Преобразователь перемещения в код Советский патент 1984 года по МПК G08C9/06 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано для цифрового измерения линейных перемещений.

Известен преобразователь перемеще- 5 иия в код, содержащий оптически соединенные блок освещения, растры с реперными штрихами, фотоприемники, блок управления, блок внутришаговой интерполяции, выходы блока управления со- О единены с первым входом элемента И, второй вход которого подключен к одному фотоприемнику lj .

Недостатком этого преобразователя является низкая точность измерения. 15 которая вызвана наличием оптических помех от реперных штрихов и малым количеством реальных информационных сигналов. Дестабилизирующие факторы (вибрации, деформации и т.д.) приво- 20 дят к смещению или к размыканию изображения растров и реперных штрихов, что также снижает точность преобразователя.

Известен преобразователь перемеще-25 ния в код, состоящий из системы формирования интерференционных или муаровых полос, оптически связанной с линейкой фотоприемников, которая соединена с генератором опроса, бло- ЗО ка индикации, соединенного с блоком пространственной селекции фотоприемников, который включает коммутатор, анализирующий узел и сумматор, входы которого подключены к коммутатору, jj а выход - к блоку индикации, выходы анализирзпощего блока связаны с коммутатором, причем выходы генератора опроса соединены с блоком пространственной селекции фотоприемников, 40 опорный выход анализирующего блока связан с сумматором, выход которого подколочен к анализирующему блоку 21 .

Недостатком данного преобразовате-ля является невысокая точность изме- 45 рения, которая ограничивается положением фотоприемников в линейке и уменьшается с увеличением разброса параметров фотоприемников от влияния естабилизирующих факторов на конт- . 50 раст изображения комбинационных полос.

Наиболее близким к изобретению является преобразователь перемещения в код, содержащий расположенные на одной оптической оси блок осветите- 55 ей, раст и линейку фотоприемников, ыход которой соединен с первым вхоом первого усилителя, генератор опроса, счетчик грубого отсчета, первый счетчик, первый вход которого соединен с первым выходом опроса генератора опроса, а выход соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй усилитель, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, блок стробирования, выход которого подключен к первому входу счетчика точного отсчета, второй вход первого усилителя соединен с шиной опорного напряжения, а также третий усилитель и переключатель з .

Недостатком известного преобразователя является невысокая точность, вызванная наличием оптических и элекрических помех, ограничениями на размеры фоточувствительных площадок в линейке фотоприемников и т.д. Освещение измерительного растра излучением в широком спектральном диапазоне силно снижает контраст оптического изображения, что ведет к снижению точности измерений. Размер фоточувствительных площадок, а значит, и макирующих полос растра должен быть больше 4-5 зон Френеля, т.е. равным 4-5 л) ЬА , где п - расстояние от рдстра до светочувствительной поверхности фотоприемников; - длина волны источника освещения. Б противном случае из-за эффекта коллективной дифракции на структуре растра распределение интенсивности света фотоприемников искажается, что приводит к оншбкам измерения.

Целью изобретения, является повьшение точности преобразователя путем уменьшения влияния дестабилизирующих факторов на результат измерения

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь перемещения в код, содержащий расположение на одной оптической оси блок осветителей, растр и линейку фотоприемников, выход которой соединен с первым входом первого усилителя, генератор ,опроса, счетчик грубого отсчета, первый счетчик, первый вход которого

соединен с первым выходом опроса генератора опроса, а выход соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй усилитель, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, блок стробирования, выход которого подключен к первмоу входу счетчика точного отсчета, второй вход первого усилителя соединен с шиной опорного напряжения, введены генератор высокой частоты, второй счетчик, генератор линейно нарастающего напряжения, первый и второй делители частоты, триггер, второй элемент И, светофильтр, расположенньй на одной оптической оси между блоком освещения и растром, выход генератора высокой частоты соединен с вторым входом первого элемента И и с входом второго счетчика, управляющий выход которого подключен к входу генератора оп роса, первый, второй и третий выходы опроса которого соединены с одноимен ными входами линейки фотоприемников, а управляющий выход подключен к первым входам первого и второго делителей частоты, триггера, к вторым входам счетчика точного отсчета и первого счетчика, первый выход опроса генератора опроса подключен к третьему входу первого элемента И, к второму входу первого делителя частоты, к входу генератора линейно нарастающего напряжения и к первому входу управления блока стробирования второй вход управления которого соединен с выходом второго делителя частоты, а информационные входы с одноименными выходами второго счет чика, выход первого делителя частоты соединен с вторым вхъдом элемента ИЛИ, выход которого .соединен с вторым входом триггера, выход которого подключен к первому входу второго элемента И, второй вход которого соединен с выходом первого, элемента И, а выход - с вторым входом второго делителя частоты, первый вход второго усилителя соединен с выходом гене ратора линейно нарастающего напряжения, а второй вход подключен к выходу линейки фотоприемников, выход пер вого усилителя соединен с первым вхо дом счетчика грубого .отсчета, второй вход которого подключен к третьему выходу опроса генератора опроса. На чертеже приведена структурная схема преобразователя перемещения в код. (Устройство содержит блок 1 освети телей, светофильтр 2, растр 3, линей ку 4 фотоприемников, генератор 5 опроса, усилитель 6, счетчик 7 грубого отсчета, усилитель 8, элемент И 9, генератор 10 высокой частоты, счетчи 11, блок 12 стробирова1ния, генератор 13 линейно нарастающего напряжения. счетчик 1А, счетчик 15 точного отсчета, делитель 16 частоты, элемент ИЛИ 17, триггер 18, элемент И 19 и делитель 20 частоты. Блок 1 осветителей чере.з светофильтр 2 и растр 3 оптически соединен с линейкой 4 фотоприемников, входы опроса которой подключены к генератору 5 опроса, входам генератора 13 линейно нарастающего напряжения, счетчика 14, делителя 16, элемента И 9, счетчика 7 грубого отсчета и блока 12 стробирования, выход линейки 4 фотоприемников соединен с входами усилителей 6 и 8, выход усилителя 6 подключен к входу счетчика 7 грубого отсчета, выход усилителя 8 через элемент И 9 соединен с одним из входов элемента И 19, выход счетчика 14 - с первым входом элемента ШШ 17, второй вход которого подкйючен к выходу делителя 16 частоты, а выход через триггер 18 - к второму входу элемента И 19, выход которого через делитель 20 частоты соединен с блоком 12 стробирования, генератор 10подключен к входам счетчика 11 и элемента И 9, выход счетчика 11 соединен с входом генератора 5 опроса, а информационные выходы счетчика 11подключены к входам блока 12 стробирования, управлякиций выход генератора 5 опроса соединен с входами счетчика 15 точного отсчета, счетчика 14, делителей 16 и 20 частоты и триггег ра 18. В конкретном исполнении блок 1 освещения представляет собой лампу накаливания с нитеобразным телом свечения, расположенным перпендикулярно оптической оси преобразователя и направлению расположения фотоприем НИКОВ в линейке.4. Светофильтр 2 плоско-параллельная пластинка, изготовленная из материала с избирательным пропусканием света. Растр 3 периодическая структура, состоящая из темных и светлых полос, вьтолненных на стекле методами фотолитографии, причем период Т растра равен Т - пР + А, где п - количество периодов Р линейки 4 фотоприемников, укладывающихся в периоде растра 2j Л - точность преобразователя. В качестве линейки 4 фотоприемников могут быть применены фотоприборы

с зарядовой связью (ПЗС)с периодом Р и количеством элементов 10.

Преобразователь перемещения в код работает следующим образом.

Сигналом с управляющего вьпсода генератора 5 опроса устанавливаются в исходное состояние счетчик 15 точного отсчета, делители 16 и 20 частоты, счетчик 1А и триггер 18. При этом счетчик 11, срабатывая по сигналам генератора 10,- постоянно меняет свое состояние, синхронизируя своими выходными сигналами работу генерато- ра 5 опроса и блока 12 стробирования. Свет с длиной волн заданного диапазо на из блока 1 осветителей проходит через светофильтр 2 и растр 3 на оптический вход линейки 4 фотоприемников. В исходном состоянии темный край растра 3 перекрывает часть линейки 4 фотоприемников. Остальная часть линейки 4 фотоприемников вместе с растром 3 образуют комбинационные оптические полосы с периодом 1 , .равным

где Т. - период линейки 4 фотоприемников ; Tg - период растра 3.30 Путем определенного подбора коэффициентов деления делителя 16 частоты и счетчика 14 подбирается пространственное положение элементов линейки 4 фотоприемников, информационные jj сигналы с которых используются для получения точного отсчета. Период расположения этих элементов совпадает с периодом оптической комбинационной полосы, возникающей при сопряже- 40 НИИ периодических структур линейки 4 фотоприемников и растра 3. Точный и грубый отсчеты выполняются в течение одного цикла опроса линейки 4 фотоприемников при любом положении 45 растра 3, связанного с исследуемым объектом (не показан). Точный отсчет формируется так: на входы опроса линейки 4 фотоприемников поступают импульсы с выходов . 50 генератора 5 опроса, причем импульсы поступают на входы генератора 13 линейно нарастаняцего напряжения, счетчика 14 и делителя 16 частоты, элемента И 9 и блока 12 стробирования, сиг-55 налы с выхода линейки. 4 фотоприемников поступают на входы усилителей 6 и 8 синхронно с появлением импульсов на первом выходе генератора 6 и 8 синхронно с появлением импульсов на первом выходе генератора 5 опроса До момента совпадения амплитуды инфомационного сигнала с выходным апряжением генератора 13 линейно нарастающего напряжения импульсы гейератора 10 через элемент И. 9 проходят на вход элемента И 19. Делитель 16 частоты, счетчик 14, элемент ШШ 17 и триггер 18 открывают элемент И 19 только при поступлении сигналов с выбранной части линейки 4 фотоприемников (т.е. той части, которая задаёт период и начало отсчета комбинационной полосы Делитель 20 частоты принимает выходные сигналы элемента И 19, производит их деление и при проявлении заданного числа импульсов (число устанавливается при настройке) закрьшает блок 12 стробирования, который до этого момента пропускает импульсы на вход счетчика 15 точного отсчета. Счетчик 11 осуществляет синхрониз.ацию работы блока 12 стробирования, т.е. открывает его на время опроса, выбранного для точного отсчета з частка линейки 4 фотоприемников. Таким образом, изменение соотношения фаз периодической структуры из выбранных элементов линейки 4 фотоприемников и вновь образованной комбинационной оптической полосы, заданной положением растра 3, приводит к изменению длительности сигнала на выходе делителя 20 частоты по отношению к длительности счета, соответствзтощего нулевому сдвигу фаз.

Грубый отсчет осуществляется следующим образом.

Первые элементы линейки 4 фотопри емников используются для точного отсчета и часть из них всегда освещена, поэтому в начале цикла опроса с выхода усилителя 6 периодически поступают импульсы, которые поддерживают счетчик 7 грубого отсчета в нулевом состоянии. Когда с выхода линейки 4 фотоприемников поступает темновой сигнал (элементы закрыты темным краем растра 3), усилитель 6 не срабатывает и импульс с выхода генератора 5 опроса переводит счетчик 7 грубого отсчета в следующее состояние. Вконце цикла опроса линейки 4 фотоприемников счетчик 7 грубого отсчета хранит число затемненных элементов (т.е. о ределяет показание грубого отсчета ).

Повышение точности предлагаемого преобразователя по сравнению с известньм осуществляется за счет подсчета высокочастотных тактовых импульсов во временные интервалы, пропорциональные амплитуде информационных сигналов линейки фотоприемников. Любое смещение растра ведет к изменению распределения света на выбранном участке линейки фотоприемников, еледовательно, к изменению амтитетуды сргналов элементов линейки фотоприемников. Последнее ведет к изменению временных интервалов счета высоко-частотных сигналов и к изменению длительности выходного сигнала делителя частоты по сравнению с исходной.

Использование линейки-фотоприемников фото-ПЗС с периодом 15 мкм позволяет повысить точность грубого отсчета. Использование светофильтра позволяет получить высокий контраст оптического изображения, так как не вносят вклад, другие спектральные составляющие, что также ведет к повышению точности измерений, В преобразователе изменение расстояния между растром и линейкой фотоприемников (что реально возможно на практике) практически не влияет на работоспособность, так как выбором амплитуды и уровня сигналов линейно нарастающего напряжения можно перекрыть диапазон модуля ции сигналов линейки фотоприемников .

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ В КОД, содержащий расположенные на одной оптической оси блок осветителей, растр и линейку фотоприемников, выход которой соединен с первым входом первого усилителя, генератор опроса, счетчик грубого отсчета, первый счетчик, первый вход которого соединен с первым выходом опроса генератора опроса, а выход соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй усилитель,, выход которого соединен с первым входом первого элемента И, блок стробирования, выход которого подключен к первому входу счетчика точного отсчета, второй вход первого, усилителя соединен с шиной опорнЬго напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразователя, в него введены генератор высокой частоты, второй счетчик, генератор линейно нарастающего напряжения, первый и второй делители частоты, триггер, второй элемент И, светофильтр, расположенный на одной оптической оси между блоком освещения и растром, вь1ход генератора высокой частоты соединён с вторым входом первого элемента И и с входом второго счетчика, управляющий выход которого подключен к входу генератора опроса, первый, второй и третий выходы опроса которого соединены с одноименными входами линейки фотоприемников, а управляющий выход подключен к первым входам первого и.второго делителей частоты, триггера, к вторым входам счетчика точного отсчета и первого счетчика, первый выход опроса генератора опроса подключен к третьему входу перв.ого элемента И, к второму g входу первого делителя частоты, к входу генератора линейно нарастакщего напряжения и к первому входу управления блока стробирования, второй вход управления которого соединен с второго делителя частоты, а информационные входы - с одноименными выходами второго счетчика, выход первого делителя частоты соединен с вторым входом элемента ИЛИ, выход кЬторого соединен с вторым входом триггера, выход которого подключен к первому входу второго мента ri, второй вход которого соединен с выходом первого элемента И, а выход - с вторым входом второго делителя частоты, первый вход второго усилителя соединен с выходом генератора линейно нарастающего напряжения, а второй вход подключен к выходу линейки фотоприемников, выход первого усилителя соединен с первым входом счетчика грубого отсчета, второй вход которого подключен к третьему выходу опроса генератора опроса