Оптико-электронное устройство для измерения линейных перемещений объектов Советский патент 1983 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различнь1х отраслях промьшленности для автоматического измерения линейных перемещений объектов,на пример, при виброиспытаниях. Наиболее близким к изобретению яв ляется оптико-электронное устройство для измерения линей)1ых перемещений объектов,, содержащее систему формарования интерференционных или муаровых полос, линейку фотоприемников, установленную на выходе системы, сое диненные последовательно блок формирователей, подключенные к линейке фо топриёмников, блок пространственной селекции фотоприемников с анализатором и сумматором и блок индикации Cl Устройство содержит также коммутатор в блокепространственной се. лекции фотоприемников, в котором вхо ды сумматора подключены к выходам коммутатора и к входу опорного напряжения анализатора, выход сумматора соединен с входом блока индикации и с входом анализатора, выходы.которого связаны с управляющими входа-ми коммутатора, информационные входы которого подключены к выходам блока формирователей. Анализатор состоит из соединенных последовательно реверсивного счетчика, дешифратора, коммутатора нижнего уровня, выходом соединенного с первым входом реверсивного счетчика, ко второму входу которого подключен компаратор верх него уровня, входом соединенного с диффере1щирующим усилителем, источник опорного напряжения подключен ко входу коммутатора, второй выход которого,а также выходы дещифратора яв ляются выходами анализатора. Блок формирователей содержит нелинейные усилители, входы которых являются входами блока формирователей, а выходы - выходами этого блока . Недостатком известного устройства является С1ижение точности измерения перемещений в моменты перехода работы с одного фотоприемника на другой. Это вызвано ключевым режимом работы коммутатора, подключающего поо чередно ко входам сумматора тот или иной фотоприемник. Если колебания границы раздела интерференционной или муаровой полосы контролируемого объекта происходят относительно стыка двух фотоприемников, то па выходе сигнал искажается, так как в момент перехода работы на соседний фотоприемник предыдущий отключается, что приводит в этот момент к потере информации о перемещениях контролируемого объекта. Кроме того, устройство реагирует на и:)менение величины опорного напряжения при действии дестабилизирующих факторов. Це/1ью изобретения является повышение точности измерений. Поставленная цель достигается тем, что в оптико-электронном устройстве для измерения линейных перемещений объектов, содержащем систему формирования интерференционных или муаровых полос, линейку фотоприемников, установленную на выходе системы, соедиHeHiibie последовательно блок формирователей, подключенный к линейке фотоприем1шков, блок : пространственной селекции фотоприемников с анализатором и сумматором, и блок индикации , блок формирователей выполнен с дополнительными управляющими входами и дополнительньа и информационными выходами,а анализатор блока пространственной селекции фотоприемникрв выполнен в виде сое- . диненных последовательно схемл сравнения, компаратора,.узла управления и коммутатора, выходы схемы сравнения соединены с информационными входами коммутатора, входы являются входами блока пространственной селекции фотоприемников, соединенными с дополнительными информационными выходами блока формирователей, выходы коммутатора являются выходами блока пространственной селекции фотоприемников и соединены с дополнительнь ш управлянлцими входами блока формирователей. На чертеже представлена блок-схема устройства. Оптико-электронное устройство дпя измере1шя линейных перемещений объектов содержит систему 1 формирования интерференционных или муаровых полос, например, двухлучевой интерферометр,, подвижное зеркало которого связывается с объектом, линейку 2 фотоприемников, соединенные последовательно блок 3 формирователей и блок А пространственной селекции фотоприем1шков, состоящий из сумматора 5 и анализатора 6, содержащего схему 7 сравнения, коммутатор 8, компаратор 9 и узел 10 управления, и блок 11 индикации. Блок. 3 формирователей содерхонт узел 12 усилителейпостоянного тока, узел 13 дифференциальных усилителей, регулирующие элементы 14 и схему 15 управления- . Схема 7 сравне1шя содержит узел 16 вьщеления средней составляющей ин формационных сигналов, узел 17 дшфференциальных усилителей и инвертирующий узел 18, Устройство: работает следующим образом. При виброперемещениях объекта система 1 формирует перемещающиеся .иитерфер енциоимые или муаровые полосы, изображе{ше которых фиксируется линейкой 2 фотоприемников. -Расстоянце между крайними фотоприемниками линейки 2 равно периоду интерфе ренционной или муаровой полосы. Информационные сигналы, снимаемые фотоприемников линейки 2, изменя ются по синусоидальному закону,фаза которых связана с положением фото приет ника. Сигналы с фотоприемников поступают в блок 3 формирователей и в анализатор 6. В блоке 3 формирователей сигналы усиливаются узлом 12 усилителей и через регулирующие элементы 14 подаются на входы сумма тора 5, коэффИ1щент передачи которого может иэменяться в зависимости от величины сигналов, поступающих на управляюоще входы регулирующих элементов 14. Анализатор 6 проводит ана лиз сигналов с линейки 2 фотоприемг НИКОВ и.вырабатывает управляющие напряда ения для регулирующих элементов 14, сопротивление которых, изменяясь, приводит к изменению коэффициента передачи сумматора 5 таким образом, что компенсирует нелинейные и выравнивает линейные участки перед точной характеристики, связывакицей величину линейного перемещения интер ференционной или муаровой полосу с величиной светового потока,падающего на фотоприемник линейки 2. Далее информационные сигналы поступают на входы сумматора 5, выходной сигнал с которого поступает в блок 11 индикации. При возвратно-поступательном пере мещении интерференционной или муаров полосы по поверхности фотоприемников линейки 2 на выходах фотоприемников формируются синусоидальные сигналы нелинейные участки которых компенсируются , а линейные вьфавниваются из мененнем коэффициента передачи сумматора 6, на выходе которого формируется линейно изменяющийся сигнал,амплитуда которого пропорциональна переме щению полосы. Для линеаризации передаточной харгистеристики, связьгаакнцей величину линейного перемещения интерференционной шш муаровой полосы с величиной светового потока, падающего на фотоприемник линейки 2,Достаточно трех фотоприемников, причем фотоприемники смещены друг относительно дру на четверть периода интерференционных или муаровых полос f а . расстояние от начала первого и до конца третьего фотоприемника равно периоду следования интерференционной или муаровой полосы Л . Информационные сигналы, снимаемые с выходов этих фотоприемников, при движении интенференционных или муаровых полос сверху вниз, будут изменяться по синусоидальному закону н сдвинуты друг относительно друга по фазе на 90°, наиболее линейные участ ки информационных сигналов, снимаемых с выходов фотоприемников, находятся вблизи их среднего значения величину.которрго мояою определить из выражения среднее значение тока информационного сигнала; максимальное значенне тока информационного сигнала; минимальное значение тока информационного сигнала. Суммируя с коэффициентом деле1а1Я на два величину (значение) токов напряжений) информационных сигналов, снимаемы с с выхрдов тех фотозгриемников, котррые находятся по разные стороны относительно границы интерференционных или муаровых полос, (например, первый и третий фотоприемник), . можно определить величину среднего значения сигнала. Эта величина зависит от интенсивности получаемых интерференционных или муаровых полос, а также от ряда дестабилизурующих факторов, действующих на устройство, например, изменение температуры окружающей среды, что при- . водит к сдвигу постоянной составляющей на выходе узла 12 усилителей постоянного тока. Подавая на один вход усилителя узла 17 дифференциал ных усилителей значение информацион ного сигнала, снимаемого с выхода усилителя узла 12 усилителей, подключенного к фотоприемнику, а на его другой вход - величину средней составляющейсигнала, можно скомпенсировать дрейф нуля на выходе усилителя узла 17 дифференциальных усилителей. С выхода схемы 7 сравнения снима ются сигналы, переменная составляющая которых изменяется относительно нуля дифференциальных усилителей уз ла 17,. Компаратор 9 вырабатывает им пульсы управления в момент, когда сигнал равен кулю. Узел 0 управления содержит схему управления комму татором 8 и триггер знака (не показаны), который определяет направление движения интерференционных или муаровых полос. РассмЬтрим работу схемы на участ ке, равном полупериоду следования и терференционных или муаровых полос i- , .; Пусть в исходном состоянии грани ца раздела следованияинтерференционных или муаровых полос находится на сер едине светочувствительного слоя второго фотовриемника линейки 2i В .момент tg разность между средним значением сигнала и величиной сигнала, снимаемого с выхода второго фотоприемника,равна нулю, при этом коэффициент передачи сумматора 5 для сигнала, снимаемого с выхода второго фотоприемника максимален (к, при сопротивлении регулирующего эламента 14 ), в для сигналов, 14 R. снимаемых с остальных фотоприемников - минимален при . Сигнал, снимаемый с выхода сумматора 5 будет находиться на линейном участке передаточной характеристики второго фотоприемника. Если интер ференционные или муаровые полосы перемещаются сверху вниз то сигнал с выхода втррого фотоприемника начинает убывать по своей величине, при этом триггер знака в узле ГО управле ния изменяет свое состояние и приводит к замыканию соответствующих клю чей в коммутаторе 8, что, в свою очередь, ведет к рабочей точки дифференциального усилителя УЗла 13 в блоке 3 формирователей, подключенного через анализатор 6 и усилитель узла 12 к выходу третьего фотоприемника на величину (- Зср) Если сигнал с выхода второго фотоприемника увеличивается, то триггер знака в блоке 10 управления изменяет свое состояние на противоположное, что ведет к смещению рабочей точйи дифференциального усилителя узла 13, подключенного через анализа.тор 6 и усилитель узла 12 к выходу первого фотоприемника на величину (+5сЭЬ . Информационные бигналы с выходов дифференциальных усилителей узла 13, подключенных ко входам BTois oro и третьего фотоприемников, с блока 3 формирователей подаются на входы узла 17 диффереш(иальных усилителей в схеме 7 сравнения, с выхода которого снимается сигнал, соответствующий их разнице. Величина этого сигнала через соответствующие ключи в коммутаторе 8 подается через схему 15 управления на управляющие входы регулирукяцих элементов 14 в блоке 3 формирователей, что ведет к изменению их сопротивлений. При этом коэффициент передачи сумматора 5 для сигнала, снимаемого с выхода второго фотоприемника, начинает уменьшаться прямо пропорционально изменению управляющего напряжения, а коэф ящиент пере,цачи сумматора 5 для сигнала, снимаемого с выхода третьего фотоприемника, начинает увеличиваться навели шну, обратную изменению коэффициента передачи для сигнала, снимаемого с выхода второго фотоприемника.« В момент t. .когда разница между сигналом, с шмаемым с выхода второго и первого фотоприемника, равна нулю г. (при этом коэффициент передачи сумматора 5 для обоих сигналов одинаков ), происходит срабатывание соответствующего компаратора 9, что ведет к .инверсии через соответствующие ключи в коммутаторе 8 ) знака управляющего Iнапряжения J, поступаницего на управляЮЕще входы регулируюпщх элементов 14, подключенных к выходам дифференциаль. усилите-лей узла 13 сигналов второго и третьего фотоприемников. При этом коэффициент передачи сумматора 5 для сигнала, снимаемого с выхода второго фотоприемника,; продолжает уменьшаться под действием управляю- ; .щег.о напряженияjV а коэффициент передачи для сигнала с выхода третьего фотоприемника - увеличиваться. в. момент t управлякщее напря- : жемие равно нулю и в этот момент коэф4янщент передачи сумматора 5 для сигнала с выхода третьего фотоприемни ка максимален, А для сигнала с выхода второго фотоприемника минимален. В момент t когда разность между информационными сигналам, снимае1 в 1ми с выходе первого и третьего фотопри ника,.-равно нулю, один из компараторов9 меняет свое состояние, что приводит к замыканию соответствующего ключа в коммутаторе 8, а это.в свою очередь ведет к смещению рабочей точки дифференциального усилител узла 13, в блоке 3 формирователей, с выхода которого снимается сигнал, инверсный сигналу с выхода второго фотоприемника на величину (-23) Информационные сигналы с выходов дифференциального усилителя узла 13 , подключенного чё рез . анализатор 6 и усилитель уз ла 12 ко входу третьего фотопрнем1шка, и с инверсного выхода усилителя узла 12, подкгаоченного ко входу второго фЬтоприе «ниКа, подаются с бл ка 3 фор в1рователей на входы усилителя узла 17 дифференциальных усилителей в схеме 7 сравнет1я. Сигнал, соответствующий их разнице, через соответствующие ключи в коммутаторе 8 и схему 15 управления подается на ; управляарв91е входа регулирующих элементов 14 в блоке 3 формирователей, что ведет к изменению коэф4я1циента 10 68 передачи сигналов. При этом коэффициент передачи сумматора 5 для сигнала, снимаемого с выхода третьего фотоприемника, начинает уменьшаться, а для сигнала с инверсного выхода днфферешщального усшгателя узла 13, подключенного;.через анализатор 6 и усилитель узла 13 к второму фотоприемнику, начинает увеличиваться . При изменении направления перемещения интерференционной или муаровой полосы сигнал с выхода сумматора 5 йачннает возрастать и процесс перехода работы с одного фотопрнемника на ругой будет обратный описанному, а на выходе сумматора 5 формнруется инейно возрастающий сигнал. Таким образом, за счет предлагаемой схемы блока формирователей, прн . движении интерференционной или муаровой, полосы вдоль .фотопри ников к сумматору подводятся сигналы со всех фотоприемников, причем их начальные участки сравниваются путем смещения рабочей точки уси-. лителей в блоке формирователей, а ли нейные участки выравниваются за счет изменення коэффициента пер.едачи сумг матора. Это позволяетплавно убирать сигнал с одного фотопрйо ника и усиливать с другого фотоприемника,. что дает возможность избавнлься от искажений сигналов. . Точность измерения при этом повышается на 20%.

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ. ИЗМЕРЕНИЯ JUfflEffflHX ПЕРЕМЕЩЕШЙ ОБЪЕКТОВ, содержащее систему формирования интерференционных или муа-i ровых полос, линейку фотоприемников, установленную на выходе системы, соединенные последовательно блок формирователей, подключенный к линейке фотоприемников, блок пространственной селекции фотоприемников с янализатором и сумматором, и блок иыдикации, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, блок формирователей выполнен с дополнительными управлякнцими входами и дополнительными информационными выходами, а анализатор блока пространственной селекции фотоприемников выполнен в виде соединенных последовательно схемы сравнения, компаратора, узла управления и коммутатора, выходы схемы сравнения соединены с информационными входами коммутатора, входы являются входами блока пространственной селекции фотоприемников, соединенными с дополнительными инфррмационными выходами блока формирова(Л телей, выходы коммутатора являются выходами блока пространственной селекции фотоприемников и соединены с дополнительными управляющими входами блока формирователей.