Модулированный световой поток падает на второй фотоприемник 4 опорного сигнала и на отражающую поверхность

12 объекта контроля, от которой световой поток попадает на первый фотоприемник 3 отраженного сигнала. На выходах фотоприемников 4 и 3 формируются гармонические сигналы, сдвинутые один относительно другого по фа-. зе на 180 за счет питания фотоприемников напряжением постоянного тока разной полярности. С помощью фазовраС2 щателей 5 и 6 формируют сигналы, щ сдвинутые по фазе относительно отраженного сигнала в сторону опереже1404821

10 ния и в сторону отставания на углы о меньше 45, которые через масштабирующие звенья 7 и 8 соответственно поступают на сумматоры 9 и 10, на вторые входы которых подается опорный сигнал. На сумматорах 9 и 10 происходит геометрическое сложение сигналов с

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещений.

Целью изобретения является расширение диапазона измерений за счет повышения чувствительности и линейности выходной характеристики датчика.

На фиг.1 приведена структурная схема датчика; на фиг.2 — векторная диаграмма сигналов.

Датчик содержит однофазный источник 1 переменного напряжения, оптичес-15 ки связанные излучатель 2 светового потока, вход которого связан с выходом источника 1 переменного напряжения, и первый фотоприемник 3 отраженного сигнала, второй фотоприемник 4 опорного сигнала, оптически связанный с излучателем 2 светового потока, первый 5 и второй 6 фазовращатели, входы которых связаны с выходом первого фотоприемника 3 отраженного сиг- 25 нала, первое 7 и второе 8 масштабирующие звенья, входы которых связаны соответственно, с выходами первого 5 и второго 6 фазовращателей, первый 9 и второй 10 сумматоры, первые входы которых связаны соответственно с выходами первого 7 и второго 8 масштабирующих звеньев, вторые входы — с выходом второго фотоприемника 4 опорного сигнала, фазометр 11, первый и второй входы которого связаны соот35 ветственно с выходами первого 9 и второго 10 сумматоров-.

Оптический датчик .перемещений с фазовым выходом работает следующим образом.

Однофаэный источник 1 синусоидального напряжения низкой частоты осуществляет амплитудную модуляцию свевыходов масштабирующих звеньев 7 и 8 с опорным сигналом. Результирующие сигналы с выходов сумматоров 9 и 10 подаются на фазометр 11, с выхода которого снимается зависимость разности фаз между двумя результирующими сигналами от измеряемого перемещения. 2 ил. тового потока излучателя 2 светового потока и модулированный световой поток падает на второй фотоприемник

4 опорного сигнала и на отражающую поверхность 12 объекта контроля, от которой отраженный световой поток попадает на первый фотоприемник 3 отраженного сигнала. На выходах фотоприемников 4 и 3 опорного и отраженного сигналов формируются гармонические сигналы U „ и V (х) с частотой источника модулирующего напряжения

U сдвинутые один относительно друУ\ о гого по фазе на 180 (фиг.2) за счет питания фотоприемников напряжения постоянного тока разной полярности. С помощью фазовращателей 5 и 6 формируют сигналы U (х) и U (х), сдвинутые . по фазе относительно отраженного сигнала И (х) в сторону опережения и отр в сторону отставания, соответственно, на углы (, и 4) (фиг.2), меньшие

45 . Гармонические сигналы U,(õ) и

У (х) с выходов фазовращателей 5 и 6 через масштабирующие звенья 7 и 8 поступают на первые входы сумматоров

9 и 10, а на вторые входы сумматоров

9 и 10 поступает опорный сигнал U „ c выхода фотоприемника 4. На сумматоре

9 происходит геометрическое сложение гармонических сигналов U<(х) и 11 и на выходе сумматора 9 формируется первый результирующий сигнал Upey1. вектор которого вращается вследствие изменения по амплитуде отраженного сигнала U,(õ) в функции перемещения.

Изменение фазы результирующего гармонического сигнала ц,, (фиг,2) определяется выражением

s1n Ч о, с =arete. — — — — — — — 2 (1), 4п

cos g + —0$ Б,(х) 14048

sin 4 оа

Uon

cos Q + —-01 U (X) (3) где с г—

Vnz

V,(х) где <, — изменение фазы результирующего сигнала U,,, с выхода первого сумматора 9; — сдвиг фаз между гармоничесо .5 кими сигналами 1) „и И, (х);

U — гармонический сигнал с выоп хода фотоприемника 4 опорного сигнала;

V,(õ) — гармонический сигнал с выхода фотоприемника 3 отраженного сигнала, сдвинутый по фазе первым фазовращателем 5 и промодулированный по амплитуде в функции 15 перемещения.

Одновременно на сумматоре 10 происходит геометрическое сложение гармонических сигналов U (х) и И „ и на выходе сумматора 10 формируется вто- 2р рой результирующий сигнал V,(х), вектор которого вращается в противоположном направлении относительно вращения вектора сигнала Upes. Вращение вектора сигнала Uр происходит 5 вследствие изменения йо амплитуде отраженного сигнала U<(x) в функции перемещения. Изменение фазы результирующего гармонического сигнала Б (фиг.2) определяется выражением 30

<р =arctg — ) (2)

cosQ + —-(х) изменение фазы результирующего сигнала Upe с выхода второго сумматора 10; сдвиг фаз между гармоническими сигналами U „и Б (х)-; гармонический сигнал с выхода фотоприемника 3 отраженного сигнала, сдвинутый по фазе вторым фазовращателем 6 и промодулированный по амплитуде в функции пе ремещения.

Результирующие сигналы Upe

U с выходов сумматоров 9 и 10 порез. z. даются на входы регистрирующего прибо->О ра — фазометра 11, с выхода которого снимается зависимость разности фаз между двумя результирующими сигналами от измеряемого перемещения Cp =f(x).

В результате одновременного вращения двух результирующих векторов

11 и Upe в разных направлениях реь. приращение фазы между результирующими сигналами Ц> =, + У (фиг.2

21

4 изменяется с удвоенной скоростью и определяется функцией преобразования

sin 4)о

Ч = Ц + p =arctg д Uon

cosQ + — ——

01 U (х) Повышение линейности выходной характеристики датчика достигается путем выбора необходимых углов сдвига фаз (о, и ч)о между сигналами U „ и

U<,(х), U и U<(x) с помощью фазовращателей 5 и 6 и изменением с помощью масштабирующих звеньев 7 и 8 амплитуды сигналов U, (х) и U (х) таким образом, чтобы отношения сигна0 on Поо лов — ---- и -ы " — были равны 1 в .U, (х) U (x) точке х (точка баланса), равной 2/3 диапазона измерения х (хр = 2,3 х )..

При изменении мощности источника

2 излучения вследствие ухода его собственных параметров, изменения температуры и т.д., например, в сторону увеличения, изменяются по величине в одну и ту же сторону и гармонические сигналы V „ и U„ (x) с выходов фотоприемников 4 и 3 опорного и отраженного сигналов, а отношение сигналов и (входящие в выражение (3) в нотр (x) ц on Uon виде отношений — — — и — — ) остается

U1 (х) U2 практически постоянным и фаза Ю между результирующими сигналами Upend. u

Ups остается при этом неизменной, т.е. исключается влияние изменения мощности источника излучения на результат измерения.

Из векторной диаграммы (фиг. 2) и из выражения (3) следует, что у оптического датчика перемещений с фазовым выходом диапазон изменения разности фаз между результирующими сигналами Upe,и U больше 180 и близок к 360, т.е. датчик обладает повышенной в два раза чувствительностью преобразования.

Формула изобретения

Оптический датчик перемещений с фазовым выходом, содержащий источник переменного напряжения, излучатель 444821

2(Х) uотр() Составитель С.Конюхов

Редактор Г.Волкова Техред Л.Сердюкова Корректор Л.Пилипенко.Заказ 3089/42 Тираж 680 Подписное

1 ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое. предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 светового потока, вход которого свя-. зан с выходом источника перемеййого напряжения, первый фотоприемник, оптически связанный с излучателем светового потока, второй фотоприемник, первый фаэовращатель и фазометр, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерений, он снабжен вторым.фазовраща- 10 телем, первым и вторым масштабирующими звеньями, первым и вторым суммаIL торами, выход которых связаны соответственно с первым и вторым входами фаэометра, первые входы — с выходами первого и второго масштабирующих звеньев соответственно, вторые входыс выходом второго фотоприемника, оптически связанного с излучателем светового потока, выход первого фотоприемника связан с входами первого и второго фазовращателей, выходы которых связаны с входами первого и второго масштабирующих звеньев соответственно.