Устройство для автоматизированного измерения угловых величин

 

Устройство для автоматизированного измерения угловых величин относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточных измерений малых угловых перемещений. Устройство для автоматизированного измерения угловых величин содержит лазер, зеркальный блок, фотоприемный блок, выполненный в виде линейного фоточувствительного прибора с зарядовой связью, блок индикации, синхрогенератор, усилитель, аналоговый компаратор, генератор, счетчик, два триггера, линию задержки, три регистра, цифровой компаратор, элемент НЕ. В плоскости анализа возникает интерференционная картина, проецируемая на фоточувствительную область линейного фоточувствительного прибора с зарядовой связью, вызывая появление видеосигнала на выходе линейного фоточувствительного прибора с зарядовой связью, однозначно соответствующего проецируемой интерференционной картине. Видеосигнал преобразуется в импульсы, несущие информацию о направлении и величине перемещения объекта, которые отображаются блоком индикации. Устройство позволяет снизить количество и сложность промежуточных расчетов при получении результатов измерения в удобной для человека форме, а также обеспечить работу устройства в режиме реального времени. 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для точных измерений малых угловых перемещений в точных геофизических измерениях, на производстве в качестве контрольно-измерительной аппаратуры, а также в научно-исследовательской работе с целью отслеживания угловых перемещений объектов в режиме реального времени.

Известно устройство для измерения перемещений, подвижная часть которого, содержащая жестко связанные осветитель, объектив, линейный фоточувствительный прибор с зарядовой связью (ЛФПЗС), перемещается вдоль зубчатой рейки, причем прорези рейки проецируются на фоточувствительную область (Скрибанов Е.В., Гришин М.П., Братенков А.А. Устройство для измерения линейных перемещений //Измерительная техника.-1983.-N 11. - С. 13-15.).

Недостатком этого устройства является невысокая точность измерения.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство (а.с. N 630528, кл. G 01 B 11/20, 1976 г.), содержащее отражающую мишень, предварительно установленную на контролируемом объекте и представляющую собой плоский круг, покрытый мозаикой уголковых отражателей. На условно неподвижном объекте установлены лазер, электрооптический модулятор, питающийся от СВЧ-генератора, полупрозрачное плоское зеркало и последовательно включенные фотоприемник, усилитель переменного тока, детектор и индикатор. Излучение лазера модулируют по интенсивности в СВЧ-диапазоне электрооптическим модулятором. Сформированную волну направляют через полупрозрачное зеркало на отражающую мишень. Отраженные в обратно направлении каждым уголковым отражателем вторичные волны интенсивности направляют полупрозрачным зеркалом на фотоприемник, где они интерферируют. Фотоприемник преобразует переменный по частоте модуляции световой сигнал в электрический, который усиливают усилителем и преобразуют в постоянный детектор. Выходной сигнал детектора измеряют индикатором. Перестраивают СВЧ-генератор по частоте, проходя последовательно через два соседних минимума выходного сигнала индикатора. Измеряют частоты, соответствующие этим минимумам, и по их значению судят об ориентации контролируемого объекта.

Недостатками данного устройства являются невозможность получения результатов измерения в удобной для человека форме без предварительного сложного пересчета, а также невозможность работы в режиме реального времени.

Технической задачей изобретения является снижение количества и сложности промежуточных расчетов при получении результатов измерения в удобной для человека форме, а также обеспечение работы устройства в режиме реального времени.

Техническая задача решается тем, что устройство, содержащее лазер, зеркальный блок, выполненный в виде полупрозрачного зеркала, расположенного по ходу излучения от лазера и оптически сопряженного с полупрозрачным зеркалом отражателя, а также фотоприемный блок, оптически сопряженный с полупрозрачным зеркалом зеркального блока, и блок индикации, отличается тем, что в нем лазер закреплен на контролируемом объекте, отражатель установлен неподвижно и расположен по ходу излучения от лазера, фотоприемник выполнен в виде линейного фоточувствительного прибора с зарядовой связью (ЛФПЗС), а также в устройство введены синхрогенератор, усилитель, аналогичный компаратор, генератор, счетчик, первый триггер, линия задержки, первый регистр, второй регистр, второй триггер, третий регистр, цифровой компаратор, элемент HE, причем входы линейного фоточувствительного прибора с зарядовой связью соединены с управляющими выходами синхрогенератора, а выход - со входом усилителя, выход которого подключен к первому входу аналогового компаратора, второй вход которого выполнен с возможностью подачи на него опорного напряжения; выход генератора соединен со счетными входами первого регистра и счетчика, вход сброса которого соединен со входом сброса первого триггера, счетным входом второго регистра и выходом линии задержки, вход которой подключен к выходу счетчика; счетный вход первого триггера подключен ко второму выходу синхрогенератора, информационный вход первого триггера - к напряжению логической единицы, а выход первого триггера - ко входу разрешения первого регистра, информационный вход которого соединен с выходом аналогового компаратора, а выходы соединены с информационными входами второго регистра, выходы которого подключены к информационным входам третьего регистра и входам X цифрового компаратора, первые два выхода второго регистра подключены соответственно к информационному и счетному входам второго триггера, выход которого подключен к первому входу блока индикации; выходы третьего регистра подключены ко входам Y цифрового компаратора, выход которого через элемент HE соединен со входом разрушения записи третьего регистра и вторым входом блока индикации; входы сброса третьего регистра, второго триггера и дополнительный вход блока индикации выполнены с возможностью подачи на них сигнала "начало счета".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена схема устройства для автоматизированных измерений угловых величин; на фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4 изображены диаграммы, поясняющие работу устройства для автоматизированных измерений угловых величин.

Устройство для автоматизированных измерений угловых величин содержит лазер (на фиг. 1 не показан), предназначенный для скрепления с объектом, зеркальный блок, выполненный в виде полупрозрачного зеркала 1, расположенного по ходу излучения от лазера, и отражателя 2, расположенного по ходу отраженного от полупрозрачного зеркала излучения на расстоянии, зависящем от требуемой точности измерений, а также фотоприемный блок, оптически связанный с зеркальным блоком и выполненный в виде линейного фоточувствительного прибора с зарядной связью 3 и блок индикации 17, а также введенные синхрогенератор 4, усилитель 5, аналоговый компаратор 6, генератор 7, счетчик 8, первый триггер 9, линия задержки 10, первый регистр 11, второй регистр 12, второй триггер 13, третий регистр 14, цифровой компаратор 15, элемент HE 16. Входы линейного фоточувствительного прибора с зарядовой связью 3 соединены с управляющими выходами синхрогенератора 4, а выход - с входом усилителя 5, выход которого подключен к первому входу аналогового компаратора 6, второй вход выполнен с возможностью подачи на него опорного напряжения; выход генератора 7 соединен со счетными входами первого регистра 11 и счетчика 8, вход сброса которого соединен со входом сброса первого триггера 9, счетным входом второго регистра 12 и выходом линии задержки 10, выход которой подключен к выходу счетчика 8; счетный вход первого триггера 9 подключен к другому выходу синхрогенератора 4, информационных вход первого триггера 9 - к напряжению логической единицы, выход первого триггера 9 - к входу разрешения первого регистра 11, информационный вход которого соединен с выходом аналогового компаратора 6, а выходы соединены с информационными входами второго регистра 12, выходы которого подключены к информационным входам третьего регистра 14 и входам X цифрового компаратора 15; первые два выхода второго регистра 12 подключены соответственно к информационному и счетному входам второго триггера 13, выход которого подключен к первому входу блока индикации 17; выходы третьего регистра 14 подключены ко входам Y цифрового компаратора 15, выход которого через элемент HE 16 соединен со входом разрешения записи третьего регистра 14 и вторым входом блока индикации 17; кроме того, входы сброса третьего регистра 14, второго триггера 13 и блока индикации 17 выполнены с возможностью подачи на них сигнала "начало счета".

Устройство для автоматизированных измерений угловых величин работает следующим образом. Излучение от лазера образует волновой фронт, из которого в плоскости приема полупрозрачное зеркало 1 выделяет опорный участок волнового фронта. Отражатель 2, развернутый на угол ϕ_o относительно полупрозрачного зеркала 1, направляет на это зеркало второй участок волнового фронта, который после отражения от полупрозрачного зеркала 1 встречается с прошедшим сквозь него участком фронта под углом сходимости, равным 2ϕ_o. В плоскости анализа возникает интерференционная картина, проецируемая на фоточувствительную область линейного фоточувствительного прибора с зарядовой связью 3. На выходе линейного фоточувствительного прибора с зарядовой связью 3 будет получен аналоговый сигнал (фиг. 2а), который усиливает усилителем 5 и поступает на вход X аналогового компаратора 6, на вход Y которого подается опорное напряжение. На выходе аналогового компаратора 6 получим последовательный цифровой сигнал (фиг. 2б), однозначно соответствующий проецируемой на линейный фоточувствительный прибор с зарядовой связью 3 интерференционной картине, причем каждый импульс, полученный на выходе аналогового компаратора 6, имеет только ему соответствующую координату на линии сканирования относительно начальной координаты линии сканирования линейного фоточувствительного прибора с зарядовой связью 3 при неподвижном состоянии объекта и постоянную длительность, соответствующую половине ширины интерференционной полосы.

С выхода аналогового компаратора 6 последовательный цифровой сигнал поступает на информационный вход первого регистра 9. По поступлении на счетный вход первого регистра 9 импульса от генератора 7 и при наличии разрешающего сигнала на входе разрешения первого регистра 9 сигнал со входа первого регистра 9 записывается на его выход младшего разряда, причем по поступлении следующего импульса от генератора 7 сигналы на выходах первого регистра 9 сдвигаются на один разряд в сторону старшего разряда, а на выход младшего разряда записывается сигнал со входа регистра. Разрядность N первого регистра 9 выбирается четной, исходя из требуемого быстродействия и точности. Генератор 7 формирует импульсы (фиг. 2д), причем частота следования импульсов выбирается такой, что за время, соответствующее одному периоду импульсов, получаемых с выхода аналогового компаратора 6, формируются N импульсов генератора 7. Длительность сигнала разрешения равна длительности периода импульсов с выхода аналогового компаратора 6. Сигнал разрешения формируется следующим образом. С выхода синхрогенератора 4 на счетный вход первого триггера 9 поступает импульс (фиг. 2д), длительность которого равна половине длительности времени накопления линейного фоточувствительного прибора с зарядовой связью 3 (фиг. 2в), а передний фронт соответствует координате середины линии сканирования линейного фоточувствительного прибора с зарядовой связью 3. Этот импульс переключает первый триггер 9, с выхода которого логическая единицы поступает на вход разрешения первого регистра 11. По истечении N импульсов генератора 7 счетчик 8 формирует сигнал сброса (фиг. 2е), поступающий через линию задержки 10 на входы сброса счетчика 8 и первого триггера 9 и вход записи второго регистра 12, разрешая запись в него цифрового кода с выхода первого регистра 11, причем время задержки равно длительности одного импульса, формируемого генератором 7. В результате на выходе второго регистра 12 получим параллельный цифровой код. При следующем считывании, через время, равное периоду накопления линейного фоточувствительного прибора с зарядовой связью 3, этот код изменится, если произошло перемещение лазера.

Для надежности отсчета необходимо, чтобы угловое перемещение лазера за время накопления линейного фоточувствительного прибора с зарядовой связью 3 было таким, что интерференционная картина сместилась бы не более, чем на расстояние, равное ширине интерференционной полосы, деленной на разрядность первого регистра 11. Максимальная скорость углового перемещения лазерного источника: где L - ширина интерференционной полосы, N - разрядность первого регистра 11; 2ϕ_o - угол сходимости волновых фронтов, D - база приема зеркального блока; T_н - время накопления линейного фоточувствительного прибора с зарядовой связью 3.

Измерение углового перемещения производится следующим образом. По сигналу "начало счета" происходит сброс третьего регистра 14 и второго триггера 13, а также обнуление блока индикации 17. Когда нули появятся на выходах третьего регистра 14, цифровой компаратор 15 произведет их сравнение с комбинацией на выходе второго регистра 12 и, так как эти комбинации не совпадут, разрешит обновление данных в третьем регистре 14. При перемещении интерференционной картины цифровой код на выходах первого регистра 11 и второго регистра 12 будет циклически сдвигаться либо в сторону старшего разряда, либо в сторону младшего разряда. При этом, если сдвиг идет в сторону старшего (N-го) разряда, то логическая единица появится на первом разряде первого регистра 11 и второго регистра 12 на такт (равный времени накопления) раньше, чем на втором разряде первого регистра 11 и второго регистра 12; при сдвиге к младшему разряду логическая единица появится сначала на втором разряде первого регистра 11 и второго регистра 12, а затем - на первом разряде первого регистра 11 и второго регистра 12.

Пусть логическая единица появилась на выходе первого разряда второго регистра 12 раньше, чем на выходе второго разряда. Так как первый разряд подключен к информационному входу, а второй - ко входу разрушения второго триггера 13, то переключения триггера из предыдущего состояния в логическую единицу не произойдет. Через время накопления логическая единица появится на выходе второго разряда второго регистра 12 и на разрушающем входе второго триггера 13; так как на выходе первого разряда второго регистра 12 поддерживается уровень логической единицы, то произойдет установка второго триггера 13 в единицу и блок индикации 17 получит сигнал о сдвиге в сторону старших разрядов.

При появлении логической единицы на выходе второго разряда второго регистра 12 ранее, чем на выходе первого разряда второго регистра 12, произойдет переключение второго триггера 13 из предыдущего состояния в логический ноль и блок индикации 17 получит сигнал о сдвиге в сторону младших разрядов.

При перемещении интерференционной картины на каждом такте комбинация, появляющаяся на выходах второго регистра 12 отличается от комбинации, хранящейся в третьем регистре 14 хотя бы одним разрядом, что заставляет цифровой компаратор 15 выдавать логический ноль - сигнал неравенства, инвертирующийся элементом HE 16 и разрешающий обновление содержимого третьего регистра 14; также единичный импульс попадает в блок индикации 17, сообщая, что интерференционная картина передвинулась на 1/N интерференционной полосы. Блок индикации 17 считает количество импульсов, поступивших на него с момента подачи сигнала "начало счета", вычитает один импульс (первый после сигнала "начало счета") и переводит количество импульсов в удобную для считывания форму, основываясь на том, что один импульс соответствует некоему постоянному угловому перемещению и учитывая сигнал второго триггера 13, указывающий направление сдвига интерференционной картины.

Фиг. 3, фиг. 4, таблица иллюстрируют работу устройства, если разрядность счетчика 8, а также первого регистра 11 и второго регистра 12 равна восьми. На фиг. 3а, 3б, 3в представлены диаграммы последовательного цифрового сигнала с выхода аналогового компаратора 6 при перемещении объекта в моменты времени, соответствующие первому, второму и третьему считыванию интерференционной картины соответственно. На фиг. 3г представлена диаграмма импульсов, формируемых генератором 7, на фиг. 3д представлена диаграмма сигнала разрешения. Предположим, например, что объект перемещается так, что цифровой код на выходах второго регистра 12 перемещается в сторону старшего разряда. Перемещение кода показано в таблице 1. На фиг. 4а, 4б, 4в, 4г представлены диаграммы сигналов на выходах первых четырех разрядов второго регистра 12, на фиг. 4д представлена диаграмма сигнала на выходе второго триггера 13, на фиг. 4е, 4ж, 4з, 4и представлены диаграммы сигналов на выходах третьего регистра 14, на фиг. 4к представлена диаграмма сигнала на выходе элемента HE 16.

Таким образом, предложенное решение позволяет существенно уменьшить и упростить промежуточные расчеты при индикации результатов измерений в единицах измерения угловых величин, а также позволяет проводить измерения угловых перемещений в режиме реального времени.

Формула изобретения

Устройство для автоматизированного измерения угловых величин, содержащее лазер, зеркальный блок, выполненный в виде полупрозрачного зеркала, расположенного по ходу излучения от лазера и оптически сопряженного с полупрозрачным зеркалом отражателя, а также фотоприемный блок, оптически сопряженный с полупрозрачным зеркалом зеркального блока, и блок индикации, отличающееся тем, что в нем лазер закреплен на контролируемом объекте, отражатель установлен неподвижно и расположен по ходу излучения от лазера, фотоприемник выполнен в виде линейного фоточувствительного прибора с зарядовой связью (ЛФПЗС), а также в устройство введены синхрогенератор, усилитель, аналоговый компаратор, генератор, счетчик, первый триггер, линия задержки, первый регистр, второй регистр, второй триггер, третий регистр, цифровой компаратор, элемент НЕ, причем входы линейного фоточувствительного прибора с зарядовой связью соединены с управляющими выходами синхрогенератора, а выход - с входом усилителя, выход которого подключен к первому входу аналогового компаратора, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения, выход генератора соединен со счетными входами первого регистра и счетчика, вход сброса которого соединен с входом сброса первого триггера, счетным входом второго регистра и выходом линии задержки, вход которой подключен к выходу счетчика, счетный вход первого триггера подключен к другому выходу синхрогенератора, информационный вход первого триггера - к напряжению логической единицы, а выход первого триггера - к входу разрешения первого регистра, информационный вход которого соединен с выходом аналогового компаратора, а выходы соединены с информационными входами второго регистра, выходы которого подключены к информационным входам третьего регистра и входам Х цифрового компаратора, первые два выхода второго регистра подключены соответственно к информационному и счетному входам второго триггера, выход которого подключен к первому входу блока индикации, выходы третьего регистра подключены к входам У цифрового компаратора, выход которого через элемент НЕ соединен с входом разрешения записи третьего регистра и вторым входом блока индикации, кроме этого, входы сброса третьего регистра, второго триггера и блока индикации выполнены с возможностью подачи на них сигнала "начало счета"е

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5