Оптико-электронное устройство для измерения линейных перемещений Советский патент 1986 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений, амплитуд вибраций, линейных размеров деталей.

Целью изобретения является повышение точности и расширение динамического диапа- зона измерений за счет исключения влияния на информационный сигнал внешних

помех.

На чертеже представлена блок-схема устройства.

Устройство содержит систему 1 формирования интерференционных или муаровых полос, линейку 2 фотоприемников, блок 3 автоматической регулировки усиления (АРУ) блок 4 формирователей и блок 5 индикации. АРУ состоит из узла 6 усилителей, узла 7 управления, схемы 8 сравнения, источника 9 опорных напряжений, сумматора 10, узла 11 дифференциальных усилителей.

На выходе системы 1 установлена линейка 2 фотоприемников, выходы которой электрически связаны с входами блока 3 АРУ, где соединены с основными входами узла 6 усилителей, выходы которых соединены с входами сумматора 10 и с входами узла 11 дифференциальных усилителей, выходы которопо соединены с основными выходами блока 3 АРУ, которые соединены с основными входами блока 4 формирователей, выход сумматора 10 соединен с первым входом схемы 8 сравнения, а его второй вход с одним из выходов источника 9 опорных напряжений, выходы которого соединены с дополнительными входами блока 4 формирователей, выходы которого подключены к входам блока 6 индикации, а выход схемы 8 сравнения через узел 7 управления подключен к управляющему входу узла 6 усилителей.

Система 1 служит для формирования интерференционных полос и состоит из источника монохроматического излучения, светоделителя, опорного зеркала, расширителя излу- чения и щелевой диафрагмы (не показаны), линейка 2 фотоприемников служит для преобразования оптического сигнала в электрический и содержит систему электрически изолированных фотоприемников, блок 3 АРУ служит для поддержания постоянным уровня сигналов на входах блока 4 формирователей, узел 6 усилителей содержит усилители, коэффициент передачи которых может изменяться под действием управляющего напряжения с выхода узла 7 управления, который содержит усилитель и элемент согласования выхода усилителя с управляющими входами полевых транзисторов (не показаны) в узле 6 усилителей, блок 4 формирователей служит для преобразования ана логового сигнала в цифровой и содержит ряд усилителей (представляющих собой компараторы), одни из входов которых подключены к основным выходам блока 3 АРУ,

0

5

5 0

0

0

5

а другие входы подключены к дополнительным выходам блока 3 АРУ, и управляемые инверторы (не показаны).

Устройство работает следующим образом.

Из интерференционной картины, сформированной системой 1 формирования интерференционных полос, выделяются две полосы: темная и светлая, которые проецируются на линейку 2 фотоприемников, на выходе которой формируются сигналы, пропорциональные распределению освещенности вдоль выделенного участка. Расстояние между крайними фотоприемниками линейки 2 равно периоду интерференционной или муаровой полосы, а количество фотоприемников, приходящихся на щирину обоих полос, выбирается одинаковым.

С целью расширения динамического диапазона измерений с сохранением ширины вырезанных полос, фотоприемники линейки 2 располагаются под углом 45° по отношению к границе раздела выделенных полос, что позволяет увеличить количество фотоприемников, приходящихся на ширину выделенной полосы, и тем самым повысить разрешающую способность устройства.

С этой же целью светочувствительные поверхности фотоприемников линейки 2 объединены через волоконно-оптический жгут с объединенным входным торцом, что позволяет исключить промежутки между фото- приемниками линейки 2 и сделать ее сплощ- ной на всем участке измерений. Для автоматической компенсации любого дрейфа в уровне постоянной составляющей сигнала, вызываемого, например, температурной зависимостью чувствительности фотоприемников, изменением яркости излучения и т. п., фотоприемники линейки 2 включаются попарно по дифференциальной схеме через узел б усилителей к входам узла 11 дифференциальных усилителей, т. е. ФП с ФП (- +1), ФП2 с ФП ( + 2) и т. д., где N - число фотоприемников в линейке 2.

При линейных перемещениях контролируемого объекта происходит перемещение границы раздела интерференциальных полос по фотоприемникам линейки 2, в результате чего на их выходах формируется электрический сигнал, амплитуда которого пропорциональна величине перемещений, а фаза связана с пространственным положением фотоприемников в линейке 2. Для исключения влияния на амплитуду выходного сигнала, снимаемого с выходов узла 6 усилителей, вредных воздействий, таких как изменение яркости излучателя, чувствительности фотоприемников при температурных воздействиях и т. п., предусмотрена автоматическая регулировка коэффициента передачи усилителей в узле 6. Для этого сигналы с выходов узла 6 усилителей поступают на входы сумматора 10, с выхода которого снимается постоянный уровень напряжения, величина которого остается неиз

менной при перемещении интерференционных полос по линейке 2 фотоприемников, так как число фотоприемников, приходящихся на щирину светлой и темной интерференционных полос одинаково, а щирина вырезанных полос равна линейным размерам линейки 2 фотоприемников и увеличение сигнала с выхода фотоприемника, находящегося на темной полосе, приводит к такому же уменьшению сигнала с выхода фотоприемника, находящегося на светлой полосе, а их сумма остается постоянной. В случае действия на устройство вредных воздействий происходит одинаковое изменение сигнала с выходов всех фотоприемников линейки 2, что ведет к изменению уровня напряжения на выходе сумматора 10. Схема 8 сравнения представляет собой дифференциальный усилитель, на один вход которого поступает сигнал с выхода сумматора 10, а на второй вход - опорное напряжение с источника 9, величина которого выбирается равной значению напряжения с выхода сумматора 10 в момент начала измерений. В случае отсутствия вредных воздействий сигнал на выходе схемы 8 сравнения равен нулю, а при их воздействии появляется сигнал рассогласования, величина которого пропорциональна внешним воздействиям, а знак напряжения рассогласования указывает в какую сторону происходит изменение сигнала с выходов фотоприемников (увеличивается или уменьшается).

Сигнал с выхода схемы 8 сравнения через узел 7 управления подается на управляющие входы полевых транзисторов в узле 6 усилителей, изменение сопротивления которых приводит к изменению коэффициента передачи усилителей в узле 6 так, что уменьшение напряжения с выхода сумматора 10 приводит к увеличению коэффициента передачи усилителей, а увеличение - к уменьшению его.

Таким образом, на выходе узла 6 усилителей формируются сигналы, амплитуда которых определяется только линейными перемещениями объекта и не зависит от вредных воздействий на устройство.

Определив максимальное и минимальное значения информационных сигналов, снимаемых с основных выходов блока 3 АРУ, при возможных перемещениях контролируемого объекта, и, разбив диапазон изменений информационных сигналов на ряд дискретных уровней с шагом квантования А{/, можно значительно увеличить разрешающую способность устройства, а тем самым расши- рить динамический диапазон измерений без значительного увеличения количества фотоприемников в линейке 2, что в конечном итоге позволяет повысить точность измерений.

Источник 9 опорных напряжений имеет ряд выходов, напряжение на которых изменяется с шагом на ДУ, от минимального до максимального значения информационных сигналов.

Напряжения с выходов источника 9 подаются на один из входов усилителей в блоке 4 формирователей, на вторые входы которых подаются информационные сигналы с основных выходов блока 3 АРУ и при пре- выщении информационным сигналом величины опорных напряжений, с выходов усилителей Б блоке 4 формирователей поступают прямоугольные импульсы, которые сосчитываются блоком 5 индикации. Число импульсов пропорционально величине перемещения.

0

5 5 5

о

5 0

5

0

Формула изобретения

1. Оптико-электронное устройство для измерения линейных перемещений, содержащее систему формирования интерференционных или муаровых полос, линейку фотоприемников, связанную с ней, блок формирователей с усилителями и блок индикации, выходы линейки фотоприемников подключены через блок формирователей к входам блока индикации, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и расширения динамического диапазона измерений, оно снабжено блоком автоматической регулировки усиления, входы которого подключены к линейке фотоприемников, а основные выходы соединены с входами блока формирователей, в блоке формирователей усилители снабжены дополнительными входами, которые подключены к дополнительным выходам блока автоматической регулировки усиления.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок автоматической регулировки усиления выполнен в виде узла усилителей, узла управления, схемы сравнения, источника опорных напряжений, сумматора и узла дифференциальных усилителей, основные входы узла усилителей являются входами блока автоматической регулировки усиления, выходы узла усилителей соединены с входами сумматора и с входами узла дифференциальных усилителей, выходы которого являются основными выходами блока автоматической регулировки усиления, выход сумматора соединен с первым входом схемы сравнения, а его второй вход - с одним из выходов источника опорных напряжений, другие выходы которого являются дополнительными выходами блока автоматической регулировки усиления, а выход схемы сравнения через узел управления подключен к управляющему входу узла усилителей.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений, амплитуд вибраций и линейных размеров. Целью изобретения является повышение точности и расширение динамического диапазона путем исключения погрешностей от внешних помех. Устройством фиксируется перемещение при анализе интерференционной картины и регистрации ее при помощи линейки фотоприемников, при этом повышается точность при расширении диапазона благодаря тому, что фотоприемники линейки располагаются под углом 45° к границе раздела выделенных интерференционных полос, светочувствительные поверхности фотоприемников линейки объединены через волоконно-оптический жгут с объединенным входным торцом, фотоприемники включены попарно по дифференциальной схеме и применена система автоматической регулировки усиления. 1 3. п. ф-лы, 1 ил. к ю QO сд | NU