УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ОБЪЕКТА Российский патент 2003 года по МПК G01B11/00 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к датчикам линейных перемещений, предназначенным для измерения положения и перемещения объекта.

Известен аналог [1], в котором применены кодовая шкала, имеющая n-е количество дорожек, источник излучения, узкая щель и фотоприемники, число которых соответствует числу дорожек кодовой шкалы.

Основными недостатками этого устройства являются невозможность получить высокое разрешение (ограничивается шириной щели), высокая стоимость из-за сложности изготовления кодовой шкалы, а также невозможность иметь постоянную информацию о величине перемещения объекта с достаточно высокой точностью при больших скоростях перемещения объекта (до нескольких метров в секунду).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является устройство [2], принятое за прототип. Это устройство содержит источник излучения и последовательно расположенные конденсор, кодовую шкалу, предназначенную для скрепления объекта, выполненную в виде штриховой меры таким образом, что линейные расстояния между соседними штрихами не равны друг к другу и определяются из соотношения:
S_(n-1),n=S_0,1+d(n-1),
где S_0,1 - линейное расстояние между нулевым и первым штрихами;
d - постоянная составляющая;
n= 1, 2, 3... - порядковые номера нанесенных на шкале штрихов, за исключением нулевого,
фоточувствительные элементы, установленные вдоль направления перемещения кодовой шкалы, блок аналого-цифровой обработки и управления, вход которого связан с выходами фоточувствительных элементов.

Основным недостатком прототипа является невозможность иметь постоянную информацию о величине перемещения объекта с достаточно высокой точностью при больших скоростях перемещения объекта (до нескольких метров в секунду). Такие устройства трудно встроить в системы автоматического управления процессом измерения, они успешно работают только в разомкнутых системах.

Основной задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей, связанных с обеспечением надежной работы при больших скоростях перемещения и, как следствие, возможность работы в замкнутых системах автоматического управления процессом измерения.

Для решения данной задачи предлагается устройство для измерения перемещения и положения объекта, содержащее источник излучения и последовательно расположенные конденсор, кодовую шкалу, предназначенную для скрепления объекта и выполненную в виде штриховой меры таким образом, что линейные расстояния между штрихами не равны друг другу и определяются из соотношения:
S_(n-1),n=S_0,1+d(n-1),
где S_0,1 - линейное расстояние между нулевым и первым штрихами;
d - постоянная составляющая;
n= 1, 2, 3... - порядковые номера нанесенных на шкале штрихов, за исключением нулевого,
фоточувствительные элементы, установленные вдоль направления перемещения кодовой шкалы, блок аналого-цифровой обработки и управления, вход которого связан с выходами фоточувствительных элементов. В отличие от известного оно снабжено каналом счета одиночных импульсов, содержащим последовательно установленные источник излучения, конденсор, сетку, на которой нанесен растр длиной 1, большей наибольшего интервала между соседними штрихами шкалы, и с шагом, равным d, и шириной прозрачных и непрозрачных промежутков, равной d/2, проекционную линзу, в фокусе которой расположен фотоприемник, выход которого соединен с входом блока счета одиночных импульсов. При этом ширина штрихов, нанесенных на кодовой шкале, равна d/2, а линейное расстояние S_0,1 между нулевым и первым штрихами кратно d.

Сущность предлагаемого устройства для измерения положения и перемещения объекта поясняется с помощью фиг.1, на которой изображена схема устройства, на фиг.2 - вид А устройства, изображенного на фиг.1, на фиг.3 - вид Б устройства, изображенного на фиг.1.

Устройство на фиг. 1 содержит последовательно установленные источник излучения 1, конденсор 2, кодовую шкалу 3 с нанесенными штрихами 12 (фиг.2), фоточувствительные элементы 4 (фиг.1), установленные вдоль направления перемещения кодовой шкалы, блок 5 аналого-цифровой обработки и управления и канал счета одиночных импульсов, состоящий из последовательно установленных источника излучения 6, конденсора 7, кодовой шкалы 3, сетки 8 с нанесенным на ней растром с прозрачными штрихами 13 (фиг.3), проекционную линзу 9 (фиг. 1), в фокусе которой расположен фотоприемник 10, выход которого соединен с входом блока 11 счета одиночных импульсов. При этом длина растра 1 больше наибольшего интервала между соседними штрихами кодовой шкалы, шаг растра равен d, а ширина прозрачных и непрозрачных промежутков равна d/2.

На кодовой шкале 3 (фиг.1) нанесены прозрачные штрихи 12 (фиг.2), линейное расстояние между которыми подчиняется зависимости
S_(n-1),n=S_0,1+d(n-1),
где S - линейное расстояние между нулевым и первым штрихами,
d - постоянная составляющая, превышающая погрешность определения расстояния между соседними штрихами,
n= 1, 2, 3... - порядковые номера нанесенных на шкале штрихов, за исключением нулевого.

При этом ширина штрихов 12 (фиг.2), нанесенных на кодовой шкале 3 (фиг. 1), равна d/2, а линейное расстояние S_0,1 между нулевым и первым штрихами кратно d.

Устройство на фиг. 1, 2 и 3 работает следующим образом. Источник излучения 1 с помощью конденсора 2 освещает кодовую шкалу и проецирует на фоточувствительные элементы 4 штрихи кодовой шкалы. Какие-либо два штриха охватывают чувствительный элемент, принятый за репер. По измеренному расстоянию между штрихами, охватывающими репер, и расстоянию от одного из охватывающих репер штрихов до репера определяют положение объекта. Величина перемещения объекта есть разность двух его положений относительно фоточувствительного элемента, принятого за репер. В общем, окончательное измерение положения и перемещения объекта (после его остановки) осуществляется в полном соответствии с работой устройства, принятого за прототип [2]. Для получения информации о величине перемещения и положения объекта в процессе перемещения с достаточно большой скоростью (например, до 5 м/с) и приемлемой точностью (например, до 0,1-0,2 мм) источник излучения 6 (фиг.1), находящийся в фокусе конденсора 7, освещает параллельным пучком кодовую шкалу 3 и сетку 8, на поверхности которой нанесен растр длиной 1, большей наибольшего интервала между соседними штрихами кодовой шкалы 3. Расстояние между прозрачными штрихами 13 (фиг.3) (шаг t растра 8) (фиг.1) равно d, а ширина прозрачных и непрозрачных промежутков равна d/2. Проекционная линза 9 фокусирует параллельный световой пучок, освещающий подвижную кодовую шкалу 3 и неподвижную сетку 8 с нанесенным растром, на фотоприемнике 10. Т.к. все интервалы между штрихами кодовой шкалы 3 выполнены кратными d, то при перемещении шкалы относительно сетки 8 с нанесенным растром возникают одиночные импульсы, подсчитываемые блоком 11 счета одиночных импульсов с дискретностью, равной d. При этом амплитуда сигнала будет измеряться в несколько раз в зависимости от того, сколько прозрачных штрихов шкалы совмещается одновременно с прозрачными штрихами растра.

Пусть, например, на кодовой шкале 3 нанесли 56 штрихов (от "нулевого" до пятьдесят пятого, т.е. имеем 55 промежутков), постоянная составляющая d=0,1 мм (погрешность же определения расстояния между соседними штрихами современными средствами не превышает 0,01 мм), a S_0,1=12 d.

Тогда получим:
S_0,1=12•0,1=1,2 мм;
S_54,55=S_0,1+d(n-1)=1,2+0,1(55-1)=6,6 мм;

Длина растра 1 (расстояние между серединами темных штрихов) должна быть более S_54,55 (наибольший интервал между соседними штрихами кодовой шкалы 3), например, 1=6,75 мм (т.е. растр имеет 67 прозрачных штрихов, равных 0,05 мм, и 68 темных, также равных 0,05 мм. Тогда при перемещении кодовой шкалы 3 относительно сетки 8 с нанесенным растром на приемнике 10 при каждом совпадении прозрачных штрихов 12 кодовой шкалы (равных по величине 0,05 мм) с прозрачными промежутками растра (также равными по величине 0,05 мм) будет возникать одиночный импульс, который будет повторяться при смещении кодовой шкалы на 0,1 мм. Но амплитуда этих импульсов будет переменна и зависеть от того, какие штрихи (с маленькими промежутками между ними или большими) в данный момент перемещаются относительно неподвижной сетки 8 с нанесенным на ней растром.

Действительно, при перемещении интервалов S_0,1, S_1,2, S_2,3, S_3,4 (S_0,4= 5,4 мм) относительно растра, длина которого 1=6,75 мм, в течение некоторого времени одновременно будут совмещаться пять прозрачных штрихов 12 шкалы 3 с прозрачными штрихами 13 растр, т.е. амплитуда одиночного импульса вырастает в 5 раз.

При перемещении кодовой шкалы 3 со скоростью, например, 5 м/с (5000 мм/с) с учетом того, что t=d=0,1 мм, частота следования одиночных импульсов будет равна 50 кГц, что не представляет никаких трудностей для их подсчета.

Предлагаемое устройство позволяет значительно расширить функциональные возможности прототипа, обеспечивая надежную работу в замкнутых системах автоматического регулирования. В прототипе получение информации о положении объекта обеспечивалось только при очень маленьких скоростях перемещения, поэтому устройство-прототип могло работать только в разомкнутых системах, не имеющих обратной связи о величине перемещения объекта в процессе движения.

Источники информации
1. А.В. Мироненко. Фотоэлектрические измерительные системы. М.: Энергия, 1967 г., с.261, 262, рис.7.1.

2. Патент РФ N 2078457, G 01 В 11/00.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к датчикам линейных перемещений, предназначенных для измерения положения и перемещения объекта. Устройство содержит источник излучения и последовательно расположенные конденсор, кодовую шкалу, предназначенную для скрепления с объектом и выполненную в виде штриховой меры таким образом, что линейные расстояния между штрихами не равны друг другу, фоточувствительные элементы, блок аналого-цифровой обработки и управления, вход которого связан с выходами фоточувствительных элементов. Устройство также снабжено каналом счета одиночных импульсов, содержащим последовательно установленные источник излучения, конденсатор, сетку, на которой нанесен растр длиной, большей наибольшего интервала между соседними штрихами шкалы, проекционную линзу, в фокусе которой расположен фотоприемник, выход которого соединен с входом блока счета одиночных импульсов. Технический результат - расширение функциональных возможностей, связанных с обеспечением надежной работы при больших скоростях перемещения и, как следствие, возможность работы в замкнутых системах автоматического управления процессом измерения. 3 ил.

Устройство для измерения положения и перемещения объекта, содержащее источник излучения и последовательно расположенные конденсор, кодовую шкалу, предназначенную для скрепления с объектом и выполненную в виде штриховой меры таким образом, что линейные расстояния между штрихами не равны друг другу и определяются из соотношения

S_(n-1),n=S_0,1+d (n - 1),

где S_0,1 - линейное расстояние между нулевым и первым штрихами;

d - постоянная составляющая;

n=1, 2, 3... - порядковые номера нанесенных на шкале штрихов, за исключением нулевого,

фоточувствительные элементы, установленные вдоль направления перемещения кодовой шкалы, блок аналого-цифровой обработки и управления, вход которого связан с выходами фоточувствительных элементов, отличающееся тем, что оно снабжено каналом счета одиночных импульсов, содержащим последовательно установленные источник излучения, конденсор, сетку, на которой нанесен растр длиной 1, большей наибольшего интервала между соседними штрихами шкалы, и с шагом, равным d, и шириной прозрачных и непрозрачных промежутков, равной d/2, проекционную линзу, в фокусе которой расположен фотоприемник, выход которого соединен с входом блока счета одиночных импульсов, при этом ширина штрихов, нанесенных на кодовой шкале, равна d/2, а линейное расстояние S_0,1 между нулевым и первым штрихами кратно d.