Фотоэлектрический датчик линейных перемещений Советский патент 1988 года по МПК G01B21/00 

СА:Э

Э5 00 О5 ZfS

1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для автоматического прецизионного измерения линейных перемещений.

Цель изобретения - повышение точности измерения - достигается за счет устранения погрешности, обусловленной нестабильностью угла взаимного разворота решеток.

На фиг, 1 представлена блок-схема фотоэлектрического датчика линейных перемещений; на фиг. 2 - вариант выполнения привода.

Датчик содержит источник 1 излучения, установленные по ходу излучения неподвижную растровую решетку 2, кинематически связанную с измеряемым объектом подвижную растровую решетку 3, фотоприемный блок 4, блок 5 измерения линейного перемещения, две идентичные цепи, каждая из которых состоит из последовательно включенных блоков 6 возведения в квадрат, полосовых фильтров 7, фазочувствительных детекторов 8, а также генератор 9 синусоидального напряжения, сумматор 10 постоянного тока, усилитель 11 и привод 12, кинематически связанный с подвижной решеткой 3.

Привод 12 выполнен в виде четырех пьезоэлементов 13-16 и оправы 17.

Датчик работает следующим образом ПРИ перемещении подвижной растровой решетки 3, связанной с объектом (не показан), перемещение которого измеряется относительно неподвижной растровой решетки 2, на фотоприемный блок 4 поступает промодулированный растровым сопряжением световой поток от источника -1 излучения. На выходе фотоприемного блока формируются два гармонических сигнала с фазовым сдвигом один относительно другого на /2 (квадратурные сигналы) - sin(2 ii l/d) и cos(2irl/d). Эти сигналы подаются в блок 5 измерения линейного перемещения, где определяется величина измеряемого перемещения 1, например, методом счета муаровых полос и интерполирования квадратурных сигналов дл определения долей шага растров.

При включении датчика также включается генератор 9 синусоидального напряжения, в результате чего к приводу 12 через сумматор 10 и усилител 11 подается переменное напряжение с частотой со , намного большей, чем

. я

ь

68631 . 2

частота квадратурных сигналов фотопри-. емного блока fi , возникающих за счет линейного перемещения подвижной решетки 3. Привод приводит подвижную решетку в угловое колебание относительно оси, перпендикулярной плоскости штрихов и расположенной в центре подвижной решетки. Относительный раз- 1Q ворот решеток с по указанной оси вызывает изменение амплитуды квадратурных сигналов вследствие изменения фазы сигналов от каждого элементарного участка вДоль штриха. Эту зависимость амплитуды А можно представить

20

25

30

35

IF

следующим образом:

А A d-kui),

где k - коэффициент, зависящий от периода штрихов и размера решеток;

АО - максимальное значение амплитуды, соответствующее решеткам с параллельными штрихами.

С учетом этого квадратурные сигналы на выходе фотоприемного блока 4 . имеют следующую зависимость от времени t:

U,(t) Ao(1-ke6) sin(Qt); Uj(t) Ag(l-koi) cos(nt).

Относительный разворот решеток обусловлен вынужденным колебанием подвижной решетки по сигналу генератора- (Qt) и поворотом , обусловленным неточным изготовлением направляющих, в которых перемещается решетка, (otfl- амплитудное значение углового колебания рещетки).

G учетом этого имеем

U,(t) A(,l-kji -2kp t sin(at) - - koi- sin(cut)3 sin(jit).

После возведения этого сигнала в квадрат с помощью блока 6 на выходе полосового фильтра 7, настроенного на частоту генератора со , имеем (при ),

55 и (t) -A ,4koio jb (1-k/5 ) -3kVo/3 xsin(o3t) sin(nt).

Ha выходе второго фильтра имеем

40

45

50

и , (t) -А „ 4Ыо 1Ь (1 -kp ) - 3kV

sinCot) cos (t).

Эти сигналы подаются на входы фа зочувствительных детекторов 8, на вторые входы которых в качестве опорного подается напряжение от генератора 9, Сигналы на выходе детекторов 8 имеет следующий вид:

U f3k.io +4k/i -A A «i sin4$2t); и 3k«i ,ft cos4«t).

Q

Эти сигналы подаются на вход сумматора, куда также подается сигнал с генератора. На выходе сумматора имеем .

( +4k/5 -4) +U sin(ot).

Здесь первая составляющая представляет собой сигнал компенсации, пропорциональный исходному повороту решеток . По этому сигналу с сумматора привод поворачивает подвижную решетку, отрабатывая угловое рассогласование . В результате на выходе фотоприемного блока имеем

и, (t) A 1-kci. sin(cot)l sintat);

UjCt) Ao l-kcio sin (tot) cos(at).

Как видно из этих выражений, вы- нужДенное колебание подвижной pemef- ки с амплитудой Ыо и частотой со приводит к изменению квадратурных сигналов. Влияние этого изменения на точность измерения линейных перемещений блоком 5 зависит от принципа построения блока 5, Это влияние можно уменьшить, уменьшая величину амплитуды ai , или поместив на входе блока измерения линейного перемещения фильтр нижних частот, который не пропустит составляющие

koio sin (at) sin(Qt) и

.

.1368631

kci o sin (cot) cos (sit).

5

Привод может быть выполнен в виде( четырех пьезоэлементов 13-16 (фиг.2), одновременно выполняющих функцию подвеса подвижной решетки 3 в оправе 17, связанной с измеряемым объектом, для чего данные пьезозлементы закрепляют Q ся одной стороной к решетке, а другой - к оправе. Поворот решетки относительно оправы по оси, перпендикулярной плоскости штрихов, происходит посредством сокращения одного 13 и

1g удлинения другого 16 пьезоэлементов, расположенных соосно по двум сторонам решетки. Для этого к их обкладкам подводятся напряжения разной полярности. Перемещение второй пары соос2Q ных пьезоэлементав происходит в обратной последовательности, причем все четыре пьезоэлемента размещаются симметрично относительно геометрического центра решетки,

25

Формула изобретения

Фотоэлектрический датчик линейных перемещений, содержащий источник из- 2Q лучения, подвижную и неподвижную растровые решетки, фотоприемный блок и блок измерения линейных перемещений, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, он снабжен двумя цепями, каждая из которых содержит последовательно подключенные блок возведения в квадрат, полосовой фильтр и фазочувствительный детектор, а также генератором синусоидального напряжения, усилителем постоянного тока, приводом и сумматором, к входам которого подключены выходы генератора и фазочувствительных детекторов, а выход через усилитель постоянного тока подключен к приводу, кинематически связанному с подвижной решеткой, входы блоков возведения в квадрат соединены с соответствующими выходами фотоприемного блока,а вторые входы фазочувствительных детекторов подключены к выходу генератора синусоидального напряжения.

35

40

45

50

Фиг.2

W

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для автоматического прецизионного измерения линейных перемещений. Цель изобретения - повышение точности измерения за счет устранения погрешности, обусловленной нестабильностью угла взаимного разворота решеток. В датчик введена система автоматического регулирования угла относительно разворота подвижной решетки, имеющая две цепи, содержащих каждая блок 6 возведения в квадрат, полосовой фильтр 7 и фазочувствитель- ный детектор 8, которые вместе с сумматором 10 и с помощью генератора 9 вычисляют величину относительного разворота растровых решеток. Через усилитель 11 постоянного тока сигнал, пропорциональный углу разворота, подается на Привод 12, который компенсирует ошибку в угле разворота решеток. 2 нл. с