Двухкоординатный оптический преобразователь перемещения в напряжение Советский патент 1988 года по МПК G01B21/00 

Од

ы

Изобретение относится к информационно-измерительной и вычислительной технике. Целью изобретения является повышение точности и быстродействия за счет исключения влияния погрешностей от механической фиксации напряжения и колебаний анализатора. В устройство введены усилитель-ограничитель 7, три формирователя 8 - 10, три триггера 11 - 13, два элемента И 14 и 15, два триггера 16 и 17, источник эталонного нагфяжения, четь1ре ключа 19 - 22, два интегратора 23 и 24, две схемы 25 и 26 выборки-хранения и две катушки 27. При этом анализатор 3 выполнен в виде непрозрачной кольцевой ленты, вращающейся в плоскости измерения перемещений, . лента разбита на четьфе равных сектора, два из которых являются полностью непрозрачными, а в каждом из оставшихся двух секторов имеются прямая и § наклонная щели, причем прямая щель расположена вдоль оси Y и перпендикулярна направлению движения ленты, а наклонная составляет с прямой щелью угол 45 ,при этом длины обеих щелей t: сл с

9u,z, 1

выбраны так, что чувствительная зона формирователя 5 начала отсчета пересекается только прямой щелью, причем непрозрачные сектора чередуются с щелевыми. Фотоприемник 4 представляет собой плоскую пластину, на которую

Изобретение относится к информационно-измерительной и вычислительной технике и может быть использовано, в частности, для оперативного контроля сварочных перемещений и деформаций широкого класса изделий в

процессе сварки. I

Цель изобретения - повышение точности и быстродействия за счет ис- ключения влияния погрешностей от механической фиксации напряжения и колебания анализатора,

На фиг.1 изображена схема двух- координа тного оптического преобразо- вателя перемещений в напряжение; на фиг,2 - конструкция анализатора с катушками, установка формирователя начала отсчета и фотоприемника относительно ленты анализатора;на фиг.З выполнение ленты анализатора; на фиг.4 - способ компенсации погрешности от эффективного радиуса опорного луча в плоскости анализатора; на фиг,5 - временные диаграммы работы преобразователя.

Преобразователь содержит излуча- -тель 1, коллиматор 2, анализатор 3, фотоприемник 4, формирователь 5 начала отсчета, двигатель 6, усилитель- ограничитель 7, формирователи 8 - 10, триггеры 11 - 13, элементы И 14 и 15 триггеры 16 и 17, источник 18 эталонного напряжения, ключи 19 - 22,

интеграторы 23 и 24., схемы 25 и 26

35

выборки-хранения и катушки 27 анализатора.

Излучатель 1 через коллиматор 2 и анализатор 3 оптически связан с фотоприемником 4. При этом анализатор Q 3 имеет оптическую связь с формирователем 5 начала отсчета и мехайическую с двигателем 6„.Выход фотоприемника

нанесен фоточувствительный слой, причем размеры пластинь определяются размерами сектора анализатора, которые, в свою очередь, определяются диапазоном измеряемых перемещений. 5 ил.

4 соединен с входом усилителя-ограничителя 7, выход которого подключен к входу формирователя 10, первому входу элемента И 14 и первому входу элемента И 15, причем выход формирователя 10 соединен с входом сброса триггера 13, Выход формирователя 5 начала отсчета соединен с входами формирователей 8 и 9, причем выход формирователя 8 соединен с входом установки триггера 11, а выход формирователя 9 - с входами установки триггеров 12 и 13, а-также с входами стробирования схем 25 и 26 выборки- хранения. Прямой выход триггера 13 подключен к второму входу элемента И 14, а инверсный выход триггера 13 - к второму входу элемента И 15, прямой выход которого соединен с входом, сброса триггера 16, а инверсный выход - с входом сброса триггера 17, выход которого подключен к управляющему входу ключа 22,

Прямой выход элемента И 14 подключен к входу сброса триггера 12 и к входу установки триггера 16, а инверсный выход - к входу сброса триггера 11 и к входу установки триггера 17, При этом выходы триггеров 11, 12 и 16 соединены с управляющими входами ключей 19 - 21 соответственно, входы которых вместе с входом ключа 22 соединены с выходами источника 18 эталонного напряжения. Выходы ключей 19 и 20 соединены с первым и вторым входами интеграторов 23, а выходы ключей 21 и 22 - с первым и вторым входами интегратора 24, причем входы схем 25 и 26 выборки-хранения .соединены с выходами интеграторов 23 и 24 соответственно. Выход схемы 25 выборки-хранения подключен к третьему

14Д2833

служит выходом 1 в точке А схемы 26 вын к третьему выхоXj и Y; (фиг одного секто g кости измере ваются два и ности Тда t п соответству луча с прямо

дом иа устройства.

Анализатор 3 выполнен в виде на- прозрачной кольцевой ленты, вращающейся в плоскости измерения перемещений при помощи двух катушек 27, одна ю а второй импульс Тц - пересечению из которых является ведущей и механи- опорного луча с наклонной щелью 29

; С ИСКОМЫМИ координата Xj и Y; (фиг.З), Во время проходе одного сектора анализатора 3 в пло g кости измерения перемещений выраба ваются два импульса в последоватал ности Тда t причем первый импульс Т соответствует пересечению опорного луча с прямой щелью 28 аналз -.затора

чески связана с двигат елем 6. Лента разбита на четыре равных сектора, два из которых являются полностью непрозрачными, а в каждом из оставшихся двух секторов имеются прямая 28 и наклонная 29 прозрачные шели. Прямая щель 28 расположена вдоль оси и перпендикулярна направлению движения анализатора 3, а наклонная щель 29 исходит из одного из концов прямой щели 28 и составляет с ней угол 45 , при этом длины щелей 28 и 29 выбраны так, что чувствительная зона формирователя 5 начала отсчета пересекается только прямой щелью 28, причем непрозрачные сектора чередуют- ся с секторами, имеющими щели 28 и 29.

Фотоприемник 4 представляет собой плоскую пластину, на которую нанесен фоточувствительный слой.

Преобразователь работает следующим образом.

Излучатель 1, в качестве которого может быть использован гелий-неоновый лазер, с закрепленным на нем коллиматором 2 устанавливается на кеподвил;(фиг.З и 5). При этом длительность интервала времени Т равна

Т X, /V..(

15 Поскольку щель 29 анализатора 3 наклонена к щели 28 под углом if 4 то изменение координаты Y лазерног луча на плоскости анализатора 3 ра но изменению координаты X ().

20 Поэтому длительность интервала вре мени Т,

(2

ц равна

Ту Y;/V. При этом скорость V перемещения

анализатора 3 может быть определен 25 как

V Lo/Ty,(3

где LO - базовая длина (фиг.З);

Тц - период следования импульс

40

(фиг. 40.

30

35

Из выражений (1) - (3) получают

,Тг,/Тц,(4

.Ь„Ту/Тц.(5

Таким образом, из уравнений (4) и (5) видно, что задача измерения ординат Х; и контролируемой точ объекта сводится к задаче измерени интервалов времени Т и Tij. При эт длительность и;- пульсов Т| и Т (фи

Таким образом, из уравнений (4) и (5) видно, что задача измерения координат Х; и контролируемой точки объекта сводится к задаче измерения интервалов времени Т и Tij. При этом, длительность и;- пульсов Т| и Т (фиг.4

ной базовой оснастке и используется

для задания опорного базового направ- 40 и 5) содержит дополнительные компо ления. Анализатор 3 и связанные с - ненты ЛС, и t, обусловленные ко- ним фотоприемник 4, формирователь 5 нечным эффективным радиусом.г опорно- начала отсчета, двигатель б и катушки го луча в плоскости анализатора 3, 27 располол ены в контролируемой точ- Эти дополнительные компоненты явля- ке объекта. Двигатель 6 через 45 ются источниками методической погреш- ки 27 приводит в движение анализа- ности преобразователя, поэтому ик

необходимо скомпенсировать. Эффективный радиус опорного луча г - расстояние от центра сечения луча до точки, отсчета вырабатывается последователь- QQ интенсивность излучения в которой ность импульсов начала отсчета Т равна порогу срабатывания фотоприем- (фиг.5), возникающих при пересечении оси формирователя 5 начала отсчета прямой щелью 28, а на выходе фотоприемника 4 после усилителя-ограничи- теля 7 вырабатывается последовательтор 3. При движении анализатора 3 вправо Сфиг.-) с линейной скоростью V на выходе формирователя 5 начала

ника 4.

Длительность импульсов 1 .. д. определяется выражениями (фиг.5)

и Т,

С С-п о

10

+2 л-;

cr,+2A D2, При этом интервалы времени между передним фронтом Тцд и передним фронтом Тп. а также между передним фронность импульсов , возникающих при пересечении прямой 28 и наклонной 29 щелями анализатора 3 луча излучателя

а второй импульс Тц - пересечению опорного луча с наклонной щелью 29

; С ИСКОМЫМИ координатами Xj и Y; (фиг.З), Во время проходе одного сектора анализатора 3 в плос- кости измерения перемещений вырабатываются два импульса в последоватал ь ности Тда t причем первый импульс Тр соответствует пересечению опорного луча с прямой щелью 28 аналз -.затора 3;

(фиг.З и 5). При этом длительность интервала времени Т равна

Т X, /V..(1)

Поскольку щель 29 анализатора 3 наклонена к щели 28 под углом if 45 , то изменение координаты Y лазерного луча на плоскости анализатора 3 равно изменению координаты X ().

Поэтому длительность интервала времени Т,

(2)

ц равна

Ту Y;/V. При этом скорость V перемещения

анализатора 3 может быть определена как

V Lo/Ty,(3)

где LO - базовая длина (фиг.З);

Тц - период следования импульсов

40

(фиг. 40.

30

Из выражений (1) - (3) получают

,Тг,/Тц,(4)

.Ь„Ту/Тц.(5)

Таким образом, из уравнений (4) и (5) видно, что задача измерения координат Х; и контролируемой точки объекта сводится к задаче измерения интервалов времени Т и Tij. При этом, длительность и;- пульсов Т| и Т (фиг.4

и 5) содержит дополнительные компо ненты ЛС, и t, обусловленные ко- нечным эффективным радиусом.г опорно- го луча в плоскости анализатора 3, Эти дополнительные компоненты явля- ются источниками методической погреш- ности преобразователя, поэтому ик

необходимо скомпенсировать. Эффективный радиус опорного луча г - расстояние от центра сечения луча до точки, интенсивность излучения в которой равна порогу срабатывания фотоприем-

ника 4.

Длительность импульсов 1 .. д. определяется выражениями (фиг.5)

и Т,

С С-п о

10

+2 л-;

cr,+2A D2, При этом интервалы времени между передним фронтом Тцд и передним фронтом Тп. а также между передним фронп

том Tj, и передним фронтом ственно равны

т;,т,&с,,

Т, | Тц + ii t, а С . ,

Д.Г НГС| i J - Ч

фронтон .4 1 с

также е -

НШ-л dp JrUO JJ т : t

Ii-

Ci Л-Ц --b

и (7/5 Получаю

-n. , т- , -1 II I .-,

J-.i; ,( -S T r T -- T - I

Ц

Таким o6pa3OMj HS зыра

BJ-эдно 3 что rioi pesjiHfjc г:

тервалов времени TV, и Tn не заБисшот эффективкого рп пиусг i

ОПОрЕОХЧ; луча в Г;ЛОС:;:ОС-Г1: ;uajv;,i.;; ---ro

т-. „ о Ua. - li шлются при nc iOLiHJ грИглч.,,. :.в к /,

которые устаиазлмиаю Я ;;;i уо .-адчеку н переднему фронта;-; лылуллсов Т,,. , а сбрасываются по заднему и переднему фронтаи Hivniyjibc.jjs Т., соотБетатБаг но (при помощи wopiMKpoEavyjiH З, триггера 13 и сяг;:-;ы К 14 Аналогично интервалы времени Т ц к Гц ч:о,::лкру готся триггералш 5 к , кото:. ус-- тана лизаютсл по , :. ;:.Г;;:,;у к v-.j-;н:,-у- фронтам импульсов / , а сСп:ч - --;::.:-,:i -:.;; по иередяему и :-,rUi:;:.o:-iy :,Ь|,ог ан ;-;г:-ПУЛЬСОЗ Т.. СООТЗе1 СГЛОКНО (при ООКО;Ц

формироватал ; 10, тркггеро ; З :; aj-,.-r-- мента И 15)„ ЦепЬэ состоящая кз формирователя 1,0, триггера 13 и зленеи- тов И 14 и 15s пр-зднайначана для се- лекции иг y Lf-or , j. .-(-- -- 28 и ha r т о 2 ( 3 coo е ,f 1 I

г, - 1- Ъi,

ражен11л - о - J к I И , 1

при И.л 11 -(

ТИВНО1 i

вид

,, .. LO Т14-Т, ,,..,,

- 2 -г, - - г-1 (

V , G - ; -- -;-,..

у. „..,.. ..„„.„.„,...,.,...

rj

- Зависимости C9j и lUO .iii-iSyioTCK каналаГ Ш форми-р-Олййнк.;: коорди сГ - Х -; У предлагаете-л о ус poicTBOj Кана.;1 фор-- мироваиия коирдиг й i;fi 7. иост,;:.::;: ./тя источника i эталоьис1 О йапряйк;;:ля,

33 ,6

ключей 15 и 20, интегратора 23 и схемы 25 выборки-хранения, В каждом цикле работы какала осуществляется интегрирование интегратором.23 выходного напряжения +Ед источника эталонного напряжения в течение интервалов времени Т и Ту через ключи 19 и 20 соответственно5 выборка выходного 1а.;ря;кекия интегратора 23 схемой 25 выоорк -:.-хранения в момент времени Тп, coo j еетствз ющий переднему фронту импульса Тццд а такя:- 7тегрирование иктегрйтором 23 выхсл,1-.ого напряжения Ibi схемы 25 выборки-хранения за вре- {я т, -,

Еслл л еред началом преобразования напряжение ка зыкоде схемы 25 выбор- кМ -;кранения равно и„, то после первого мккла это напряжение равно

TJ :j2S:2.r.)+U 1 -

- i1Л - Х - X - и , I„ , I

R1C J

feoiS -т J. .ТТ П,

- R2C - Q

(11)

Г11 i R2 - сопротивления интегратора 23 по соответствующим вкодам;

С - емкость интегратора 23j К . - коэффициент передачи схемы 25 выборки-храненияЛнглогкчно, посла цикла ийцг | г--;-) «Q. 02)

Зь;ра:,ение (12) состоит из двух частей, геометрической прогрессии, скодян:.ей:ся при условии 1 и убы- ваюцого при этом т.е условии члена U,jQ , Копользук форм: лу для суммы членов .Ci- етрической прогрессии

.f О- но

/LQ

1-@

:;тан;;:,-;-;вп;емся режргме ().

л .- -, „.v, М

xTr: n--oR2 т,.

(13)

Такт-:м образом,; если выбирают

то напряжение на выходе схемы 25 зыборки-хранеиия пропорционально декартовой координате X контролируемой точки объекта,

/шалогичным образом работает ка- Haji ФоргчИроБания координаты У, сое71442833

оящий из источника 1& эталонного апряжения, ключей 21 и 22, интеграора 24 и схемы 26 выборки-хранения. установившемся режиме напряжение а выходе схемы 26 выборки-хранения пределяется выражением «

R1 Тч+Tv

(14)

ми ва тр хо пе вх а че тр тр тр эл ли пе кл да пр кл тр тр эл ки пе го са ег пя ло эл ко вт ро вх к а те ег вы пе вх хо пе че то ва хр вт до вы во пр ме дв п н л н

где

., R1 LO OR2 Т напряжение Uj пропорционально декартовой координате У контролируемой точки объекта.

Число циклов п, необходимое для достижения заданной относительной погрешности преобразования V, определяется из вьфаления

In

ru«

U«,-UH

InlQl-H, (15)

где INT - целая часть числа;

V - установившееся значение

напряжения.

Для погрешности преобразования ,1% реально достижимое число циклов , а теоретически (при ) результат преобразования получается

, KoTv) за один цикл. Поскольку - 5Тг

то параметры интеграторов 23 и 24, влияющие на показатель сходимости Q, выбираются одинаковыми (R1 и С) для устранения неоднозначности при полу- чении результата измерения по обоим каналам.

Формула изобретения

Двухкоординатный оптический преобразователь перемещения в напряжение, содержащий излучатель и последовательно размещенные на оптической оси излучателя коллиматор, анализа- тор и фотоприемник, формирователь начала отсчета, двигатель, механически связанный с анализатором, и блок обработки сигнала, отличаю - щ и и с я тем, что, с целью повьше- ния точности и быстродействия, блок обработки сигнала выполнен в виде усилителя-ограничителя, связанного с фотоприемником, трех формирогате- лей, пяти триггеров, двух элементов И, источника эталонного напряжения, двух интеграторов, двух схем выборки хранения и четырех электронных ключей, к входам первого и второго фор

10

15

20

25

35

30

40

45 - 50

55

мирователей подключен выход формирователя начала отсчета, а к входу третьего формирователя подключен выход усилителя-ограничителя, выход первого формирователя подключен к входу установки первого триггера, а выход второго формирователя подключен к входам установки второго и третьего триггеров, к входу сброса третьего триггера подключен выход третьего формирователя, первые входы элементов И подключены к выходу усилителя-ограничителя, а вторые входы первого и второго элементов И подключены к прямому и инверсному выходам третьего триггера соответственно, прямой выход первого элемента И подключен к входу установки четвертох о триггера и входу сброса второго триггера, а инверсный выход первого элемента И подключен к входу установки пятого триггера и входу сброса первого триггера, прямой выход второго элемента И подключен к входу сброса четвертого триггера, инверсный его Ийход подключен к входу сброса пятого триггера, выход источника эталонного напря} ения подключен к входам электронных ключей, управляющие входы которых подключены к выходам первого, второго, четвертого и пятого триггеров соответственно, первый и второй входы первого интегратора подключены к входу первого и второго ключей, а первый и второй входы второго интегратора подключены к выходам третьего и четвертого ключей, входы схем выборки-хранения подключены к выходам первого и второго интеграторов, а входы стробирования подключены к вы ходу второго формирователя, выход первой схемы выборки-хранения подключен к третьему входу первого интегратора и является выходом U,- преобразователя, а выход второй схемы выборки- хранения подключен к третьему входу второго Интегратора и является выходом Uu преобразователя, анализатор выполнен в виде непрозрачной кольцевой ленты с четным числом секторов прозрачных и щелевых, чередующихся между собой, щелевой сектор содержит две щели, первая щель расположена перпендикулярно направлению перемещения ленты и предназначена для взаимодействия с формирователем начала отсчета, вторая щель размещена под углом 45 к первой, фотоприемник выполнен протяженным вдоль направления

перемещения ленты, продольный размер сектора, совпадающим с тем же направ- фотоприемника -соизмерим с размером лением перемещения.,

л дона возмож- иоео жeмlff

/1Я

Ош катуш /

Фае. о

Фае. 2

/

Уу Г

3(,ni

к§

Ъ

bT-b sSf b birlCfi b

- о

Ъ

lC