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

атор 8, двухполупериодный выпрямитель 9, дифференциальный усилитель 10, инвертирующий усилитель 11, коммутатор 12, сумматор 13 и элемент 14 управления, что позволяет преобразовать информацион&ый нелинейный сигнал в линейно изменяюпщйся сигнал. Сигналы с выходов блока 4 линеаризации подаются на основные входы блока 5 формирователей, на дополнитель1

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

Цель изобретения - повышение точности измерения путем введения блока линеаризации, позволяющего преобразовать информационный сигнал в линей- но изменяющийся и тем самым исключить ошибку в измерениях из-за неравномерности временных интервалов появления импульсов Дискретизации и моментов дискретизации амплитуды ин- формационного сигнала.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2- временные диаграммы его работы.

Устройство соцержит блок 1 фор- мирования интерференционных или муаровых полос, линейку 2 фотоприемников, блок 3 автоматической регулировки усиления (АРУ), блок 4 линеаризации, блок 5 формирователей и блок 6 индикации. Количество идентичных каналов 7 в блоке 4 линеаризации равно половине числа фотоприемников, входящих в линейку 2 фотоприемников. Каждый канал 7 состоит из дифферен- циатора 8, двухполупериодного выпрямителя 9, дифференциального усилителя 10, инвертирующего усилителя 11, коммутатора 12, сумматора 13 и зле- мента 14 управления. Элемент 14 уп- равления содержит первый I5 и второй 16 компараторы, инвертор 17, первую схему 18 совпадения, третий компаратор 19, вторую 20, третью 21 и четвертую 22 схемы совпадения, а также первую.23 и вторую 24 схемы ИЛИ,

ные входы которого подаются сигналы с источника 28 опорных напряжений. В блоке 5 формирователей происходит дискретизация информационных сигналов, т.е. преобразование их в импульсы прямоугольной формы, которые подсчитываются блоком 6 индикации. Число импульсов, под считанных блоком 6 индикации,прямо пропорционально величине перемещения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Блок 3 АРУ состоит из узла 25 усилителей, узла 26 управления, схемы 27 сравнения, источника 28 опорных напряжений, суммирующего узла 29 и узла 30 дифференциальных усилителей.

Блок 1 формирования интерференционных или муаровых полос оптически связан с линейкой 2 фотоприемников, выходы которой подключены к входам узла 25 усилителей, выходы источника 28 оптических напряжений соединены с дополнительными входами блока 5 формирователей, выходы которого соединены с входами блока 6 индикации. Выход суммирующего узла 29 подключен к первым входам дифференциальных усилителей IО каждого канала 7. Входы каналов 7 блока 4 линеаризации соединены с выходами узла 30 дифференциальных усилителей, причем вход канала 7 соединен с входом дифференциатора 8, первым входом элемента 14 управления и третьим входом сумматора 13, выход дифференциатора 8 соединен с вторым входом элемента 14 управления и входом двухполупериодного выпрямителя 9, выход которого соединен с вторым входом дифференциального усилителя 10, выход которого соединен с входом инвертирующего усилителя 11 и вторым входом коммутатора 12, первый вход которого соединен с выходом инвертирующего усилителя 11, а третий и четвертый входы - с первым и вторым выходами элемента 14 управления соответственно, первый и второй выходы коммутатора 12 соединены с первым и вторым входами сумматора 13 соответственно, выход сумматора 13 является выходом канала 7

.-

312

блока 4 линеаризации, выходы каналов 7 блока 4 линеаризации соединены с соответствующими основными входами блока 5 формирователей.

Вход первого компаратора 15 явля- ется первым входом элемента 14 управления, вход второго компаратора 16 соединен с входом третьего компаратора 19 и является вторым входом элемента 14 управления, выход перво- го компаратора 15 соединен с входом инвертора 17, вторым входом первой схемы 18 совпадения и первым входом второй схемы 20 совпадения, выход второго компаратора 16 соединен с nepBfciM входом первой схемы 18 совпадения и вторым входом третьей схемы 21 совпадения, выход инвертора 17 соединен с первым входом третьей 21 и вторым входом четвертой 22 схем совпадения, выход третьего компаратора 19 соединен с вторым входом второй схемы 20 совпадения и первым входом четвертой схемы 22 совпадения, выход которой соединен с вторым входом второй схемы ИЛИ 24, первый вход которой соединен с выходом третьей схемы 21 совпадения, первый и второй входы первой схемы ИЛИ 23 соединены соответственно с выходами первой 18 и второй 20 схем совпадения, выкоды первой 23 и второй 24 схем ИЛИ являются выходами элемента 14 управления

Устройство работает следующим об- разом.

Из интерференционной картины, сформированной блоком 1 формирования интерференционных или муаровых полос, выделяются две полосы равной ширины , 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 ширину обоих полос, выбирается одинаковым.

При линейных перемещениях контролируемого объекта происходит перемещение границы раздела интерференционных полос по фотоприемникам линей- , ки 2, в результате чего на их выхо- дах формируется электрический сигнал, амплитуда которого пропорциональна величине перемещения, а фаза связана

25

5 О 5 20 .

г

0 ,J5 .. 50

55

с пространственным положением фотоприемников в линейке 2. Для исключе-, ния влияния на амплитуду выходного сигнала, снимаемого с выходов фотоприемников линейки 2, вредных воздействий, таких как изменение яркости излучателя, чувствительности фотоприемников при температурных воздействиях,и т.п., предусмотрена автоматическая регулировка коэффициента передачи усилителей н блоке 3 АРУ. На основных выходах блока 3 АРУ 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 MJ, можно значитель-- но увеличить разрешающую способность устройства и тем самым расширить динамический диапазон измерений без значительного увеличения количества фотоприемников в линейке 2.

С дополнительных выходов блока 3 АРУ снимаются напряжения, изменяюпщ- еся дискретно с шагом uU, от минимального до максимального значения изменения информационных сигналов.

Напряжения с дополнительных выходов блока 3 АРУ подаются на один из входов усилителей в блоке 5 формирователей, на вторые входы которых подаются информационные сигналы и при повьш1ении информационным сигналом величины опорных напряжений с выходов усилителей в блоке 5 формирователей поступают прямоугольные импульсы, которые считываются блоком 6 индикации.

Поскольку информационные сигналы, снимаемые с основных выходов блока 3 АРУ, изменяются по закону кЬсинусо- идального типа, так как светочувствительная поверхность фотопрнемников линейки 2 имеет неравномерный коэффициент передачи по своей поверхности, то при равномерной дискретизации с шагом квантования при изменении величины амплитуды такого сигнала имеет место ошибка в измерениях из- за неравномерности временных интервалов появления импульсов дискрети512

зации с моментами дискретизации амплитуды информационного сигнала.

С целью повьш1ения точности измерений в устройство введен блок 4 линеаризации, позволяющий преобразовать информационный сигнал в линейно изменяющийся и тем самым поставить в нейное соответствие временные интервалы между появлением импульсов дискретизации с моментами дискретизации амплитуды информационного сигнала.

Блок 4 линеаризации выполнен в виде п идентичных каналов 7, причем число каналов равно количеству фотоприемников в линейке 2, приходящихся на ширину одной интерференционной полосы.

Работу одного из каналов блока 4 линеаризации поясняют временные диаг раммы, представленные на фиг. 2.

.Информационный сигнал, снимаемый с первого выхода блока 3 АРУ, показан на фиг. 2а. При этом предполагается, что фотоприемцики линейки 2, приходящиеся на ширину светлой и темной полос, объединяются попарно и подключаются через усилители к входам дифференциальных.усилителей в блоке 3 АРУ, Так, если в линейке 2 имеется 20 фотоприемников и из них 10 фотоприемников поперек светлой полосы, то 1-й и 11-й фотоприемники подключаются к входам одного дифференциального усилителя, 2-й и 12-й - к входам другого и т.д. Это позволяет автоматически скомпенсировать любой дрейф в уровне постоянной составляющей сигнала, вызванный, например, температурной зависимостью чувстви- тельности фотоприемников, изменением яркости излучателя и т.п.

С целью расширения динамического диапазона измерений с сохранением ширины вырезанных полос светочувстви- тельные поверхности фотоприемников линейки 2 объединены через волоконно оптический жгут с объединенным входным торцом, что позволяет исключить промежутки между фотоприемниками ли- нейки 2 и сделать ее сплошной на все участке измерений. На фиг. 2а промежуток времени соответствует прохождению границы раздела интерференционных полос по светочувствитель ной поверхности 1-го и (Н/2+1)-го . фотоприемников, где N - число фотоприемников в линейке 2. Промежуток времени tj-tj соответствует прохожде186

нию грани цы раздела интерференционных полос через светочувствительные поверхности 2-го и (N/2+2)-ro, 3-го и (N/2+3)-ro и т.д. до N/2-го и N-ro фотоприемников.

Пунктиром на фиг. 2а показано изменение информационного сигнала с второго выхода блока 3 АРУ, входы которого подключены к 2-му и (N/2+ +2)-му фотоприемникам линейки 2. Аналогично, со сдвигом, по фазе на

2 irt2 f

величину cf --- (Т - период следования информационного сигнала) по отношению к сигналу, снимаемому с предыдущего выхода блока 3 АРУ, изменяются сигналы с последующих основных выходов блока 3 АРУ (не показаны). Момент t (фиг. 2а) соответствует смщению интерференционных полос на ширину одной полосы, т.е. на половину периода, что равнозначно перемещению контролируемого объекта на Л/2, где Я - длина волны используемого источника света. В следующем полупериоде (промежуток времени ) изменение сигнала инверсно сигналу в пр омежут- ке tg-ta. Момент t (фиг. 2а) соответствует смещению интерференционных полос на период их следования, что равнозначно перемещению контролируемого объекта на величину, равную , Изменение сигнала в последующие промежутки времени аналогично изменению в промежутке . С выхода дифференциатора 8 снимается сигнал, представляющий собой производную от входного сигнала (фиг. 2б). С выхода двухполупериодного выпрямителя 9 снимается сигнал, представленный на фиг. 2в. С дополнительного выхода сумматора в блоке 3 АРУ снимается сигнал с коэффициентом деления N/2, где N - число фотоприемников в линейке 2, что соответствует максимальному значению амцлитуды информационного сигнала, снимаемого с основных выходов блока 3 АРУ (фиг. 2а, в,величина и). Эта величина постоянного напряжения подается на один из входов дифференциального усилителя 10, с выхода которого снимается разностный сигнал, представленный на фиг.2г Инверсия этого сигнала (снимаемого с выхода инвертирующего усилителя 11 показана на фиг. 2д. Оба сигнала (фиг. 2 г,д) подаются на основные входы коммутатора 12, на управляющие входы которого подаются импульсы с

71

выхода элемента 14 управления. Бели- чины порога срабатывания компараторов 15, 16 и 19 в элементе 14 управления соответственно U,) 0 В; Un(,,05 и,(„ -0,05 U В (и - величина максимальной амплитуды информационного сигнала). На фиг, 26 величина Un, соответствует порогу срабатывания.компаратора 16, а Uflj - компаратора 19, Работу эле- мента 14 управления поясняют временные диаграммы на фиг, 2е-н, Обозначение диаграмм соответствует обозначению характерных выходных точек функциональной схемы устройства (фиг, 1), С выходов коммутатора 12 снимаются сигналы, представленные на фиг,2п,р,,. причем импульсы с выхода первой схемы ИЛИ 2.3 открывают электронный ключ в коммутаторе 12 для сигнала, снимаемого с выхода инвертирующего усилителя 11 (фиг, 2д),.а импульсы с выхода второй схемы ИЛИ 24 открывают электронный ключ для сигнала, снимаемого с выхода диффе- ренциального усилителя 10 (фиг, 2г), С выхода сумматора 13 снимается линейно изменяющийся сигнал (фиг, 2к), пунктиром показаны сигналы, поступающие на входы сумматора (а - сиг- нал, снимаемый, с первого выхода блока 3 АРУ, п, р - сигналы, снимаемые с выходов коммутатора 12),

Работа остальных каналов блока 4 линеаризации аналогична работе опи- .санного канала.

Таким образом, с выхода блока 4 линеаризации сним аются линейно изменяющиеся сигналы, сдвинутые друг относительно друга по фазе, определяемой пространственным положением фотоприемников в линейке 2, Дискретиза ция таких сигналов с равномерным шагом квантования uU (фиг, 2т) дает возможность поставить в линейное соответствие интервалы времени (it, фиг, 2ф) между появлениями импульсов дискретизации (снимаемых с выхода блока 5 формиро.вателей) с величиной шага квантования амплитуды информационного сигнала, что в конечном итоге позволяет повысить точность из мерений. Число импульсов (фиг, 2ф), сосчитанных блоком 6 индикации, прямо пропорционально величине переме- .щения.

5 0

5

Q 5 0

18В

Формула и-зобретения

I, Оптико-электронное устройство для измерения линейных перемещений, содержащее блок формирования интерференционных или муаровых полос, линейку фотоприемников, связанн но с ним, блок автоматической регулировки усиления, состоящий из последовательно связанных узла усилителей, суммирующего узла, схемы сравнения и узла управления, узла дифференциальных усилителей и источника опорного напряжения, причем выходы узла усилителей подключены к входам узла дифференциальных усилителей, выход источника опорного напряжения подключен к входу схемы сравнения, а вьпсод узла управления подключен к входу узла усилителей, блок формирователей и блок индикации, выходы линейки фотоприемников подключены к входам узла усилителей, выходы источника опорного напряжения подключены к дополнительным входам блока формирователей, выходы блока формирователей соединег. ны с входами блока индикации, отличающееся тем, что, с целью повьшения точности измерений, оно снабжено блоком линеаризации, количество каналов в котором равно половине числа фотоприемников линейки, каждый канал блока линеаризации содержит соединенные последовательно дифференциатор, двухполупериодный выпрямитель, дифференциальный усилитель, инвертирующий усилитель, коммутатор, сумматор и элемент управления, выход суммирующего узла подключен к первым входам дифференциальных усилителей каналов блока Линеаризации, входы каналов которого соединены с соответствующими выходами узла дифференциальных усилителей, причем вход канала является входом дифференциатора, первым входом элемента управления и третьим входом сумматора, а выход дифференциатора является вторым входом элемента управления, выход дифференцирующего усилителя соединен с вторым входом коммутатора, третий и четвертый входы которого соединены с первым и вторьш выходами элемента управления соответственно, второй выход коммутатора соединен с вторым входом сумматора, выход сумматора является выходом канала блока линеаризации, выходы каналов блока

9.128031

линеаризации являются основными входами блока формирователей.

2. Устройство по п. 1, о т л и - чающееся тем, что элемент управления каждого из каналов блока ли- 5 неаризации вьтолнен в виде последовательно соединенных первого компаратора, инвертора, третьей схемы совпадения, второй схемы ИЛИ, последовательно соединенных второго компара- тора, первой схемы совпадения, первой схемы ИЛИ, третьего компаратора, второй и четвертой схем совпадения, вход первого компаратора является первым входом элемента управления, вход второго компаратора соединен с входом третьего компаратора и является вторым входом элемента управления, выРедактор А. Огар

Составитель С. Конюхов Техред М.Ходанич

Заказ 7047/39 Тираж 670

ВНИКЛИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

810

ход первого компаратора соединен с вторым входом первой схемы совпадения и первым входом второй схемы совпадения, выход второго компаратора соединен с вторым входом третьей схемы совпадения, выход инвертора соединен с вторым входом четвертой схемы совпадения, выход третьего компаратора соединен с вторым входом второй схемы совпадения и с первым входом четвертой схемы совпадения, выход которой соединен с вторым входом второй схемы ИЛИ, выход второй с#емы совпадения соединен с вторым входом первой схемы ИЛИ , выходы первой и второй схем ИЛИ являются вьгходами элемента управления.

Корректор Л. Пилипенко

Подписное

Изобретение относится к измери- тельной технике. Целью изобретения является повьшение точности измерения путем исключения ошибки в измерениях из-за неравномерности временных интервалов появления импульсов дискретизации с моментами дискретизации амплитуды информационного сигнала. Устр-во с помощью блока 1 формирования интерференционных или муаровых полос линейки 2 фотоприемников, связанной с ним, блока 3 автоматической регулировки усиления (АРУ) формирует сигналы, амплитуда которых определяется только линейными перемещениями объекта и не зависит от вредных воздействий на устр-во. Информационные сигналы косинусоидально- го типа подаются на вход блока 4 линеаризации, который представляет собой п идентичных каналов 7, причем количество каналов равно половине числа фотоприемников в линейке 2. Каждый канал 7 содержит дифференциi (/) эо о :о эо