Оптический датчик перемещений с фазовым выходом

 

Использование: изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может использоваться для измерения перемещений . Сущность: оптический датчик перемещений с фазовым выходом содержит однофазный источник переменного напряжения 1, излучатель светового потока 2, фотоприемник опорного сигнала 4, фазовращатель 5, масштабирующее звено 6, первое 7 и второе 9 согласующие устройства, регистрирующий прибор 22, объект контроля 23, блок формирования дополнительного отраженного сигнала 8, первый 10 и второй 11 сумматоры, блок 12 повышения надежности и точности измерений, содержащий модулятор светового потока 13, электронный коммутационный элемент 14, коммутационный элемент 15, контрольный фотоприемник 17, формирователь управляющих сигналов 18, рабочий 19 и контрольный 20 электронные ключи, эталонную фазосдвигающую цепь 21. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 В 21/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Я)

С>

Ы1

"4

6д

Я диа 1 (21) 4901042/28 (22) 08.01.93 (46) 23.03.93. Бюл. М 11 (71) Научно-исследовательский институт физических измерений (72) Н.Д.Конаков, M.Â.Êàðïîâ и Г,А.Киреева (56) Авторское свидетельство СССР

М 1404821, кл. G 01 В 21/00, 1986, Авторское свидетельство СССР

М 1647250, кл. 6 01 В 21/00, 28.12.89. (54) ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЙ С ФАЗОВЫМ ВЫХОДОМ (57) Использование: изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может использоваться для измерения перемещений, Сущность: оптический датчик перемещений с фазовым выходом содержит

<19), Жао 1803736 А1 однофазный источник переменного напряжения 1, излучатель светового потока. 2, фотоприемник опорного сигнала 4, фазовращатель 5, масштабирующее звено 6, первое 7 и второе 9 согласующие устройства, регистрирующий прибор 22, обьект контроля 23, блок формирования дополнительного отраженного сигнала 8, первый 10 и второй

11 сумматоры, блок 12 повышения надежности и точности измерений, содержащий модулятор светового потока 13, электронный коммутационный элемент 14, коммутационный элемент 15, контрольный фотоприемник 17, формирователь управляющих сигналов 18, рабочий 19 и контрольный 20 электронные ключи, эталонную фазосдвигающую цепь 21, 2 ил, 1803736

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для измерения перемещений объектов.

Цель изобретения — повышение точности измерений.

На фиг. 1 приведена функциональная схема оптического датчика с фаэовым выходом; на фиг. 2 — иллюстрация к работе дат чика, Оптический датчик перемещений содержит однофазный источник переменного напряжения 1, излучатель светового потока

2, фотоприемник отраженного сигнала 3, фотоприемник опорного сигнала 4, фазовращатель 5, масштабирующее звено 6, первое 7 и второе 9 согласующие устройства, регистрирующий прибор 22, объект контроля 23, блок формирования дополнительного отраженного сигнала 8, первый 10 и второй

11 сумматоры, блок повышения надежности и точности измерений 12, содержащий модулятор светового потока 13, электронный коммутационный элемент 15, контрольный источник излучения 16, контрольный фотоприемник 17, формирователь управляющих сигналов 18, рабочий 19 и контрольный 20 . электронные ключи, эталонную фаэосдвигающую цепь 21.

Оптический датчик перемещений с фаэовым выходом работает следующим образом.

Однофазный источник синусоидального напряжения низкой частоты 1 осуществляет амплитудную модуляцию светового потока источника излучения светового потока 2 и модулированный световой поток падает на фотоприемник 4 опорного сигнала и на отражающую поверхность обьекта контроля

23, от которой отраженный световой поток попадает на фотоприемник 3 отраженного сигнала. На выходах фотоприемников опорного 4 и отраженного 3 сигналов формируются синусоидальные сигналы О0п и Up»(x) частотой источника 1 модулирующего напряжения О-, сдвинутые по фазе друг относительно друга на 180 за счет питания фотоприемников напряжением постоянного тока разной полярности. Путем подбора элементов фазовращателя 5 фаза сигнала

Од0п íà его выходе сдвигается относительно сигнала О«на входе согласующего устрой. ства 9науголф более90,, но менее 1800, Дополнительный опорный сигнал Од оп через масштабирующее звено 6 поступает на второй вход (Вх.2) первого сумматора 10, а основной опорный сигнал U«поступает через второе согласующее устройство 9 на второй вход (Вх.2) второго сумматора 11.

Одновременно отраженный сигнал U<>p(x) с выхода фотоприемника 3 поступает через согласующее устройство 7 на первый вход (Вх.1) первого сумматора 10 и на вход блока формирования дополнительного отраженного сигнала 8, на выходе которого формируется дополнительный отраженный сигнал

UA отр(х), сдвинутый flo фазе на угол tp1 (90 <

< ф1 < 180 относительно основного отра-. женного сигнала Uptp(x) с выхода первого

10 согласующего устройства 7. Дополнительный отраженный сигнал Од p p(x) поступает на первый вход(Вх.1) второго сумматора 11.

На первом сумматоре 10 происходит геометрическое суммирование основного

"5 отраженного сигнала Uoxp(x) и дополнительного сигнала Од«на выходе сумматора формируется первый результирующий .(суммарный) сигнал.U, который поступает на первый вход (Вх.1) фаэометра 22.

Фаза р1 первого суммарного сигнала

О г, изменяется вследствие изменения по амплитуде основного отраженного сигнала

Uo»(x) в функции измеряемого перемещения и определяется выражением (1)

sin 180— р1 =агст9 сов (180 — ф ) - -0-д

30 где p> — фаза суммарного сигнала U с выхода первого сумматора 10; (180- 1ф ) — угол сдвига фаз между синусоидальными сигналами Од on и Оотp(x)

Од on — дополнительный опорный сигнал с выхода масштабирующего звена 6„ сдвинутый по фазе на угол ф фаэовращателем 5;

Uoyp(x) основной отраженный сигнал с

40 выхода первого согласующего устройства 7, промодулированный по амплитуде в функции перемещения.

На втором сумматоре 11 происходит геометрическое суммирование дополнитель-. ного отраженного сигнала Од Отр(х) и основного опорного <сигнала U«и на. выходе сумматора формируется второй суммарный сигнал О, которой через блок 12 а. повышения надежности и точности измерений поступает на второй вход (Вх.2) фазометра 22. Фаза ф второго суммарного сигнала Uz изменяется вследствие измене2 ния по амплитуде дополнительного отраженного сигнала Од Q7p(x) в функции изме5 ряемого перемещения и определяется выражением (2)

1а = arctg г

cos (180 -1 1 }+

1803736 фвых = Лф2 + Лт/)1 =

= arctg

55 где p1 — фаза суммарного сигнала U c выхода второго сумматора 11; (180- ф ) — угол сдвига фаз между синусоидальными сигналами Uon и Од отр(х);

Uon — опорный сигнал с выхода второго согласующего устройства 9;

Од отр(х) — дополнительный отраженный сигнал с выхода блока формирования дополнительного отраженного сигнала 8, промодулированный по амплитуде в функции перемещения.

В результате одновременного изменения фазы суммарных сигналов U<, и U (с учетом выражений (1), (2), измеряемая между ними разность фаз определяется функцией преобразования (3) + сов (180 — ф ) + -„— д-о(- (3) + агсщ сов (180 — ф ) + — — - — )Суммарные сигналы U< и Uz с выходов сумматора 10 и сумматора 11 (йосле прохождения через блок повышения надежности и точности измерений 12) подаются на входы регистрирующего прибора — фазометра 22, с выхода которого снимается зависимость разности фаз между двумя результирующими сигналами от измеряемого перемещения уж )х = f(x).

Линейность выходной характеристики датчика обеспечивается выбором необходимых углов сдвига фаз (180- 1 )1 ) и (180-ф)

МЕЖДУ СИГНаЛаМИ (UA отр(Х) И Uon, Uo) p(X) И

Од on) соответственно с помощью подборных элементов фазовращателя 5 и фазовращателя, входящего в состав блока 8, а также изменением с помощью масштабирующего звена 6 и согласующего устройства 9 амплитуды сигналов Од on Uon таким образом, Од on чтобы отношения сигналов

Оотр (х )

0оп были равны 1 в точке баланса

Од отр (x }

Хб, расположенной в конце диапазона измерения.

Повышение точности измерения за счет снижения температурной погрешности в предлагаемом изобретении достигается следующим образом. При изменении от воздействия температуры, например, фазового угла ф между сигналами Ооп и (.)д оп в сТо рону уменьшения его величины, вследствие

45 температурного ухода параметров фазовращателя 5, вектор сигнала Од оп приближается к вектору сигнала Uon. Фаэовые углы ф и ф1 МЕжду СИГНаЛаМИ Uon И Од on, UOTp(X) И

Од отр(х) задаются реактивными элементами

С или фазовращателя типа "R - С" или "RГ блоков 5 и 8 соответственно, Так как уход от температуры параметров резисторов R незначителен, вследствие высокой температурной стабильности серийно изготавливаемых резисторов, например, типа С2-36, а уход параметров реактивных элементов С или L, как правило, одного знака, то это приводит и к уменьшению фаЗОВОГО УГЛа ф1 МЕЖДУ СИГНаЛаМИ UOTp(X) и Од отр(х) (на величину приблизительно равную уменьшению фазового угла ф МЕЖДУ СИГНаЛаМИ Uon UA on И ВЕКТОР сигнала Од отр(х) приблизится к вектору сигнала Оотр(х).

После геометрического сложения

ВЕКТОРОВ СИГНаЛОВ Оотр(Х) И Од о(1, Од отр(Х) и Uon (с Уменьшенными Углами ф и ф1 от воздействия температуры) разность фаэ

Левых между суммарными сигналами О

2 и U остается неизменной, т.к. векторы суммарных сигналов О „и О после суммирования изменяют свое фазовое положение (поворачивается ) в одном направлении.

При изменении от воздействия температуры напряжения U- с выхода источника

1 переменного напряжения, например, в сторону увеличения возрастают по величине сигнала Uon и Uo) p(x) с выходов фотоприемников 4 и 3 и, соответственно, с выходов блоков 7, 9, а также сдвинутые относительно

НИЭ ПО фаЗЕ СИГНаЛЫ Од «И UA отр(Х) С выходов блоков 8, 6, а отношение сигналов

UA on Uon и (), входящие в выражение (3) остаются практически неизменными и разность фаэ: р» >< между суммарнымй сигналами Uz и U< остается г неизменной.

Повышение точности измерений за счет увеличения помехоустойчивости к воздействию электромагнитных наводок (сигнала помехи) на отраженный от обьекта контроля сигнал обеспечивается вследствие того, что модули геометрически суммируемых сигналов Од оп и Оотр(х), Uon и Од оп(х) имеют при этом пропорциональные приращения, поэтому отношеОд on Uîï

Оот (3 0 от () входящие в выражение (3) остаются неизменными и сигнал помехи компенсируется, 1803736

amp (Х) и

gamp (AP

П

I (д ф оюр. (Х) Ug

I ег

0 Ео;у г

Иг Pzz. 2 гфюл и г о )

Uan(gan) Составитель H. Конаков

Техред М. Моргентал

Корректор (;. Юско

Редактор О, Стенина

Заказ 1048 Тираж 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 т,е, разность фаз Ъых между суммируемыми сигналами U и U остается неизмен р ной.

Формула изобретения

Оптический датчик перемещений с фазовым выходом, содержащий последовательно соединенные источник переменного напряжения и излучатель светового потока, фотоприемник опорного сигнала, оптически связанный с излучателем светового потока, последовательно соединенные фазовращатель, масштабирующее звено, первый сумматор регистратор, фотоприемник отраженного сигнала. оптически связанный с излучателем светового потока через обьект контроля, блок повышения надежности и точности измерений, второй вход регистратора соединен с выходом блока повышения надежности и точности измерений, выход иор(Х) фотоприемника опорного сигнала соединен с входом фазовращателя, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности измерений, он. снабжен первым и вторым

5 согласующими устройствами, блоком формирования дополнительного отраженного сигнала, вход которого соединен с выходом фотоприемника отраженного сигнала и входом первого согласующего устройства, вто10 рым сумматором, первый и второй входы которого соединены с выходом блока формирования дополнительного отраженного сигнала и выходом второго согласующего устройства соответственно; вход второго

15 согласующего устройства соединен с выходом фотоприемника опорного сигнала, выход второго сумматора соединен с входом блока повйшения надежности и точности измерений.