Оптический датчик перемещений с фазовым выходом Советский патент 1988 года по МПК G01B21/00 

ния и в сторону отставания на углы меньше 45 , которые через масштабирующие звенья 7 и 8 соответственно поступают на сумматоры 9 и 10, на вторые входы которых подается опорный сигнал. На сз маторах 9 и 10 происходит геометрическое сложение сигналов с

выходов масштабирующих звеньев 7 и 8 с опорным сигналом. Результирующие сигналы с выходов сумматоров 9 и 10 подаются на фазометр 11, с выхода которого снимается зависимость разности фаз между двумя результирующими сигналами от измеряемого перемещения.2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является расширение диапазона измерений за счет повышения чувствительности и линейности выходной характеристики датчика. Оптический датчик перемещений с фазовым выходом содержит однофазный источник I переменного напряжения, который осуществляет амплитудную модуляцию светового потока излучателя 2 светового потока. Модулированный световой поток падает на второй фотоприемник 4 опорного сигнала и на отражающую поверхность 12 объекта контроля, от которой световой поток попадает на первый фотоприемник 3 отраженного сигнала. На выходах фотоприемников 4 и 3 формируются гармонические сигналы, сдвинутые один относительно другого по фа-. зе на 180 за счет питания фотоприемников напряжением постоянного тока разной полярности, С помощью фазовращателей 5 и 6 формируют сигналы, сдвинутые по фазе относительно отраженного сигнала в сторону опережес S

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

Целью изобретения является расширение диапазона измерений за счет повьшения чувствительности и линейности выходной характеристики датчика ,

На фиг.1 приведена структурная схема датчика; на фиг,2 - векторная диаграмма сигналов.

Датчик содержит однофазный источник 1 переменного напряжения, оптичес ки связанные излучатель 2 светового потока, вход которого связан с выходом источника 1 переменного напряжения, и первый фотоприемник 3 отраженного сигнала, второй фотоприемник 4 опорного сигнала, оптически связанный с излучателем 2 светового потока, первый 5 и второй 6 фазовращатели, входы которых связаны с выходом первого фотоприемника 3 отраженного сиг- нала, первое 7 и второе 8 масштабирующие звенья, входы которых связаны соответственно. с выходами первого 5 и второго 6 фазовращателей, первый 9 и второй 10 сз мматоры, первые входы которых связаны соответственно с выходами первого 7 и второго 8 масшта- бирзпощих звеньев, вторые входы - с выходом второго фотоприемника 4 опорного сигнала, фазометр 11, первый и второй входы которого связаны соответственно с выходами первого 9 и второго 10 сумматоров

Оптический датчик .перемещений с фазовым быходом работает следующим образом.

Однофазный источник 1 синусоидального напряжения низкой частоты осуществляет амплитудную модуляцию све

г n 5

0

5

0

тового потока излучателя 2 светового потока и модулированный световой поток падает на второй фотоприемник 4 опорного сигнала и на отражающую поверхность 12 объекта контроля, от которой отраженный световой поток попадает на первый фотоприемник 3 отраженного сигнала. На выходах фотоприемников 4 и 3 опорного и отраженного сигналов формируются гармонические сигналы и Vgro () частотой источника модулирующего напряжения и сдвинутые один относительно другого по фазе на 180 (фиг,2) за счет питания фотоприемников напряжения постоянного тока разной полярности, С помощью фазовращателей 5 и 6 формируют сигналы и,(х) и U (х), сдвинутые по фазе относительно отраженного сигнала UQ (х) в сторону опережения и в сторону отставания, соответственно, на углы Ц), и (j (фиг,2), меньшие 45°, Гармонические сигналы U,(x) и U2(x) с выходов фазовращателей 5 и 6 через масштабирующие звенья 7 и 8 поступают на первые входы сумматоров 9 и 10, а на вторые входы сумматоров 9 и 10 поступает опорный сигнал U с выхода фотоприемника 4, На сумматоре 9 происходит геометрическое сложение гармонических сигналов U,(x) и U, и на выходе сумматора 9 формируется первый результирующий сигнал Upeji, вектор которого вращается вследствие изменения по амплитуде отраженного сигнала U,(х) в функции перемещения.

Изменение фазы результирующего гармонического сигнала Чреэм (фиг,2) определяется выражением

.

-.-0,17,

(1)

cf,

Фо. изменение фазы результирующего сигнала Up с выхода первого сумматора 9; сдвиг фаз между гармоничеси

кими сигналами и, и U

оп

, М с выгармонический сигнал хода фотоприемника 4 опорного сигнала;

и,(х) - гармонический сигнал с выхода фотоприемника 3 отраженного сигнала, сдвинутый по фазе первым фазовращателем 5 и промодулирован- ный по амплитуде в функции перемещения.

Одновременно на сумматоре 10 происходит геометрическое сложение гармонических сигналов и(х) и Vg и на выходе сумматора 10 формируется второй результирующий сигнал U(x), вектор которого вращается в противоположном направлении относительно вращения вектора сигнала Upei,.| . Вращение вектора сигнала происходит вследствие изменения по амплитуде отраженного сигнала ) в функции перемещения. Изменение фазы результирующего гармонического сигнала иреэ.г (фиг.2) определяется выражением

Ч. -arctg SiS- il°------ (2)

- fl;fe

где cf изменение фазы результирующего сигнала Vpt.z выхода второго сумматора 10; (02 - сдвиг фаз между гармоническими сигналами )-; и (х) - гармонический сигнал с выхода фотоприемника 3 отраженного сигнала, сдвинутый по фазе вторым фазовращателем 6 и промодулированный по амплитуде в функции пе-п ремещения.

и

Результирующие сигналы Upjj ,

с выходов сумматоров 9 и 10 подаются на входы регистрирующего пркбо- налами Upe., и U-g, ра -фазометра 11, с выхода которого близок к 360°, т.е.

снимается зависимость разности фаз между двумя результирующими сигналами от измеряемого перемещения Cf f(х). В результате одновременного вращения двух результирующих векторов

45 Из векторной диа из выражения (3) сл тического датчика п вым выходом диапазо ности фаз между рез

повьш1енной в два ра ностью преобразован

55 Формул а из

и

рем

и Upe,,

разных направлениях

приращение фазы между результирующими сигналами ц tf, + и (фиг.2)

1404821

изменяется

с удвоенной скоростью и

определяется функцией преобразования

sin Vo

Ч 4, + g)j arctg

COSVo,

иДхУ

sin Voz

cosV- +

. )

(3)

5

0

Повьпиение линейности выходной характеристики датчика достигается путем выбора необходимых углов сдвига фаз (0, и Cj o между сигналами и и, (х)-, UQ и ) с помощью фазовращателей 5 и 6 и изменением с помощью масштабирующих звеньев 7 и 8 амплитуды сигналов U, (х) и и,(х) таким образом, чтобы отношения сигнаUon

лов - и, (х)

и

Ула.- U(x)

были равны 1 в

точке Хр- (точка баланса), равной 2/3

диапазона измерения

а 2,3 X,) .

При изменении мощности источника 2 излучения вследствие ухода его собственных параметров, изменения температуры и т.д., например, в сторону

0

увеличения, изменяются одну и ту же сторону и сигналы и

on

по величине в гармонические и UQT. (х) с выходов фото- 3 опорного

приемников 4 и 3 опорного и отраженного сигналов, а отношение сигналов и on

5 UoTp (х)

(входящие в выражение (3) в

„ и on

виде отношении и, х)

и

,

U2

остается

налами Upe., и U-g, близок к 360°, т.е.

практически постоянным и фаза if между результирующими сигналами Upg, , и Upe, 2 остается при этом неизменной, т.е. исключается влияние изменения мощности источника излучения на результат измерения.

Из векторной диаграммы (фиг.2) и из выражения (3) следует, что у оптического датчика перемещений с фазовым выходом диапазон изменения разности фаз между результирующими сиг- больше 180° и

датчик обладает

повьш1енной в два раза чувствительностью преобразования.

55 Формул а изобретения

Оптический датчик перемещений с фазовым выходом, содержащий источник переменного напряжения, излучатель

UffX}