УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВРАЩЕНИЯ ОБЪЕКТА Российский патент 1997 года по МПК G01P3/48 

Изобретение относится к области оптоэлектроники и, в частности, может быть использовано в лазерных измерительных системах для решения задач прецизионной регистрации перемещений объектов, например, в космической технике для траекторных и орбитальных измерений.

Из известных решений наиболее близкой по технической сущности является система для измерения скорости вращения объекта [1] состоящая из четырех светоотражающих элементов, прикрепленных к вращающемуся объекту, расположенных на одной окружности с произвольным интервалом; источника излучения; двух полупрозрачных зеркал, оптически связывающих в определенные моменты времени источник излучения со светоотражающими элементами, вращающимися вместе с объектом; двух фотодетекторов, съюстированных со светоотражающими элементами; двух усилителей, каждый из которых соединен по входу с выходом соответствующего фотодетектора; формирователя, подключенного входами к выходам усилителей; схемы сравнения, связанной первым входом с выходом формирователя; генератора эталонного сигнала, соединенного выходом со вторым входом схемы сравнения; первого счетчика, подключенного выходом ко входу генератора эталонного сигнала; генератора хронирующих импульсов; схемы сравнения, первый вход которой связан с выходом генератора хронирующих импульсов, а второй с выходом схемы сравнения; второго счетчика, подключенного входом к выходу схемы совпадения, и разностной схемы, связанной входами с выходами счетчиков.

В этом устройстве источник излучения посредством двух полупрозрачных зеркал направляет на вращающийся объект два потока света, расположенных с интервалом L, немного меньшим наименьшей длины дуги между внутренними сторонами двух смежных отражающих элементов, которые прикреплены к вращающемуся объекту на одной окружности с произвольным интервалом. При отражении этих потоков от светоотражающих элементов на фотоприемники поступают два потока, которые преобразуются в две последовательности электрических импульсов. Далее эти две последовательности в формирователе преобразуются в одну третью последовательность импульсов, длительность которых определяется разностью между моментами поступления на формирователь импульсов первой и второй последовательности. Далее импульсы третьей последовательности поступают на схему сравнения, на второй вход которой подается эталонный сигнал, и первый счетчик подсчитывает число импульсов третьей последовательности в предварительно установленной области. Одновременно выходной сигнал схемы сравнения поступает на схему совпадения, на второй вход которой подаются хронирующие импульсы, в результате чего получают вторую последовательность хронирующих импульсов, число которых подсчитывается вторым счетчиком. Выходные сигналы счетчиков подаются на разностную схему, где получают разностный сигнал, указывающий среднюю скорость вращения объекта.

Недостатки известного устройства заключаются в следующем:
1) недостаточная информативность о параметрах вращательного движения объекта, т. к. рассмотренная система позволяет измерять только лишь среднюю скорость вращения (отсутствие информации о мгновенном положении и т.п.);
2) не обеспечивается требуемая точность оценки вращательного движения, т.к. информация о его параметрах не выдается.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для определения параметров вращения объекта, состоящее из светоотражающего элемента, расположенного на торце вращающегося объекта, фотодетектора, первого и второго усилителей, первой схемы сравнения, первого формирователя и счетчика, дополнительно введены объектив, пространственно-амплитудный пассивный модулятор, третий и четвертый усилители, четыре амплитудных детектора, четыре интегратора, два индикатора, два пиковых детектора, три сумматора, триггер, дифференцирующая цепь, амплитудный дискриминатор, инвертор, два электронных ключа, второй и третий формирователи, амплитудный селектор и вторая схема сравнения, при этом фотодетектор выполнен квадратным, пространственно-амплитудный пассивный модулятор выполнен в виде волоконно-оптического кольца из n стекловолокон диаметром a каждое, расположенных с шагом H≥2a по образующей внешнего радиуса кольца, а источник излучения выполнен в виде светодиода с генератором накачки, фотодетектор состыкован с пространственно-амплитудным пассивным модулятором, светодиод размещен внутри кольца пространственно-амплитудного пассивного модулятора и каждый из них через объектив съюстирован со светоотражающим элементом, каждый из усилителей соединен по входу с одним их выходов квадрантного фотодетектора, а по выходу одновременно подключен к одному из входов первого сумматора, связанного по выходу через первый формирователь со входом счетчика, и через соответствующий амплитудный детектор ко входу одного из интеграторов, каждая из схем сравнения по выходу связана со входом соответствующего индикатора, а по входам с выходами одной из пар интеграторов, соответствующей паре диаметрально противоположных квадрантов фотодетектора, каждый из пиковых детекторов подключен входом к выходу соответствующего из пары усилителей, связанных по входу с выходами пары смежных квадрантов фотодетектора, а выходом первый пиковый детектор связан одновременно с первым входом второго сумматора, подключенного через последовательно соединенные триггер и дифференцирующую цепь ко входу амплитудного дискриминатора, через последовательно включенные второй электронный ключ и инвертор со вторым входом третьего сумматора и через третий формирователь с управляющим входом первого электронного ключа, второй пиковый детектор выходом связан одновременно со вторым входом второго сумматора, через первый электронный ключ -с первым входом третьего сумматора, связанного выходом со входом амплитудного селектора, и через второй формирователь с управляющим входом второго электронного ключа, причем в качестве светоотражающего элемента используется радиально расположенная метка, поперечный размер которой L удовлетворяет условию:

где R радиус вращающегося объекта;
π 3,14.

Блок-схема устройства для определения параметров вращения объекта приведена на фиг. 1, а эпюры напряжений в его различных точках на фиг. 2.

Устройство состоит из радиально расположенного на торце вращающегося объекта светоотражающего элемента 1 с поперечным размером L, в качестве которого может быть использована, например, полоска металлической фольги, мазок светоотражающей краски или триппель-призма; объектива 2, оптически связанного со светоотражающим элементом 1; светодиода 3, съюстированного через объектив 2 с меткой 1; пространственно-амплитудного пассивного модулятора 4, представляющего собой волоконно-оптическое кольцо из n стекловолокон диаметром а каждое, расположенных с шагом H≥2a по образующей внешнего радиуса кольца, внутри которого расположен светодиод 3, и оптически связанного через объектив 2 со светоотражающим элементом 1; генератора накачки 5, подключенного выходом к светодиоду 3; квадрантного фотодетектора 6, например, четырехплощадочного фотодиода или фотоэлектронного умножителя, состыкованного с пространственно-амплитудным пассивным модулятором 4 (на фиг. 1 пространственно-амплитудный пассивный модулятор 4 и фотодетектор 6 условно разнесены для того, чтобы лучше пояснить их связи с остальными блоками) и оптически связанного через пространственно-амплитудный пассивный модулятор 4 и объектив 2 со светоотражающим элементом 1; первого и второго пиковых детекторов 7 и 8; четырех усилителей 9 12, подключенных входами к соответствующим квадрантам фотодетектора 6, а два из них 9 и 12, связанные с парой смежных квадрантов фотодетектора 6, подключены выходами ко входам пиковых детекторов 8 и 7 соответственно; второго формирователя 13, представляющего собой, например, мультивибратор в ждущем режиме; четырех амплитудных детекторов 14 17, каждый из которых связан по выходу с выходом соответствующего из четырех усилителей 9 12; третьего формирователя 18, выполненного, например, на мультивибраторе в ждущем режиме; второго сумматора 19, подключенного входами к выходам пиковых детекторов 7 и 8 и представляющего собой, например, усилитель с двумя входами; четырех интеграторов 20 23, связанных входами с выходами соответствующих амплитудных детекторов 14 17; второго электронного ключа 24, построенного, например, на транзисторе, к управляющему входу которого через третий формирователь 18 подключен выход второго пикового детектора 8; триггера 25, связанного по входу с выходом второго сумматора 19; первой схемы сравнения 26, выполненной в виде операционного усилителя с дифференциальным входом и соединенной входами с выходами интеграторов 20 и 22, связанных с одной парой диаметрально противоположных квадрантов фотодетектора 6; второй схемы сравнения 27, соединенной входами с выходами интеграторов 21 и 23, связанных с другой парой диаметрально противоположных квадрантов фотодетектора 6; первого электронного ключа 28, связанного сигнальным входом с выходом второго пикового детектора 8, а управляющим входом с выходом второго формирователя 13; инвертора 29, например, транзисторного каскада, включенного по схеме с ОЭ, подключенного к выходу второго электронного ключа 24; дифференцирующей цепи 30, связанной по входу с выходом триггера 25; индикатора У 31, в качестве которого может быть использован, например, нуль-индикаторный стрелочный прибор, либо светодиодный индикатор, подключенного к выходу схемы сравнения 26; индикатора X 32, подключенного к выходу схемы сравнения 27; третьего сумматора 33, в качестве которого может использоваться усилитель с двумя входами, подключенного входами к выходам первого электронного ключа 28 и инвертора 29; амплитудного дискриминатора 34, в качестве которого используется диод, включенный в требуемой полярности, связанного входом с выходом дифференцирующей цепи 30; первого сумматора 35, представляющего собой, например, усилитель с n входами, входы которого соединены с выходами усилителей 9 12; амплитудного селектора 36, выполненного, например, на диодах или транзисторах с различной проводимостью, подключенного входом к выходу третьего сумматора 33; первого формирователя 37, например, в виде модулятора в ждущем режиме, подсоединенного к выходу первого сумматора 35; счетчика 38, подключенного к выходу формирователя 37.

Устройство работает следующим образом. Прежде всего производится проверка соответствия оптических осей элементов и оси вращения объекта. Для этого излучение светодиода 3 через объектив 2 направляется на торец вращающегося объекта, на котором радиально расположен светоотражающий элемент 1. Отраженный от него оптический сигнал по тому же оптическому тракту через объектив 2 и пространственно-амплитудный пассивный модулятор 4 идет на квадрантный фотодетектор 6, состыкованный светочувствительной плоскостью с каждой из 4-х площадок фотодетектора 6, далее усиливается и каждый через соответствующий амплитудный детектор и интегратор поступает на соответствующий вход схемы сравнения 26 и 27, где происходит сравнение амплитуд пар сигналов с диаметрально противоположных квадрантов фотодетектора 6: в схеме сравнения 26 для верхнего и нижнего квадрантов (по оси Y), в схеме сравнения 7 для левого и правого квадрантов (по оси X). Результат сравнения отражается с помощью индикаторов 31 и 32, по показаниям которых ведется совмещение оптической оси системы из объектива 2, светодиода 3, состыкованных пространственно-амплитудного пассивного модулятора 4 и фотодетектора 6 и оси вращения объекта.

Оси считаются совмещенными в плоскостях X и Y, когда показания индикаторов 31 и 32 становятся равными нулю. Это позволяет навестись на объект и приступить к точному измерению параметров вращения объекта.

В этом случае при вращении вместе с объектом светоотражающего элемента его изображения за полный оборот проходит с шагом H все n входных торцов стекловолокон кольца пространственно-амплитудного пассивного модулятора 4. Для этой цели выбирается шаг расположения стекловолокон из условия H ≥2a, при этом размер метки L выбран из условия обеспечивающего последовательное прохождение за 1 оборот всех n меток. Каждая из четырех светочувствительных площадок фотодетектора 6 при этом просматривает последовательно друг за другом соответствующую ей одну из четвертей окружности вращения элемента 1, что соответствует определенным n/4 стекловолокнам пассивного модулятора 4.

С выхода каждого из усилителей на сумматор 35 поступает электрический сигнал в виде последовательности n/4 импульсов (на фиг. 2а 2г), причем во времени сигналы с выходов усилителей 9 12 смещены друг относительно друга на время где R радиус вращающегося объекта, а V его скорость. Сумматор 35 производит объединение во времени сигналов на его входах и на его выходе появляется n импульсов за оборот вращения, время которого (фиг. 2н). Далее через формирователь 37, где они нормализуются по форме, импульсы поступают на счетчик 38. Здесь осуществляется подсчет числа импульсов N за время счета T_сч, количество которых связано со скоростью вращения объекта, что эквивалентно измерению скорости вращения V;

где число оборотов вращения за время T_сч;

постоянная величина.

При этом точность определения мгновенной скорости V зависит от числа n, фактически представляющего собой требуемую дискретность по точности измерения.

Одновременно с подачей импульсной последовательности с усилителей 9 и 12, соответствующих двум смежным квадрантам фотодетектора 6, на соответствующие им амплитудные детекторы сигналы с них поступают на входы пиковых детекторов 8 и 7 соответственно. Здесь происходит выделение огибающих соответствующих импульсных последовательностей (фиг. 2д, 2е) и далее они объединяются с помощью второго сумматора 19. Полученные импульсы поступают на триггер 25, запуская его первым, а срывая вторым и далее с помощью дифференцирующей цепи 30 выходной импульс триггера (фиг. 2ж) преобразуется в два разнополярных (фиг. 2з). Амплитудный дискриминатор 34 выделяет сигнал обратного выброса по обратному фронту (фиг. 2и), что соответствует моменту перехода через границу между смежными квадрантами, к которым подключены усилители 9 и 12, что принимается за начало отсчета Φ_н, к которому в пределах 0÷2π привязывается весь процесс измерения параметров вращения. Одновременно с поступлением на сумматор 19 с выходов пиковых детекторов 7 и 8 импульсные сигналы идут: с пикового детектора 7 через электронный ключ 24 и инвертор 29, где изменяется фаза на 180^o, на сумматор 33 и через формирователь 13 на управляющий вход ключа 28, а с пикового детектора 8 через ключ 28 на второй вход сумматора 33 и через формирователь 18 на управляющий вход ключа 24. В исходном состоянии ключи замкнуты, при поступлении сигналов на их управляющие входы они размыкаются.

При появлении сигнала на площадке фотодетектора 6, связанной через усилитель 9 с пиковым детектором 8, раньше, чем на площадке, связанной с пиковым детектором 7 через усилитель 12, что соответствует вращению объекта по часовой стрелке, этот сигнал после пикового детектора 8 одновременно проходит через замкнутый ключ 28 (фиг. 2л) на сумматор 33 и через формирователь 18, вырабатывающий импульс длительностью больше времени просмотра квадранта (фиг. 2к), на управляющий вход ключа 24, размыкая его на это время и отключая цепь подключения смежного квадранта на второй вход сумматора 33. С приходом импульса со смежного квадранта ключ 24 еще разомкнут и замыкается лишь после окончания импульса на управляющем входе ключа (фиг. 2м). В результате на входах сумматора импульс отрицательной полярности имеет меньшую длительность, чем положительный. И аналогично при появлении оптического сигнала на площадке фотодетектора 6, связанной через усилитель 12 с пиковым детектором 7, раньше, чем на площадке, связанной с пиковым детектором 8 через усилитель 9, что соответствует вращению объекта против часовой стрелки, сигнал с выхода пикового детектора 7 одновременно проходит через замкнутый ключ 24 и инвертор 29 на один вход сумматора 33 и через формирователь на управляющий вход ключа 28, размыкая его и отключая от второго входа сумматора 33. В этом случае импульс отрицательной полярности на его входах будет превышать по длительности импульс положительной полярности. Таким образом по полярности сигнала на выходе сумматора 33, осуществляющего временное объединение сигналов на его входах, определяется направление вращения объекта, информация о котором выделяется с помощью амплитудного селектора 36 на выходе сумматора 33.

Использование: в лазерных измерительных системах для решения задач прецизионной регистрации перемещения объектов.

Сущность изобретения: использование пространственно-амплитудного пассивного модулятора в виде волоконно-оптического кольца из n стекловолокон, внутри которого находится светодиод, связанный через объектив со светоотражающим элементом на торцовой поверхности вращающегося объекта, квадрантного фотодетектора, состыкованного с выходными торцами стекловолокном пространственно-амплитудного пассивного модулятора, а также четырех амплитудных детекторов, четырех интеграторов, двух схем сравнения, двух индикаторов, двух пиковых детекторов, второго сумматора, подключенного к их входам, последовательно соединенных триггера, связанного по входу с выходом этого сумматора, дифференцирующей цепи, амплитудного дискриминатора, двух формирователей, двух электронных ключей, амплитудного селектора вращения за счет получения данных не только о мгновенной скорости, текущей фазе, начале отсчета, но и о направлении вращения без ухудшения точности. 2 ил.

Устройство для определения параметров движения объекта, содержащее светоотражающий элемент, расположенный на торце вращающегося объекта, источник излучения, объектив, фотодетектор, первый и второй усилители, схему сравнения, формирователь и счетчик, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет изменения мгновенной скорости и определения направления вращения, в него введены пространственно-амплитудный пассивный модулятор, выполненный в виде волоконно-оптического кольца из n стекловолокон, расположенных с шагом не менее двух диаметров стекловолокна по образующей внешнего радиуса кольца, третий и четвертый усилители, четыре амплитудных детектора, подключенных к выходам усилителей, четыре интегратора, подключенных к выходам амплитудных детекторов, два пиковых детектора, подключенных к выходам первого и четвертого усилителей соответственно, три сумматора, последовательно соединенные триггер, дифференцирующая цепь и амплитудный дискриминатор, инвертор, два электронных ключа, второй и третий формирователи, амплитудный селектор, вторая схема сравнения и два индикатора, при этом фотодетектор выполнен квадратным и сопряжен с пространственно-амплитудным пассивным модулятором, внутри кольца которого расположен источник излучения, входы первого и третьего усилителей соединены с выходами первой пары диаметрально противоположных квадрантов фотодетектора, входы второго и четвертого усилителей с выходами второй пары диаметрально противоположных квадрантов фотодетектора, а выходы усилителей с входами первого сумматора, выход которого через первый формирователь соединен с входом счетчика, выход первого пикового детектора соединен с первым входом второго сумматора, через второй формирователь с управляющим входом первого сумматора, выход второго пикового детектора соединен с вторым входом второго сумматора, через первый электронный ключ с вторым входом третьего сумматора и через третий формирователь с управляющим входом второго электронного ключа, выходы второго и третьего сумматоров соединены с входами триггера и амплитудного селектора соответственно, выходы первого и третьего интеграторов подключены к входам первой схемы сравнения, выход которой соединен с входом первого индикатора, выходы второго и четвертого интеграторов подключены к входам второй схемы сравнения, выход которой соединен с входом второго индикатора, причем пространственно-амплитудный пассивный модулятор и источник излучения через объектив съюстированы со светоотражающим элементом, выполненным в виде радиально расположенной метки с поперечным размером L, удовлетворяющим условию

где R радиус вращающегося объекта.