ЧАСТОТНО-ИМПУЛЬСНЫЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ РАЗМЕРА Российский патент 1998 года по МПК G01B21/06 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для измерения размера изделий, и может быть использовано в машиностроении при производстве крупногабаритных деталей.

Известны оптико-электронные измерительные устройства со сканированием изображения кромки изделия (Зарезанков Г.Х. "Фотоэлектронные приборы автоматического контроля размеров проката", М.: Металлургиздат, 1962, с. 37), которые преобразуют положение кромки детали относительно оптической оси в широтно-импульсный оптико-электронный сигнал, длительность которого пропорциональна этому положению. Широтно-импульсное преобразование сигнала используется для исключения влияния различных амплитудных факторов на точность измерения. Кроме того, широтно-импульсный оптико-электронный сигнал легко преобразуется в цифровой код. Эти устройства содержат оптическую систему, сканирующее устройство, электронный блок обработки информации с фотопреобразователем и индикатор отклонения размера.

Недостатком этих устройств является сложность механической конструкции блока сканирования, который является источником основных составляющих статической и динамической погрешностей измерения.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для измерения размеров проката (Зарезанков Г.Х., там же, с. 34). Это устройство содержит объектив, маску с двумя окнами, два фотопреобразователя, установленные напротив окон маски, и электронную схему обработки информации. Через первое окно на первый фотопреобразователь поступает излучение от краевого участка изделия, а через второе окно на второй преобразователь поступает излучение от полного участка поверхности изделия вблизи края. Положение края изделия относительно оптической оси устройства определяется по величине отношения усиленных сигналов с фотопреобразователей. Величина отношения определяется с помощью аналоговой электронной схемы. Применение этого метода измерения позволяет уменьшить влияние изменения интенсивности излучения изделия, которая определяется его аппаратурой, на результат измерения размера.

Данное измерительное устройство имеет низкий технический уровень, обусловленный невысокой точностью измерения, содержит сложную электронную схему обработки информации и стрелочный индикатор, регистрирующий результат измерения размера в аналоговой форме. При использовании измерительного устройства с аналоговой схемой обработки информации в составе автоматизированной системы управления технологическим процессом необходим аналого-цифровой преобразователь, который является источником дополнительной погрешности измерения. Кроме того, при передаче аналоговой информации от измерителя к ЭВМ в канале передачи данных возникает дополнительная погрешность.

В связи с этим важнейшей задачей является создание нового оптико-электронного устройства для измерения размера объекта с цифровым представлением результата измерения, не содержащего аналоговой схемы обработки измерительной информации, стрелочные индикаторы и механические подвижные детали и имеющего в качестве выходного информативного параметра частоту следования импульсов для передачи без потерь на большие расстояния с дальнейшим преобразованием в десятичный цифровой код.

Техническим результатом заявленного частотно-импульсного преобразователя размера является повышение точности и помехоустойчивости измерения и удобства пользования этим измерительным устройством, поскольку результат измерения представлен в цифровом коде. Наличие цифрового выхода у измерительного устройства позволяет использовать его в составе автоматизированных систем управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности.

Указанный технический результат достигается тем, что в частотно-импульсном оптико-электронном преобразователе размера, содержащем объектив, маску с двумя окнами, два фотопреобразователя и электронную схему обработки информации, схему обработки информации преобразователя выполнена в виде двух усилителей фототока, интегратора, компаратора, источника опорного напряжения и одновибратора, выходы фотопреобразователей опорного и измерительного каналов соединены с входами соответствующих усилителей фототока, выход одного из которых подключен через коммутатор, управляемый одновибратором, к инвертирующему входу интегратора, а выход второго усилителя фототока непосредственно подключен к неинвертирующему входу интегратора, выход которого соединен с первым входом компаратора, а его второй вход соединен с источником опорного напряжения, выход компаратора подключен к одновибратору.

Указанное отличие позволяет повысить точность измерения размера, поскольку в частотно-импульсном оптико-электронном преобразователе размера применен принцип частотно-импульсного развертывающего преобразования, в результате которого частота следования импульсов пропорциональна размеру контролируемого объекта. Эта последовательность импульсов может передаваться на большие расстояния как по проводным линиям, так и по радиоканалам передачи данных, а затем преобразовываться в двоично-десятичный код без потерь информации непосредственно в ЭВМ.

Приведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного решения, позволило установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого решения по совокупности признаков, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию "изобретательского уровня" заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение для специалиста не следует явным образом из известного уровня техники.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 изображена блок-схема частотно-импульсного оптико-электронного преобразователя размера; на фиг. 2 - проекция маски на плоскость измерения; на фиг. 3 - временные диаграммы, поясняющие работу прибора.

Излучение от поверхности измеряемого объекта 1 через объектив 2 и маску 3 с двумя прямоугольными окнами, соответствующими измерительному и опорному каналам, фокусируется на светочувствительные поверхности фотопреобразователей 4 и 5. К усилителю фототока 6, соединенному с фотопреобразователем 4, подключен неинвертирующий вход интегратора 7, а к усилителю фототока 8, соединенному с фотопреобразователем 5, подключен одним входом коммутатор 9, выход которого подключен к инвертирующему входу интегратора 7. Выход интегратора 7 соединен с первым входом компаратора 10, ко второму входу которого подключен источник опорного напряжения 11. Выход компаратора 10 подключен к входу одновибратора 12, выход которого соединен с другим входом коммутатора 9.

При работе преобразователя размера на фотопреобразователи 4 и 5 одновременно попадают потоки излучения от поверхности контролируемого объекта 1, прошедшие через объектив 2 и маску 3. Сигналы от потоков измерительного и опорного каналов с выхода фотопреобразователей 4 и 5 подаются на усилители фототока 6 и 8 соответственно. Сигнал измерительного канала меньше, т. к. определяется площадью окна маски, соответствующей излучаемой поверхности S₄ = ax, в то время как площадь засвеченного окна маски опорного потока определяется S₅ = ab (фиг. 2). Сигнал измерительного канала с выхода усилителя фототока 6 непосредственно подается на неинвертирующий вход интегратора 7, на выходе интегратора появляется линейно изменяющееся напряжение с положительной производной (фиг. 3), диаграмма 13, которое поступает на один вход компаратора 10, а на другой его вход подается постоянное пороговое напряжение от источника опорного напряжения 11. В момент t₂ срабатывания компаратора 10 на его выходе появляется импульс, фиг. 3, диаграмма 14, который запускает одновибратор 12, формирующий импульс стабильной длительности T₀ = t₂ - t₃, который открывает коммутатор 9. Сигнал опорного канала с выхода усилителя фототока 8 через коммутатор 9 подается на инвертирующий вход интегратора 7 только в течение интервала времени T₀, поэтому на двух входах интегратора 7 действует разность напряжений измерительного и опорного каналов. Так как напряжение опорного канала больше измерительного, то на выходе интегратора 7 появляется линейно изменяющееся напряжение с отрицательной производной, фиг. 3, диаграмма 13. По истечении времени T₀ в момент t₁ коммутатор 9 закрывается, на вход интегратора 7 вновь поступает только напряжение измерительного канала, и цикл повторяется, фиг. 3, диаграмма 13. Частота следования импульсов на выходе компаратора пропорциональна отношению световых поток измерительного и опорного каналов.

Период повторения импульсов на выходе компаратора определяется следующими соотношениями:

откуда

где
f_x - частота повторения импульсов на выходе компаратора, пропорциональная информативному параметру-размеру;
T_x - период следования импульсов на выходе компаратора;
T₀ - длительность стабильного импульса;
U_o - напряжение, пропорциональное опорному потоку;
U_x - напряжение, пропорциональное измерительному потоку.

Результат измерения размера может быть непосредственно введен в ЭВМ без дополнительного аналого-цифрового преобразования.

Применение данного частотно-импульсного оптико-электронного преобразователя размера позволяет повысить точность измерения.

Таким образом, вышеизложенное свидетельствует о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности:
частотно-импульсный оптико-электронный преобразователь размера, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, предназначен для использования в различных технологических процессах;
для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления в соответствии с описанием и прилагаемыми чертежами;
частотно-импульсный оптико-электронный преобразователь размера, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость".

Преобразователь предназначен для использования в машиностроении в производстве крупногабаритных деталей при высокотемпературных технологических процессах. Преобразователь размера содержит объектив 2 и маску 3 с двумя прямоугольными окнами, соответствующими измерительному и опорному каналам. Два фотопреобразователя 4 и 5 соединены соответственно с двумя усилителями 6 и 8 фототока. Интегратор 7 подключен неинвертирующим входом непосредственно к усилителю 6 фототока, инвертирующим входом - к усилителю 8 фототока через коммутатор 9, управляемый одновибратором 12, а выходом - к одному входу компаратора 10. Другой вход компаратора 10 соединен с источником 11 опорного напряжения, а выход - с одновибратором 12. Преобразователь повышает точность измерения. 3 ил.

Частотно-импульсный оптико-электронный преобразователь размера, содержащий объектив, маску с двумя окнами, два фотопреобразователя и электронную схему обработки информации, отличающийся тем, что схема обработки информации преобразователя выполнена в виде двух усилителей фототока, интегратора, компаратора, источника опорного напряжения и одновибратора, выходы фотопреобразователей опорного и измерительного каналов соединены с входами соответствующих усилителей фототока, выход одного из которых подключен через коммутатор, управляемый одновибратором, к инвертирующему входу интегратора, а выход второго усилителя фототока непосредственно подключен к неинвертирующему входу ингегратора, выход которого соединен с первым входом компаратора, а его второй вход соединен с источником опорного напряжения, выход компаратора подключен к одновибратору.