Способ контроля перемещений Советский патент 1989 года по МПК G01B21/00 

1

(21)4345231/24-28

(22)16.10,87

(46) 30.06.89. Бюл. № 24 (72) Е.Ф.Товкач

(53)531 .7 (088.8

(56) Авторское свидетельство СССР № 468283, кл. Н 03 М 1/22, 1975.

(54)СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПЕРЕ№ЩЕНИЙ -(57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности за -счет исключения влияния изменений коэффициента передачи фо- тозлектрического канала и изменений исходных энергетических потоков

на результат контроля. Формируют энергетические потоки, сдвинутые в пространство в направлении перемещения, модулируют их во времени в соответствии с периодическими функциями, не содержап1ими четных гармоник и сдвинутыми на четверть периода, и в пространстве в зависимости от величины и направления перемещения, формируют суммарный энергетический поток, который преобразуют в информа- ционный электрический сигнал. Дополнительный суммарный энергетический поток, получаемый путем отвода части исходных потоков, модулированных во времени, преобразуют в опорный электрический сигнал. По результату сравнения фаз информационного и опорного сигналов судят о величине и направлении перемещения. Положительный эффект обеспечивают путем модуляции во времени энергетических потоков в соответствии с периодическими функциями, взаимно сдвинутыми на четверть периода. Если эти функции не содержат четных гармоник, то изменение потоков при перемещении вы- .зывает соответствующий сдвиг фазы информационного сигнала, т.е. осуществляется преобразование перемещения в сдвиг фазы, который не зависит от абсолютных значений потоков, а зависит только от их соотношения, следовательно, не зависит от коэффициента передачи. Независимость от изменений исходных энергетических потоков обеспечивается формированием такого опорного сигнала, фаза которого отслеживает изменения исходных потоков. 1-з.п.ф-лы, 6 ил.

г

.

;о

о

4 00 k4

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности за счет исключения влияния изменений коэффициента передачи фотоэлектрического канала и изменений исходных энергетических потоков на результат контроля. Формируют энергетические потоки, сдвинутые в пространстве в направлении перемещения, модулируют их во времени в соответствии с периодическими функциями, не содержащими четных гармоник и сдвинутыми на четверть периода, и в пространстве в зависимости от величины и направления перемещения, формируют суммарный энергетический поток, который преобразуют в информационный электрический сигнал. Дополнительный суммарный энергетический поток, получаемый путем отвода части исходных потоков, модулированных во времени, преобразуют в опорный электрический сигнал. По результату сравнения фаз информационного и опорного сигналов судят о величине и направлении перемещения. Положительный эффект обеспечивают путем модуляции во времени энергетических потоков в соответствии с периодическими функциями, взаимно сдвинутыми на четверть периода. Если эти функции не содержат четных гармоник, то изменение потоков при перемещении вызывает соответствующий сдвиг фазы информационного сигнала, т.е. осуществляется преобразование перемещения в сдвиг фазы, который не зависит от абсолютных значений потоков, а зависит только от их соотношения, следовательно, не зависит от коэффициента передачи. Независимость от изменений исходных энергетических потоков обеспечивается формированием такого опорного сигнала, фаза которого отслеживает изменения исходных потоков. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного контроля линейных перемещений оптическим методом, а также для автоколлимационного контроля угловых отклонений объектов.

Цель изобретения - повышение точности за счет исключения влияния изменений коэффициента передачи

фотоэлектрического канала и изменений исходных энергетических потоков на результат контроля.

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства для осуществления предлагаемого способа (для случая автоколлимяционного контроля угловых отклонений объекта); на фиг.2 и фиг.З - сечения энергетических потоков в плоскости модулирующей

диафрагмы при двух положениях последней; на фиг,А - пространственные модулирующие функции А,(х) и Aj(x); на фиг.5 - позиционная характеристика, соответствующая предлагаемому способу; на фиг.6 - временные диафрагмы, иллюстрирующие предлагаемый способ для случая модулирующих (во времени) сигналов треугольной формы.

Способ осуществляют следующим образом.

Формируют энергетические потоки, взаимно сдвинутые в пространстве в направлении перемещения.

Модулируют во времени энергетические потоки по законам, выражаемым периодическими функциями, не содержащими четных гармоник и взаимно сдвинутыми на четверть периода.

Модулируют в пространстве энергетические потоки в зависимости от величины и направления перемещения.

Формируют суммарный энергетический поток из энергетических потоков, модулированных во времени и в пространстве.

Формируют информационный сигнал, пропорциональный суммарному энергетическому потоку.

Формируют дополнительный суммарны энергетический поток путем отвода чати исходных энергетических потоков, модулированных во времени.

Формируют опорный сигнал, пропорциональный дополнительному суммарному энергетическому потоку.

Сравнивают фазу информационного сигнала с фазой опорного и по резуль татам сравнения судят о величине и направлении перемещения.

Устройство для осуществления предлагаемого способа (для случая автоколлимационного контроля угловых от- клонений объекта) содержит контрольный элемент 1, вьтолненный, например в виде зеркала, жестко связанный с контролируемым объектом (не показан) автоколлимационную оптическую систем 2 (систему 2), установленную так, что контрольный элемент 1 находится в поле зрения системы 2, светодели- гель 3, оптически сопряженный с системой 2, источники 4 и 5 излучения и модулирующую диафрагму 6, размеп1ен- ные соответственно в двух сопряженных фокальных плоскостях системы 2, образованных светоделителем 3, фото

10

IS

20

25

30

35

40

Д5 , у Q в 9048А

приемник 7 информационного потока, установленный по ходу информационного потока излучения за модулирующей диафрагмой 6, установленные по ходу опорного потока излучения оптическую систему 8 и фотоприемник 9 опорного потока, генератор 10 модулирующих сигналов, выходы которого подключены соответственно к управляющим входам источников 4 и 5 излучения, и измеритель 11 сдвига фаз, входы которого подключены соответственно к выходам фотоприемника 7 информационного потока и фотоприемника 9 опорного потока, а выход является выходом устройства..

Устройство работает следующим образомИсточники 4 и 5 излучения формируют энергетические потоки, которые проходят через автоколлимационную оптическу1р систему 2 (ход лучей показан условно), отражаются от контрольного элемента 1, вновь проходят через автоколлимационную оптическую систему 2, отражаются от светоделителя 3 и попадают на модулирующую диафрагму 6, на которой строится автокотг- лимационное изображение источников 4 и 5 излучения (фиг.2). При отклонениях контрольного элемента 1 изображение источников 4 и 5 излучения перемещаются по модулирующей диафрагме 6, чем достигается пространственная модуляция энергетических потоков. Суммарный энергетический поток попадает на фотоприемник 7 информационного потока, который преобразует его в информационный электрический сигнал, фаза которого зависит от углового положения контрольного элемента 1. Немодулированная в пространстве (но модулированная во времени генератором 10 модулирующих сигналов) часть энергетических потоков источников 4 и 5 излучения отражается от светоделителя 3 и через оптическую систему 8 попсщает на фотоприемник 9 опорного потока, который преобразует дополнительный суммарный энергетический поток в опорный электрический сигнал, с которым сравнивается информационный сигнал в измерителе 11 сдвига фаз.

55

Способ контроля перемещений разработан на основе следующих принципиальных положений.

/ На фиг.2 изображены сечения энергтических потоков Р, и PJ в плоскости модулирующей диафрагмы 6. Потоки Р и Р разнесены в пространстве на расстояние Ь. Модуляция потоков в пространстве осуществляется при взаимном перемещениипотоков Р, и Р относительно диафрагмы 6 по оси X. Заштрихованные части потоков Р, и Р, попадают во внутрь диафрагмы 6 и образуют суммарный поток, который преобразуется в информационный электрический сигнал, амплитуда которого пропорциональна суммарному потоку. При взаимном перемеп1ении потоков Р и Pj относительно диафрагмы 6 изменяется доля МО1ЧНОСТИ каждого из потоков Р, и Р,, попадаю1цих в диафрагму 6 Распределение потоков Р и Р в диаф- рагме 6 при взаимном перемещении на величину Xj, показано на фиг.З. При данной конфигурации сечений потоков Р и Р пространственные модулирующие функции А(х) и А(х) (зависи- мости потока, попадающего в дифрагму 6, от величины перемещения X) будут иметь вид, показанный на фиг.4, из которого видно, что потоки Р и Р„ в пределах характерного размера а изменяются при перемещениях линейно соответственно в сторону увеличения и уменьшения.

Рассмотрим простейшую модулирующую функцию, не содержащую четных гармоник sin cot. Функцией, сдвинутой на четверть периода, йвляется cos со С. В этом случае потоки и Р будут промодулированы во времени в соответствии с функциями sin cot и cos cot и в пространстве в соответствии с функциями А,(х) и А (х) ,

Поскольку модуляция по X и t независима, то величины потоков соответственно равны

P,(x,t) А((х)-Р. sincot; P() A,j(x) Po. cosQt ,

где P - потоки до модуляции. Суммарный поток равен

P(x,t)P, (x,t)+P,,(x.t)

Рр А,(Х) sincot + А(х) cosco t.

Сигнал, пропорциональный суммарному потоку,равен

S(x,t) K-P(xft) - ,(х)« sin cot + А,(х) cos СО t

К- P, - iA,(x

+ A,CX). -b

АЛх)1

A-;(x)J

(3)

где К - коэффициент пропорциональности .

Величина К-Р имеет смысл коэффициента передачи фотоэлектрического канала.

Как видно из выражения (3), сумманый сигнал S(x,t) приобретает сдвиг фазы ID arctg А(х)/А,(х), который не зависит от коэЛфициента передачи KPjj и определяется только формой модулирующих функций А,(х) и ).

Если функции А,(х) и А(х) представить (в пре делах характерного размера а) в виде

А,(х)

Vo(l-cx);

(4)

35

1+СХ.,.

то Ц arctg

при и Cf tj .

Представим фазу в виде ( + + uqi , тогда из выражения (5) получим:

йЦ arctg СХ,

ТГ iT

где7- ACf --(6)

50

Зависимость (6) представляет собой позиционную характеристику, ее вид представлен на фиг.З.

Таким образом, способ позволяет gg получить позиционную характеристику, которая не зависит от величины коэффициента передачи фотоэлектрического канала, чем обеспечивается повышение точности контроля перемещений.

Для осуществления измерений сдви- га фазы 1 (или &L() необходимо иметь сигнал опорной фазы. Таким сигналом может быть любой исходный сигнал sin Qt. или cos cot. Фаза ( в выражении (4) т определялась по отношению к сигналу einQt.

Приведенные выше рассуждения основывались на том, что немодулиро- . ванные энергетические потоки одинаков и равны Р{, .Однако реально эти потоки равны Р. Однако реально эти потоки всегда будут не равны и, кроме того могут изменяться со временем. Эти изменения выэьгаают погрешности в определении перемещения, так как сдвиг фазы Ср в этом случае зависит от немодулированных потоков Р, и

POI ®-4-arctg| tl b(7)

в точке Х-0 А,(0) - - А(0), тогда

arctg

Pot .

(8)

01

Если отвести одинаковые части потоков до модуляции в пространстве и образовать дополнительный суммарный поток P«(t), то сигнал, пропорциональный дополнительному суммарному потоку, будет равен

S (t) - .sinO)t ч- S

+ P.coscJt - K.Jp;, + PO I

ог

n sin Oat + arctg ) o

где К- - коэффициент ответвления по токов.

Как видно из выражения (9), фаза сигнала Sa(t) равна фазе сигнала S() в точке X 0. Таким образом, сигнал Sa(t) можно использовать в качестве опорного сигнала, фаза которого меняется при изменении потоков РО, и Ро4 синхронно с фазой ин- формационного сигнала. Очевидно, что разность фаз информационного и опорнго сигналов не будет зависеть от изс о15

20

25

30

35

)40

45 ,§0 оменений потоков Р и P.JJ . Это позволяет дополнительно повысить точность контроля перемещений.

Сущность способа рассмотрена на примере простейшей модулирующей функции sincOt. Тем не менее все рассуждения справедливы и для периодических сигналов любой формы, не содержащих четных гармоник, У таких сигналов при сдвиге на четверть периода происходит сдвиг фазы всех гармоник (нечетных) также на четверть периода. На фиг.6 приведены временные диаграммы для случая модулирующих во времени сигналов треугольной формы и перемещения на величину Хд. Пунктиром показан опорный сигнал.

Формула изчобретения

PI

1 N

-Хо

Фие.1

-

Фиг. 2

.J

Фи9,5