Фотоэлектрический преобразователь перемещений

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности измерений за счет устранения ошибки, вызванной нестабильностью напряжения источника питания. Цель достигается тем, что перед каждым каналом регистрации устанавливается блок деления сигнала. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

1670412 À1 () 9) (I I) (51)5 6 О1 В 21/00

ГОСУДАРСТВЕН(ЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ()с 4

О

С

Ю (21) 4757931/28 (22) 09.11.89 (46) 15.08.91. Бюл. М 30 (72) В. В. Ефимов (53) 531.7(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N. 1585679, кл. G 01 В 21/00, 1988. (54) ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для контроля, индикации и измерения перемещений различных контролируемых объектов.

Цель изобретения — повышение точности измерения за счет устранения ошибки, вызванной нестабильностью напряжения источника питания.

На фиг. 1 изображена структурная схема преобразователя; на фиг. 2 и 3 — теневая маска в исходном и рабочем положениях соответственно; на фиг. 4 — распределение потенциала по длине резистивного слоя фотопотенциометра.

Фотоэлектрический преобразователь перемещений содержит источник 1 света, последовательно установленные по ходу светового луча теневую маску 2, жестко связываемую с объектом контроля и имеющую два равновеликих прозрачных окна, и фотопотенциометр 3 с источником 4 питания.

Реэистивный слой 5 фотопотенциометра 3 имеет выводы на концах, соединенные с одной клеммой источника 4, средний вывод 6 и симметрично расположенные относительно него выводы 7 и 8. Фотопроводящий 9 и коллекторный 10 слои фотопотенциометра 3 разделены по поперечной оси диэлектриче(57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Цель изобретения — повышение точности измерения за счет устранения ошибки, вызванной нестабильностью напряжения источника питания. Цель, в частности, достигается тем, что перед каждым каналом регистрации устанавливают блок деления сигнала.

4 ил, ским слоем 11, Обе части коллекторного слоя 10 имеют по одному выводу 12 и 13.

Средний вывод 6 через измеритель 14 тока подключен к второй клемме источника 4.

Маска 2 расположена в плоскости, перпендикулярной оптической оси источника 1 света, и имеет окна. одноименные точки которых симметричны относительно оптической оси источника 1, а их сечения, параллельные оси чувствительности фотопотенциометра 3, монотонно изменяются.

Преобразователь содержит также три канала регистрации угловых, вертикальных и горизонтальных перемещений, которые включают в себя первые усилитель 15, блок

16 сравнения и блок 17 деления, вторые усилитель 18 и блок 19 сравнения, третьи усилитель 20 и блок 21 сравнения. первый блок 22 умножения, четвертые усилитель

23 и блок 24 сравнения, второй блок 25 умножения, сумматор 26 и второй 27, третий 28 и четвертый 29 блоки деления. Выход измерителя 14 через последовательно соединенные блоки 27, 15 и 16 подключен к первому входу блока 17, к второму входу которого через блоки 18 и 19 подключен выход блока 27. Симметричные выводы 7 и

8 через блок 28 подключены к первому входу блока 22, к второму входу которого через

1670412 (3) 1—

k (а — 11) (а — 12) (5) (6) (7) где (8) 1, = 2kk> (a-k,); (а 1с )é

4Ь, k (a-kÄ и 2b kt (9) блоки 20 и 21 подключен выход блока 17.

Выводы 12 и 13 через блок 29 подключены к первому входу блока 25, к второму входу которого через блоки 23 и 24 подключен выход блока 17, который является первым выходом преобразователя. Выход блока 22 является вторым выходом преобразователя и подкл очен к первому входу сумматора 26, к второму входу которого подключен выход блока 25, а выход его является третьим выходом преобразователя. Выход источника 4 подключен к второму входу блока 27 и третьим входам блоков 28 и 29.

Преобразователь работает следующим образом.

Луч света от источника 1, проходя через прозрачные окна маски 2, попадает на фотопотенциометр 3. Освещенные участки фотопроводящего слоя 9, сопротивление которых становится пренебрежимо малым, шунтируют через соответствующие участки коллекторного cflQH 10, сопротивление которого также пренебрежимо мало, расположег7ные над ними участки резистивного слоя 5. В исходном состоянии (фиг..2) начало системы координат O X„Y„теневой маски

2 и начало системы координат OXY фотопотенциометра лежат íà оптической оси источника 1 света, При этом распределение потенциала на резистивном слое 5, длина которого равна 2а, имеет вид, представленный штриховой линией на фиг. 4, На BblBQдах 7 и 8, расположенных на расстоянии Ь от среднего вывода 6, равные потенциалы, а напряжение между ними равно нулю, что свидетельствует об отсутствии перемещения по oc» Y, Потенциалы выводов 12 и 13, соответствующие горизонтальным участкам графика распределения потенциала фиг. 4, также равны, что определяет нулевое напряжение между ними, свидетельствуя об отсутствии перемещения по оси Х. Измеритель 14 тока при этом определяет некоторое значение, соответствующее нулевому перемеще1ию по углу 0. На всех трех выходах преобразователя нулевые сигналы. При перемещении контролируемого объекта вместе с маской 2 по оси Х на ЛХ, по оси Y на

Л Y и на угол О вокруг оптической оси источника 1 света положение маски 2 относительно системы координат OXY принимает вид, представленный на фиг, 3. Соответствующее этому положению распределение потенциала резистивного слоя 5 изображено на фиг. 4 сплошной линией. Напряжение между выводами 7 и 8 определяют выражениеM

= r 4 . (1) UI 11 — 12 (а — 11) (а — 12) 5

55 где U — напряжение источника 4 питания, Напряжение между выводами 12 и 13 определяют выражением

Ux =ф1 P2= (2) U (OXiga lz - ОХз а-Я) (а — 11) (а — 12) Значение силы тока, протекающего через измеритель 14, равно где k — коэффициент, характеризующий сопротивление участка единичной длины резистивного слоя 5.

С учетом формы и размеров окон маски

2 (фиг, 2), расположения базисов OXY u

ОмХмУм (фиг, 3), малости перемещений

h,Х, AY и О и пренебрегая составляющими второго порядка малости, записываем приближенные вЫражения

11= (1+ 2kz Л Y+ k8 О;

12= k1 2k2 A Y+ k3 9

ОХ1= k4+ ЛХ вЂ” kz Л Y — (с5 0, (4)

ОХз- k4 — 7"ъ Х+ k2 Л У вЂ” k5 0; где k1=0MXzM-OMXi>=OMX4>-О Хз;

kz=N

1 3=1<2(0мХ2м+Ом Х1м)="2(ОмХ4м+ОмХзм);

k4=0MX1M=OMX3M

1 5=1 21 4

Подставив выражения (4) в (1) — (3), определяем искомые значения перемещений к8 k71

"8 "9 1

A Y = k1P Uy k11Uy О;

Л Х = к120„— 11з Ох 0+ k14 A Y. (,=2(а-1,)1(и (в-kil t (в =2k> ВЬК, 7

"з(в- k I „ 0-1с 4, ч 20ЬМ7 20 U

k (u- 141

k„: — — — Представим выражение для коэффициентов 1ц и kg k12 в виде

1670412

Тогда выражения для углового и линейных перемещений можно записать в окончательном виде

О

0—

"8 — к9—

О

Л Y = (14 — k110) — ";

U

Л X = (4 — ез 0) — + 14 Л У, Uõ

U (10) (12) Сигнал, соответствующий силе тока 1, поступает с выхода измерителя 14 в блок 27 деления, где он делится на сигнал U, соответствующий напряжению источника 4, Сигнал отношения I/U с выхода блока 27 усиливается в усилителях 15 и 18 в Кт и kg раз соответственно, сравнивается в блоках

16 и 19 сравнения с сигналами k6 u kg соответственно. а результаты сравнения делятся в блоке 17 друг на друга, формируя на первом выходе преобразователя сигнал углового перемещения О в соответствии с выражением (10). Сигнал U) с выводом 7 и

8 делится в блоке 28 на сигнал О с выхода источника 4, а результат деления поступает на первый вход блока 22, Сигнал О с выхода блока 17 усиливается в усилителе в k11 раэ, сравнивается в блоке 21 с сигналом k)p, а результат сравнения умножается на сигнал Uy/U в блоке 22, на выходе которого формируется сигнал вертикального перемещения ЛУ согласно выражению (11). Сигнал Ох с выводов 12 и. 13 делится в блоке 29 на сигнал U с выхода источника

4: Сигнал отношения Ох/U поступает на первый вход блока 25. Сигнал О с выхода

° блока 17 усиливается в усилителе 23 в kz раз, сравнивается в блоке 24 с сигналом

k)2, результат сравнения перемножается в блоке 25 с сигналом Ux/U и поступает на вход сумматора 26. На другой вход сумматора 26, масштабный коэффициент которого равен 114, поступает сигнал bY с выхода блока 22. Таким образом, на выходе сумматора 26 формируется сигнал горизонтального перемещения согласно выражению (12).

Преобразователь перемещений по сравнению с выбранным прототипом характеризуется более высокой точностью измерения перемещений. Это обусловлено тем, что выходные сигналы преобразователя-прототипа формируются в соответствии с выражениями (5) — (7). При этом значения входящих в данные выражения коэффициентов kg k14 считаются постоянными, В соответствии с принятыми постоянными значениями этих коэффициентов, которые определяются по выражениям (8), настраиваются соответствующие усилители и блоки сравнения каналов регистрации пре5 образователя-прототипа, В течение всего процесса измерения настройка этих блоков остается неизменной. Если при неизменных значениях перемещений 0, Л Y и Л Х изменяется напряжение питания U источни10 ка 4 на величину е U, то выходные сигналы получают приращения в соответствии с выражением ОH

UQ ) ULl)

ЗLl ч(аЧ) = — vIJ. ) (а9)

Э(1 ) (л к ) ,ц, ч(ьх1 с — ро

3Lj

20 аВ B(k,k,-k,k„) ("в-" iPJ) га-(е, е,) „I з-e,lla.е, 3lаУ) ) л, в )д а)) E E вы " аи, АblE, Е,) (а-e,))а-е,) )u

E,-E, во а))

° C(E „ ),„)) — ), ф 19 в0

al«) 11,)а е,),а,,а е„

1Ф

3u;à-k,))а е ) ,с*

30

При этом под коэффициентами k)-k)4 в последних выражениях понимают значения, в соответствии с которыми производится настройка преобразователя до

35 изменения напряжения К то есть до начала процесса измерения, Очевидно, что значения производных, а следовательно, и всех трех приращений, отличны от нуля. Этим определяется ошибка измерения, обуслов40 ленная нестабильностью источника 4 питания и характерная для преобразователя прототипа. В преобразователе выходные сигналы фОрмируются каналами регистрации в соответствии с выражениями (10К12).

45 При этом усилители 15, 18, 20 и 23, блоки 16, 19, 21 и 24 сравнения и первый вход сумматора 26 настроены в соответствии со значениями коэффициентов k7), kgl,,k11), kg, k6, ka.

I к10, k17 и k14, KoTopble, KBK следует иэ выра50 жений (8) и (9), не зависят от U, С учетом последнего и, подставив в выражения (10)— (12) выражения (3), (1) и (2) соответственно, нетрудно убедиться в том, что значения выходных сигналов не зависят от U. Следо55 вательно, ошибка от нестабильности источника питания отсутствует, что повышает точность измерения, Таким образом, цель изобретения достигнута.

Использование преобразователя перемещений позволяет повысить точность

1670412

25

35

40 регистрации и контроля положения различных объектов с несколькими степенями свободы.

Формула изобретения

Фотоэлектрический преобразователь перемещений, содержащий источник света, последовательно установленные по ходу светового луча теневую маску с двумя равновеликими окнами, жестко связываемую с контролируемым объектом, фотопотенциометр с источником питания и три канала регистрации угловых, вертикальных и горизонтальных перемещений, плоскость теневой маски перпендикулярна оптической оси источника света, окна выполнены так, что их одноименные точки расположены симметрично относительно оптической оси источника света, а величины их сечений, параллельных оси чувствительности фотопотенциометра, монотонно изменяются, резистивный слой фотопотенциометра имеет выводы на концах, соединенные с одной клеммой источника питания, вывод в середине и два вывода, расположенных симметрично среднему, фотопроводящий и коллекторный слои фотопотенциометра разделены диэлектрическим слоем вдоль поперечной оси фотопотенциометра, каждая часть коллекторного слоя имеет вывод, средний вывод резистивного слоя фотопотенциометра подключен через измеритель тока к второй клемме источника питания, канал регистрации угловых перемещений содержит последовательно соединенные первый усилитеЛь, первый блок сравнения и первый блок деления, выход которого является первым выходом преобразователя, и последовательно соединенные второй усилитель, вход которого соединен в общую точку с входом первого усилителя, и второй блок сравнения, выход которого подключен к второму входу первого блока деления, канал регистрации вертикальных перемещений содержит третий усилитель, третий блок сравнения и первый блок умножения, канал регистрации горизонтальных перемещений содержит четвертый усилитель, четвертый блок сравнения, второй блок умножения и сумматор, выход которого является третьим выходом преобразователя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения за счет устранения ошибки, вызванной нестабильностью напряжения источника питания, дополнительно введены второй блок деления, первый вход которого подключен к выходу измерителя тока, второй— к выходу источника питания, а выход — к входам первого и второго усилителей, третий блок деления, первый и второй входы которого подключены соответственно к первому и второму симметричным выводам резистивного слоя фотопотенциометра, третий — к выходу источника питания, а выход подключен к входу первого блока умножения, и четвертый блок деления, первый и второй входы которого подключены соответственно к выводам первой и второй частей коллекторного слоя фотопотенциометра, третий — к выходу источника питания, а выход — к входу второго блока умножения. выход первого блока деления подключен через последовательно соединенные третий усилитель и третий блок сравнения к второму входу первого блока умножения, выход которого подключен к входу сумматора и является вторым выходом преобразователя и через последовательно соединенные четвертый усилитель и четвертый блок сравнения — к второму входу второго блока умножения, выход которого подключен к второму входу сумматора.

1670412

1670412 фи24

Сос гавитель Е, Глазкова

Редактор М. Кобылянская Техред М,Моргентал Корректор О. Кундрик

Заказ 2738 Тираж 364 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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