Устройство для измерения перемещения объекта

 

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности измерения при малых скоростях перемещения объекта. Растровый преобразователь 1 формирует четыре сигнала, сдвинутые друг относительно друга на 90° На выходе аналогового коммутатора 3, под управлением блока 2 определения квадранта, формируется сигнал треугольной формы. Аналого-цифровой преобразователь 4 преобразует амплитуду сигнала треугольной формы в позиционный код. Элемент 5 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ совместно с блоком 6 фазового коммутатора формируют измерительные импульсы в зависимости от направления перемещения объекта. Число измерительных импульсов подсчитывается блоком 8 подсчета импульсов . 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУбЛИК (м)э G 01 В 21/22

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОП И САН И Е И ЗОБ РЕТЕ Н ИЯ ..

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4790072/28 (22) 12.02.90 (46) 07.12.92. Бюл. ЬЬ 45 (71) Научно-исследовательский институт технологии машиностроения (72) С.П.Дмитриев, В.B.Áàðàíoâ. Il,Ì.Êóçíåцов и EO.À.Áûñòðoâ (56) Д.Вульвет. Датчики в цифровых системах, М., Энергоиздат, 1981, с.50, рис.2.21.

Авторское свидетельство СССР

N 864131, кл. G 01 P 3/46, 1978 (прототип). (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ОБЪЕКТА (57) Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения — повышение точности измерения при малых

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического управления технологическими процессами.

Известно устройство для измерения перемещения, содержащее растровый преобразователь и интерполятор.

Недостатком устройства является многократное преобразование информационного сигнала, что снижает точность измерения.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для измерения перемещения, содержащее растровый преобразователь с четырьмя выходами, блок определения квадранта сигналов, четыре входа которого подключены к выходам растрового преобразователя, аналоговый коммутатор, информационные и уп„„ЯЦ„„1779923 А1 скоростях перемещения объекта, Растровый преобразователь 1 формирует четыре сигнала, сдвинутые друг относительно друга на 90 На выходе аналогового коммутатора

3, под управлением блока 2 определения квадранта, формируется сигнал треугольной формы. Аналого-цифровой преобразователь 4 преобразует амплитуду сигнала треугольной формы в позиционный код.

Элемент 5 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ совместно с блоком 6 фазового коммутатора формируют измерительные импульсы в зависимости от направления перемещения объекта. Число измерительных импульсов подсчитывается блоком 8 подсчета импульсов. 3 ил.

Ъ равляющие входы которого подключены соответственно к выходам растрового преобразователя и блока определения квадранта сигналов, блок подсчета импульсов. Ю

Недостатком устройства является не- 4Q достаточная точность, связанная с по- Я грешностями преобразования крутизны () промежуточного информационного сигнала пилообразной формы в частоту.

Целью изобретения является повышение точности измерения при малых скоростях перемещения объекта.

Указанная цель достигается тем, что устройство для измерения перемещения объекта, содержащее растровый преобразователь с четырьмя выходами, блок определения квадранта сигналов, четыре входа которого подключены к выходам растрового преобразователя, аналоговый коммутатор, 1779923 информационные и управля ащие входы которого подключены соответственно к выходам растрового преобразователя и блока определения квадранта сигналов, блок подсчета импульсов. снабжено аналого-цифровым преобразователем, вход которого

- подключен к выходу аналогового коммутатора, элементам ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ с инверсией, входы которого подключены к двум младшим разрядам аналого-цифровага преобрэзанателя, блоком фазового коммутатора, входы которого подключены к второму младшему разряду аналого-цифронага преобразователя и ныхаду элемента

ИСКЛ10ЧАЮЩЕЕ ИЛИ с инверсией, дискретным коммутатором, два информационных и четыре упранлл ащих входа которого падкп ачены саа|ветстненно к выходам блока фазового коммутатора и выходам блока определения квадранта сигнапан, выходы дискретного коммутатора соединены с двумя входами блока подсчета импульсов.

На фиг.1 приведена функциональная схема устройства; на фиг,2 — временные диаграммы входных и выходных сигHBfloB блока определения квадранта сигналов и выходного сигнала аналогового коммутатора; а фиг.3 — временные диаграммы выходных сигналов элементов устройства, обеспечивающих формирование и счет импульсов преобразованных сигналов.

Устройство содержит растровый преобразователь 1 с четырьмя выходами, блок 2 определения квадранта сигналов, четыре входа которого падкп ачены к выходам растранога преобразователя 1, аналоговый . коммутатор 3, информационные и упранля ащие ахады которого подключены саатнетствен о к выходам растрового преобразователя

1 и блока 2 определения квадранта сигналов, аналого-цифровой преобразователь 4 (АЦП), вход которого подключен к выходу аналогового коммутатора 3, элемент 5 ИСКЛ!ОЧА!ОЩЕЕ ИЛИ с инверсией, входы каторога подключены к двум младшим разрядам АЦП 4, блок 6 фазового коммутатора, входы которого подключены к второму младшему разряду АЦП 4 и выходу элемента

5 ИСКЛ!ОЧАЮЩЕЕ ИЛИ с инверсией, дискретный коммутатор 7, дна информационных и четыре управляющих входа которого подключены соответственно к выходам блока 6 фазового коммутатора и выходам блока

2 определения квадранта сигналов, и блок 8 подсчета импульсан. дна входа которого подключены к выходам дискретного коммутатора 7, Функциональная схема возможного варианта реализации растранага преобразанателя 1 (ct4.ôèã,1) садер>кит модулятор 9, 5

50 который выполнен в виде оптически связанных источника света, измерительного растра, механически связанного с перемещаемым обьектом и снабженного шкалой с постоянным шагом штрихов, и неподвижного растра, имеющего четыре участка штрихов, смещенных на четверть шага измерительного растра, четыре фотоприемника 10-13, которые установлены за растровым сопряжением таким образом, что на каждый из них поступает световой поток, сдвинутый по пространственной фазе на л /2 относительно предыдущего фотоприемника, и включены попарно через один по балансной схеме, дна усилителя 14 и 15 фототоков и два инвертора 16 и 17, входы которых подключены к выходам усилителей

14 и 15 фатотокон. Выходы усилителей 14 и

15 фототоков и выходы иннертарон 16 и 17 являются выходами растрового преобразователя 1.

Функциональная схема возмо>кнога варианта реализации блока 2 определения квадранта сигналов (фиг.1) содержит четыре кампаратара 18-21 и четыре логических элемента 22-25 И, каждый из которых имеет два входа. Входами блока 2 определения квадранта сигналов являются соединенные между собой: измерительный и опорный входы компаратарав 18 и 21; опорные входы компараторов 18 и 19; измерительный и опорный входы кампаратаров 19 и 20; измерительные входы кампараторон 20 и 21.

Кампаратары 18-21 подключены к входам логических элементов 22-25 И следующим образом: выход кампаратора 18 соединен с первыми входами элементов 22 и 25 И; выход компаратора 19 соединен с первым входом элемента 23 И и вторым входом элемента 22 И; выход компаратора 20 соединен с вторыми входами элементов 23 и 24 И: выход компаратора 21 соединен с первым входом элемента 24 И и вторым входом элемента 25 И4, Выходы логических элементов 22-25 И являются выходами блока 2 определения квадранта сигналов.

Возможный вариант реализации блока

6 фазоного коммутатора (фиг.1) содержит два инвертара 26 и 27, входы которых являются входами блока 6 фазового коммутатора, первый дифференцирующий элемент 28, вход которого подключен к входу инвертора

26, второй дифференцирующий элемент 29, вход которого подключен к выходу инверто1779923 ра 26, и два логических элемента 30, 31

2И-2И-ИЛИ. Входы первой схемы 2И элемента 30 подключены к выходам дифференцирующего элемента 28 и инвертора 27, а входы второй схемы 2И соединены с выхо- 5 дом дифференцирующего элемента 29 и входом инвертора 27. Входы первой схемы

2И второго элемента 31 подключены к входу инвертора 27 и выходу дифференцирующе10 го элемента 28, а входы второй схемы 2И, связаны с выходами инвертора 27 и дифференцирующего элемента 29. Выходами Gnoка 6 фазового коммутатора являются выходы элементов 30 и 31 2И-2И-ИЛИ.

Возможный вариант реализации дискретного коммутатора 7 (фиг.1) содержит два элемента 32 и 33 ИЛИ с двумя входами каждый, входы которых являются управляющими входами дискретного коммутатора 7, 20 и два логических элемента 34 и 35 2И-2ИИЛИ, Первые входы первых схем 2И элементов 34 и 35 подключены к выходу логического элемента 32 ИЛИ, а первые входы вторых схем 2И элементов 34 и 35 — к рой вход первой схемы 2И элемента 34 и второй вход второй схемы 2И элемента 35 соединены между собой и являются первым информационным входом дискретного ком30 мутатора 7, второй информационный вход которого образован соединенными друг с другом вторым входом второй схемы 2И элемента 34 и вторым входом первой схемы 2И элемента 35.

Устройство работает следующим образом.

При перемещении измерительного растра модулятора 9 происходит периодическое изменение фототока в фотоприемниках 10-13 из-за модуляции светового потока сопряжением измерительного и индикаторного растров. причем на каждый фо.топриемник 10-13 поступает световой поток, сдвинутый по пространственной фа40

45 эе на zt/2 относительно предыдущего фотоприемника. Учитывая, что фотоприемники

10, 12 и 11, 13 включены по балансной схеме, на входы усилителей 14 и 15 фототоков поступают два квадратурных измеритель50 ных сигнала без постоянной составляющей

При перемещении измерительного растра в одном направлении изменение сигнала на входе усилителя 14 фототока отстает по фазе на четверть периода от изменения

55 второго квадратурного сигнала, создаваемого парой фотоприемников 11 и 13, а при перемещении измерительного растра в противоположном направлении второй квадратурный сигнал отстает от первого на ту же етверть периода. Поэтому знак фаэовыходу логического элемента 33 ИЛИ. Вто-.25 вого сдвига между квадратурными сигналами характеризует направление измеряемого перемещения. Основные квадратурные сигналы и их инверсии, полученные на выходе инвертором 16 и 17, преобразуются компараторами 18-21 блока 2 определения квадранта сигналов в прямоугольные импульсы, при этом период следования импульсов соответствует перемещению измерительного растра на один шаг. Сформированные компараторами 18-21 прямоугольные импульсы подаются на логические элементы 22-25 И, на выходе которых формируются выходные сигналы блока 2 определения квадранта сигналов. При одинаковых амплитудах измерительных сигналов растрового преобразователя 1 длительность каждого выходного сигнала блока 2 определения квадранта сигналов равна четверти периода измерительного сигнала, при этом импульс на выходе элемента 22 И присутствует при изменении фазы основного синусоидального сигнала растрового преобразователя 1 в пределах

-45 — +45, на выходе элемента 23 И вЂ” в пределах 45-135, на выходе элемента 24 И вЂ” в пределах 135-225 и на выходе элемента

25 И вЂ” в пределах 225-315 соответственно.

Сформированные блоком 2 определения квадранта сигналов управляющие сигналы поступают на управляющие входы аналогового коммутатора 3, на соответствующие информационные входы которого подаются измерительные сигналы растрового преобразователя 1. На выходе аналогового коммутатора 3 формируется линейно-треугольный сигнал, представляющий собой линейные участки сигналов растрового преобразователя 1, при этом. длина участков соответствует четверти периода измерительных сигналов, а середины участков совпадают с нулевыми значениями измерительных сигналов.

Временные диаграммы, поясняющие работу блока 2 определения квадранта сигналов и аналогового коммутатора 3, представлены на фиг.2. Сформированный периодический линейно-треугольный сигнал имеет удвоенную частоту по сравнению с частотой сигналов растрового преобразователя 1, а его фаза совпадает с фазой основного синусоидального сигнала растрового преобразователя 1.

Сформированный линейно-треугольный сигнал поступает на вход АЦП 4, В результате преобразования текущее значение входного сигнала воспроизводится на выходе АЦП 4 в виде числа, представленного параллельным двоичным кодом, при этом частота переключения младшего разряда

1779923

20

АЦП 4 пропорциональна скорости изменения линейно-треугольного сигнала.

Реверсивный счет импульсов, соответствующих частоте изменения состояния младшего разряда, производится блоком 8 подсчета импульсов с учетом характера изменения (возрастания или убывания) линейно-треугольного сигнала на входе АЦП 4 и номера квадранта измерительных сигналов растрового преобразователя 1.

Определение знака приращения линейно-треугольного сигнала производится за счет формирования опорного сигнала, фаза которого остается постоянной при изменении фазы линейно-треугольного сигнала.

Для получения опорного сигнала на вход элемента 5 ИСКЛ!ОЧА)ОЩЕЕ ИЛИ с инверсией подаются сигналы с двух младших разрядов АЦП 4 и на его выходе формируется опорный сигнал, сдвинутый на четверть периода относительного сигнала с второго младшего разряда АЦП 4.

Сформированный опорный сигнал и сигнал с второго младшего разряда АЦП 4 поступают на входы фазового коммутатора.

Эти сигналы и их инверсии, полученные на выходе инверторов 26 и 27, образуют четыре прямоугольных напряжения, сдвинутые по фазе относительно друг друга на четверть периода. Сигнал с выхода второго младшего разряда АЦП 4 и его инверсия подаются на вход дифференцирующих элементов 28 и 29 соответственно, Продифференцированные импульсы с выхода элементов 28 и 29 поступают на соответствующие входы схем 2И элементов 30 и 31

2И-2И-ИЛИ. На вторые входы схем 2И элементов 30 и 31 подаются опорный сигнал и его инверсия. Для показанной на фиг.1 схемы коммутации входов схем 2И элементов

30 и 31 счетные импульсы, период следования которых равен периоду переключения младшего разряда АЦП 4, вырабатываются на выходе элемента 30 при возрастании линейно-треугольного напряжения на входе

АЦП. 4. При убывании этого напряжения счетные импульсы появляются на выходе элемента 31. Таким образом, при перемещении измерительного растра модулятора 9 в одном направлении на выходах логических элементов 30 и 31 поочередно формируются счетные импульсы, присутствующие на каждом из выходов в течение времени перемещения измерительного растра на четверть шага растра. При изменении направления перемещения фаза линейно-треугольного сигнала изменяется на 180О, и очередность появления счетных импульсов на выходах элементов 30 и 31 меняется на и роти воположную.

Для подачи счетных импульсов на соответствующий вход блока 8 подсчета импульсов при движении измерительного растра в одном направлении выходы фазового коммутатора подключены к дискретному коммутатору 7, осуществляющему синхронно со сменой знака скорости изменения линейно-треугольного напряжения переключение выходов фазового коммутатора нэ вход блока 8 подсчета импульсов, Управление работой дискретного коммутатора 7 осуществляется блоком 2 определения квадранта сигналов. Сигналы, соответствующие нечетным и четным номерам квадрантов сигналов, поступают соответственно нэ входы схем 32 и 33 ИЛИ дискретного коммутатора 7, выходные сигналы с которых поступают на соответствующие входы схем 2И логических элементов 34 и 35 2И-2И-ИЛИ, Счетные импульсы с выходов фазового коммутатора поступают на соответствующие вторые входы схем 2И элементов 34 и 35.

Для показанной на фиг.1 коммутации входов схем 2И элементов 34 и 35 счетные импульсы появляются на выходе логического элемента 34 и подаются на вход "+" блока 8 подсчета импульсов, если измерительный растр модулятора 9 движется в прямом направлении, При движении в обратном направлении счетные импульсы появляются на выходе логического элемента 35 и подаются на вход "-" блока 8 подсчета импульсов.

Временные диаграммы, поясняющие работу элементов устройства, которые формируют счетные импульсы и обеспечивают их реверсивный счет блоком 8 подсчета импульсов, представлены на фиг.3.

При перемещении измерительного растра на один шаг на блок 8 подсчета импульсов поступают 4 и счетных импульсов (где и — число квантов, равных массе младшего разряда АЦП, соответствующих диапазону изменения линейно-треугольного сигнала).

Таким образом, предлагаемое устройство обладает разрешающей способностью, равной 1/4 и шага растра.

Предложенное техническое решение позволяет создать измеритель перемещения с высокой точностью измерения при сравнительно простой технической реализации, а также использовать растры модулятора с большим шагом (до 100 мкм и более) и обеспечить простой подбор параметров сопряжения для получения в заданном диапазоне перемещения линейной формы измерительных сигналов, Предложенная техническая реализация позволяет создать на одном базовом образце унифицированный ряд устройств для из1779923 I0 мерения перемещения с различным коэффициентам интерполяции за счет переключения выходов АЦП.

Кроме тога, благодаря высокой разрешающей способности предложенное уст- 5 райство может быть использовано как преобразователь в цифровом тахогенераторе.

Оормула изобретения

Устройство для измерения перемеще- 10 ния объекта, содержащее растровый преобразователь с четырьмя выходами, блок определения квадранта сигналов, четыре входа которого подключены к выходам растрового преобразователя, аналоговый ком- 15 мутатор, информационные и управляющие входы которого подключены cooTBBTcTBGHно к выходам растрового преобразователя и блока определения квадранта сигналов, блок подсчета импульсов, о т л и ч а ю ще е- 20 с я тем, что, с целью повышения точности измерения при малых скоростях перемещения объекта, оно снабжено аналого-цифровым преобразователем, вход которого подключен к выходу аналогового коммутатора, элементом ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ с инверсией, входы которого подключены к двум младшим разрядам аналого-цифрового преобразователя, блоком фазового коммутатора, входы которого подключены к второму младшему разряду аналого-цифровога преобразователя и выходу элемента

ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ с инверсией, дискретным коммутатором, два информацион-ных и четыре управляющих входа которого подключены соответственно к выходам блока фазового коммутатора и выходам блока определения квадранта сигналов, выходы дискретного коммутатора соединены с двумя входами блока подсчета импульсов.

1779923 буенплип 8ха е элемента N

Гиналнадылпе . емЕнли Ю Оснапнпд о0е зяемент Я

СИЕНОПН05ЫХОЮ

ЭЛРМЕН070 N

С02нплнадл00е

3rfpA/ента ЛР

ГУЕНПЛНПдЬИ08Е зпеменла 20

ГигНаЛНПВЯОдЕ элеменл7021 боакалнаВыюде элемента 21

Госналнады,аде элемента 22 богнал нобылаае элемента 23

Сини нпбыходе элеиенlли М

СигналнаЬьаде элеменбл025

DJ éÎë Вы ОдР

УЛЮЛiРi .697У J

779923

102нОлы АЦП

f-b/1/,ОаЗ ОЯа

Мнопнадыл0е ялРмяуюп Ð7

СиенОяна й!х00 зясменп10 Л

/./тналнпбыл3е злемжтю Я

СОЯИОлна бых08е

sse eamu УР

Йгнппна8ымЮе злелюыи .У

Опнавна Вьиоде злюююга 34 йгнолна дылде зле/МРКГпа Л

Редактор С. Кулакова

Заказ 4428 Тираж 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

C /гжюд/ ЩЮ

Г-od РазРЯУ

Гогналнабыла3е элемента 5

Гогниип3ы аЫ злемента Я

Составитель С. Дмитриев

Техред М;Моргентал Корректор A. Мотыль