Оптоэлектронный датчик линейных перемещений

 

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повышение надежности за счет применения грубого и точного отсчета и упрощение конструкции за счет применения фотоприемника с одним выходом и общего для каналов формирователя фаз. Шкала 6 грубого отсчета имеет вид пластины с непрозрачным прямоугольным треугольником, больший из катетов которого расположен параллельно направляющим 2 и равен диапазону перемещения головки 1, а меньший катет равен длине фоточувствительной области ПЗС, а шкала точного отсчета выполнена в виде пластины с рядом равнобедренных треугольников , основания которых лежат на одной линии и каждое из них равно двойному диапазону измерения ПЗС, а высота треугольников равна длине фоточувствительной области ПЗС, шкалы установлены параллельно друг другу и так, чтобы вершины треугольников шкалы 7 точного отсчета попадали в точки, в которых показания канала грубого отсчета меняются на единицу младшего разряда. 5 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s G 01 В 21/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4650286/28 (22) 14.02.89 (46) 07,10.91, Бюл. Q 37 (71) Московский авиационный институт им, Серго Орджоникидзе (72) А.АЯгудин, M.Þ.Ñåìèí и А,М.Мацук (53) 531.7 (088.8) (56) Вульвет Дж. Датчики в цифровых системах, M.: Энергоиздат, 1981, с. 94-99. (54) ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ДАТЧИК ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повышение надежности за счет применения грубого и точного отсчета и упрощение конструкции за счет применения фотоприемника с одним выходом и общего для каналов формирователя фаз. Шкала 6 грубого отсче„„5LI „„1682781 А1 та имеет вид пластины с непрозрачным прямоугольным треугольником, больший из катетов которого расположен параллельно направляющим 2 и равен диапазону перемещения головки 1, а меньший катет равен длине фоточувствительной области ПЗС, а шкала точного отсчета выполнена в виде пластины с рядом равнобедренных треугольников, основания которых лежат на одной линии и каждое из них равно двойному диапазону измерения ПЗС, а высота треугольников равна длине фоточувствительной области ПЗС, шкалы установлены параллельно друг другу и так, чтобы вершины треугол ьн и ко в ш кал ы 7- точ но со отсчета попадали в точки, в которых показания канала грубого отсчета меняются на единицу младшего разряда, 5 ил.

1682781

50

Изобретение относится к измеритель, ной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений различных объектов.

Цель изобретения — повышение надежности за счет применения грубого и точного отсчета и упрощение конструкции за счет применения фотоприемника с одним выходом и общего для каналов формирователя фаз.

На фиг. 1 изображена конструктивная схема датчика, на фиг. 2 — блок-схема электронной части датчика; на фиг, 3 — эпюры электрических сигналов электронного блока; на фиг. 4 — схема, поясняющая принцип сопряжения грубого и точного каналов; на фиг. 5 — ал горитм работы вычислителя.

Датчик содержит (фиг. 1) сканирующую головку 1, установленную на направляющих

2, состоящую из оптически связанных источника 3 излучения и двух фотоприемников

4 и 5, выполненных в виде линейных приборов с зарядовой связью (ПЗС). Система шкал содержит шкалу 6 грубого отсчета, представляющую собой пластину с непроз .;.чным прямоугольным треугольником, больший из катетов которого расположен параллельно направляющим 2 и равен диапазону перемещений головки 1, а меньший из катетов равен длине фоточувствительной области фотоприемника 4, и шкалу 7 точного отсчета, представляющую собой ряд идентичных непрозрачных равнобедренных треугольников, основания которых расположены на общей линии, параллельной направляющим 2, длина основания каждого из треугольников равна двойному диапазону измерений фотоприемника 5, а высота треугольников равна длине фоточувствительной области фотоприемни ка 5, выполненного в виде линейного ПЗС, фотоприемники расположены с внешних сторон каждой из шкал 6 и 7 по обе стороны от источника 3 излучения, находящегося между шкалами 6 и 7.

Электронный блок содержит (фиг. 2) формирователь 8 фаз, вычислитель 9, два канала 10 и 11 грубого и точного отсчета, каждый из которых содержит последовательно соединенные фильтры 12 и 13 нижних частот, дифференцирующие каскады 14 и 15, компараторы 16 и 17, триггеры 18 и 19, элементы 20 и 21 совпадений, выходы формирователя 8 фаз соединены с управляющими входами ПЗС 4 и 5, выходы которых соединены с фильтрами 12 и 13 нижних частот, второй вход триггеров 18 и 19 соединен с выходом переноса формирователя 8 фаз, второй вход элементов 20 и 21 совпадений соединен с тактовым выходом формирователя 8 фаэ, а выходы элементов 20 и

21 совпадений соединены с входами вычислителя 9.

Датчик работает следующим образом. При перемещении сканирующей головки 1 по направляющим 2 засвечивается большее или меньшее число фоточувствительных элементов ПЗС. Электрический сигнал с выхода первого ПЗС 4 (или второго

5) представляет собой последовательность

"темных" (малых) и "светлых" (больших) импульсов (эпюра 1, фиг, 3). Фильтр 12 (или 13) нижних частот выделяет огибающую этих импульсов (эпюра 2, фиг. 3), а дифференцирующий каскад 14 (или 15) вырабатывает импульс на месте границы светотени (эпюра

3, фиг. 3), Компаратор 16 (или 17) нормализуе этот импульс (эпюра 4, фиг, 3) и подает его на первый выход триггера 18 (или 19), устанавливая его в "0" (эпюра 6, фиг. 3) Импульс переноса формирователя 8 фаз, поданный на второй вход триггера 18 (или

19) (эпюра 5, фиг. 3), устанавливает его в "1".

Сформированный таким образом импульс триггера поступает на первый вход элемента 20 (или 21) совпадений, на второй вход которого приходят тактовые импульсы с формирователя 8 фаз (эпюра 7, фиг. 3), На выходе элемента 20 (или 21) вырабатывается пачка импульсов (эпюра 8, фиг. 3), число которых пропорционально смещению светотени на ПЗС, т.е, перемещению сканирующей головки 1 по каналу грубого и точного отсчета, Вычислитель 9 подсчитывает число импульсов Ai no каналу грубого отсчета и В по каналу точного отсчета(головка 1 находится в сечении х) и производит процедуру согласования показаний по грубому и точному отсчетам. Процесс согласования каналов поясняется фиг. 4. На ней показаны совмещенные в пространстве лимбы двух каналов, причем длина основания непрозрачного треугольника канала 10 грубого отсчета (ГК) ранна диапазону перемещения L головки 1, а основание треугольника I канала 11 точного отсчета (ТК) равно удвоенному диапазону измерений канала 11 точного отсчета

I =2 (Ви- В.о), (1) где Bg и  — максимальное и минимальное значения показаний ТК.

Соответственно Ап и Ao — показания ГК.

Соотношения между L и (выбирают так, чтобы

1=2 „, (2) где и — информационная емкость ПЗС;

m — число фаз ПЗС.

Шкалы грубого и точного отсчета располагаются друг относительно друга таким об1682781

10 разом, чтобы вершины треугольников ТК попадали в точки, в которых показания ГК меняются.на единицу младшего разряда, т.е. вершины треугольников ТК попадут на четные значения ГК, а основания — на нечетные или наоборот, Для формирования линейной статической характеристики датчика вычислитель производит действия с показаниями ГК и ТК по алгоритму, приведенному на фиг. 5. При этом характеристика датчика будет монотонно возрастающей или убывающей при сканировании головки.

Приведем расчет разрешающей способности х предложенного датчика, у которого в качестве фотоприемника применяется

ПЗС типа 1200 ЦЛ 1. Она определяется по формуле

I х = „ (3) Тогда для N = 1000, m = 3

I-2 1050 Т 0,67 мм

0,67

2 1000 3

Однако сигнал с выхода ПЗС имеет случайную составляющую порядка от одной до трех единиц младшего разряда, поэтому реальная точность х = 1 мкм, что также достаточно для диапазона в 1 м, при этом основания равнобедренных треугольников равны I - 6,7 мм, нанесение таких треугольников не представляет технологических затруднений.

Формула изобретения

Оптоэлектронный датчик линейных перемещений, содержащий направляющие, сканирующую головку, установленную на направляющих и содержащую источник излучения и два фотоприемника, две шкалы

40 отсчета и электронный блок, о т л и ч а юшийся тем, что. с целью повышения надежности и упрощения конструкции, одна шкала выполнена в виде пластины с непрозрачным прямоугольным треугольником, больший из катетов которого расположен параллельно направляющим и равен диапазону перемещения сканирующей головки, а меньший из катетов равен длине фоточувствительной области фотоприемника и является шкалой грубого отсчета, вторая шкала выполнена в виде пластины с рядом идентичных непрозрачных равнобедренных трегоульников, основания которых расположены на одной линии, параллельной направляющим, длина каждого из оснований равна двойному диапазону измерений фотоприемника, а высота треугольников равна длине фоточувствительной области фотоприемника и является шкалой точного отсчета, фотоприемники выполнены в виде приборов с зарядовой связью, расположены с внешней стороны соответствующих шкал, а источник излучения выполнен протяженным и расположен между шкалами напротив фотоприемников, электронный блок выполнен в виде формирователя фаз, вычислителя и двух каналов грубого и точного отсчета, каждый иэ которых содержит соединенные последовательно фильтр нижних частот, дифференцирующий каскад, компаратор, триггер и элемент совпадения, вторые входы триггеров и элементов совпадения каналов соединены соответственно с выходом переноса и тактовым выходом формирователя фаз, управляющие выходы которого соединены с управляющими входами фотоприемников, а выходы элементов совпадения каналов подключены ксоответствующим входам вычислителя.

1682781

f 682781

1682781

Выход

Выход

C0cT68HT8llb Е. II33Koss

Редактор В. Данко Техред М.Моргентал - Корректор М. Шароши

Заказ 3402 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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