Измеритель линейных перемещений Советский патент 1988 года по МПК G01B21/00 

22

ю

ОО

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений в различных автоматизированных системах.

Цель изобретения - повышение быстродействия измерения за счет двухкоординат- ных измерений перемещения объекта.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - функциональная схема блока управления; на фиг. 3 - временные диаграммы сигналов, поясняющие работу устройства.

Измеритель линейных перемещений содержит источник 1 света, с электрическим управлением, последовательно расположенные по ходу светового потока измерительный эастр 2, выполненный в виде непрозрачных взаимно ортогональных полос, объектив 3 и фотоприемник, выполненный в виде фотодиодной матрицы (ФДМ) 4, усилитель 5 считывания, представляющий собой преоб- эазователь тока в напряжение, подключенный к выходу усилителя 5 компаратор б, генератор 7 тактовых импульсов с прямым и инверсным выходами, блок 8 управления, регистр 9 опроса столбцов, регистр 10 опроса строк, первый-третий триггеры 11 - 13, элементы И 14 и 15, счетчик 16 положения растра, счетчик 17 смещения растра, счетчики 18 и 19 положения объекта, регистры 20 и 21 памяти, мультиплексор 22, блок 23 вычитания, инвертор 24, элемент ИЛИ 25, электронные коммутаторы 26-28, индикаторы 29 и 30.

Измерительный растр 2 расположен меж- |ду источником 1 света и объективом 3 и соединен с контролируемым объектом. Пара- метры оптической системы подобраны так, чтобы на ФДМ 4 проецировался один период измерительного растра. При этом число m ДМ 4 равно числу столбцов ш и выбира- тся равным 2, где р - целое положитель- ое число, а отнощение периода растра к ирине образующих его полос равно числу Элементов с строке (столбце) ФДМ 4, чис- |ло разрядов в регистрах 9 и 10 равно числу Ьтрок (столбцов) ФДМ 4, число разрядов В регистрах 20 и 21, мультиплексоре 22, счетчике 16 положения растра и счетчике 17 Смещения растра и число входов элемента Или 25 равно р, а число разрядов в счетчиках 18 и 19 положения объекта выбирается исходя из диапазона контролируемых Перемещений. Число разрядов в блоке 23 вы- (итания также равно р, поскольку знаковый разряд не используется. Принципиально возможно использование ФДМ 4 с произвольными значениями m и п. В этом случае ис- яользуемый рабочий участок фоточувстви- Сельной поверхности представляет собой квадрат со стороной, равной 2 элементов, |где р - максимально возможное для данной ФДМ целое положительное число. Если эле0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

ментарные ячейки ФДМ 4 не квадратные, то отнощение периодов растра по одной и по другой стороне выбирается равным отношению соответствующих периодов расположения элементарных ячеек ФДМ 4. Счетчики 18 и 19, индикаторы 29 и 30 и электронные коммутаторы 27 и 28 образуют два идентичных блока 31 и 32 индикации положения объекта. В каждом блоке выходы счетчика 18 (19) нодключены к входам индикатора 29 (30), а к входам прямого и реверсивного счета счетчика 18 (19) подсоединен электронный коммутатор 27 (28). Счетные входы блоков 31 и 32 (сигнальные входы электронных коммутаторов 27, 28) объединены с выходами электронного коммутатора 26, а входы сброса блоков 31 и 32 (входы сброса триггеров 18 и 19) подключены к щи- не внешнего сброса. Выходы электронного коммутатора 26 соединены также с счетными входами счетчика 17, причем выход электронного коммутатора 26, объединенный с входами пря.мого счета блоков 31 и 32, соединяется со входом реверсивного счета счетчиков 17, а выход, объединенный с входами реверсивного счета блоков 31 и 32 соединяется с входом прямого счета счетчика 17. Выходы счетчика 17 через элемент ИЛИ 25 подключены к входу сброса (с инверсным управлением) триггера 12, а входы предустановки счетчика 17 соединены с выходами блока 23. При этом выход старшего (незнакового) разряда блока 23 соединен также с информационным входом триггера 13, к выходу которого подключен вход управления электронного коммутатора 26. Если на этом входе высокий потенциал, то коммутатор 26 подает входной сигнал на верхний (по схеме) выход, подключенный к входу прямого счета счетчика 17 и входам реверсивного счета блоков 31 и 32. Прямой выход генератора 7 подключен к входу блока 8 и входам синхронизации регистров 9 и 10, а инверсный выход генератора 7 соединен через элемент И 14 с входом синхронизации счетчика 15 и через элемент И 15 - с входо.м электронного коммутатора 26. К другому входу элемента И 14 подключен выход триггера II, а к другому входу элемента И 15 подключен выход триггера 12. Выходы регистра 9 подключены к щинам столбцов ФДМ 4. Выходы регистра 10 - к строчным шинам ФДМ 4, а выход компаратора 6 - к входу сброса триггера 11. Выходы счетчика 16 соединены с информационными входами регистров 20 я 21 а первой группы входов блока 23 вычитания, вторая группа входов которого подключена к выходам мультиплексора 22. Информационные входы мультиплексора 22 соединены с выходами соответствующих регист ров 20 и 21. Первый выход блока 8 (сигнал Г) соединен с информационны.м входом первого триггера регистра 9, который также как и регистр 10 представляет собой регистр

сдвига с числом разрядов, равным числу стобцов (для регистра 10 - числу строк) ФДМ 4. При этом в регистре 10 с шиной сброса соединены входы сброса всех входящих в него триггеров, а в регистре 9 вход сброса у триггера младшего разряда регистра отсутствует (т. е. сигнал сброса обнуляет выходы всех разрядов регистра 9, кроме первого). Второй выход блока 8 (сигнал Д) подключен к информационным входам первого триггера регистра 10. Третий и четвертый выходы блока 8 (сигналы Е, Ж) соединены с входами сброса соответственно регистров 9 и 10. Пятый выход блока 8 (сигнал Б) подключен к входу включения источника 2 света, а шестой выход (сигнал В) - к входу стирания ФДМ 4. Седьмой выход блока 8 (сигнал К) соединен с входами синхронизации триггеров 12 и 13 и входом записи предустановки счетчика 17, восьмой выход (сигнал И) - с входом управления электронного коммутатора 27, входом разрешения записи регистра 20, входом управления мультиплексора 22, и через инвертор 24 с входом разрешения записи регистра 21 и

входом управления электронного коммутатора 27. Последний девятый выход блока 8 соединен с входом синхронизации триггера 11, входом сброса счетчика 16 и входами записи регистров 20 и 21.

Блок 8 управления содержит двоичный счетчик 33, подключенный через постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 34 к входам блока 35 буферных усилителей и формирователям 36 и 37 импульсов по положительному фронту сигналов (фиг. 2). Выход формирователя 36 подключен также к входу блока 35, а выход формирователя 37 соединен с входом формирователя 38 импульсов по отрицательному фронту сигналов. Длительность вырабатываемых формирователями 36-38 импульсов много меньше периода следования тактовых импульсов на выходе генератора 7. Вход сброса счетчика

33 подключен к выходу ПЗУ 34. Выходами блока 8 являются выходы блока 35, формирователей 37 и 38 и один из выходов ПЗУ 34. Прошивка ПЗУ 34 выполняется в соответствии с таблицей.

Продолжение таблицы

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повышение быстродействия измерения. Перед началом измерительного цикла в течение времени экспозиции на поверхность фотодиодной матрицы (ФДМ) 1 проецируется один период решетки из.мерительного растра 9. По окончании экспозиции под управление.м блока 8 выполняется сканирование ФДМ 1 сначала апертурой в форме строки, а затем апертурой в форме столбца. Абсолютное положение полос измерительного растра 2 . при сканировании во взаимно перпендикулярных направлениях фиксируется в счетчике 16 и сравнивается в блоке 23 с хранящимися в регистрах 20 и 21 координатами предыдущего положения. Полученная в дополнительном коде величина смещения объекта переписывается в счетчик 17, а затем его содержимое доводится до нуля тактовыми импульсами, число которых равно величине смещения и которые одновременно подсчитываются блоками 31 и 32. Направление счета зависит от знака и величины смещения и задается старшим незнаковым разрядом, отображающим величину смещения двоич- числа. 3 ил., 1 табл. 2 (Л

k+m+1 k+m+2

О1О1101О

01011000

Примечание. , если , иначе .

Устройство работает следующим образом.

Измерительный растр 2 освещается импульсным параллельным пучком от источни- ЗО ка света 1 и с помощью объектива 3 проецируется на ФДМ 4 так, чтобы на ее фоточув- ствительную поверхность (для неквадратной матрицы - на рабочий участок) попадал только один период измерительного растра. Очевидно, что с учетом приведенных соот- 35 ношений щирина проецируемых полос измерительного растра равна щагу дискретизации изображения вдоль соответствующей координаты. Процесс измерения координа- ты выполняется циклически с фиксирован- 40 ным периодом, состоящи.м из трех циклов. В начале первого цикла импульсо.м на щес- том выходе блока 8 (фиг. Зв) производится стирание информации в ФДМ 4.

Одновременно импульс на пятом выходе блока 8 (фиг. 36) включает источник 1 сне- 5 та, и начинается экспозиция ФДМ 4.

В процессе экспозиции на информационные входы регистров 9 и 10 поступает высокий потенциал (фиг. Зг, д), который под действием вырабатываемых генератором 7 cj, тактовых импульсов (фиг. За) распространяется на выходы всех разрядов регистров 9 и 10 (для этого число синхроимпульсов за время экспозиции должно быть как минимум равно числу строк (столбцов) ФДМ 4. В последнем такте экспозиции на информа- 55 ционном входе регистра 10 сигнал обнуляется (фиг. Зд), поэтому с приходом очередного синхроимпульса (первым после окончания

экспозиции) на выходе первого разряда регистра 10 низкий потенциал. Таким образом, к концу экспозиции на щинах всех столбцов ФДМ 4 и на всех строчных шинах, кроме первой, высокий потенциал.

В течение второго цик.па под действием вырабатываемых генератором 7 тактовых импульсов, число которых равно числу используемых в ФДМ 4 строк, низкий потенциал последовательно перемещается к старшим разрядам регистра 1, осуществляя последовательный опрос ФДЛ 4 апертурой, имеющей форму строки (фиг. 3 и-о). Если сканируемая строка ФДМ 4 освещена, сигналы на выходе усилителя 5 и компаратора 6 равны нулю. Если же сканируемая строка затенена полосой измерительного растра, то появляются сигналы на выходе усилителя 5 и компаратора 6. Таким образом, во втором цикле происходит сканирование ФДМ 4 строкой, а сигнал на выходе ко.мпаратора 6 в инверсном виде повторяет распределение освещенности вдоль соответствуюилей координаты ФДМ 4.

В начале третьего цикла на информационном входе регистра 9 устанавливается низкий потенциал,.на его вход приходит сигнал сброса (фиг. 4е), устанавливающий на всех выходах регистра 9, кро.ме первого (триггер которого не соединен с шиной сброса), низкий потенциал, а сигналом с четвертого выхода блока 8 (фиг. Зж) сбрасываются в нуль выходы всех разрядов регистра 10.

Под действием вырабатываемых генератором 7 тактовых импульсов выбранный столбец смещается вдоль ФДМ 4 (фиг. 3л - м), т. е. в третьем цикле происходит опрос ФДМ 4 апертурой в форме столбца. Абсолютное положение измерительного растра в диапазоне его одного периода находится с помощью триггера II, элемента И 14 и счетчика 16. В начале каждого опроса, т. е. в начале второго и третьего цикла счетчик 16 сбрасывается, а триггер 11 устанавливается сигналом с девятого выхода блока 8 (фиг. Зз) и .разрещает прохождение синхроимпульсов через элемент И 14 на вход счетчика 16. При появлении на выходе ФДМ 4 сигнала от полосы измерительного растра срабатывает компаратор 6, и сбрасывает триггер 1. В результате в счетчике 16 во второ.м цикле зафиксируется номер строки, содержащей полосу измерительного растра 2 вдоль одной координаты (Y), а в третьем цикле - номер строки, определяющей вторую координату (X) измерительного растра 2 (счет - с нуля). Перемещения измерительного растра 2 во всем контролируемом диапазоне, а не в пределах одного пространственного периода фиксируются в блоках 31, 32, на которые перед началом измерений подается сигнал сброса. Принцип измерений основан на том, что в каждом периоде определяется разность абсолютного смещения измерительного растра 2 .между двумя смежпы.ми опросами, оценивается знак и величина смещения и в соответствии с полученным результатом в блоки 31 и 32 поступает равное величине смещения число импульсов, которые суммируются, либо вычитаются из текущего показания содержащихся в блоках 31 и 32 счетчиков 18 и 19. Для исключения неоднозначности оценки предполагается, что скорость движения контролируемого объекта не должна превыщать величины, при которой он может сместиться между двумя соседними опросами более, чем на половину пространственного периода измерительного растра 2. Фиксация предыдущих положений измерительного растра 2 осуществляется в регистрах 20 и 21, величина смещения объекта между двумя опросами находится в блоке 23, а число импульсов, равное величине смещения, фор.мируется элемента.ми 12, 13, 15, 26 , 17 и 25. Направление счета задается старщим разрядом выходного сигнала блока 23. Рассмотрим более подробно процесс определения, например, координаты X. Абсолютное положение измерительного растра 2 по этой координате определяется в третьем цикле и сохраняется в счетчике 16 до начала следующего второго цикла. Поскольку к началу этого цикла к входу блока 23 вычитания (вход В) подключен через мультиплексор 22 сигнал с выхода регистра 20, хранящего предыдущее значение абсолютной координаты измерительного растра 2 сигнал на выходе блока 23 равен величине смещения объекта между двумя последовательными опросами ФДМ 4 по этой координате. По импульсу, вырабатываемому в па- чале второго цикла седьмым выходом блока 8 (фиг. Зк), величина смещения в двоич- ном дополнительном коде перепип1ется в счетчик 17. а значение предпоследнего (стар- щего незнакового) разряда зафиксируется в триггере 13. Одновре.менно установится триггер 12, разрещая прохождение синхроQ импульсов через элемент И 15 и электронный коммутатор 26 на счетные входы счетчика 17 и блоков 31 (блок 32 в этот момент не работает, так как его коммутатор 28 выключен низким потенциалом на управляющем входе). Следующий за импульсом с

5 седьмого выхода блока 8 (сигнал К) импульс с девятого выхода блока 8 (сигнал 3. фиг. Зз) перепищет информацию в регистре 20, так как только на его входе разрешения записи - высокий уровень и подготовит

Q содержимое регистра 20 к следующему циклу. С приходом очередных синхроимпульсов с генератора 7 содержимое счетчика 17 начнет изменяться и. как только оно станет равным нулю, на выходе элемента ИЛИ 25 появится низкий потенциал, который сбро5 сит триггер 12 и запретит дальнейщее прохождение счетных импульсов в блоки 31 и 32 до новой перезаписи информации в счетчике 17. Очевидно, число прощедщих импульсов зависит как от содержимого счет,. чика 17, так и от направления счета. Если величина записанно1 о в счетчике 17 смещения положите,льная и не превыщает половины общего числа элементов в строке (сголбце) ФДА 4. то на выходе триггера 13 н},зкий потенциал. Поскольку подсчитывае5 1ые синхроимпульсы в этом случае проходят на вход реверсивного счета счетчика 17, то он обнулится через чис,то импульсов, равное величине смеп1ения. Столько же и.мнуль- сов добавится и к содержимому блока 31, так как к нему онп поступают на вход прямого счета. Если же смещение отрицательное и также не превышает половины общего числа элементов в строке (столбце), сигна, на выходе триггера 13 высокий, и счетные импульсы суммируются с содержимым счет5 чика 17 и вычитаются из содержимого счетчика 18 блока 31. Число таких импульсов, необходимых для обнуления счетчика 17, также равно величине смещения. Если в процессе опроса контролируемый объект сместится так, что на ФДМ 4 проецируется сле0 дующая полоса измерительного растра, значение смещения на выходе блока 23 превысит но величине половину общего числа элементов в строке (столбце). Однако в этом случае при положительном с.мещении счет чик 17 ведет счет в пря.мом направлении, а при отрицательном - в обратном, поэтому число приходящих в блок 31 импульсов и направление их счета снова будет правильным.

0

Aнav oгичным образом производится определение другой координаты измерительного растра 2. Предустановка счетчика 17 импульсов с седьмого выхода блока 8 (фиг. Зк) и перезапись содержимого растра 2 импуль- сом с девятого выхода блока 8 (фиг. Зз) выполняется при этом в начале третьего цикла опроса, а подсчет импульсов, равных величине смещения, выполняется блоком 32 в течение третьего цикла при низком уров- не сигнала на восьмом выходе блока 8 (фиг. 4и).

Формула изобретения

Измеритель линейных перемеш,ений, со- держащий источник света, установленные по ходу светового потока измерительный растр, связываемый с объектом из.мерений, объектив и фотоприемник, генератор, два счетчика положения объекта, элемент ИЛИ, триг- гер, компаратор и усилитель считывания, вход которого подключен к выходу фотоприемника, отличающийся тем, что, с целью повыщения быстродействия, он снабжен последовательно соединенными блоком управления и регистром опроса,столбцов, после- довательно соединенными первым элементом И и счетчиком положения растра, последовательно соединенными первым регистром памяти и мультиплексором, последовательно

соединенными блоком вычитания и реверсив

ным счетчиком смещения растра, последовательно соединенными вторым триггером, вторым элементом И и электронным коммутатором, первым и вторым блоками индикации, каждый из которых состоит из электронного коммутатора, выход которого сое- динен с входом счетчика положения объекта, индикатора, вход которого соединен с выходом счетчика положения объекта, регистром памяти, третьим триггером, инвертором и регистром опроса строк, первый выход генератора соединен с входом блока управ- ления и со счетными входами регистра опроса строк и регистра опроса столбцов, второй выход генератора соединен ,с вторым входом второго элемента И и с первым входом первого элемента И, второй вход первого эле- мента И соединен с выходом первого триггера, второй выход блока управления соеQ

5 п 5

0

5 5

динен с входом источника света, третий выход блока управления соединен с R-входом регистра опроса столбца, четвертый и пятый выходы - с D- и R-входами регистра опроса строк соответственно, шестой выход - со счетным входом первого триггера, с R- входом счетчика положения растра и W-BXO- дами первого и второго регистра памяти, седьмой выход - с управляющим входом электронного коммутатора первого блока индикации, с входом инвертора, с WE-вхо- дом первого регистра памяти и с S-входом мультиплексора, восьмой выход - со счетными входами второго и третьего триггеров соответственно, и с W-входом счетчика смещения растра, выходы которого соединены с входами схемы ИЛИ, выход которой соединен с R-входом второго триггера, выход компаратора соединен с-R-входом первого триггера, группа информационных выходов счетчика положения растра соединена с группами информационных входов первого и второго регистров памяти соответственно и с группой входов А блока вычитания, группа выходов второго регистра памяти соединена с группой входов В мультиплексора, группа выходов которого соединена с группой вхо- до. В блока вычитаний, выход старщего разряда блока вычитаний подсоединен к информационному входу третьего триггера, выход которого соединен с управляющим входом электронного ком.мутатора, первый и второй выходы, которого соединены с первыми и вторыми входами электронных ко.м.му- таторов первого и второго блоков индикации соответственно и с реверсивны.ми входами счетчика смещения растра, выход инвертора соединен с управляющим входом электронного коммутатора второго блока индикации и WE-входом второго регистра памяти, R-входы счетчиков положения объекта первого и второго блоков индикации соединены с щиной «Внещний сброс, выход усилителя считывания соединен с входом компаратора, фотоприе.мник выполнен в виде фотодиодной матрицы, с первой группой входов которой соединена группа выходов регистра опроса столбцов, с второй группой входов - группа выходов регистра опроса строк, а Обнуляющий вход матрицы - с девятым выходом блока управления.

Г

Ж

(рмг. 2