Способ выработки информации о расположении штриха меры при ее динамической поверке Советский патент 1987 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам обработки информации о расположении штрихов мер при их динамической поверке.

Цель изобретения - повышение точности вьфаботки информации о расположении штриха меры за счет уменьшения погрешности, вызванной наличием шума в сигнале.

На фиг.1 приведена структурная схема последовательности операций способа; фиг.2 - аналого-временная диаграмма . обработки сигнала , на фиг.З - аналого-временная диаграмма компенса - ции изменения постоянной составляющей выходного сигнала; на фиг.4 - временная диаграмма компенсации изменения расстояния между шкаловой поверхностью меры и фотоэлектрическим микроскопом; на фиг.З - блок-схема устройства, реализующего способ.

Устройство содержит фотоэлектрический микроскоп 1, электронный компаратор 2, линии 3 и 4 задержки, элек- окончанию расчетного участка сигнала, тронный вольтметр 5, ЭВМ 6, счетную ( формируют отсчетный импульс, характесхему 7 сравнения. Выход фотоэлектрического микроскопа 1 связан с входами электронного вольтметра 5 и электронного компаратора 2, выход которого связан с входами линий 3 и 4 задержки. К входам ЭВМ 6 подключены выход линии 3 задержки и первый и второй выходы электронного вольтметра 5, вход которого связан с первым и вторым выходами линии 4 задержки. Входы схемы 7 сравнения связаны с выходами ЭВМ и вторым выходом линии 4 задержки.

Последовательность операций осуществления способа следующая.

Штрих поверяемой меры при помощи оптической системы, содержащейся в фотоэлектронном микроскопе 1, проецируется на фотоприемник фотоэлектрон- ного микроскопа 1, выполненного в виде двух светочувствительных слоев, соединенных дифференциально и включенных в мостовую схейу. При перемет щении поверяемой меры относительно фотоэлектронного микроскопа 1 на его выходе формируется измерительный сигнал, характеризующий положение штриха поверяемой меры относительно фотоприемника фотоэлектрического микроскопа 1. При проецировании штриха меры на один из светочувствительных слоев происходит разбаланс мостовой схемы и появляется сигнал рассогласования.

Когда изображение штриха приходит в положение, симметричное относительно светочувствительных слоев фотоприемника, сигнал рассогласования станог вится равным нулю.

Таким образом, выходной измерительный сигнал имеет квазилинейную зону, предшествующую нулевому значению сигнала. Равенство нулю среднего значения выходного измерительного сигнала соответствует совмещению центров штриха и поля зрения микроскопа 1. В квазилинейной зоне сигнала выделяют расчетный участокtp . Причем время между концом расчетного участка t сигнала и моментом равенства сигнала нулю устанавливают больше, чем время вычисления длительности отсчетного интервала времени t,, . Делят расчетный участок 1 на две равные части. Определяют средние значения напряжения сигнала каждой части. По прошествии отсчетного интервала времени, начало которого соответствует

ризующии расположение штриха.

Длительность ip расчетного участка сигнала является интервалом усреднения его значений, в результате которого вырабатываются средние значения и, и и . Положение относительно конца отсчетного интервала времени огсч устанавливается таким образом, чтобы соблюдалось Неравенство

.о /V ,4 (1) где 1 - величина квазилинейной зоны сигнала, предшествующей его нулевому значению, мм; бь.и время, необходимое для вычисления значения LO, , с; V - скорость перемещения меры относительно микроскопа, мм/с.

Соблюдение неравенства (1) необходимо для того, чтобы вычисление значения tortv было закончено до его

окончания.

Определение средних значений напряжений IJ и и, (фиг.1) на первой tf и второй tpj половинах расчетного участкаtp сигнала U(x) по- зволяет построить линию регрессии

(x)T этого сигнала по точкам с ко|Vг

ординатами (--iU,) и ( яе

.значения U и U являются ординатами (x).

Длительность отсчетного интервала времени С является характеристикой информативного параметра измерительного сигнала U(x) . Значение сетеч. равно времени от окончания расчетного интервала ТГр до момента совмещения с нулем напряжения восстановленного на фоне шумов измерительного, сигнала

Значение отсч прогнозируется путем вычисления по следующей зависимости на основе определенных средних значений напряжений U, и U. Длитель- ность отсчетного интервала времени определяют по зависимости

(2)

О- ITf

L IOTCH - 2 (и, 4 где L OTCV.. длительность отсчетного

интервала времени; tp - длительность расчетного участка сигнала, и., , и - средние значения сигнала

на первой и второй полови- иах расчетного участка. Зависимость, по которой определяется значение длительности t„тсч отсчетного интервала времени, выводится на основании графика сигнала U(x) (фиг.2).

При условии эргодичности сигнала и(х) и описании комбинации математических ожиданий напряжения сигнала и(х) по ансамблю его реализаций ли- нией регрессии (x) средние значения и и и напряжений этого сигнала соответственно на первой tp и

второй L p5

половинах его расчетного участка Т, могут быть приняты в качестве оценки математических ожиданий напряжения сигнала U(x). Тогда в связи с взаимо однозначным соответствием

и, - и

и

и„ (3) 45

будет верно равенство

P

Т

4.

i-.4.i

отсч.

которого значение IOTOH

LP-UI t отсм. - 2 ( Т

равно

4

Правомочность использования указанно- го вьфажения для определения t , т.е. выполнимость условий (3), подтверждается результатами экспериментальных исследований.

5

10

20

25 30

35

40

45

50

Далее определяют напряжение постоянной составляющей сигнала и алгебраически суммируют его со средними значениями напряжения сигнала на первой и второй половинах его расчетного участка.

Напряжение О постоянной составляющей сигнала U(x) характеризует мощность Р светового потока, воспринимаемого фотоприемником фотоэлектрического микроскопа, которая зависит от градиента коэффициента отражения или пропускания меры по ее длине.

Изменение мощности Р ведет к нарушению баланса моста постоянного тока, в-диагональ которого включены светочувствительные слои фотоприемника, из-за чего происходит смещение во времени отсчетного импульса (фиг,5). Определение напряжения постоянной составляющей сигнала и алгебраическое суммирование его со средними значениями и, и и, обеспечивают компенсацию смещения отсчетного импульса за счет изменения рассчитываемого отсчетного интервала времени I „-TCM на величину компенсирующего интервалаt , равного

-v IP и, .

к 2- 07-1-п;- 5)

Учет влияния изменения напряжения и постоянной составляющей на погрешность вьфаботки информации уменьшает зависимость момента формирования отсчетного импульса от градиента распределения коэффициента отражения (пропускания) меры по ее длине. Действие этого фактора на сигнал выражается в изменении постоянной составляющей сигнала, т.е. смещении его информативного параметра относительно нуля, по которому происходит формирование информации. Кроме того, на интервале перемещения меры, соответствующем расчетному участку сигнала, дополнительно определяют изменение расстояния между шкаловой поверхностью меры и микроскопом и алгебраически суммируют отсчетный интервал времени с компенсирующим интервалом, значение которого вычисляют по зависимости .

J J f (ah)dh.

(6)

л.По

- компенсирующий интервал;

- скорость перемещения меры; - изменение расстояния между

шкаловой поверхностью и микроскопом соответственно в начале и конце расчетного участкаtp

где t

участке, равное интегралу

J.

(лЬ) - функция влияния изменения

расстояния на регистрируемое расположение штриха. Данная зависимость выводится на основании того, что среднее значение функции влияния f(uh) на расчетном IлЬ

f(uh)dh, лЬ„

связано с временным интервалом . , на который смещается i p j из-за изменения расстояния между шкаловой поверхностью и микроскопом, коэффициентом масштабного преобразования 1/V. Таким образом, алгебраическое суммирование t компенсирует

.сч(Ь).

Вид функции f(h) влияния изменения расстояния между микроскопом и шкаловой поверхностью определяется качеством оптической системы микроскопа, чистотой шкаловой поверхности, а также профилем и контрастностью штрихов меры. Для штриховых мер, изготовленных по 0-1-му классу точности, взаимодействующих с фотоэлектрическим микроскопом мод. МФ-20, функция (лЬ) при изменении расстояния между микроскопом и шкальной поверхностью меры в пределах +50 мкм имеет квазилинейный вид (получен по экспериментальным данным). Учет изменения расстояния между шкаловой поверхностью меры и микроскопом, выполняемый путем определения измерения этого расстояния, вычисления компенсирующего интервала и его суммирования с отсчетным интервалом времени, уменьшает погрешность от изменения этого расстояния. Изменяется указанное расстояние из-за непрямолинейности траектории перемеще10

15

20

25

30

- значение интервала частотной

коррекции;

(f K,(V t SV,- )) - значение-фазо- частотной характеристики схемы обработки информации; V - скорость перемещения меры; Sу; значение виброскорости; ,К, К - коэффициенты масштабного

преобразования значений фазы сигнала h время и скорости перемещения в частоту сигнала соответственно. Вывод зависимости, определяющей значение интервала частотной коррек- цииТ{ , основан на том, что от изменения скорости V . перемещения меры, из-за наличия виброскорости S, изменяется частота f сигнала. При зтом смещение фазы ч сигнала определяется фазочастотной характеристикой if (f K(V + Sy)) схемы обработки информации, где К, - коэффициент масштабного преобразования скорости перемещения V в частоту f.

Так как изменение фазы Ч сигнала ведет к смещению . то произведение ifCf K,j(V t SyJ) на К, (коэффициент масштабного преобразования фазы сигнала во время) равно значению интервала С частотной коррекции.

Вид фазочастотной характеристики

40

f(f К „(V +

S,,))

устройства обработки информации определяется фазо- 35 частотными характеристиками электронных элементов, из которых оно состоит, и схемой их соединения; он может быть получен расчетным путем по известным методам теории электрических цепей или экспериментально.

В связи со взаимооднозначным соответствием между частотой f сигнала и скоростью V перемещения меры относительно микроскопа, определяемым

50

зования, функция влияни; виброскорости S на фазу Lf сигнала может ьыть вьфажена через фазочастотную теристикуЧ( К„ (V + S,,. )) чениями V и S,

xapak- со зна- часния меры, деформаций от перераспреде- коэффициентом К, масштабного преобра- ления нагрузки на механической части измерительной машины, вибрации узлов по оси, совпадающей с оптической осью микроскопа, и т.п.

Кроме того, с целью уменьшения динамической погрешности на расчетном участке сигнала дополнительно определяют значение виброскорости, алгебраически суммируют отсчетный интервал времени с интервалом частотной коррекции, значение которого вычисляют по зависимости

Г к,ч- (f K(V t SV)), (7)

7 - l,

. , приведенными к тоте f сигнала. При осуществлении аттестации меры на фиксированной скорости V в связи с небольшими колебаниями ее значения и, соответственно, 55 значения частоты сигнала, вид фазочастотной характеристики близок к линейному.

Определение виброскорости меры позволяет вычислить интервал частотной

48642

где t

, 10

15

20

25

30

- значение интервала частотной

коррекции;

(f K,(V t SV,- )) - значение-фазо- частотной характеристики схемы обработки информации; V - скорость перемещения меры; Sу; значение виброскорости; ,К, К - коэффициенты масштабного

преобразования значений фазы сигнала h время и скорости перемещения в частоту сигнала соответственно. Вывод зависимости, определяющей значение интервала частотной коррек- цииТ{ , основан на том, что от изменения скорости V . перемещения меры, из-за наличия виброскорости S, изменяется частота f сигнала. При зтом смещение фазы ч сигнала определяется фазочастотной характеристикой if (f K(V + Sy)) схемы обработки информации, где К, - коэффициент масштабного преобразования скорости перемещения V в частоту f.

Так как изменение фазы Ч сигнала ведет к смещению . то произведение ifCf K,j(V t SyJ) на К, (коэффициент масштабного преобразования фазы сигнала во время) равно значению интервала С частотной коррекции.

Вид фазочастотной характеристики

f(f К „(V +

S,,))

устройства обра

ботки информации определяется фазо- частотными характеристиками электронных элементов, из которых оно состоит, и схемой их соединения; он может быть получен расчетным путем по известным методам теории электрических цепей или экспериментально.

В связи со взаимооднозначным соответствием между частотой f сигнала и скоростью V перемещения меры относительно микроскопа, определяемым

0

зования, функция влияни; виброскорости S на фазу Lf сигнала может ьыть вьфажена через фазочастотную теристикуЧ( К„ (V + S,,. )) чениями V и S,

xapak- со зна- час коэффициентом К, масштабного преобра-

7 - l,

. , приведенными к тоте f сигнала. При осуществлении аттестации меры на фиксированной скорости V в связи с небольшими колебаниями ее значения и, соответственно, 5 значения частоты сигнала, вид фазочастотной характеристики близок к линейному.

Определение виброскорости меры позволяет вычислить интервал частотной

коррекции, т.е. величину, на которую нужно сместить отсчетный импульс. Алгебраическое суммирование отих интервалов позволяет уменьшить динамическую погрешность, возникающую из-за изменения скорости перемещения.

Выработка информации о расположении штриха меры при ее динамической поверке предлагаемым способом производится путем перемещения меры относительно микроскопа 1 с постоянной средней скоростью на лазерном компараторе МС-6523. Вьщеление сигнала V на выходе микроскопа ФМ-20 выполняется дифференциальным включением пози- ционно-чувствительной микросхемы типа 1ПП921 в диагональ моста постоянного тока, на которую проецируется с увеличением 16 изображение штриха. Выделение начала расчетного участка сигнала I p , равного 2 мс, производитс электронным компаратором 2, а его длительность задается линией 3 задержки. Деление расчетного участка Тр на две половины iTpi осуществляется дополнительной линией 4 задержки. Определение средних значений U и U напряжения порядка 5-10 В на участках Гр и c pj для вычисления по ним от- счетного интервала отсч. производится электронным вольтметром 5. Выделение длительности toTC4 порядка 1 мс отсчет ного интервала времени по зависимости (2) производится на ЭВМ 6, реализующей указанный в ней алгоритм. Формирование отсчетного импульсаб тсч. выполняется счетной схемой 7 сравнения при равенстве текущего времени после окончания расчетного участкаtp сигнала длительности отсчетного интервала времени t oTcM

Определение напряжения U постоянно составляющей сигнала, не превьш ающего 2 В, производится электронным вольтметром 5. Величина погрешности при этом равна 0,2 мкм.

Определение изменения uh расстояния между шкаловой поверхностью и микроскопом лЬ сз 3 мкм, по которому вы- числяется компенсирующий интервал , , производится бесконтактным датчиком малых перемещений. Алгебраическое суммирование отсчетного интервала времени со значением t j, ком- пенсирующего интервала, значение которого соответствует 0,3 мкм, вычисляют по зависимости (6) на ЭВМ 6 или на электронной лог ической схеме вве

дением значения в счетную схему сравнения.

Величина виброскорости составляет 0,1 V. Определение значения виброскорости перемещения меры относительно микроскопа выполняется виброизмерительными датчиками, например, пьезоэлектрическими. Значение виброскорости используется для вычисления интер- валаТ частотной коррекции.

Алгебраическое суммирование отсчетного интервала о-,-м времени с интервалом Т| частотной коррекции вычисляют по зависимости (7) на ЭВМ 6 или введением значения Тj , соответствующего 0,1 мкм, в счетную схему 7 сравнения.

Формула изобретения

1. Способ выработки информации о расположении штриха меры при ее динат мической поверке, заключающийся в том, что меру перемещают относительно фотоэлектрического микроскопа, регист- рируют на его выходе измерительный сигнал с квазилинейной зоной, предшествующей нулевому значению сигнала, которое соответствует совмещению центров штриха меры и поля зрения фотоэлектрического микроскопа, формируют отсчетный импульс, характеризующий расположение штриха меры, о т л и - чающийс я тем, что, с целью повышения точности выработки информации о расположении штриха меры, в квазилинейной зоне измерительного сигнала выделяют расчетный участок t: , делят его на две равные части,

определяют средние значения напряжения сигнала для каждой части расчетного участка измерительного сигнала, определяют длительность отсчетного интервала времени отсчетный

импульс, характеризующий расположение штриха меры, формируют по окончании отсчетного интервала времени, причем длительность расчетного участка выбирают из условия

де 1. V Чыч

п /V вЫЧ ,

величина квазилинейной зоны сигнала, предшествующего нулевому значению; скорость перемещения меры относительно фотоэлектронного микроскопа; время, необходимое для вычисления значения .

2, Способ ПОП.1, отличающийся тем, что, с целью уменьшения погрешности от градиента распределения коэффициента отражения или пропускания меры по ее длине, определяют напряжение постоянной составляющей си гнала и алгебраически суммируют его со средними значениями напряжения

сигнала на первой и второй частях его ю ю щ и и с я тем, что, с целью уменьшения динамической погрешности, на расчетном участке сигнала дополнительно определяют значение виброскорости меры, фазочастотную характеристику

расчетному участку сигнала, определя- 15 мы обработки информации, интервал

расчетного участка.

3. Способ ПОПП.1 и2, отличающийся тем, что на интервале перемещения меры, соответствующем

ют изменение расстояния между щкало- вой поверхностью меры и фотоэлектронным микроскопом, функцию влияния из„(t

зж

Л

Uz

Фи€. /

менения расстояния между шкаловой поверхностью меры и фотоэлектрическим микроскопом на регистрируемое расположение щтриха меры, компенсирующий интервал t и алгебраически суммируют отсчетный интервал времени t с полученным компенсирующим интервалом. 4. Способ по пп.1-3, о т л и ч а частотной коррекции и алгебраически суммируют с его значением отсчетного интервала времени.

р.

Рг

omcv.

Тл

.

ftue.if

Фие,5

Редактор И.Касарда

Составитель О,Несова Техред М.Ходанич

Заказ 5178/39Тираж 676Подписное

ВНИИПИ 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

I,

omfv.

Корректор В.Гирняк

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам обработки информации о расположении штрихов мер при их динамической поверке. Цель изобретения - повышение точности выработки информащ1и о расположении штриха меры за счет уменьшения погрешности, вызванной наличием шума в сигнале. Сущность способа заключается в том, что в измерительном сигнале, сформированном на выходе фотоэлектронного микроскопа, в его квазилинейной зоне, предшествующей нулевому значению, выделяют расчетный участок tp , делят его на две равные части, определяют среднее значение напряжения для каждого из них, затем определяют длительность отсчетного интервала времени по формуле IOTCI 7.(U, - Ujj) -Тр/4, где Г, - длительность расчетного участка сигнала , и , и - средние значения сиг- , нала на первой и второй половинах расчетного участка, по окончании которого формируют отсчетный импульс, характеризующий расположение штриха ме- с ры. 3 3.п. ф-лы, 5 ил. (Л оо 4 00 О)