ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2001 года по МПК G01B11/26 G01B21/06 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для измерения геометрических параметров нагретых изделий, и может быть использовано в широком диапазоне при производстве проката, поковок и обечаек.

Известны оптико-электронные устройства, содержащие усилитель оптических сигналов с широтно-импульсной модуляцией, содержащий блок автоматической регулировки усиления, блок автоматической стабилизации уровня темнового тока и управляемый делитель напряжения, при этом блок автоматической регулировки уровня содержит соединенный с выходом усилителя пиковый детектор, выход которого соединен с неинвертирующим входом дифференциального усилителя, к инвертирующему входу которого подключен задатчик напряжения, выход задатчика напряжения соединен через диод с управляемым элементом делителя напряжения усилителя, а блок автоматической стабилизации уровня темнового тока представляет собой подключенный к выходу усилителя пиковый детектор, выход пикового детектора соединен с инвертирующим входом усилителя, выход которого соединен с входом усилителя фототока. Это устройство является адаптивным, изменяющим свои параметры в процессе работы и тем самым исключающим все внутренние и внешние факторы, которые влияют на точность измерения длительности импульса. Основным элементом устройства является пиковый детектор с временем разряда, превосходящим во много раз период сканирования (А.Н. Шилин, Д.В. Лютиков "Усилитель оптических сигналов с широтно-импульсной модуляцией" // Автоматизация технологических процессов в машиностроении: Межвузовский сборник.- Волгоград: ВолгГТУ, 1994.- C. 164-168).

Известно оптико-электронное устройство для измерения размеров нагретых изделий, содержащее вибрационный сканатор, фотоприемник, усилитель фототока, триггер Шмитта, индикатор, блок автоматической стабилизации уровня темнового тока и блок автоматической регулировки усиления, выполненный в виде подключенной к выходу усилителя фототока последовательной цепи из нелинейного элемента, пикового детектора и транзисторного усилителя, подключенного параллельно резистору усилителя фототока, а блок автоматической стабилизации уровня темнового тока выполнен в виде подключенной к выходу усилителя фототока последовательной цепи из пикового детектора, подключенного общей точкой к положительной шине питания, и усилителя, соединенного через резистор с входом усилителя фототока (патент N 2017064, кл. G 01 В 21/02, 1994).

Недостатком этих устройств является низкое быстродействие блока автоматической регулировки усиления и автоматической стабилизации уровня темнового тока, обусловленное наличием пиковых детекторов, поскольку для нормальной работы блока автоматической регулировки усиления необходимо, чтобы время разряда RC-цепи пикового детектора во много раз превышало период сканирования, т. е. ошибка регулирования уменьшается с увеличением постоянной времени, а динамическая ошибка, вызванная изменением амплитуды, увеличивается.

Из известных измерительных устройств наиболее близким по технической сущности является оптико-электронное измерительное устройство, содержащее вибрационный сканатор с блоком питания, фотоприемник, усилитель, блок автоматической регулировки усиления, ждущий мультивибратор, триггер Шмитта, фильтр низкой частоты, делитель напряжения, блок автоматической стабилизации уровня темнового тока, при этом оно дополнительно снабжено вторым мультивибратором, делителем напряжения, блок автоматической стабилизации уровня темнового тока выполнен в виде RC-цепи, соединяющей делитель напряжения, подключенный к выходу усилителя, с инвертирующим входом усилителя, и двух ключей, один из которых подключен к выходу усилителя и инвертирующему входу усилителя, а другой подключен параллельно входному сопротивлению делителя, управляющие входы ключей соединены с блоком питания сканатора через триггер Шмитта и два ждущих мультивибратора (aвторское свидетельство СССР N 1772626, кл. G 01 B 21/06,1989).

Недостатком этого устройства является наличие в блоке автоматической регулировки усиления пикового детектора, время разряда которого превышает период сканирования, что приводит к динамической погрешности измерения, а RC-цепь в блоке автоматической стабилизации уровня темнового тока имеет ограниченное время разряда, тем самым снижается быстродействие и качественная характеристика устройства.

Данные устройства имеют невысокий технический уровень, обусловленный наличием в блоках автоматической стабилизации пиковых детекторов, не обеспечивающих уменьшение характеристик по ошибке регулирования и динамической ошибке, тем самым снижается точность измерения и быстродействие устройства.

В этой связи важнейшей задачей является создание нового быстродействующего оптико-электронного устройства, содержащего два параллельно работающих мультивибратора от одного задатчика, что позволяет создать принципиально новую схему синхронного взаимодействия блока автоматической регулировки усиления и блока автоматической стабилизации уровня темнового тока, посредством введения управляемых ключей, конденсаторов и буферных усилителей, образующих устройство выборки-хранения, тем самым достигается выравнивание параметров стабилизации сигнала и длительности периода сканирования.

Техническим результатом заявленного устройства является создание новой электронной синхронной схемы устройства на базе двух параллельно работающих мультивибраторов и управляемых ключей, что позволяет создать качественно новое быстродействующее устройство, а введение устройств выборки-хранения обеспечивает уменьшение динамической погрешности измерения при автоматической стабилизации и исключение пиковых детекторов.

Указанный технический результат достигается тем, что оптико-электронное измерительное устройство, содержащее вибрационный сканатор с блоком питания, фотоприемник, усилитель фототока, блок автоматической регулировки усиления, ждущий мультивибратор, два триггера Шмитта, первый из которых соединен с выходом усилителя фототока, а второй - с блоком питания сканатора, фильтр низкой частоты, индикатор и блок автоматической стабилизации уровня темнового тока, снабжено вторым мультивибратором, параллельно соединенным с первым мультивибратором, в блок автоматической регулировки усиления и блок автоматической стабилизации уровня темнового тока введены устройства выборки-хранения, содержащие ключ, конденсатор и буферный усилитель, блок автоматической регулировки усиления снабжен дифференцирующей цепью, задатчиком напряжения, управляющим делителем и выполнен в виде подключенного к выходу второго триггера Шмитта первого мультивибратора с первой дифференцирующей цепью, выход которой соединен с управляющим входом первого ключа, который через первый конденсатор и первый буферный усилитель соединяет выход усилителя фототока с входом задатчика напряжения, выход задатчика напряжения соединен с управляющим элементом делителя напряжения, а блок автоматической стабилизации уровня темнового тока снабжен дифференцирующей цепью, усилителем и выполнен в виде второго мультивибратора с дифференцирующей цепью, подключенного к управляющему входу второго ключа, который через второй конденсатор и второй буферный усилитель соединяет выход усилителя фототока с входом усилителя, выход которого соединен с входом усилителя фототока.

Введение в блок автоматической регулировки усиления и блокa автоматической стабилизации уровня темнового тока двух параллельно работающих мультивибраторов от одного формирователя импульсов позволяет создать принципиально новую схему синхронного взаимодействия указанных блоков и в целом повысить быстродействие устройства, а подключение формирователя импульсов - триггера Шмитта непосредственно к генератору позволяет обеспечить работоспособность устройства в широком диапазоне режимов.

Введение в электронную схему блока автоматической регулировки усиления и блока автоматической стабилизации уровня темнового тока устройств выборки-хранения, быстродействие которых определяется тактом сканирования, позволяет уменьшить динамическую погрешность и тем самым значительно повысить точность измерения.

Проведенный 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 отличными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение для специалиста не следует из известного уровня техники.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - время-импульсная диаграмма, поясняющая его работу.

Измерительное устройство представляет собой объектив 1, в плоскости изображения которого установлен фотоприемник 2, закрепленный в свою очередь на вибрационном сканаторе 3. Энергетическим источником колебаний вибрационного сканатора 3 является электрический генератор 4. Фотоприемник 2 подключен через сопротивление нагрузки 5 к усилителю фототока 6, выполненного на базе операционного усилителя, включенного по схеме неинвертирующего усилителя. К выходу усилителя фототока 6 подключен первый триггер Шмитта 7. Усилитель фототока 6 охвачен блоком автоматической регулировки усиления, осуществляющим стабилизацию амплитуды импульсов на выходе усилителя.

Блок автоматической регулировки усиления снабжен дифференцирующей цепью 11, задатчиком напряжения 15, управляющим делителем 16 и выполнен в виде подключенного через диод 8 к выходу генератора 4 второго триггера Шмитта 9, к выходу которого подключен первый мультивибратор 10, длительность импульса которого τ₁, с первой дифференцирующей цепью 11. Выход дифференцирующей цепи 11 соединен с управляющим входом первого ключа 12, который через первый конденсатор 13 и первый буферный усилитель 14 соединяет выход усилителя фототока с входом задатчика напряжения 15, представляющим собой дифференциальный усилитель с потенциометром. Выход задатчика напряжения 15 соединен с управляющим элементом делителя напряжения усилителя фототока 16. Управляющий элемент представляет собой оптоэлектронную пару, которая имеет практически линейную вольт-амперную характеристику и осуществляет гальваническую развязку управляемой и управляющей цепи. Для компенсации постоянной составляющей усилитель фототока 6 охвачен блоком автоматической стабилизации уровня темнового тока.

Блок автоматической стабилизации уровня темнового тока выполнен в виде второго мультивибратора 17, длительность импульса которого τ₂, включенного параллельно с первым мультивибратором 10. К выходу второго мультивибратора подключена вторая дифференцирующая цепь 18, выход которой соединен с управляющим входом второго ключа 19, который через второй конденсатор 20 со вторым буферным усилителем 21 соединяет выход усилителя фототока 6 с входом усилителя 22, представляющего собой дифференциальный усилитель, выход которого соединен с входом усилителя фототока 6. К выходу первого триггера Шмитта 7 подключена последовательно соединенная цепь из фильтра низкой частоты 23 и индикатора 24.

При работе устройства фотоприемник 2 с помощью вибрационного сканатора 3 совершает возвратно-поступательное движение в плоскости изображения объектива 1 (фиг. 1, диаграмма 24 на фиг. 2), преобразуя положение кромки изделия во время-импульсный сигнал (диаграмма 28 на фиг. 2) u_ф. Второй триггер Шмитта 9 формирует прямоугольные импульсы (диаграмма 25 на фиг. 2) u_т, которые своим фронтом запускают ждущие первый мультивибратор 10 и второй мультивибратор 17. Тем самым достигается выравнивание параметров стабилизации сигнала и длительности периода сканирования. Длительность импульса τ₁ первого мультивибратора 10 соответствует положению импульса с минимальной длительностью. Длительность импульса τ₂ второго мультивибратора 17 соответствует впадине импульса с минимальной длительностью, где должна осуществляться коррекция темнового тока, т.е. τ₁ и τ₂ настраиваются на граничные положения кромки детали в зоне сканирования. Сигнал u_τ1 с первого мультивибратора 10 (диаграмма 26 на фиг. 2) через первую дифференцирующую цепь 11 своим фронтом включает первый ключ 12. Сигнал с усилителя фототока 6 заряжает первый конденсатор 13 и в следующем такте поступает через первый буферный усилитель 14, который позволяет компенсировать токи утечки конденсатора, на задатчик напряжения 15, который также выполняет функцию элемента сравнения. Разность между усиленным и задающим напряжением поступает на управляющий элемент делителя напряжения 16 и изменяет коэффициент усилинения усилителя фототока 6, обеспечивая постоянную амплитуду время-импульсного сигнала. Сигнал u_τ2 с мультивибратора 17 (диаграмма 27 на фиг. 2) через вторую дифференцирующую цепь 18 своим фронтом включает второй ключ 19. Сигнал с усилителя фототока 6 заряжает второй конденсатор 20 и в следующем такте поступает через второй буферный усилитель 21 на инвертирующий вход усилителя 22, включенного в режиме инвертирующего усилителя. Кроме того, усилитель 22 выполняет функцию сравнения с нулем, который является задатчиком темнового тока. С выхода усилителя 22 сигнал вычитается из входного сигнала усилителя фототока 6, что позволяет исключить влияние темнового тока. Далее сигнал с выхода усилителя фототока поступает на вход формирователя импульсов - первого триггера Шмитта 7, прямоугольные импульсы с которого поступают на фильтр низкой частоты 23. Фильтр низкой частоты 23 преобразует широтно-импульсный сигнал в постоянное напряжение, функционально зависящее от скважности сигнала. Это напряжение регистрируется индикатором 24. Оно пропорционально положению границы изделия относительно оптической оси объектива 1.

При внедрении заявленного оптико-электронного измерительного устройства повышается технологическая точность производства основных базовых деталей химнефтеаппаратуры - обечаек, следовательно, повышается производительность труда при сборке химнефтеаппаратуры, так как уменьшается время, необходимое для индивидуальной подгонки обечаек при их сборке. Кроме того, при повышении точности изготовления улучшаются эксплуатационные характеристики химнефтеаппаратуры.

Таким образом, вышеизложенное свидетельствует о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности:
- оптико-электронное измерительное устройство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в высокотемпературных 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;
- оптико-электронное измерительное устройство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для измерения геометрических параметров нагретых изделий, и может быть использовано при производстве проката, поковок и обечаек. Устройство содержит вибрационный сканатор 3 с блоком питания 4, фотоприемник 2, усилитель фототока 6, два ждущих мультивибратора 10 и 17, два триггера Шмитта, первый из которых 7 соединен с выходом усилителя фототока, а второй 9 - с блоком питания сканатора, фильтр низкой частоты 23, индикатор 24. Блок автоматической регулировки усиления выполнен в виде подключенного к выходу второго триггера Шмитта 9 первого мультивибратора 10 с первой дифференцирующей цепью 11, выход которой соединен с управляющим входом первого ключа 12, который через первый конденсатор 13 и первый буферный усилитель 14 соединяет выход усилителя фототока 6 с входом задатчика напряжения 15. Выход задатчика напряжения 15 соединен с управляющим элементом делителя напряжения 16, а блок автоматической стабилизации уровня темнового тока выполнен в виде второго мультивибратора 17 с дифференцирующей цепью 18, подключенного к управляющему входу второго ключа 19, который через второй конденсатор 20 и второй буферный усилитель 21 соединяет выход усилителя фототока 6 с входом усилителя 22, выход которого соединен с входом усилителя фототока 6. Техническим результатом заявленного устройства является повышение быстродействия устройства, уменьшение динамической погрешности измерения при автоматической стабилизации за счет использования усовершенствованной электронной схемы. 2 ил.

Оптико-электронное измерительное устройство, содержащее вибрационный сканатор с блоком питания, фотоприемник, усилитель фототока, блок автоматической регулировки усиления, ждущий мультивибратор, два триггера Шмитта, первый из которых соединен с выходом усилителя фототока, а второй - с блоком питания сканатора, фильтр низкой частоты, индикатор и блок автоматической стабилизации уровня шумов, отличающееся тем, что оно снабжено вторым мультивибратором, параллельно соединенным с первым мультивибратором, в блок автоматической регулировки усиления и блок автоматической стабилизации уровня темнового тока введены устройства выборки-хранения, содержащие ключ, конденсатор и буферный усилитель, блок автоматической регулировки усиления снабжен дифференцирующей цепью, задатчиком напряжения, управляющим делителем и выполнен в виде подключенного к выходу второго триггера Шмитта первого мультвибратора с первой дифференцирующей цепью, выход которой соединен с управляющим входом первого ключа, который через первый конденсатор и первый буферный усилитель соединяет выход усилителя фототока с входом задатчика напряжения, выход задатчика напряжения соединен с управляющим элементом делителя напряжения, а блок автоматической стабилизации уровня темнового тока снабжен дифференцирующей цепью, усилителем и выполнен в виде второго мультивибратора с дифференцирующей цепью, подключенного к управляющему входу второго ключа, который через второй конденсатор и второй буферный усилитель соединяет выход усилителя фототока с входом усилителя, выход которого соединен с входом усилителя фототока.