Амплитудно-фазовый оптический датчик перемещений

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности измерения перемещений за счет устранения погрешностей, связанных с нестабильностью вида информационного и опорного сигналов датчика перемещений и температурных погрешностей при работе оптического датчика перемещений. Амплитудно-фазовый оптический датчик перемещений содержит последовательно соединенные однофазный источник 1 переменного напряжения и излучатель 2 светового потока, оптический сигнал с выхода которого, отражаясь от контролируемой поверхности 21, попадает на фотоприемник 3 отраженного сигнала, где преобразуется в электрический сигнал, первая гармоника которого усиливается избирательным усилителем 7 и подается на первый вход сумматора 8, на второй вход которого подается опорный сигнал с выхода фотоприемника 4 опорного сигнала через фазовращатель 5 и масштабирующее звено 6. Фаза сигнала на выходе сумматора 8 будет пропорциональна перемещению контролируемой поверхности 21. Сигнал с выхода сумматора 8 фильтруется фильтром 10, регулируется блоком 12 и через усилитель-ограничитель 13 подается на первый вход фазометра 16. Сигнал с выхода источника 1 переменного напряжения, корректируясь по фазе блоком 9, фильтруется фильтром 11, регулируется блоком 15 и через усилитель-ограничитель 14 подается на второй вход фазометра 16, причем с амплитудой и скважностью, равными амплитуде и скважности сигнала на первом входе фазометра 16. Фазометр 16 преобразует разность фаз между сигналами на входе в постоянный сигнал на выходе, величина которого пропорциональна перемещению контролируемой поверхности 21. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 В 21/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 4

О

Ф

С) (21) 4717629/28 (22) 11.07.89 (46) 15.08.91. Бюл. М 30 (72) Н. Д. Конаков, А. Н. Трофимов, Т. И. Мурашкина и Г. А. Киреева (53) 531,7(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1404821, кл. G 01 В 21/00, 1986 (54) АМПЛИТУДНО-ФАЗОВЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЙ (57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике. Цель изобретения— повышение точности измерения перемещений эа счет устранения погрешностей, связанных с нестабильностью вида информационного и опорного сигналов датчика перемещений и температурных погрешностей при работе оптического датчика перемещений. Амплитудно-фазовый оптический датчик перемещений содержит последовательно соединенные однофаэный источник

1 переменного напряжения и излучатель 2 светового потока, оптический сигнал с выхода которого, отражаясь от контролируемой поверхности 21, попадает на фотоприемник

3 отраженного сигнала, где преобразуется

„„. Ж„„1670408 А1 в электрический сигнал, первая гармоника которого усиливается избирательным усилителем 7 и подается на первый вход сумматора 8, на второй вход которого подается опорный сигнал с выхода фотоприемника 4 опорного сигнала через фазовращатель 5 и масштабирующее звено 6. Фаза сигнала на выходе сумматора 8 будет пропорциональна перемещению контролируемой поверхности 21. Сигнал с выхода сумматора 8 фильтруется фильтром 10, регулируется блоком 12 и через усилитель-ограничитель

13 подается на первый вход фаэометра 16.

Сигнал с выхода источника 1 переменного напряжения, корректируясь по фазе блоком

9, фильтруется фильтром 11, регулируется блоком 15 и через усилитель-ограничитель

14 подается на второй вход фаэометра 16, причем с амплитудой и скважностью, равными амплитуде и скважности сигнала на первом входе фаэометра 16. Фазометр 16 преобразует разность фаз между сигналами на входе в постоянный сигнал на выходе, величина которого пропорциональна перемещению контролируемой поверхности 21. 2 ил.

1 r0408

p= arctg

И:<ОЕ>Г>етение относится к кон<рольнои <мери<ельной технике и може< Г>ь<о для измерения перемещении обьекlол, I (ель изобретения повышение точнос1и измерения перемещений эа счет устра«е><ия погрешностеи, связанных с нестабильностью вида информационно<о и onopI

l1а фиг. 1 изображена структурная электрическая схема амплитудно-фазового оптического датчика перемещений; на фи<. 2IIf .êòr>ðíàÿ диаграмма формирования выходного сигнала сумматора, Амплитудно-фазовый оптический датчик перемещений содержит последовательно соединенные однофаэный источник 1 переменного напряжения и излучатель 2 свегового потока, фотоприемник 3 отракенного си<нала, оптически связанный с излучателем 2 светового потока, последовательно соединенные фотоприемник 4

of<0(>ll0I о c11rHiIII3, of1THчески cBR33HHhlA с излучателем 2 светового потока. фаэовращатель 5 и масштабирующее звено 6, после довательно соединенные избирательный усилитег<ь 7, вход которого соединен с выходом фотоприемника 3 отраженного сигнала, и сумматор 8, второй вход которого соединен с выходом масштабирующего звена 6, блок 9 коррекции фазы модулирующего сигнала, вход которого соединен с вь<ходом источника 1 переменного напряжения, первь<и и второй полосовые фильтры 10 и 11. входы которых соединены соответственно с вь<хода ли сумматора 8 и блока 9 коррекции фазы модулирующего сигнала, первый блок 12 автоматического регулирования скважности сигналов, первый усилитель-ограничитель 13, вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра 10 и выходом первого блока 12 автоматического регулирования скважносги сигналов, второй усилительограничитель 14, второй блок 15 автоматического регулирования скважности сигналов, выход которого соединен с выходом второго полосового фильтра 11 и вхо дом второго усилителя-ограничителя 14. фазомегр 16, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом первого усилителя-ограничителя 13 и входом первого блока 12 автоматического регулирования скважности сигналов и с выходом в<орогг> усилителя-ограничителя

14 и входом второго блока 15 автоматическо о регулирования скважности си< налов.

Фазо«о<<1 1=, nf.<пплнен в виде последова5

50 тельно соединенных фазового детек гора 17, первый и второй входы которого являются первым и вторым вхолэми фазометрэ 16 соответственно, фильтра 18 низких частот, усилителя 19 постоянного тока, выход которого является выходом фазометра 16, и узла

20 масштабирования выходного сигнала, вход и выход которого соединены соответственно с выходом и входом усилителя 19 постоянного тока.

Амплитудно-фазовый оптический датчик перемещений работает следующим образом.

Однофаэный источник 1 синусоидального напряжения низкой частоты осуществляет амплитудную модуляцию светового потока излучателя 2 светового потока, и модулированный световой поток падает на фотоприемник 4 опорного сигнала и на отражающую поверхность 21 обьекта контроля, от которой отраженный световой поток попадает на фотоприемник 3 отраженного сигнала. На выходах фотоприемников 4 и 3 опорного и отраженного сигналов формируютсЯ гаРмоничеекие сигналы 0пп и Uofp(x) с частотой источника модулирующего напряжения U сдвинутые один относительно другого по фазе на 180 (фиг. 2) эа счет питания фотоприемников напряжением постоянного тока разной полярности. С помощью фаэовращателя 5 и масштабирующего звена 6 формируют сигнал Un. сдвинутый по фазе относительно отраженного сигнала U,n на угол < >(фиг. 2), меньший 90 .

ГаРМОНИЧЕСКИЕ СИГНаЛЫ Uolp(X) И Uon С ВЫХОдов фотоприемника 3 отраженного сигнала через избирательный усилитель 7 и фазовращатель 5. через масштабирующее звено

6 соответственно поступают на первый и второй входы сумматора 8. На сумматоре

8 п роисходит геометрические сложение гаРмонических сигналов Uofp(x) и Uon, и на выходе сумматора 8 фор<лируется реэультиРУЮЩИЙ СИГНаЛ <<рез ВЕКТОР КОТОРОГО ВРа щается вследствие изменения по амплитуде отраженного сигнала U«p(x) в функции перемещения.

Фазу результирующего гармонического сигнала Up (фиг. 2) определяют выражением

"" Ч (1)

<-» и

cUs „» +- — —-v >

Ио<р (><) где fir>-- фаза результирующего сигнала Ul> 1 с выхода сумматора 8.

и Uofp(x)

U„„ — гармонический сигнал с выхода масштабирующего звена 6, 16< 0408

О „< (х) — гармонический сигнал с вь<хадэ избирательного усилителя 7.

РЕЗУЛЬтИРУЮЩИй СИГНаЛ Орe:I С ВЫХОДа сумматора 8 и модулирующий сигнал О- с выхода источника 1 синусоидального напряжения через блок 9 коррекции фазы <лодулирующего сигнала, через паласовые фильтры 10 и 11 соответственно поступают на входы первого 13 и второго 14 усилителей-ограничителей, на выходах которых формируются две последовательности Upend и U двуполярных импульсов прямоугольной формы, которые подается на первый (Бх. 1) и второй (Вх. 2) входы фазового детектора 17, входящего в состав фазоме1ра 16. На выходе фазового детектора 17 иэ двух последовательностей прямоугольных импульсов формируется одна последовательность Оя однополярных прямоугольныx импульсов, длительность которых пропорциональна изменению фазы результирующего сигнала Upe> с выхода сумматора 8, определяемой выражением (1), т. е. пропорциональна измерчемому перемещению X.

Сигнал Ug с выхода фазового детектора

17 поступает через фильтр 18 низких частот на вход усилителя 19 в виде напряжения постоянного тока, т. е. фильтр 18 обеспечивает выделение постоянной составляющей иэ последовательности однополярных импульсов О< прямоугольной формы, Величина постоянного напряжения U= на выходе фильтра 18 пропорциональна длительности импульсов Ug, т. е, пропоациональна измеряемому перемещению X.

Усилитель 19 постоянного тока обеспечивает усиление постоянного напряжения

О- до необходимой величины, и с выхода усилителя 19 выходное напряжение постоЯ ННОГО TOKa Ueb

Избирательный усилитель 7 представляет собой паласовой RC-усилитель, состоящий из последовательного и параллельного соединения нескольких селективных RC-цепей с использованием в качестве активных элементов усилительных микросхем широкого применения и обеспечивающий преимущественно усиление в заданной полосе частот.

Введение избирательного усилителя 7 и паласовых фильтров 10 и 11 повышает точность измерения за счет уменьшения коэффициента нелинейных искажений формы синУсоиДдльных сигналаВ Оо<р(х), Орез, и О- и ослабления мешающего действия фоновых засветок на эти сигналы.

< <о абьчс. ч» сч I o!1 <та !1. T!Ilðà IBBB нь<й усилитель 7уги.<11вэ<1 п рв< к< гэрл<онику сигнала Uo p(x), а TBKKKB Ko!1би <эц<<онные частоты. почвля<ощиегч а < пеаел<ещенич отражающей поверхности 21, с частотой, lIC ilpPBI,lIlJaIOLl B реаf

Вь<сг<«ие гармоники сигнала ослабляются избирательным усилителел<. тэк к;<к они оказываются эа пределами его паласы пропуска нич.

Полосовь<е филь1ры 10 и 11 пропускают бе-1 ocf.aáflåíèë сигналы Ul e> и U- и их комбинационные IacTorb!, рэсположеннь<е

В паласе пропусканич, и ослэблчнэт все мешающие сигналы с час1о.ами, меньшими нижней границы паласы пропускэнич фильтра (нaпример часто, э питающе<1 сети 50 Гц и ее г<ь<сшие гарма <ики) и большими Вррхнеи границы палась< llpol ускания фильтра (например фоновые засветки от источников света)

Вследствие э<ага у<ленывается искэжеНPIP фоPìû синУсаиД<элы

Повь<шение точности измерений достигаетсч и зэ счет введения г, состав устройства двух усилителей-ограничителей 13 и 14, работающих с блоками 12 и 15 автоматического регулирования скважности сигналов.

Введение двух ус< лителей-ограничителей обеспечивает равенства результирующего Ор„и модулирую<цега U напряжений на сигнальных входах фазометра 16, что уменьшает погрешность измерения, обусловленнуlo неравенством,«лплитуд сигналов, лежду которыми изл<ерчетсч разность фаз.

Введение в состав устройства двух блоков 12 и 15 автомати <аcKoco регулирования скважности РезУльтиРУюЩего Ор, и моДУлирующего U-сигналов с Выхода усилителейогрэничителей 13 и 14 соответственно уменьшает температурную погрешность устройства, так как блоки 12 и 15 работают в следящем режиме за скважностью прямоУгольных сигналов Ор,, и U— - и автоматически поддерживают сквам«ость О этих сигналов равной г<-- 2. В результате повышаетсч точность измерения перемещений.

Повышение точности измерения за счет использования блока 9 коррекции фазы модулирующего сигнэлэ и узла 20 масштабирования выходного сигнала заключается в следующем В процессе эксплуатации вследствие временнои нестабильности соСТВВНЫХ ЭЛЕ1ЛЕНТОВ <<ÑTPO

Для исключения смещения нуля выходной характеристики устройства с помощью блока 9 коррекции фазы модулирующего сигнала 0-, представляющего собой регулируемый фазовращатель, плавно смещают фазу модулирующего сигнала U- на втором входе фазометрэ 16, относительно которого измеряют фазу результирующего Up+> сигнала так, что выходная характеристика устройства приближается и совпадает с исходной выходной характеристикой, снятой при градуировэнии прибора в процессе изготовления, Помимо смещения нуля выходной характеристики устройства вследствие временной нестабильности и дестабилизирующих факторов (температура и другие) в процессе эксплуатации может изменяться масштаб преобразования устройства, что также приводит к снижению точности измерения.

Дпя исключения изменения масштаба преобразования устройства с помощью узла 20. включенного между выходом и входом усилителем 19 постоянного тока фазометра, изменяют масштаб преобразования так, чтобы выходная характеристика устройства совпадала с исходной выходной характеристикой, снятой при градуировании устройства в процессе изготовления.

В результате регулирования масштаба преобразования устроиства перед проведением измерений в процессе эксплуатации. с помощью узла 20 исключается возникающее изменение чувствительности устройства, обусловленное воздействием дестабилизирующих факторов и временной нестабильностью составных злементов устройства. т р повышается точность перемео ений

Формула изобретения

Ампп тудно фазовый оптический датчик пере . ел!"«1 i. содержащий последова10

50 ельно соединенные источник переменного напряжения и излучатель светового потока, фотоприемник отраженного сигнала, оптически связанный с излучателем светового потока. последовательно соединенные фотоприемник опорного сигнала, оптически связанный,с излучателем светового потока, фазовращатель и масштабирующее звено, сумматор, второй вход которого соединен с выходом масштабирующего звена, и фазометр, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерения, он снабжен избирательным усилителем, блоком коррекции фазы модулирующего сигнала, первым и вторым полосовыMè фильтрами, первым и вторым усилителями-ограничителями, первым и вторым блоками автоматического регулирования скважности сигналов, входы которых соединены соответственно с BbIходом первого усилителя-ограничителя и первым входом фазометра и с выходом второго усилителя-ограничителя и вторым входом фазометра, а выходы соединены соответственно с выходом первого полосового фильтра и входом первого усилителя-ограничителя и с выходом второго полосового фильтра и входом второго усилителя-ограничителя. вход избирательного усилителя соединен с выходом фотоприемника отраженного сигнала, выход соединен с первым входом сумматора, выход которого соединен с входом первого полосового фильтра, вход блока коррекции фазы модулирующего сигнала соединен с выходом источника переменного напряжения, выход соединен с входом второго полосового фильтра, фэзометр выполнен в виде последовательно соединенных фазового детектора, первый и второй входы которого являются первым и вторым входами фазометра соответственно, фильтра низких частот и усилителя постоянного тока. выход которо о является выходом фазометра и узла масштабирования выходного сигнала, вход и выход которого соединены соответственно с выходом и входом усилителя постоянного тока.

1670408 к pm@(s) amp(4

Составитель С. Конюхов

Редактор В. Фельдман Техред М.Моргентал Корректор О, Кундрик

Заказ 2738 Тираж 367 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул,Гагарина, 101