Устройство для измерения перемещений Советский патент 1990 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к измери тельной технике и может быть использовано для измерения линейного пере- меще1шя.

Целью изобретения является повышение плоскости измерений медленно изменяющихся процессов за счет повышения помехозащищенности и уменьшения влияния на результат измерений грешностей, обусловленных дрейфовыми xapaKTepHCTHKai«i сканнстора.

На фиг«1 приведена блок-схема пре длагаемого устройства; на фиг.2-4- функциональные cxei-ai соответственно блока обработки, блокэ- фазового управления и блока управления свето вы- ми калибровочными потоками; на фиг,5 диаграммы работы элементов устройства,

Устройство для измерения перемещений содержит ряд 1 излучателей, состоящий из N формирователей калибровочных световых потоков, оптически связанные излучатель 2, предназнз - ченньм для установки на объекте измерений, оптическую систему .3 и ска- нистор 4, оптически связанный с формирователями капибровочных световых потоков ряда 1 излучателей, жестко . закрепленных на корпусе сканистора 4 . и образующих последовательный геометрический растр вдоль поверхности ска шстора 4, источник 5 смещения, генератор 6 пилообразного напряженияj выход которого соединен с вторым эмиттером сканлстора 4 и через источник 5 смещения с первым эмиттером сканистора 4, блок 7 управления генератором пилообразного напряжения, тактовый генератор 8, первый выход которого соединен с первым входом блока 7 управления, блок 9 фазоЕЮго

0

0

управления, первый выход которого соединен с входом излучателя 2, первый вход соединен с третьим выходом тактового генератора 8, блок 10 управления калибровочными световьмк потоками, первый вход которого соединен с вторым выходом блока 9 фазового управления s первый, второй, третий и четвертый фильтры 11-14, выполненные в виде последовательно соединенных соответствующих резисторов и колебательных контуров, входы которых со-. единены с коллектором ска;1истора 4, первый, второй, третий и четвертый фазовые детекторы 15-18, первые входы которых соединены соответственно с выходами первого, второгоJ третьего и четвертого фильтров 11-14, блок 19 обработки, первый, второй, третий, четвертый входы которого соединены соответственно с выходами первого, второго, третьего, четвертого фазо вых детекторов 15-18, пятый вход соединен с выходом блока 7 управления и входом, генератора 6 пилообразного напряжения, шестой вход соединен с .вторым выходом тактового генератора 8, первый выход соединен с вторымр дс входами блока 7 управления и блока 9 . фазового управления, второй и третий выходы соединены соответственно с вторым и третьим входами блока 10 управления, блок 20 усреднения и блок 21 регистрации, вторые входы фазовых детекторов 15-18 соединен)) соответст- венно с третьим выходом блока 9 фазового управления и перпым, вторым и третьим выходами блока 10 управления, четвертый вход которого- соединен с третьими входами блока 9 фазового управления и блока 7 управлеки.ч, вторым входом блока 21 регистрации и вторым выходом блока 20 усреднения, первый

5

0

50

55

и второй входы которого соединены срответственно с четвертым и пятым выходами блока 19 обработки, первый выход соединен с первым входом блока 21 регистрации, N выходов блока 10 . управления световыми калибровочными потоками от 4 до N+4 соединены соот- ветственно с входами N формирователей калибровочных световых потоков ряда 1 излучателей.

Устройство работает следующим образом,

И делие механически жестко связа- но С излучателем 2, который связан через оптическую систему 3 с фото- чувст.вит.ельной поверхностью скани.сто- ра 4, опрос которого осуществляется генератором 6 пилообразного напряж1е--. НИН и источником 5 смещения. При включении устройства на втором выхрт . де блока 20 усреднения формируется импульс, поступающий на четвертый .вход блока 10 управления световыми калибровочными потоками и на третий вход блока 9 фазового управления, устанавливающий эти блоки в исходное состояние, а также поступающий на третий вход блока 7 управления гене- ратором пилообразного напряжения, который при этом коммутирует на.свой выход первый вход, подключенный к первому выходу тактового генератора 8, на которо.м формируются импульсы длительностью выбранные так, что сб расывают генератор 6 пилообразного напряжения в исходное состояние - начало пол ного опроса сканистора 4 (фиг.За), а частота следования их выбрана из условия полного опроса сканистора 4 (фиг.За) - генератор 6 пилообразного напряжения успевает опросить всю фоточувствительную поверхность сканистора 4, коллектор кото- .рого нагружен через разделительные резисторы R1, R2, R3, R4 соответственно на пер вый.11, второй 12, третий 13 и че твертый 14 колебательные контура. Третий выход тактового генератора 8 подключен кпервому входу блока 9 фазового управления, первый

выход которого задает частоту и

фазовый сдвиг модуляции излучателя 2, а второй выход задает фазовый сдвиг тактовой частоте, поступающей . на первый вход блока 10 управления . световыми калибровочньши потоками, который, в зависимости от управляющих сигналов на втором и третьем вхо15890

.

. 10

15

9054

дах, подключенных к второму и третьему выходу блока 19 обработки,подключает на выходы от 4 до (№-4) соответствующую триаду формирователей Ф , Ф jf4 калибровочных световых потоков. Каждый из Ф формирователей калибровочных световых потоков ряда 1 излучателей механически жестко связан с сканистором 4 и расположены они так, что их световые потоки .спроецированы вдоль фоточувствитель- ной поверхнос-ш сканистора 4, образуя геометрический калибровочный .растрi Причем, первый колебательный . Koi iTyp 1 1 настроен на частоту модуляции излучателя 2, а второй 12, третий 13, четвертый 14 колебатепьны е контуры соответственно на частоту 20 триады формирователей Ф, 4+« калибровочных световых потоков. Выход каждого колебательного контура первого, второго, третьего и четвертого фильтров 11-14 подключен соот- 25 ветственно к первому входу первого, второго, третьего, четвертого фазовых детекторов IS-IS, на вторые входы которых поступают сигналы синхронизации соответственно с третьего выхо- 30 да блока 9 фазового управления и с первого, второго, третьего выходов блока 10 управления калибровочными световыми потоками. При опросе ска- нистора 4 происходит движение эквипотенциальной линии вдоль его фото- чувствительной поверхности. Эквипотенциальная линия делит фоточувстви- . тельную поверхность сканистора 4 иа две части, одна из которых содержит до эмиттерный фоточувствительный пере- ход. Поэтому, при пересечении эквипотенциальной линии взаимно компенсированной границы двух модулированных фототоков, образованных соответст- 45 вующим модулированным световым по- , током, происходит переворот фазы, фототока, поскольку, при дальнейшем движении эквипотенциальной линии идет преобладание последующего моду- 50 лированного фототока над предыдущим, например коллекторного модулирован- ного над эмиттерным модулированным ; фототоком, в результате изменяется направление суммарного модулированно- 55 го фототока через нагрузку сканистора 4, а на соответствующем колебательном контуре, настроенном на соответствующую частоту модуляции светового потока, меняется фаза сигнала.

35

15

. 1589054

(Фиг,5б,в,г.,д) на противоположную - азовый сдвиг, равный (Г(180), который преобразуется на выходесоотБ1етст вующего фазового детектора в перепад напряжения (фиг«5е,ж,э,и). Резисторы RI, R2, R3, R4 служат для токовой ., развязки соответству ощих модулиро ванных фототоков. Выходы соответст вукнцего фазового детектора 15-18 Q подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому вхЬ ан блока 19 обработки Выход блока 7 управления генератором пилообразного напряжения подключен к пятому входу блока 19 обработки и устанав ливает в исходное состояние триггер 22 видеосигнала (фиг,2) и счетчик 35 адреса (фиГв2) постоянного запоминающего устройства 33 (фиг,2), В процессе полного опроса сканистора 4 (фиг,5а) триггер 22 видеосигнала находится в сброшенном состоянии, а по приходу информационного видеосигнала о (фиг.Зе) перепада напряжения на выходе первого фазового етектора 15, переключается и разре- шает работу узла 2А сброса (фиг,2), выход которого является первым выхоом блока 19 обработки,- где форми- . зо руются импульсы сброса локально ГО

20

25

л п п к

л в ли в н и + х им ко п

опроса сканистора 4 (фиг,5а) с 1И телыюстью . постУ 3 ЩИб на генератор 6 пилообразного напряжения (фиГ(,5л) через второй вход и выход блока 7 управления генератором пилообразного напряжения е Причем, импуль ™ сы сброса С БР. имеют задержку на величину с. qa J, которая задается в узле 23 задержки сброс а (фиг.2) по при ходу j + 2-го видеосигнала (фиг,5и), что соответствует длительности +сjga(фиг,5к) конец локального опроса сканистора 4, Дпительность импульса сброса c cg(фиг.5л) определяет амплитуду пилообразного напряжения на выходе генератора 6 пил;ооб разного напряжения (фиг,5а) при локальном опросе и соотЕетственно определяет локальную длину li фоточувствительной поверхности сканистора А. К видеосигнгшу t , 4-1 капибро - вочного светового потока (фиГе5з) задается длительность (/ (фиг.5р) в узле 25 первой задержки (фиг.2), а к видеоси1 нгалу Ф (фиг.5н) калибровочного светового потока згдает- ся длительностью (фиг,5с) в узле 26 второй задержки (фигв2), которые

5

9054

Q о

0

5

5

0

5

8

являются полями допуска информационного видеосигнала g (фиг,5е), Если Дпительность информационного видеосигнала находится в поле допуска, то длительность C j.g. сброса выбирается такой, чтобы амплитуда пилообразного напряжения и соответственно локальный участок Ij .фоточувствительной поверхности сканистора охватывал проекции Ф1, Oj+i, Ф на калибровочных световых протрков и проекцию изображения излучателя 2, Если изоб,- ражение излучателя 2 движется вправо вдоль фоточувствительной поверхности сканистора 4, то длительность tg (фиг,5е) информационного видеосигнала становит/:я больше поля допуска по.этому на выходе первой схемы И 28 (фиг,2), а также на втором выходе блока 19 обработки появляется импульс (фиг,5м) соответствующий концу длит ельности Г,. +t , поступающий на второй вход блока 0 управления калибровочными световыми потоками, который задает новую позицию Ф.(, Ф|Чг калибровочным световым потоком. Причем, конец локального о проса сканистора 4 определяется длительностью (фиг.5л), а локальный опрос охватывает проекции Ф j.(, Ф нг.. Ф J45 калибровочных световых потоков. При движении изображения излучателя 2 влево, вдоль фоточувствительной поверхности сканистора 4, длительность LQ информационного видеосигнала (фиг.5е) становится меньше поля допуска f j+c - + , позтому на выходе второй схемы И 29 (фиг,2), а также на третьем выходе блока 19 -обработки появляется импульс (фиг,5н), соответствующий концу длительности fj+t поступающий на третий вход блока 10 управ-

5 ления калибровочными световыми пото KaNM, который задает новую позицию Ф .-,. Ф1. Ф. а. . а конец локального

определ7яется дли- при-

0 Р переходе с Ф, Ф j , Ф.г локального опроса в Ф;., , Ф.-,

j-o . , опроса сканистора 4

тельностью Cj+j-f f (фиг.Зк),

Ф

J-I J J- локальный опрос длительностью С сер импульса сброса возрастает (фиг.5л) на выходе узла 24 сброса и зависит от количества пришедших на его третий вход импульсов с выхода второй схемы И 29, Соответственно изменяется и характер напряжения на выходе генератора 6 пилообразного напряжения

(фиг.За) и характер опроса сканисто- ра А, Таким образом, устройство от- слеживает проекцию излучателя 2 на фоточувствительной поверхности ска- нистора 4, так, что всегда организуется локальный опрос локального участ ка Ij, охватывающего проекцию Ф, , Фн2 калибровочных световых потоков при условии, что информацион- ный видеосигнал tf, проекциии излучателя 2 находится в поле допуска

|ч, + -И ;n ранения неустойчивости работы устройг

ства при переходе с локального опроса в 14.,-ый опрос и наоборот выбрано условие .с- . Одновременно, в каждый -локальный опрос ска- нистор а 4 определяется калибровочное значение длительности о,.- t j , которая заполняется импульсами с частотой -5, (фиг. 5п) , приходящих со второго выхода тактового генератора 8 к третьему входу формирователя -30 (фиг,2) текущего калибровочного зна- чения, на выходе которого формируется калибровочное число

r

л Л

ЛА. 1

(1)

J + Z

где Т - период полного опроса скаиистора;

1 - длина фоточувствительной поверхности сканистора; , длительность видеоимпульса j-f2-го калибровочного светового потока (фиг,5и); t-j- длительность видеоимпульса JTO калибро вочного светового потока (фиг,5ж) Аналогично, в каждый локальный опрос сканистора 4 определяется информационная длительность c-g j которая заполняется импульсами с частотой заполнения (фиг,5о) импульсов, приходящих с третьего выхода тактового генератора 8 к третьему входу формирователя 31 (фиг,2) текущего значения перемещения, на выходе которого формируется текущее значение перемещения.

S. .i. (2)

где . - длительность информационно-

го видеосигнала.

Сброс формирователей текущего калибровочного значения 30 и значения перемещения 31 происходит на каждое

.значение сброса, поступающего с выхода узла 23 задержки .сброса на четвертые их вхо|(Ы, В узле 32 (фиг,2) деления чисел вычисляется дрейфовый

коэффициент

гС

oi-T.)

(3)

i

где К- - калибровочное число, соот- J ветствующее Kj при температуре Тд окружающей среды и поступающее иа второй вход узла 32 делеш я чисел с первого выхода постоянного запоминающего устройства 33,

В узле 34 (фиг,2) умножения чисел в текущее значение перемещения вносится поправка с учетом дрейфового коэффициента

oi

Г б- J

1 oi

S:. оС. .

(4)

Перед очередным полный опросом сканистора 4 (фиг,5а) счетчик 35 ад-; реса сбрасывается и далее считаёт количество импульсов с выхода первой схемы И 28 (фиг,5м), которое равно местоположению локального опроса охватывающего Ф:, Ф Ui Ф« 4г Р° ции калибровочных световых потоков и изображения излучателя 2, С выхода второй схемы И 29 импульсы (фиг,5и) поступают на отрицательный вход счетчика 35 адреса, который вычитает количество пришедших импульсов из прежнего значения счетчика и определяет новое местоположение локального опроса, и на выходе постоянного запоминающего устройства 33 появляются ранее записанные значения соответствующих выражению (3), а также на втором выходе появляется ранее записанное значение координаты х j -го калибровочного светового потока, соответствующее координате х -го калибровочного светового потока при температуре Т окружающей среды, и поступающее на первый, второй входы сумматора 36 (фиг,2), на первый вход которого поступает текущее значение S (4) перемещения с выхода узла 34 умножения чисел. На первом выходе сумматора 36 и соответственно на четвертом выходе блока 19 образуется значение перемещения изделия

S - Ос - :..i.. ).. , (5).

где л - коэффициент оптической систе t&i 3f зависящий от ее фокус него расстояния, расстояний от нее до изделия и до. фото чувствительной поверхности сканистора А.

На втором выходе сумматора 36 и на/пятом выходе блока 19 обработки формируется значение готовности информации перемещения изделия, через определенную длительность запаздыва

НИИ

„„-,/-

t задержка вычислений для

где

узла,

лДлительность задержки конца локального опроса генератора 6 пило образного напряжения задается в узле 23 задержки сброса и выбирается из условия

ъац ьап

Блок 9 фазового управления рабо- тает следующим образом (фиг.З).

После установки счетчика 37 сдвига ,файы в исходное состояние, при включении питания устройства и при окончании процесса усреднения (по приходу на второй его вход, являюищйся третьим входом блока 9 фазового сдвига импульса с второго выхода блока 20 усреднения) он считает количество импульсов, соответствующее количеству локальных опросов сканистора, поступающих на €;го первьй вход, В каждый последующий локальньй опрос состояние счетчика 37 сдвига меняется на единицу, а его состояние с помощью дешифратора 38 сдвига преобразуется так, что на одном из выходо дешифратора 38 сдвига появляется коммутирующий сигнал, который поступает в узел 39 состояний, который коммутирует на свой выход соответствующий вход, который определяет соответствующий фазовый сдвиг частоте модуляции световых потоков Фазовый сдвиг формируется с помощью депгафратора 40 фазы и счетчика 41 тактовых импульсов о Выход узла 39 состояний является вторым выходом блока 9 фазово го управления, а также соединен со счетчиком-нормализатором 42, который преобразует приходящий сигнал в по- ниже{шую частоту со скважностью, равной двум, выход которого является первым выходом блока 9 фазового упр

равления и подключен к излучателю 2, а .также подключен к входу фазовращателя 43, выход которого является третьим выходом блока 9 фазового уп-. равления и определяет частоту синхронизации первого фазового детектора 15, Фазовращатель. 43 служит для сдвига фазы частоты синхронизации фазового детектора 15 на величину задержки информационного видеосигнала излучателя 2 во время опроса сканистора 4 и задержки колебательного контура 11, Блок 10 управления световыми ка-

либровочными потоками (фиг,4) работает следующим образом.

Сдвиговый регистр 44 устанавливается в исходное состояние при включении питания устройства и при окон-

чании процесса усреднения - по приходу на его первый вход импульса с второго выхода блока 20 усреднения. На первом выходе сдвигового регистра 44 появляется к.оммутирукщий сигнал,

который разрешает работу первой схеме С, согласования, при этом вклю-

чается первая триада формирователей калибровочных световых потоков Ф, Ф,, Ф.

«

-., fi. Идет последующий опрос сканистора 4 (фиг,5а). Импульсы, приходящие .на второй вход сдвигового регистра 44, организуют сдвиг в сдвиговом регистре 44 так, что количество (J) пришедших импульсов соответствует J му выходу, на котором появляется коммутирующий сигнал, разрешающий работу Cj-той схеме согласования, при этом включается j-я триада форми-. рователей калибровочных световых потоков Ф:, Ф, , jti« Идет локальный опрос сканистора, охватывающий проекцию Ф|, Ф.. потоков на фоточувствительной поверхности сканисто.ра 4, Причем, видеосигнал излучателя 2 находится в допуске. Импульсы, приходящие на третий вход сдвигового регистра 44, организуют сдвиг так, что количество (а) пришедших импульсов соответст-

вует (j-a)-My выходу сдвигового регистра 44, на котором появляется коьг- мутирующий сигнал, разрешающий работу С(-а)-й схеме согласования, при этом включается (З-а)-я триада формирователей калибровочных потоков

) (3-я)4-1 ( Последующий локальный опрос всегда охватывает ту фоточувствительную поверхность сканистора 4, на которой спроециро1 3

ваиа последующая триада световых по токов, при условии, что видеосигнал излучателя 2 находится в допускеt Частота триады модуляции калибровоч световых потоков задается дели- телем-нормализатором 45 частоты, который формирует на первом, втором и третьем своем выходе различные CHrHa - лы по частоте с скважностью, равной двум, поступающие соответственно на второй, третий, четвертый вход каждой схемы согласования и на первый, второй, третий фазовращатели 46-48, Функции фазовращателей аналогичны фазовращателю 43 в блоке 9 фазового управления и служат для сдвига фазы частоты синхронизации фазовых детекторов 16-18 на величину задержки видеосигналов триады калибровочных световых потоков.

Формула изобретения

Устройство ДД1Я измерения перемещений, содержацее сканистор, источни смещения, генератор пилообразного напряжения, тактовый генератор высокой частоты, первый фильтр, выполненный в виде последовательно соединенных резистора и колебательного контура, выход генератора пилообразного напряжения соединен с вторым эмиттером сканистора и через источник смещения с первым эмиттером сканистора, отличающееся тем, что, с целью повьппения точности измерений медленно изменяющихся процессов, оно снабжено излучателем, предназначен- ным для установки на обьекте измерения, и оптической системой, оптически связанными с фоточувствительной поверхностью сканистора, вторым, третьим и четвертым фильтрами, выполненными в виде последовательно соединенных соответствующих резисторов и колебательных контуров, первым, вторым, третьим и четвертым фазовыми детекторами, первые входы которых соединены соответственно с выходами первого, второго, третьего и четвертого фильтров, входы которых соединены с коллектором сканистора, блоком обработки, первый, второй, третий и четвертый выход которого

9054

14

10

IS

20

25

30

35

40

45

50

соединены соответственно с выходами первого, второго, третьего и четвертого фазовых детекторов, блоком управления калибровочными световыми потоками, первый, второй и третий выходы которого соединены соответственно с вторыми входами второго, третьего и четвертого фазовых детекторов, второй и третий входы соединены соответственно с вторым и третьим выходами блока обработки, блоком фазового управления, первьй выход которого соединен с входом излучателя, второй выход соединен с первым входом блока управления калибровочными световыми потоками, третий выход соединен с вторым входом первого фазового детектора, первый вход соединен с третьим выходом тактового гввератора, блоком управления генератором пилообразного напряжения, выход которого соединен с входом генератора пилообразного напряжения и пятым входом блока обработки, первый вход соединен с первьм вьЬсодом тактового генератора,второй вход соединен с первым выходом блока обработки и вторым входом блока фазового управления, блоком регистрации, первый вход которого соед инен с первым выходом блока усреднения, второй .вход соединен с третьими входами блока управления генератором пилообразного напряжения и блока фазового управления,четвертым входом блока управления калибровочными световыми потоками и вторым выходом блока усреднения,и N формирователями калибровочных световых потоков, жестко закрепленных на корпусе сканистора, оптически связанных с поверхностью сканистора и образующих последовательный геометрический растр вдоль поверхности сканистора, четвертый и пятый выходы блока обработки соединены соответственно с первым и вторым входами блока, шестой вход усреднения соединен с вторым выходом тактового генератора, N выходов блока управления световыми калибровочными потоками от 4-х до N+4 соединены соответственно с входами N формирователей калибровочных световых потоков.

Фиг. 2

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности измерений медленно изменяющихся процессов за счет повышения помехозащищенности и уменьшение влияния на результат измерений погрешностей, обусловленных дрейфовыми характеристиками сканистора. Устройство для измерения перемещений содержит ряд 1 излучателей, состоящих из N формирователей калибровочных световых потоков, жестко закрепленных на корпусе сканистора 4, световые калибровочные потоки от которых образуют геометрический растр вдоль поверхности сканистора и позволяют определять текущий калибровочный коэффициент на любом участке сканистора, в том числе и в точке, соответствующей информационному оптическому сигналу от источника 2, жестко связываемого с объектом, что позволяет компенсировать погрешности, обусловленные дрейфовыми характеристиками сканистора. Блок 9 управления фазой позволяет ввести в каждый период опроса сканистора 4 синхронный фазовый сдвиг частоты модуляции световых потоков и частоты синхронизации фазового детектора 15 с последующим усреднением результата в блоке 20 усреднения, что повышает помехозащищенность. 5 ил.

Фиг.З

M n-Ai n

ill

I ...

Фиг.З