Оптико-электронное устройство для измерения линейных перемещений Советский патент 1989 года по МПК G01B21/00 

1

Изобретение относится к измери- тельной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений,

Цель изобретения - повышение точности измерений за счет исключения влияния на результаты измерений изменения ширины интерференционных полос друг относительно друга при изменении интенсивности опорной или объектной волны.

На фиг, 1 изображена блок-схема устройства; на фиг. 2 - временные диафрагмы работы устройства.

Оптико-электронное устройство для измерения линейных перемещений содержит оптически связанные оптическую систему 1 для формирования интерференционных или муаровых полос и дискретный фотопреобразователь 2,све- точувствительный слой которого выполнен в виде системы параллельных электрически изолированных фотоприемников, число которых равно заданному порядку дробления периода следования интерференционных или муаровых полос, блок 3 формирователей, основной вход которого соединен с выходом дискретного фотопреобразователя 2, блок 4 управления, основные выходы которого соединены с управляющими входами дискретного фотопреобразователя 2, блок 5 счета, блок 6 индикации с индикаторами младших и стар- ших разрядов, входы индикаторов старших и младших разрядов блока 6 индикации соединены соответственно с первой и второй группами основных выходов блока 5 счета, выход блока 3 формирователей соединен с первым входом блока 5 счета, первый дополнительный вход - с первым входом блока 4 управления и первым дополнис

jQ15

20 2530 35798292

тора 9, схемы 10 формирования, первый, второй и третий входы которой являются первым, вторым и третьим дополнительными входами блока 3 формирователей соответственно, четвертый и пятый входы соединены с первым и вторым выходами дифференциатора 9, выход является выходом блока 3 формирователей.

(

Блок 4 управления выполнен в виде схемы 11 согласования, выходы которой являются основными выходами блока 4 управления, схемы 12 инверсии кода, выходы которой соединены с основными входами схемы 11 согласо05 0 5

0

вания, первого одновибратора 13, дешифратора 14, выходы которого соединены с основными входами схемы 12 инверсии кода, первый и второй дополнительный входы которой явпяются первыми и вторыми входами блока 4 управления, схемы 15 счета, число счетчиков в которой зависит от числа фотоприемников дискретного фотопреобразователя 2, второго одновибратора 16, вход которого соединен с дополнительным входом- схемы 11 согласования и выходом первого одновибратора 13, который является первым дополнительным выходом блока 4 управления, генератора 17 тактовых импульсов, управляющий вход которого соединен с выходом второго одновибратора 16 и дополнительным входом схемы 15 счета, а выход - является вторым дополнительным выходом блока 4 управления и соединен с основным входом схемы 15 счета, выходы которой соединены с входами дешифратора 14, последний выход которого соединен с входом первого одновибратора 13.

Блок 5 счета выполнен в виде первой схемы 18 счета (число счетчиков

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности измерений за счет исключения влияния на результаты измерений изменения ширины интерференционных полос относительно друг друга при изменении интенсивности опорной или объектной волн. Оптико-электронное устройство для измерения линейных перемещений содержит оптически связанные оптическую систему 1 для формирования интерференционных или муаровых полос и дискретный фотопреобразователь 2, светочувствительный слой которого выполнен в виде системы параллельных, электрически изолированных фотоприемников, число которых равно заданному порядку дробления периода следования интерференционных или муаровых полос и на которые проецируются две полосы - темная и светлая. Фиксируя номер опрашиваемого столбца фотопреобразователя 2, на котором находится граница раздела интерференционных полос, можно однозначно определить величину перемещения объекта. Блок 4 управления вырабатывает импульсы опроса дискретного фотопреобразователя 2, порядок которых зависит от движения интерференционных полос. Блок 3 формирователей формирует импульс, который соответствует моменту времени, при котором происходит переход от темной к светлой полосе и наоборот. Блок 5 счета подсчитывает и фиксирует число опрошенных столбцов дискретного фотопреобразователя 2 до прихода импульса заноса с выхода блока 3 формирователей, которое поступает на индикаторы младших разрядов блока 6 индикации, определяет знак и число полос, прошедших по указанному фотопреобразователю 2, которое поступает на индикаторы старших разрядов блока 6 индикации. 1 ил.

тельным выходом блока 5 счета, второй в ней зависит от числа фотоприемнидополнительныи вход - с вторым входом блока 4 управления и вторым дополнительным выходом блока 5 счета, третий дополнительный вход - с первым дополнительным выходом блока 4 управления и третьим входом блока 5 счета, второй дополнительный выход блока 4 управления соединен с вторым входом блока 5 счета.

Блок 3 формирователей выполнен в виде последовательно соединенных усилителя 7, вход которого является основным входом блока 3 формирователей, компаратора 8 и дифференциа0

5

ков дискретного фотопреобразователя 2}, основной вход которой является вторым входом блока 5 счета, а дополнительный вход - третьим входом блока 5 счета, схемы 19 фиксации (количество триггеров в ней зависит от числа фотоприемников дискретного фотопреобразователя 2), управляющий вход которой является первым входом блока 5 счета, основные входы соединены с выходами первой схемы 18 счета, а выходы являются второй группой основных выходов блока 5 счета, второй схемы 29 счета, число реверсив

ных счетчиков в которой зависит от - требуемого диапазона измерений, первой схемы 21 формирования, входы которой соединены с выходами схемы 19 фиксации, а первый и второй выходы - с первым и вторым входами второй схемы 20 счета соответственно, триггера 22 знака, первый и второй выходы которого являются первым и вторым дополнительными выходами блока 5 счета второй схемы 23 формирования, основные входы которой соединены с выходами второй схемы 20 счета, которые являются первой группой основных выходов блока 5 счета, дополнительный вход соединен с третьим выходом первой схемы 21 формирования, выход соединен с входом триггера 22 знака.

Устройство работает следующим образом.

Из интерференционной картины, сформированной блоком 1 формирования интерференционных или муаровых полос выделяются две полосы: темная и свет лая, которые проецируются на дискрет ный фотопреобразователь 2, на выход которого формируются сигналы, пропорциональные распределению освещенности вдоль выделенного участка. Расстояние между крайними фотоприемниками дискретного фотопреобразователя 2 равно периоду интерференционной или муаровой полосы, а количеств фотоприемников, приходящихся на ширину обеих полос, не одинаково, т.е. устройство может работать с оптической системой, формирующей полосы не равной ширины.

При линейных перемещениях контролируемого объекта происходит перемещение границы раздела интерференционных полос по фотоприемникам дискретного фотопреобразователя 2, в результате чего на его выходе форми- руется электрический сигнал (фиг.2а) амплитуда которого пропорциональна величине перемещения, а фаза связана с пространственным положением фотоприемников в дискретном фотопреобразователе 2. С целью повышения чувствительности устройства выходы дискретного фотопреобразователя 2 объединены на общую нагрузку, а фотоприемное окно дискретного фотопреобразователя 2 повернуто так к интерференционной картине, что опрашиваемые столбцы фотопреобраэователя расположены параллельно границе раздела

10

15

798294

интерференционных полос. Ширина ин- , - терференционных полос (темной и светлой) выбирается равной линейным размерам светочувствительной поверхности дискретного фотопреобразователя 2. В этом случае в период следования интерференционных полос укладывается определенное количество столбцов дискретного фотопреобразователя 2,

Фиксируя номер опрашиваемого столбца фотопреобразователя 2, на ко- котором находится граница раздела интерференционных полос, можно однозначно определить величину пере20

,

0

5

0

мещения 1 объекта из выражения:

т А , м

1 2п

где Д - длина волны зондирующего излучения;

п - количество столбцов дискретного фотопреобразователя 2, приходящихся на ширину двух соседних интерференционных полос;

N - номер опрашиваемого столбца дискретного фотопреобразова- теля 2.

Суммарный сигнал, снимаемый со всех элементов столбца дискретного фотопреобразователя 2,- усиливается усилием 7 (фиг. 2а) и поступает на вход компаратора 8. Усилитель 7 имеет автоматическую регулировку усиления, что позволяет исключить погрешности флюктуации амплитуды информационного сигнала, вызванные, например, изменением интенсивности излучателя, температурным дрейфом фотоприемников и т.д. Определив диапазон изменений амплитуды информационного сигнала с выхода усилителя 7 при возможных пе- ремещениях контролируемого объекта, выбирают порог срабатывания компаратора (фиг. 2а) из выражения:

U,

H&SJiSJiy.ili .

где имс1кси U MUH- соответственно максимальное и-минимальное значения амплитуды информационного сигнала.

С выхода компаратора 8 снимаются прямоугольные импульсы (фиг. 26), причем на период следования интерференционных полос (промежуток времени от 14 до t,j, фиг. 2а) приходится один импульс, а его фронты соответствуют моменту времени, при котором происходит переход от темной полосы к светлой, и наоборот. Прямоугольные импульсы с выхода компаратора 8 поступают на вход дифференциатора 9, с выходов которого снимаются короткие импульсы (фиг. 2в, г), фаза которых привязана к переднему и заднему фронтам импульса с выхода компаратора 8. Дифференциатор 9, кроме схемы дифференцирования, содержит два встречно включенных диода, к одному из которых (пропускающему отрицательный импульс) подключен инвертор. Таким образом, диаграмма на фиг. 2в соответствует прохождению через диод положительного импульса с выходов схемы дифференцирования, а диаграмма на фиг. 2г - проинвертиро- ванному отрицательному импульсу. С выходов дифференциатора 9 импульсы поступают на четвертьй и пятый входы схемы 10 формирования, на первый, второй и третий входы которой подаются сигналы с выходов триггера 22 знака и одновибратора 13. Схема 10 формирования в зависимости от состояния триггера 22 знака пропускает импульсы, соответствующие переднему фронту сигнала с выхода компаратора 8, или импульсы, соответствующие заднему фронту сигнала, а также пропускает импульс с выхода одно- вибратора 13, если за время опроса столбцов дискретного фотопреобразователя 2 не поступил импульс с выходов дифференциатора 9. По заднему фронту импульса с выхода одновибратора 13 происходит занос в D-триггер схемы 19 фиксации нулей с выходов счетчиков первой схемы 18 счета и обнуление в блоке 6 индикации. Схема 10 формирования содержит D-триггер, одновибратор и пять элементов И-НЕ.

Генератор 17 тактовых импульсов вырабатывает прямоугольные импульсы (фиг. 2д), которые через счетчики схемы 15 счета и дешифратор 14 поступают на входы схемы 12 инверсии кода выполненной на элементах 2И-ИЛИ-НЕ. Схема 12 инверсии кода позволяет в зависимости от состояния триггера 22 знака инвертировать порядок опроса столбцов дискретного фотопреобразователя 2 так, что если происходит движение интерференционных полос справа налево, то так же опрашиваются и

5 0 5 о

5

0

5

0

столбцы дискретного фотопреобразователя 2, т.е. первым импульсом опрашивается столбец фотопреобразователя 2, находящийся первым справа, вторым импульсом - следующий столбец за . первым и т.д. Если движение интерференционных полос идет в обратном направлении, то первым опрашивается последний столбец фотопреобразователя 2, вторым - предпоследний и т.д. Таким образом, схема построена так, что в зависимости от смещения интерференционных полос от исходного состояния, происходит инверсия кода импульсов опроса столбцов дискретного фотопреобразователя 2, при этом в индикаторах старшего разряда блока 6 индикации изменяется только знак.

В предлагаемом устройстве в качестве дискретного фотопреобразователя 2 используют матрицу фотоприемников МФ-14 емкостью . Число опрашиваемых столбцов 32, поэтому последним с выхода дешифратора 14 является импульс 32, (фиг. 2е). На вход усилителя 7 подают сигналы, снимаемые с элементов столбцов дискретного фотопреобразователя 2. Схема 11 согласования представляет собой ряд импульсных усилителей, позволяющих получить импульсы с амплитудой (-12 В),

После окончания опроса столбцов дискретного фотопреобразователя 2 последний опрашиваемый импульс с выхода дешифратора 14 поступает на вход одновибратора 13, который по заднему фронту входного импульса фор мирует короткий импульс стирания (фиг. 2ж). Этот импульс через схему 11 согласования поступает на дискретный фотопреобразователь 2 и в момент С(фиг. 2а, ж) происходит стирание информации с фотопреобразо- вэтеля 2, Далее импульс с выхода одновибратора 13 поступает на вход одновибратора ,6, который также формирует прямоугольный импульс, и в момент сэ- Lф (фиг. Јз) происходит запирание генератора 17 тактовых импульсов и счетчиков схемы 15 счета. В этот промежуток времени происходит запись оптической информации в дискретный фотопреобразователь 2. С момента t ф происходит следующий цикл опроса дискретного фотопреобразователя 2. После окончания каждого цикла

опроса столбцов дискретного фотопреобразователя 2 прямоугольный импульс с выхода одновибратора 13 сбрасывает показания счетчиков первой схемы 18 счета.

В исходном состоянии, когда объек не движется, и на приемную часть дискретного фотопреобразователя 2 спроецированы две полосы (с максимальной и минимальной освещенностью) интерференционной картины, на вход управления схемы 19 фиксации приходит импульс с выхода схемы 10 формирования в момент, когда счетчики пер- вой схемы 18 счета уже обнулены импульсом с выхода одновибратора 13. Таким образом, в исходном состоянии показания блока 6 индикации нулевые. При смещении объекта происходит дви- жение полос интерференционной картины, направление которого определяет знак, а число полос, прошедших по дискретному фотопреобразователю 2, - его величину. При движении полос, например, слева направо последовательно засвечиваются столбцы дискретного фотопреобразователя 2 от -1-го до n-го и, соответственно, последовательно появляются импульсы заноса с выхода схемы 10 формирования. Число импульсов, поступивших с выхода генератора 17 тактовых импульсов на вход первой схемы 18 счета, соответствует числу опрошенных стобцов фотопреобразователя. Это число с приходом импульса заноса передается в схему 19 фиксации и далее в блок 6 индикации. Число, занесенное с выходов счетчиков первой схемы 18 счета в D-три- гер схемы 19 фиксации, соответствует номеру опрашиваемого столбца дискретного фотопреобразователя 2, на котором находится граница раздела интерференционных полос. Так, если грани- ца интерференционной полосы переместилась по приемной части фотопреобразователя 2 от своего исходного состояния на один столбец (фиг. 2б), то с появлением второго импульса с выхода генератора 17 схема 1U фор мирования формирует импульс заноса (фиг. 2к), по которому происходит занос в блок 6 индикации числа с выходов счетчиков первой схемы 18 счета (фиг. 2л) . Это число отображает- . ся на индикаторах младшего разряда (ИМР) блока 6 индикации и соответствует смещению дробной части интер

,-

0,,- 2Q 25 3530

40

50

ференционной полосы. Схема блока 5 счета построена так, что обеспечивает увеличение показаний индикаторов старших разрядов (ИСР) в блоке 6 индикации независимо от знака смещения при появлении цифры 00 после цифры 31 на выходе ИМР и исключает увеличение показаний ИСР при возникновении цифры 00 вслед за цифрой 01. Схема позволяет также уменьшить показания ИСР на единицу при появлении на выходе ИМР цифры 31 после цифры 00 при исходном показании ИСР, не равном 0. В случае показания ИСР, равного 0, и уменьшении показаний ИМР после 00 в ИМР с выходов первой схемы 21 формирования появляется импульс, который поступает на один из входов второй схемы 23 формирования, с выхода которой появляется перепад из 1 в О, что приведет к срабатыванию триггера 22 знака, который выполняет инверсию кода и изменение знака, и на выходе ИМР появляется 1. При этом в показаниях ИСР изменяется только знак. ИСР предназначены для отображения на цифровых сегментах в блоке-6 индикации результатов измерений смещений целой части интерференционной полосы. В соответствии с поступающими сигналами с выходов D-триггеров схемы 19 фиксации первая схема 21 формирования управляет работой реверсивных счетчиков второй схемы 20 счета, которые могут работать в прямом или инверсном коде. Результат с выходов реверсивных счетчиков второй схемы 20 счета отображается в ИСР блока 6 индикации.

Формула изобретения

Оптико-электронное устройство для измерения линейных перемещений, содержащее оптически связанные оптическую систему для формирования интерференционных или муаровых полос и дискретный фотопреобразователь, светочувствительный слой которого выполнен в виде системы параллельных электрически изолированных фотоприемников, последовательно соединенные блок формирователей, основной вход которого соединен с выходом дискретного фотопреобразователя, и блок счета, блок индикации, содержащий индикаторы младших и старших разрядов, входы индикаторов старших разрядов

которого соединены с первой группой основных выходов блока счета, о т- личающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, оно снабжено блоком управления, дискретный фотопреобразователь выполнен с одним выходом и группой управляющи входов, число которых равно числу фотоприемников дискретного фотопреобра зователя, блок формирователей выпол- нен в виде последовательно соединенных усилителя, вход которого является основным входом блока формирователей, компаратора и дифференциатора, и первой схемы формирования, выход которой является выходом блока формирователей, первый, второй и третий входы являются соответственно первым, вторым и третьим дополнительными входами блока формирователей, четвертый и пятый входы соединены соответственно с первым и вторым выходами дифференциатора, блок управления выполнен в виде последовательно соединенных управляемого генератора тактовых импульсов, выход которого является первым дополнительным выходом блока управления, первой схемы счета и дешифратора, число последовательных выходов которого равно количеству фотоприемников дискретного фотопреобразователя, последовательно соединенных схемы инверсий кода, основные входы которой соединены с выходами дешифратора, первый и второй дополнительные входы являются соответственно первым и вторым входами блока управления, и схемы согласования, выходы которой являются основными выходами блока управления и соединены с управляющими входами дискретного фотопреобразователя, первого одновибратора, вход которого соединен с последним выходом дешифратора, выход соединен с дополнительным входом схемы согласования и является вторым дополнительным выходом блока управления, второго одновибратора, вход которого соединен

с выходом первого одновибратора, вы5

0

ход соединен с управляющим входом управляемого генератора тактовых импульсов и дополнительным входом первой схемы счета, блок счета выполнен в виде последовательно соединенных второй схемы счета, основной вход которой является вторым входом блока счета и соединен с первым дополни- .тельным выходом блока управления, дополнительный вход является третьим входом блока счета и соединен с вторым дополнительным выходом блока управления и третьим дополнительным входом блока формирователей, и схемы фиксации, управляющий вход которой является первым входом блока счета, выходы являются второй группой основных выходов блока счета и соединены с входами индикаторов младших разрядов блока индикации, второй схемы формирования, входы которой соединены с выходами схемы фиксации, третьей схемы счета, первый и второй

5 входы которой соединены соответственно с первым и.вторым выходами второй схемы формирования, выходы являются первой группой основных выходов блока счета, третьей схемы формирования, основные входы КОТОРОЙ соединены с выходами третьей схемы счета, дополнительный вход соединен с третьим выходом второй схемы формирования, триггера знака, вход которого соединен с выходом третьей схемы формирования, первый и второй выходы являются соответственно первым и вторым дополнительными выходами блока счета и соединены соответственно с

0 первым входом блока управления и первым дополнительным входом блока формирователей, вторым входом блока управления и вторым дополнительным входом блока формирователей, число

5 фотоприемников дискретного фотопре- образоватепя равно заданному порядку дробления периода следования интерференционных или муаровых полос, ширина дискретного фотопреобразова0 теля равна суммарной ширине темной и светлой полос.

0

5

Г Г ,f

А А А- Ачм А4-

d -,

f

О

3 in c 4.