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

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использо вано для измерения линейных и угловых перемещений контролируемых объек тов, в частности для измерения угловых колебаний, например, при виброиспытаниях изделий. Целью изобретения является повыше :ч ние точности и расширение динам1ичес кого диапазона измерений угловых перемещений за счет увеличения уровня информационного сигнала. На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.. 2 графики сигналов на элементах схемы. Оптико-электронное устройство для измерения линейных иу гловых перемещений состоит из оптической системы 1 для формирования интерференци онных или муаровых полос, соединенных последовательно дискретного фото преобразователя 2, оптически связанного с системой 1, блока 3 формирова телей, блока 4 счета и блока 5 индикации. Блок 3 формирователей выполнен в виде усилительного узла 6, ком мутатора 7, элемента Иг 8 и соединенных последовательно генератора 9 так товых импульсов и узла 10 управления причем выходы усилительного узла 6 и основные выходы узла 10 управления соединены с коммутатором 7, выход ко торого соединен с первым входом элемента И 8 и вторым входом узла 10 управления. Первый дополнительный выход узла 10 управления соединен с вторым входом элемента И 8, а второй с вторым входом блока 4 счета. Выход генератора 9 тактовых импульсов соединен с третьим входом элемента И 8, выход которого подключен к первому входу блока 4 счета. Устройство содержит также первый сумматор 11, вто рой сумматор 12, дифференциальный усилитель 13. двухполупериодный выпрямитель 14, схему 15 сравнения, сос ТОЯ1ЦУЮ из последовательно соединенны второго дифференциального усилителя 16 и компаратора 17, генератор 18 пилообразного напряжения и второй эл мент И 19, второй вход которого свя зан с выходом умножителя 20 частоты, а выход подключен к третьему входу блока 4 счета. Второй вход 15 сравнения связан с первым выходом двухполупериодного выпрямителя 14 и третьим входом узла 10 управления. Третий вход элемента И 19 связан с четвертым дополнительным выходом узла 10 управления. Первый вход узла 10 управления связан с входом умножителя 20 частоты и третьим входом элемента И 8. Вход генератора 18 пилообразного напряжения связан-с третьим дополнительным выходом узла 10 управления. Первый вход элемента И 19 также связан с четвертым входом узла 10 управления, а второй вход двухполупериодного выпрямителя 14 с вторым входом блока 5 индикации. Дискретный фотопреобразователь 2 служит для преобразования оптического сигнала в электрический и содержит систему параллельных электрически изолированных фотоприемников, выполненную в виде двух линеек, причем олирина одного светочувствительного слоя фотоприемника выбрана меньше ширины интерференционной или муаровой полосы при максимальной частоте их следования, а максимальньм угол наклона границы раздела интерференционных полос не должен превышать линейных размеров всей линейки фотоприемников. В качестве дискретного фотопреобразователя 2 можно применить фотоматрицу и использовать два столбца (линейки фотоприемников), Выходы каждой из линеек подключены к входам соответствующего сумматора 12 и 11, выходы которых подключены к входам дифференциального усилителя 13, а выход последнего соеди- ; нен с входом двухполупериодного выпрямителя 14. Выходы второй линейки фотоприемников также соединены с входами усилительного узла 6. Узел 10 управления выполнен в виде двоичного счетчика 21, дешифратора- 22, первого элемента И-НЕ 23, первого триггера 24, компаратора 25, интегрирующей RC-цепочки 26, элемента И 27, одновибратора 28, второго элемента И-НЕ 29 и. второго триггера 30, причем вход счетчика 21 является первым входом узла 10 управления, выходы дешифратора 22 - основные выходы узла 10 управления, вход первого элемента .Е 23 - второй вход, выход перво триггера 24 - первый дополнительный выход, вход компаратора 25 третий вход, выход одновибратора 28 второй дополнительный выход,выход элемента И 27 - третий дополнительный выход, вход второго элемента И-НЕ 29 четвертый вход, а выход второго триггера 30 является четвертым дополнительным 31 выходом узла 10 управления. Выходы счетчика 21 связаны с входами дешифратора 22 первьй выход которого соединен с первым входом первого триггера 24, выход первого элемента И-НЕ 23 связан с вторым входом первого триггера 24. Последний выход дешифратора 22 связан с входом одновибратора 28, выход которого соединен с первым входом второго триггера 30, с первым входом элемента И 27 и с входами Сброс счетчика 21 и дешифратора 22. Выход второго элемента И-НЕ 29 связан с вторым входом второго триггера 30, а выход компаратора 25 через интегрирующую RC -цепочку 26 подключен к вт рому входу элемента И 27. Устройство работает следующим об разом. При наличии угловых смещений объекта относительно горизонтальной оси происходит расхождение опорного и сигнального пучков на выходе опти ческой системы 1 формирования интер ференционных или муаровых полос на угол, равный углу поворота объекта. Расхождение пучков приводит к измене нию ширины интерференционных или муаровых полос на величину, равную Ь где Ь ширина одной интерференционной или муаровой полосй; Ti - длина волны источника монохроматического излучения; i - угол между опорным и сигнальным пучками. ; Фиксируя значение ширины интерференционных или муаровых полос, попадающих на дискретный фотопреобразо ватель 2, можно однозначно определит угловые колебания объекта. Необходимо применять следующие ограничения. Угловые колебания исследуемого объек та лежат в пределах О . 9 . угол отклонения поверхности контролируемого объекта относительно горизонтальной оси в верти кальной плоскости, нормальной к падающему на нее пучку; радиус окружности создаваемой пучком с выхода монохроматического излучателя;476 J - расстояние от контролируемого объекта до плоскости, на которой сходятся опорный и сигнальный пучки. В исходном состоянии, когда плоскость контролируемого объекта нормальна к падающему на нее пучку с выхода монохроматического излучателя, выделяют из интерференционной картины две полосы(с максимальной .и минимальной освещенностью), проецируют их на приемную часть дискретного фотопреобразователя 2, ширина которого равна ширине выделения полос. При нормальных смещениях объекта происходит перемещение границы раздела двух интерференционных полос по светочувствительной поверхности дискретного фотопреобразователя 2, при этом ширина интерференционных полос остается неизменной. В случае, если контролируемый объект имеет угловые колебания своей поверхности, то изменяется пространственная частота следования интерференционных полос, т.е. изменяется их ширина. I С выхода дискретного фотопреобразователя 2 снимаются электрические сигналы и подаются на вход усилитель,ного узла 6, с выхода которого снимается или О,, или 1 в зависимости от того, какая полоса в данный момент находится на светочувствительной поверхности фотоприемника дис- , кретного фотопреобразователя 2. Уси-, лительньш узел 6 при этом может , состоять, например, из усилителей аналоговых сигналов и компараторов с заданным порогом срабатывания. Генератор 9 тактовых импульсов формирует на выходе (фиг. 2 а ) последовательность прямоугольных импульсов, которые через счетчик 21 (фиг. 2 S ) поступают на входы дешифратора 22, на выходах последнего формируются импульсы опроса (фиг. 2 &), которые поочередно через коммутатор 7 опрашивают состояние фотоприемников второй линейки дискретного фотопреобразователя 2. На выходе коммутатора 7 формируется последовательность импульсов (фиг. 2 е), ширина которых определяет ширину интерференционных или муаровых полос, проецируемых на дискретный фотопреобразователь 2. Импульсы с выхода коммутатора 7 поступают на первый вход элемента И 8, а в момент перехода их из состояния О в состояние 1 идет разрешение по первому входу элемента И 8. Одновременно с началом цикла опроса элементов дискретного фотопреобразовате ля 2 первый импульс с выхода дешифра тора 22 подается на вход C6poc i первого триггера 24, перебрасьшая его в состояние логической 1 (фиг.2 j) .тем самым формируется сигнал разреше ния по второму входу элемента И 8. При появлении информационного сигнала с выхода коммутатора 7 в виде логической 1 с выхода первого элемента И-НЕ 23 снимается инверсный ему сигнал (фиг. 2), по заднему фронту которого происходит переброс первого триггера 24 в состояние О (фиг. 2 ), тем самым формируется сигнал запрета по второму входу элемента И 8 до конца данного периода опроса элементов второй линейки дискретного фотопреобразователя 2. . Таким образом, импульсы с генератора 9 тактовых импульсов проходят через элемент И 8 на вход блока 4 счета (фиг. 2 и) с момента появле нйя. информационного сигнала на перво входе элемента И 8 и оканчиваются с появлением сигнала запрета (фиг. 2 по второму входу элемента И 8. Последний импульс (в каждом периоде опроса) с выхода дешифратора 22 поступает на одновибратор 28, которьй формирует короткий импульс (фиг.2) на втором входе блока 4 счета, и по -заднему фронту импульса информация с блока 4 счета заносится в блок 5 индикации. Одновременно импульсы с выхода одновибратора 28 блокируют счет чик 21 и дешифратор 22, устанавливают второй триггер 30 в состояние ,1 (фиг. 2щ) и через элемент И 27 сбрасьшают генет атор 13 пилообразного напряжения (фиг. 2 у в момент -времени i -li). Частота импульсов с выхода гёне ратора 9 тактовых импульсов выбирается не меньше удвоенной максималь ной частоты следования интерференционных или муаровых полос, а ширина одного светочувствительного слоя фотоприемника дискретного фотопреобразователя 2 должна быть не больше j самой узкой интерференционной или : муаровой полосы, получаемой при угловых колебаниях объекта). При этом величина угла, на которунз смеш;ается 766 объект относительно своей, например, горизонтальной оси (в вертикальной плоскости) может быть определена из выражения . sin 2 tk где 9 - угол, на который сместился объект} - длина волны источника монохроматического излучения;Т - период следования импульсов с выхода генератора тактовых импульсов; k - число импульсов, зарегистрированных блоков индикации. Следовательно, число импульсов (К), прошедших через элемент И 8 в данном периоде опроса элементов дискретного фотопреобразователя, прямо пропорционально величине углового поворота контролируемого объекта относительно своей горизонтальной оси. При колебаниях относительно, например, горизонтальной оси (в вертикальной плоскости) наклон интерференционньпс полос на обеих линейках фотоприемников дискретного фотопреобразователя 2 одинаковый, а при вырезании из всей интерференционной картины незначительного участка, размер которого определяет расстояние между линейками фотоприемников и на котором кривизной интерференционных колец можно пренебречь, линии на обеих линейках ровные. Следовательно, суммарный сигнал, снимаемый с выходов сумматоров 11 и 12 для каждой из линеек, одинаковый, а сигнал на выходе дифференциального усилителя 13 равен нулю (фиг. 2л в момент , ).. В этом случае с выхода двухполупериодного выпрямителя 14 (фиг. 2м в момент ij, .( ) также снимается нулевой сигнал,.который через компаратор 25 (фиг. 2 н ), интегрирующую RC -цепочку 26 (фиг. 2 п) и элемент И 27 (фиг. 2 р ) подается на вход генератора 18 пилообразного напряже-ния, тем самым блокируя последний (фиг. 2 у в момент i, -t,). ; С выхода второго дифференциального усилителя 16 схемы 15 сравнения в момент tg - t, снимается также нулевой сигнал (фиг. 2 ф), который через компаратор 17 подается на первый вход элемента И 19 (фиг. 2ц ), блокируя тем самым прохождение импульсов с выхода умножителя 20 частоты на третий вход блока 4 счета (фиг. 2 ю в момент ig - i), и показания блока 5 индикации угловых смещений относительно вертикальной оси отсутствуют. При колебаниях относительно вертикальной оси из-за изменения наклона, границ раздела интерференционных или муаровых полос на выходах сумматоров 11 и 12 появится разный по величине сигнал, а величина разностного сигнала, снимаемого с выхода дифференциального усилителя 13, пропорциональна изменению наклона грани раздела интерференционных или муаровых полос. Величина сигнала с выхода дифференциального усилителя 13 может находиться как в положительной, так и в отрицательной области (фиг.2 л ), в зависимости от того, в какую сторо ну произошел наклон интерферендионных полос на линейках фотоприемников Для приведения величины информаццрнного сигнала с выхода дифференциального усилителя 13 в одну область нап ряжений (положительную) используется двухполупериодный выпрямитель 14, применение которого позволят повысит точность измерений, так как отпадает необходимость иметь в генераторе 18 пилообразного напряжения высокостабильный двухполярный источник напряжения для формирования пилообразного напряжения для положительной и отрицательной величин информационного сигнала. Это позволяет также упростить схему управления генератором 18 пилообразного напряжения. Сигнал с первого выхода двухполупериодного выпрямителя 14 (фиг. 2w) приводит к перебросу компаратора 25 (порог срабатывания которого UM выбирается вблизи куля, фиг. 2м). Полозкительный перепад сигнала с выхода компаратора 25 (фиг. 2 н) через интегрирующую RC-цепочку 26 (фиг. 2 п ) и злемент И 27 (фиг. 2 р) приводит к запуску генератора 18 пилообразного напряжения (фиг. 2у)/ С выхода второго дифференциального усилителя 16 в схеме 15 сравнения снимается сигнал разнищ (фиг. 2ф) между информационным и пилообразным напряжениями (информационныйсигнал показан пунктирной линией). Вмо-. менты перехода сигнала с выхода второго дифференциального усилителя 16 через ноль, т.е. когда уровни йнфор-; мационного и пилообразного напряжеНИИ совпадают), компаратор 17 меняет свое состояние (фиг. 2ц,). Импульсы с выхода компаратора 17 через второй элемент И-НЕ 29 узла 10 управления, где происходит их инверсия (фиг. 24), управляют работой второ-. го триггера 30 так, что в момент перехода сигнала из О в 1 -триггер 30 перебрасьтается из 1 в О (фиг. 2 ы) до конца цикла опроса элементов дискретного фртопреобразователя 2.Ширина импульсов, снимаемых с выхода компаратора 17 (фиг. 2 у ), прямо пропорциональна величине инфор- MaipioHHoro сигнала, а следовательно, и угловому смещению объекта. Импульсы с.выхода умножителя 20 частоты (фиг. 29) через второй элемент И 19 поступают на вход блока 4 счета(фиг. 2ю), причем момент появления их синхронизирован с появлением информационного сигнала.в виде логической 1 на первом входе второго элемента И 19 (фиг. 2ц), а окончание - с появлением сигнала запрета в виде логического О (фиг. 2м) по третьему входу второго элемента И 19. Скорость нарастания и амплитуда пилообразного напряжения на выходе генератора 18 должны быть достаточными для того, чтобы зафиксировать величину напряжения, снимаемого с выхода дифференциального усилителя 13 прн максимально ожидаемом угловом перемещении объекта. Период следования импульсов сброса с выхода одновибратора 28 выбирается исходя из того, чтобы количество изменений в уровне информационного сигнала за время одного периода Следования импульсов не превышало одного. В этом случае каждое угловое перемещение объекта фиксируется в последующем периоде опроса элементов дискретного фотопреобразователя 2. В момент перехода информационного сигнала через нулевой уровень на выходе компаратора 25 возникает короткий импульс (фиг.2 . н в момент t -э который может привести к сбросу генератора 18 пилообразного напряжения. Поэтому для компенсации этого импульса в узле 10 управления применяется интегрирующая R6 цепочка 26 (фиг. 2 п в момент а -1,). При появлении сигнала рассогласования на выходе дифференциального усилителя 13 с второго выхода двухполупериодного выпрямителя на дополнительный вход блока 5 индикации пос тупает информация о знаке сигнала рассогласования, по которому судят о направлении угловых перемещений от носительно вертикальной оси. При появлении второго импульса с выхода компаратора 17 (фиг. 2 LI, в мо мент t й после появления первого импульса (фиг. 2 и, в момент i,, -t4 в данном периоде опрос элементов дис кретного фотопреобразователя 2 им.пульсы с выхода умножителя 20 частоты через второй элемент И 19 не проходят, так как по окончании первого импульса с выкодавторого триггера 30 (фиг. 2 .ы , момент за i. ) поступает сигнал запрета на третий вход второго элемента И 19, который бл кирует последний до конца цикла опро са, т.е. до появления следующего импульса сброса с выхода одновибратора 28 (фиг. 2 ). Таким образом, чем больше сигнал . рассогласования на выходе дифференциального усилителя 13, тем большее количество импульсов пройдет на блок 4 счета, т.е. число импульсов на выходе второго элемента И 19 (фиг.210) определяет величину углового перемещения относительно вертикальной оси. Исходя из разрешающей способности устройства, выбирается частота следования коротких импульсов на вы ходе умножителя 20 частоты. Чем выше должна быть разрешающая способность устройства, т.е. чем меньшие .угловые перемещения измеряют, тем выше должна выбираться частота следования импульсов на выходе умнож11теля 20 частоты. Количество элементов в линейках дискретного фотопреобразовате ля 2 выбирается, исходя из максим ль но охлаждаемого углового перемещения объекта, т.е. от наклона границы раз дела интерференционных полос. Чем больше наклон, т.е. чем шир.е динамический диапазон измерений, тем необходимо брать большее количество фото приемников в линейках дискретулого фотопреобразователя 2. Величину угловых перемещен:ий отно сительно вертикальной оси молшо опре делить из соотношения 1 76 где дп - величина углового перемещения контролируемого : объекта относительно вертикальной оси; Т - период следования импульсов на выходе умножителя 20 частоты} К - число импульсов на выходе элемента И 19; - расстояние от контролируемого объекта до плоскости фотоприемников; Л - длина волны источника излучения . Формула изобретения 1. Оптико-электронное устройство для измерения линейных и угловых перемещений, содержащее оптическую сиетему для формирования интерференционных или муаровых полос, дискретный фотопреобразователь, выполненный в виде двух линеек фотоприемников, расположенных на одном уровне параллельно друг другу, последовательно соединенные блок фо1 мирователей, подключенньй к одной из линеек дискретного фотопреобразователя, блок счета и блок индикации, блок формирователей состоит из усилительного узла, коммутатора и элемента И, соединенных последовательно генератора тактовых импульсов и узла управления, выходы усилительного узла и основные выходы узла управления соединены с коммутатором, выход которого соединен с первым-входом элемента И и вторым . входом узла управления, первый дополнительный выход которого соединен с вторым входом элемента И, а второй ; соединен с вторым входом блока счета, в{)1ход генератора тактовых импульсов соединен с третьим входом элемента И, выход которого подключен к первому входу блока счета, умножитель частоты, последовательно соединенные генератор пилообразного напряжения, схему сравнения и второй элемент И, второй вход которого связан с выходом умножителя частоты, второй вход схемы сравнения связан с третьим входом узла управления блока формирователей, вход генератора пилообразного напряжения связан с третьим дополнительным выходом узла управления блока формирователей, первый вхо которого связан с входом умножителя частоты, третий вход блока счета под ключен к выходу второго элемента И, отличающееся тем, что, с целью повышения Точности и расширения динамического диапазона измере ний угловых перемещений, устройство снабжено первым и вторым сумматорами дифференциальным усилителем, двухполупериодным выпрямителем, первый выход которого связан с вторым входом схемы сравнения, блок индикации снаб жен дополнительным входом, который подключен к второму выходу двухполупериодного выпрямителя, входы первог сумматора подключены к выходам вто1рой линейки дискретного фотопреобразователя, а входы второго сумматора к выходам первой линейки, выходы обоих сумматоров подключены к входам дифференциального усилителя, выход которого связан с входом двухполупериодного выпрямителя, узел управле НИН дополнительно снабжен четвертым дополнительным входом и четвертым дополнительным выходом, выход схемы сравнения связан с четвертым входом узла управления блока формирователей, четвертый дополнительный выход узла управления подключен к третьему входу второго элемента И, а схема сравнения состоит из последовательно .соединенных второго дифференциальното усилителя и компаратора. 2, Устройство по п. 1, от Л1 н ч.а ю щ е е с я тем, что узел управления выполнен в виде двоичного счетчика, дешифратора, .первого элемента И-НЕ, первого триггера, компаратора, интегрирующей RC -цепочки, элемента И, одновибратора, второго элемента И-НЕ и второго триггера, вход счетчика является первым входом узла управления, выходы дешифратораосновные выходы узла управления, вход первого элемента И-НЕ - второй вход, выход первого триггера - первый дополнительный выход, вход компараторатретий вход, выход одновибратора второй дополнительный выход, выход элемента И - третий дополнительный выход, вход второго элемента И-НЕ четвертый вход, а выход второго триггера является четвертым дополнительным выходом узла управления блока формирователей,выходы счетчика связаны с входами дешифратора, первый выход которого соединен с первым входом первого триггера, выход первого элемента И-НЕ связан с вторым входом первого триггера, последний выход дешифратора связан с входом одновибратора, выход которого соединен с первым входом второго триггера, с первым входом элемента И и с входами Сброс счетчика и дешифратора, выход второго элемента И-НЕ сврзан с вторым входом второго триггера,а выход компаратора через интегрирующую цепочку подключен к второму входу элемента И..

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных и угловых перемещений объектов, в частности для измерения угловых колебаний при виброиспытаниях. Целью изобретения является повышение точности и расширение динамического диапазона измерений угловых перемещений за счет повышения уровня сигнала и увеличения объема информации. Устройство позволяет за счет двух сумматоров, дифференциального усилителя, двухполупериодного выпрямителя и определенных связей их как между собой, так и с дискретным фотопреобразователем, а также дополнительных связей устройства с узлом управления, увеличить уровень информационного сигнала, так как сигнал снимается не с одного фотоприемника линейки, а со всех сразу, что дает возможность расширить динамический диапазон,т.е. динамический диапазон в устройстве определяете линейными размерами всей линейки фотоприемников, а не размерами одного фотоприемника. Связь линеек фотоприемников с двумя сумматорами и связи cyrtматоров с входами дифференциального усилителя, позволяют выделять с выходов сумматоров разностный информационньй сигнал высокого уровня, что . снижает чувствительность устройства к вйешним воздействиям. 1 з.п. .ф-лы, 2 ил.