Оптико-электронное устройство для измерения линейных перемещений

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности за счет исключения влияния на результаты измерений переходных процессов считывания фотопреобразователя. Устройство состоит из оптически связанных оптической системы 1 для формирования полос и фотопреобразователя 2, последовательно соединенных блока 3 обработки сигнала, блок 4 формирователей, блока 5 счета и блока 6 индикации, и блока 7 управления, электрически связанного с фотопреобразователем 2, блоком 3, блоком 4 и блоком 5. Выборка амплитуды информационного сигнала с фотопреобразователя 2 по сигналам от блока 7 происходит в моменты, соответствующие серединам импульсов опроса столбцов фотопреобразователя 2, что позволяет исключить влияние переходных процессов. 2 ил. &

СОЮЗ СОВЕТСНИХ социАлистичесних

РЕСПУБЛИН (У1)g G 01 В 21/00 . ХЯ 1Й Й (г 2

Е!=, Ьй 1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И OTHPblTHRM пРи Гннт сссР (21) 4496362/28 (22) 01.08.88 46) 15.01.9Т. Бюл. И - 2 (71) Специальное конструкторско-технологическое бюро с опытным производством Минского радиотехнического института

I (72) А. H.Ìîòóç, П. Н Войтешук, Б. В. Никульшин и Н. И. Сиваков (53) 531.7(088.8)

1 (56) Авторское свидетельство СССР

N- 1479829, кл. G 01 В 21/00, 1987.

Г (54) ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО

ДПЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНИХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ (57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике ° Цель изобретения — повышение точности за

„„SU„„1620835 А 1

2 счет исключения влияния на результаты измерений переходных процессов считывания фотопреобразователя. Устройство состоит из оптически связанных оптической системы 1 для формирования полос и фотопреобразователя 2, последовательно соединенных блока 3 обработки сигнала, блок 4 формирователей, блока 5 счета и блока 6 индикации, и блока 7 управления, эл"ктрически связанного с фотопреобразователем 2, блоком 3, блоком 4 и блоком 5. Выборка амплитуды информационного сигнала с фотопреобразователя 2 по сигналам от блока 7 происходит в моменты, соответствуюшие серединам импульсов опроса столбцов фотопреобразователя 2, что позволяет исключить влияние переходных процессов. 2 ил.

3 1620835

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для контроля линейных перемещений.

Цель изобретения — повышение точности за счет исключения влияния на результаты измерений переходных процессов считывания фотопреобразователя.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства, на фиг. 2 — временные диаграммы работы устройства.

Оптико-электронное устройство для .измерения линейных перемещений состоит из оптически связанных оптической системы 1 для формирования интерференционных полос и дискретного фотопреобразователя 2, светочувствительный слой которого выполнен в виде системы из 32 параллельных электрически изо- 20 лированных фотоприемников, последовательно соединенных блока 3 обработки сигнала, информационный вход которого соединен с выходом дискретного фотвпреобразователя 2, блока 4 формирова- 25 телей, блока 5 счета и блока 6 индикации, .блока 7 управления, выходы считывания которого соединены с управляющими входами дискретного фотопреобразователя 2, а первый, второй и третий выходы блока 7 управления соединены соответственно с первым, вторым и третьим управляющими входами блока 3 обработки сигнала, причем третий выход блока 7 управления также соединен с первым управляющим вхо«

35 дом блока 4 формирователей и вторым входом блока 5 счета, четвертый выход .блока 7 управления соединен с третьим входом блока 5 счета, входы индикато- 40 ров старших и младших разрядов блока

6 индикации соединены соответственно с первой.и второй группами выходов блока 5 счета, второй управляющий вход блока 4 соединен с первым входом 45 блока 7 управления и первым управляющим выходом блока 5 счета, третий управляющий вход блока 4 соединен с вто рым входом блока 7 управления и вторым управляющим выходом блока 5 счета, четвертый выход блока 7 соединен с третьим входом блока 5.

Блок 3 .обработки сигнала выполнен в виде последовательно соединенных согласующего усилителя 8, 8-разрядного аналого-цифрового преобразователя.

55 (АЦП) 9, арифметического логического блока (АЛУ) 10, первого буферного регистра 11, мультиплексора 12, инверторов 13, 14, D-триггера 15 и второго буферного регистра 16. Вход согласующего усилителя 8 является информационным входом блока 3 обработки сигнала, управляющий вход АЦП 9 является первым входом блока 3, выходы АЦП 9 соединены с первой группой входов

АЛУ 10, вторая группа входов АЛУ 10 соединена с выходами мультиплексора

12, третья группа входов АЛУ 10 соединена с третьей группой выходов первого буферного регистра 11, первая группа выходов первого буферного регистра 11 соединена с входами второго буферного регистра 16, а вторая группа выходов регистра 11 соединена с первой группой входов мультиплексора 12, выходы АЛУ 10 соединены с входами первого буферного регистра 11, а выходы второго буферного регистра

16 соединены с второй группой входов мультиплексора 12, управляющий вход

АЛУ 10 соединен с управляющим входом первого буферного регистра 11, с управляющим входом мультиплексора 12, через инвертор 13 соединен с управляющим входом D-триггера 15 и является вторым входом блока 3 обработки сигнала, управляющий вход второго буферного регистра I6 соединен через инвертор 14 с входом сброса первого бу ферного регистра 11 и является третьим входом блока 3 обработки сигнала, выход сравнения АЛУ 10 соединен с информационным входом D-триггера 15, выход которого является выходом блока

3 обработки сигнала.

Блок 4 формирователей выполнен в виде последовательно соединенных дифференциатора 17 и схемы 18 формирования, первый, второй и третий входы

/ которой являются первым, вторым и третьим управляющими входами блока 4 формирователей соответственно, выход схемы 18 формирования является выходом блока 4 формирователей, а вход дифференциатора 17 является входом блока 4 формирователей.

Блок 7 управления выполнен в виде схемы 19 согласования, выходы которой являются выходами считывания блока ? управления, схемы 20 инверсии кода, информационные выходы которой соединены с.информационными входами схемы 19 согласования, одновибратрров

21 и 22, мультивибратора 23, дешифра.тора 24, выходы которого соединены с информационными входами схемы 20

0835

1 = N

2 п

55

5 162 инверсии кода, первый и второй управляющие входы которой являются первыми и вторыми входами блока 7 управления соответственно, одновибратора 25, схемы 26 И-НЕ, мультивибратора 27, схемы 28 счета, однонибратора

29, вход которого соединен с управляющим входом схемы 19 согласования и выходом одновибратора 2 1, схемы 30

И-НЕ, генератора 31 тактовых импульсов, управляющий вход которого соединен с выходом схемы И-HE одновибратора 32, выход которого является третьим выходом блока 7 управления, а вход соединен с выходом схемы 30 ИНЕ, первый вход схемы 30 И-НЕ соеди-нен через одновибратор 25 с входом одновибратора 21 и последним выходом дешифратора 24, второй вход первой схемы 30 И- IE соединен с выходом одновибратора 29 и управляющим входом схемы 28 счета, выход генератора 31 ° тактовых импульсов соединен с информационным входом схемы 28 счета и с входом мультивибратора 23, выходы схемы 28 счета соединены с входами дешифратора 24, выход мультивибратора 23 соединен с вторым входом второй схемы 26 И-НЕ, с входом одновибратора 22 и является первым выходом блока 7 управления, выход одновибратора 22 соединен с первым входом схемы 26 И-НЕ, выход которой соединен с входом мультивибратора 27 и является четвертым выходом блока 7 управления, выход мультивибратора 27 являет ся вторым выходом блока 7 управления.

Устройство работает следующим образом.

Из интерференционной картины, сформированной блоком 1 формирования интерференционных полос, выделяются две полосы, темная и светлая, которые . проецируются на дискретный фотопреобразователь 2, на выходе которого формируются сигналы, пропорциональные распределению освещенности вдоль выделенного участка. Расстояние между крайними фотоприемниками дискретного фотопреобразователя 2 равно периоду интерференционной полосы.

При линейных. перемещениях контролируемого объекта происходит перемещение границы раздела интерференционных полос по фотоприемникам дискретного фотопреобразователя 2, в результате чего на его выходе формируется электрический сигнал (диагр, d., фиг, 2), амплитуда которого пропорциональна величине перемещения, а фаза связана с пространственным положением фотоприемников в дискретном фотопреобразователе 2. 1ьйрина интерференционных полос (темной и светлой) выбирается равной линейным размерам светочувствительной поверхности дискретного фотопреобразователя 2. В этом случае в период следования интерференционных полос будет уложено определенное количество столбцов дискретного фотопреобразователя 2.

Фиксируя номер опрашиваемого столбца фотопреобразователя 2, на котором находится граница раздела.интерференционных полос, можно однозначно определить величину перемещения объекта из выражения где ф — длина волны зондирующего излучателя;

n — количество столбцов дискретного фотопреобразователя 2, приходящихся на ширину двух соседних интерференционных полос;

N — номер опрашиваемого столбца дискретного фотопреобразователя 2.

Сигнал, снимаемый со всех элементов столбца дискретного фотопреобра зователя 2, усиливается согласующим усилителем 8 (фиг. 2, диагр. а) и поступает на вход АЦП 9. Согласующий усйлитель 8, кроме усиления информационного сигнала, осуществляет функцию согласования уровней выходного сигнала, снимаемого с выхода дискретного фотопреобразователя 2, с входным сигналом АЦП 9. Управление АЦП 9 осуществляется импульсами стробирования, поступающими на его управляющий вход с выхода мультивибратора 23 (диаграмма в, фиг ° 2). Мультивибратор 23 вырабатывает короткие импульсы по заднему фронту импульсов, поступающих с выхода генератора 31 тактовых импульсов (диагр. б фиг. 2), при этом выбор амплитуды информационного сигнала . приходится на середину импульсов, опрашиваемых столбцы дискретного фотопреобразователя 2, снимаемых с выходов дешифратора 24, что дает возможность исключить влияние переходных! 620835 процессов, возникающих в моменты llc» реключе«ия опроса столбцов дискрет«ого фотопреобразователя 2 (на диагр. а фиг. 2 переходной процесс показа« в вице выбросов напряжений на информационном сигнале), на результат измерений. Цифровой код, соответствующий уровню сигнала в момент прихода стро бирующего импульса с выхода А1Ц1 9, подается иа I группу входов АЛУ 10, АЛУ 10 работает в зависимости от сигнала на управляющем входе в двух режимах: режим суммирования и в режиме вычитания (сраВнения) . Буферный ре гистр 16 предназначен для хранения двоичного кода, соответствующего среднему уровню информационного сигнала за период опроса элементов дискретного фотопреобраэователя 2, вычисленного в АЛУ 10 в режиме суммирования.

Средняя составляющая сигнала определяется из выражения где R — число выборок информационного сигнала в периоде опроса элементов дискретного фотопреобразователя;

А — уровень информационного сиг( нала, соответствующий текущей выборке.

Для деления на число R (в данном устройстве оно равно 32) разряды, начиная с пятого, отбрасываются. Мультиплексор 12 в зависимости от управляющего сигнала, поступающего с выхода мультивибратора 27, проводит коммутацию входных сигналов на вторую группу входов АЛУ 10. С приходом импульса выборки на управляющий вход АЦ!! 9 про.исходит преобразование входного аналогового сигнала в цифровой код. Одновибратор 22 и схема 26 И-HI . формируют последовательность импульсов (диагр. д, фиг. 2), задержанную по сравнению с наначалом последовательносги стробирующих АПП 9 импульсов. Одновибратор 22 50 по заднему фронту первого стробирующего импульса, поступающего с выхода мультивибратора 23, формирует импульс (диагр, г, фиг. 2) длительностью

= NT +,, где N — число стробируюI щих импульсов в цикле опроса элементов дискретного фотопреобразователя, Т вЂ” период следования стробирующих импульсов;, — длительность стробирующего импульса. Через схему 26 И-НЕ проходят импульсы с выхода мультивибратора 23 во время действия импульса с выхода одновибратора 22 (диагр, д. фиг, 2). Такая последовательность им— пульсов дает возможность управлять схемами в блоке обработки сигнала 3 к тому моменту времени, когда АЦП 9 заканчивает преобразование входной информации. Последовательность импульсов с выхода схемы 26 И-НЕ подается на вход мультивибратора 27, который формирует последовательность импул ьсов (диагр. е, фиг. 2), задержанную относительно входной последовательности на время Т . При отсутствии сигнала с выхода мультивибратора 27

АЛУ 10 работает в режиме суммирования, а мультиплексор 12 передает на выход кодовую комбинацию, поступающую с второй группы выходов буферного регистра 11, К моменту прихода управ ляющего импульса с выхода мультивибратора 27 на выходах АЛУ 10 появится код суммы-кодовой последовательности, поступающей на входы АЛУ 10. С приходом переднего фронта импульса с выхода мультивибратора 27 происходит запись кодовой суммы в буферный регистр 11, переключение мультиплексора

12 на передачу кодовой последовательности с выхода буферного регистра 16 на вторую группу входов АЛУ 10, при этом АЛУ 10 переключается в режим вычитания двух кодовых комбинаций, поступающих на первую и вторую группы входов АЛУ 10. Таким образом, происходит сравнение текущего значения амплитуды информационного сигнала со средним значением, вычисленным и записанным в буферный регистр 16 в предыдущем цикле опроса элементов дискретного фотопреобразователя 2, По окончании действия импульса с выхода мультивибратора 27, т.е. по его заднему фронту, происходит переключение

АЛУ 10 в режим суммирования, мультиплексора 12 — на передачу суммы кодовой последовательности с выхода буферного регистра 11 записанной в текущем периоде следования управляющих им пульсов с выхода схемы 26 И-НЕ, одновременно происходит запись уровня цифрового сигнала, снимаемого с выхода сравнения AJIY 10, в D-триггер 15 по признаку: если идет превышение текущего значения сигнала среднего уров»

1620835 та записывается "1", если нет, та записывается "О". С приходом следующего управляющего импульса с выхода мультивибратора 27 процесс переключения схем блока 3 обработки сигнала аналогичен описанному. Па последнему управляющему импульсу в буферный регистр 11 будет записана кодовая комбинация, соответствующая сумме кодовых комбинаций, образующихся при каждом поступлении стробирующега импульса на управляющий вход АЦП 9 в текущем цикле опроса элементов дискретного фотопреобразователя

2. В конце цикла опроса одновибратор

21 формирует короткий импульс стирания (диагр ° ж, фиг. 2). Этот импульс через схему 19 согласования поступает на дискретный фотопреобразователь 2 и в момент времени t,-t, (диагр. д, фиг. 2) происходит стирание информации с фотопреобразователя 2. Далее импульс с выхода одновибратора 21 поступает на вход одновибратора 29, который также формирует прямоугольный импульс и в 25 момент времени (диагр. и фиг. 2) происходит сброс счетчиков схемы 28 счета. В этот промежуток времени происходит запись оптической информации в дискретный Аотопреобразователь 2. С момента времени происходит следующий цикл опроса дискретного Аотопреобразователя 2.

Генератор 31 тактовых импульсов вы— рабатывает прямоугольные импульсы (диагр. б, Аиг, 2), которые через схе35 му 28 и дешифратор 24 поступают на входы схемы 20. Схема 20 инверсии кода позволяет в зависимости от состояния блока 5 счета инвертировать поря- „ док опроса столбцов дискретного фотопреобразователя 2, при этом в индикаторах старшего разряда блока 6 индикации изменяется только знак.

После окончания опроса столбцов дискретного фотопреобразователя 2 по-., следний опрашиваемый импульс с выхода дешифратора 24 поступает на вход одновибратора 21 и 25. Одновибратор

25 формирует короткий импульс, длительность которого равна периоду по50 вторения тактовых импульсов с выхода генератора 31 (диагр. з, фиг. 2). Это дает возможность задержать выключение генератора 31 по сравнению с выключением схемы 28 счета и тем самым сАормировать мультивибратором 23 еще один импульс, необходимый для управления работой блока обработки сигнала 3 и блока 5 счета. Импульсы е,,<хец«п < дновибратарав 25 н .9 «< ъ< п.«я— ются HB схеме 3) И-НЕ и <р< рм<.руют импульс запирания (днагр. к, фиг. 2) генератора 31. Па переднему фронту этого импульса однавибрат«р 32 фер-. мирует кор откий импульс, кс тарый ч е— рез инвертар 14 падается на входы буферного регистра 11 н буферного регистра 16. Таким образом, па окоп <анни каждого цикла апрсса элементондискретного фатапреабразанателя 2 в буферный регистр 16 будет занесено среднее значение сигнала, вычисленное в данном периоде опроса, а показания буферного регистра 11 будут сброшены в данном периоде опроса, а показания буферного регистра 11 будут сброшены в "0", и он будет готов для принятия в следующем цикле опроса суммарного значения сигнала по каждой выборке. Импульс с выхода однавибратара 32 сбрасывает также блок 5 счета.

С выхода D-триггера 15 снимаются прямоугольные импульсы (днагр, м, Аиг, 2), причем на период следования интерференцианных полос (промежуток времени от t да t диагр. а, фиг. 2) приходится один импульс, а ега фронты соответствуют моменту времени, при котором происходит переход ат темной к светлой полосе, и наоборот. Прямоугольные импульсы с выхода D-триггера

15 поступают на вход дифференциатора

17, с выходов которого снимаются короткие импульсы, фаза которых привязана к переднему и заднему фронтам импульса с выхода блока 3 обработки сигнала. С выходов дифференциатора 17 импульсы поступают на входы схемы 18 формирования. Схема 18 формирования в зависимости от состояния блока 5 счета пропускает или импульсы, соответствующие переднему фронту сигнала с выхода блока 3 обработки сигнала, или заднему (диагр. н, фиг, 2), а также пропускает импульс с выхода од- новибратора 32 в случае, если не поступил за время опроса столбцов дискретного фотапреабразователя 2 импульс с выходов дифференциатора 17. По заднему фронту импульса с выхода одно.вибратора 32 происходит занос в блок

5 счета нулей и обнуление блока 6 индикации.

В исходном состоянии, когда объект не движется, и на приемную часть дис1620835

iZ кретного фотопреобраэователя 2 спроецированы две полосы с максимальной и минимальной освещенностью, на первый вход блока 5 счета приходит импульс с выхода схемы 18 формирования в момент когда счетчики в блоке 5 счета уже обнулены импульсом с выхода одновибратора 32. Таким образом, в исходном состоянии показания блока 6 индикации,10 нулевые. При смещении объекта происходит движение полос интерференционной картины, направление которого оп. ределяет знак, а число полос, прошедших по дискретному фотопреобразовате- 15 .лю 2 - его величину. При движении по1 лос последовательно засвечиваются столбцы дискретного фотопреобразователя 2 от I-го до п-го и соответственно последовательно появляются импульсы с выхода схемы 18 формирования. Число импульсов, поступивших с выхода схемы 26 И-HE на третий вход блока 5 счета, соответствует числу опрошенных столбцов фотопреобразова- 25 теля 2. Зто число с приходом импульса на первый вход блока 5 счета пере дается в блок 6 индикации..Число, занесенное в блоке 5 счета, соответствует номеру опрашиваемого столбца ди-.30 скретного Фотопреобразователя 2, на котором находится граница раздела интерференционных полос. Это число ото. бражается на индикаторах младшего разряда (IMP) блока 6 индикации и соответствует смещению дробной части интерференционной полосы.

Схема блока 5 построена так, что обеспечивает увеличение показаний ин ! дикаторов старших разрядов в блоке

6 индикации независимо от знака сме-. щения при появлении цифры 00 после цифры 31 на выходе блока 5 и исключа" ет увеличение показаний индикаторов старших разрядов при возникновении 45 цифры 00 вслед эа цифрой 01. Схема позволяет также уменьшить показания индикатора старшего разряда на 1 при появлении на выходе блока 5 цифры 31 после цифры 00.

Формула из обретения

Оптико-электронное устройство для измерения линейных перемещений, со55 держащее оптически связанные оптическую систему формирования полос и дискретный Фотопреобразователь, светочув ствительный слой которого выполнен в виде системы параллельных электрически изолированных фотоприемников, блок управления, выходы считывания которого соединены с управляющими входами дискретного фотопреобраэователя, последовательно соединенные блок формирователей, выполненный в виде последовательно соединенных дифференциатора и схемы формирования, блок счета и блок индикации, два управляющих выхода блока счета подключены соответственно к управляющим входам схемы формирования, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено блоком обработки сигнала, выполненным в виде последовательно соединенных согласующего усилителя, вход которого подключен к выходу фото преобразователя, и аналого-цифрового преобразователя, управляющий вход которого является первым входом блока обработки сигнала, последовательно соединенных по одной группе входов арифметическо-логического блока, пер вого буферного регистра и мультиплексора, двух инверторов, D-триггера и второго буферного регистра, управляющий вход арифметическо-логического блока соединен с управляющими входами первого буферного регистра и мультиплексора и через первый инвертор — с управляющим входом D-триггера, и является вторым входом блока обработки

-сигналов, первая группа входов арифметическо-логического блока соединена с выходами аналого-цифрового преобра- зователя, вторая группа входов соединена с выходами мультиплексора, третья группа входов соединена с второй группой выходов первого буферного регистра, выход сравнения арифметикологического блока соединен с информационным входом D-триггера, выход которого подключен к входу блока формирования, третья группа выходов буферного регистра соединена с входами второго буферного регистра, выходы второО

ro буферного регистра соединены с второй группой входов мультиплексора, управляющий вход второго буферного регистра через второй инвертор соединен с входом сброса первого буферного регистра и является третьим входом блока обработки сигнала, блок управления выполнен в виде последовательно соединенных генератора тактовых импульсов, схемы счета дешифратора, схемы инверсии кода и схемы согласования, l620835

l 4 выходы которой являются выходами считывания блока управления, первый и второй управляющие входы схемы инверсии кода соединены с управляющими выходами блока счета соответственно, первого одновибратора, вход которого соединен с последним выходом дешифратора, выход соединен с управляющим входом схемы согласования, второго

10 одновибратора, вход которого соединен, с выходом первого одновибратора, третьего одновибратора, вход которого объединен с входом первого одновибратора первой схемы И-НЕ первый вход

У У

15 которой соединен с выходом третьего оцновибратора, а второй вход - с выходом второго одновибратора, а выход — с управляющим входом генератора тактовых импульсов, четвертого од- ю новибратора, вход которого соединен с выходом первой схемы И-НЕ, а выход является третьим выходом блока управления и соединен с третьим входом блока обработки сигнала и третьим y»pа ляющим входом схемы формирования блока формирователей, последовательно сссоединенных первого мультивибратора, вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов, а выход подключен к первому входу блока обработки сигналов, пятого одновибратора, второй схемы И-HE второй вход кото.рой подключен к выходу первого мультивибратора, а выход подключен к управляющему входу блока счета, и второго мультивибратора, выход которого подключен к второму входу блока обработки сигналов.