Оптико-электронное устройство для измерения линейных перемещений Советский патент 1991 года по МПК G01B21/00 

Фиг.1

Изобретение относится к контрольно измерительной технике и может быть использовано для контроля линейных перемещений.

Цель изобретения - повышение точности за счет исключения влияния на результаты измере шй переходных процессов считывания фотопреобразователя

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

Оптико-электронное устройство для измерения линейных перемещений состоит из оптически связанных оптической системы 1 для формирования интерференционных полос и дискретного фотопреобразователя 2, светочувствительный слой которого выполнен в виде системы из 32 параллельных электрически изо- лированных фотоприемников, последовательно соединенных блока 3 обработки сигнала, информационный вход которого соединен с выходом дискретного фото- преобразователя 2, блока 4 формирова- телей, блока 5 счета и блока 6 индикации, блока 7 управления, выходы считывания которого соединены с управляющими входами дискретного фотопре- образователя 2, а первый, второй и третий выходы блока 7 управления соединены соответственно с первым, вторым и третьим управляющими входами блока 3 обработки сигнала, причем третий выход блока 7 управления также соединен с первым управляющим входом блока 4 формирователей и вторым входом блока 5 счета, четвертый выход блока 7 управления соединен с третьим входом блока 5 счета, входы индикато- ров старших и младших разрядов блока 6 индикации соединены соответственно с первой-и второй группами выходов блока 5 счета, второй управляющий вход блока 4 соединен с первым входом блока 7 управления и первым управляющим выходом блока 5 счета, третий управляющий вход блока 4 соединен с вто рым входом блока 7 управления и вторым управляющим выходом блока 5 сче- та, четвертый выход блока 7 соединен с третьим входом блока 5.

Блок 3 обработки сигнала выполнен в виде последовательно соединенных согласующего усилителя 8, 8-разрядного аналого-цифрового преобразователя. (АЦП) 9, арифметического логического блока (АЛУ) 10, первого буферного регистра 11, мультиплексора 12, инверто

,Q

5 0 5 о ... 5 .

5

5

ров 13, 14, D-триггера 15 и второго буферного регистра 16. Вход согласующего усилителя 8 является информационным входом блока 3 обработки сигнала, управляющий вход АЦП 9 является первым входом блока 3, выходы АЦП 9 соединены с первой группой входов АЛУ 10, вторая группа входов АЛУ 10 соединена с выходами мультиплексора 12, третья группа входов АЛУ 10 соединена с третьей группой выходов пер- вого буферного регистра 11, первая группа выходов первого буферного регистра 11 соединена с входами второго буферного регистра 16, а вторая группа выходов регистра 11 соединена с первой группой входов мультиплексора 12, выходы АЛУ 10 соединены с входами первого буферного регистра 11, а выходы второго буферного регистра 16 соединены с второй группой входов мультиплексора 12, управляющий вход АЛУ 10 соединен с управляющим входом первого буферного регистра 11, с уп- равляющим входом мультиплексора 12, через инвертор 13 соединен с управляющим входом D-триггера 15 и является вторым входом блока 3 обработки сигнала, управляющий вход второго буферного регистра 16 соединен через инвертор 14 с входом сброса первого бу--- ферного регистра 11 и является третьим входом блока 3 обработки сигнала, выход сравнения АЛУ 10 соединен с информационным входом D-триггера 15, выход которого является выходом блока 3 обработки сигнала.

Блок 4 формирователей выполнен в виде последовательно соединенных дифференциатора 17 и схемы 18 формирования, первый, второй и третий входы которой являются первым, вторым и третьим управляющими входами блока 4 формирователей соответственно, выход - схемы 18 формирования является выходом блока 4 формирователей, а вход дифференциатора 17 является вводом блока 4 формирователей.

Блок 7 управления выполнен в виде схемы 19 согласования, выходы которой являются выходами считывания блока 7 управления, схемы 20 инверсии кода, информационные выходы которой соединены с информационными входами схемы 19 согласования, одновибраторов 21 и 22, мультивибратора 23, дешифра- .тора 24, выходы которого соединены с информационными входами схемы 20

инверсии кода, первый и второй управляющие входы которой являются первыми и вторыми входами блока 7 управления соответственно, одновибрато- ра 25, схемы 26 И-НЕ, мультивибратора 27, схемы 28 счета, одновибратора 29, вход которого соединен с управляющим входом схемы 19 согласования и выходом одновибратора 21, схемы 30 И-НЕ, генератора 31 тактовых импульсов, управляющий вход которого соединен с выходом схемы И-НЕ, одновибратора 32, выход которого является третьим выходом блока 7 управления, а вход соединен с выходом схемы 30 PI- HE, первый вход схемы 30 И-НЕ соеди- нен через одновибратор 25 с входом одновибратора 21 и последним выходом дешифратора 24, второй вход первой схемы 30 И-НЕ соединен с выходом одновибратора 29 и управляющим входом схемы 28 счета, выход генератора 31 тактовых импульсов соединен с информационным входом схемы 28 счета и с входом мультивибратора 23, выходы схемы 28 счета соединены с входами дешифратора 24, выход мультивибратора 23 соединен с вторым входом второй схемы 26 И-НЕ, с входом одновиб- ратора 22 и является первым выходом блока 7 управления, выход одновибратора 22 соединен с первым входом схемы 26 И-НЕ, выход которой соединен с входом мультивибратора 27 и являет- ся четвертым выходом блока 7 управления, выход мультивибратора 27 являет-4 ся вторым выходом блока 7 управления.

Устройство работает следующим образом.

Из интерференционной картины, сформированной блоком 1 формирования интерференционных полос, выделяются две полосы, темная и светлая, которые проецируются на дискретный фотопреобразователь 2, на выходе которого формируются сигналы, пропорциональные распределению освещенности вдоль выделенного участка. Расстояние между крайними фотоприемниками дискретного фотопреобразователя 2 равно периоду интерференционной полосы.

При линейных.перемещениях контролируемого объекта происходит перемещение границы раздела интерференционных полос по фотоприемникам дискретного фотопреобразователя 2, в результате чего на его выходе формируется электрический сигнал (диагр.а ,

0835

фиг.

2), амплитуда которого -пропорци-

5

ональна величине перемещения, а фаза связана с пространственным положением фотоприемников в дискретном фоюпреоб- разователе 2, Ширина интерференционных полос (темной и светлой) выбирается равной линейным размерам светочувствительной поверхности дискретного фотопреобразователя 2. В этом случае в период следования интерференционных полос будет уложено определенное количество столбцов дискретного фотопре- образоват-еля 2.

Фиксируя номер опрашиваемого столбца фотопреобразователя 2, на котором находится граница раздела, интерферен - ционных полос, можно однозначно определить величину перемещения объекта из выражения

1

&

2 п

N,

0

5

0

5

0

5

5 где Ъ

п N длина волны зондирующего излучателя ;

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

номер опрашиваемого столбца дискретного фотопреобразователя 2.

Сигнал, снимаемый со всех элементов столбца дискретного фотопреобра- зователя 2, усиливается согласующим усилителем 8 (фиг. 2, диагр. а) и поступает на вход АЦП 9. Согласующий усилитель 8, кроме усиления информационного сигнала, осуществляет функцию согласования уровней выходного сигнала, снимаемого с выхода дискретного фотопреобразователя 2, с входным сигналом АЦП 9. Управление АЦП 9 осуществляется импульсами стробирования, поступающими на его управляющий вход с выхода мультивибратора 23 (диаграмма в, фиг. 2). Мультивибратор 23 вырабатывает короткие импульсы по заднему фронту импульсов, поступающих с выхода генератора 31 тактовых импульсов (диагр. б фиг. 2), при этом выбор . амплитуды информационного сигнала приходится на середину импульсов, опрашиваемых столбцы дискретного фото- преобразователя 2, снимаемых с выходов дешифратора 24, что дает возможность исключить влияние переходных

процессом, возникающих в моменты переключения опроса столбцов дискретного фотопреобразователя 2 (на диагр. а фиг. 2 переходной процесс, показан в воде выбросов напряжений на информационном сигнале), на результат измерений. Цифровой код, соответствующий уровню сигнала в момент прихода стро бирующего импульса с выхода А1Ц1 9, подается на I группу входов АЛУ 10. АЛУ 10 работает в зависимости от сигнала на управляющем входе в двух режимах: режим суммирования и в режиме вычитания (сравнения). Буферный регистр 16 предназначен для хранения двоичного кода, соответствующего среднему уровню информационного сигнала за период опроса элементов дискретного фотопреобразователя 2, вычисленного в АЛУ 10 в режиме суммирования. Средняя составляющая сигнала определяется из выражения

U

Р

, i-1

R - число выборок информационного сигнала в периоде опроса ™ элементов дискретного фотопреобразователя ;

А1 - уровень информационного сигнала, соответствующий текущей выборке.

35

Для деления на число R (в данном

4

4

устройстве оно равно 32) разряды, начиная с пятого, отбрасываются. Мультиплексор 12 в зависимости от управляющего сигнала, поступающего с выхода мультивибратора 27, проводит коммутацию входных сигналов на вторую группу входов АЛУ 10с С приходом импульса выборки на управляющий вход АЦП 9 про- исходит преобразование входного аналогового сигнала в цифровой код Одно- вибратор 22 и схема 26 И-НЕ формируют последовательность импульсов (диагр. д, фиг, 2), задержанную по сравнению с на- началом последовательности стробирую- щих АЦП 9 импульсов. Одновибратор 22 по заднему фронту первого стробируюше- го импульса, поступающего с выхода мультивибратора 23, формирует импульс (диагр, г, фиг. 2) длительностью Г NTC + J, , где N - число стробирую- щих импульсов в цикле опроса элементов дискретного фотопреобразователя, TC - период следования стробирующих

5

0

5

5

5

0

5

, -

0

импульсов; х - длительность строби- рующего импульса. Через схему 26 И-НЕ проходят импульсы с выхода мультивибратора 23 во время действия импульса с выхода одновибратора 22 (диагр. д. фиг. 2). Такая последовательность импульсов дает возможность управлять схемами в блоке обработки сигнала 3 к тому моменту времени, когда АЦП 9 заканчивает преобразование входной информации. Последовательность импульсов с выхода схемы 26 И-НЕ подается на вход мультивибратора 27, который формирует последовательность импульсов (диагр. е, фиг. 2), задержанную относительно входной последовательности на время Т,. При отсутствии сигнала с выхода мультивибратора 27 АЛУ 10 работает в режиме суммирования, а мультиплексор 12 передает на выход кодовую комбинацию, поступающую с второй группы выходов буферного регистра 11, К моменту прихода управляющего импульса с выхода мультивибратора 27 на выходах АЛУ 10 появится код суммы кодовой последовательности, поступающей на входы АЛУ 10. С приходом переднего фронта импульса с выхода мультивибратора 27 происходит запись кодовой суммы в буферный регистр 11, переключение мультиплексора 12 на передачу кодовой последовательности с выхода буферного регистра 16 на вторую группу входов АЛУ 10, при этом АЛУ 10 переключается в режим вычитания двух кодовых комбинаций, поступающих на первую и вторую группы входов АЛУ 10. Таким образом, происходит сравнение текущего значения амплитуды информационного сигнала со средним значением, вычисленным и записанным в буферный регистр 16 в предыдущем цикле опроса элементов дискретного фотопреобразователя 2, По окончании действия импульса с выхода мультивибратора 27, т.е. по его заднему фронту, происходит переключение АЛУ 10 в режим суммирования, мультиплексора 12 - на передачу суммы кодовой последовательности с выхода буферного регистра 11, записанной в текущем периоде следования управляющих импульсов с выхода схемы 26 И-НЕ, одновременно происходит запись уровня цифрового сигнала, снимаемого с выхода сравнения АЛУ 10, в U-триггер 15 по признаку: если идет превышение текущего значения сигнала среднего ypoBf i

О

25

то записывается 1, если нет, то записывается О. С приходом следующего управляющего импульса с выхода мультивибратора 27 процесс переключения схем блока 3 обработки сигнала аналогичен описанному. По последнему управляющему импульсу в буферный регистр 11 будет записана кодовая комбинация, соответствующая сумме кодовых комбинаций, образующихся при каждом поступлении стробирующего импульса на управляющий вход АЦП 9 в текущем цикле опроса элементов дискретного фотопреобразователя 2. В конце цикла опроса одновибратор г 21 формирует короткий импульс стирания (диагр. ж, фиг. 2). Этот импульс через схему 19 согласования поступает на дискретный фотопреобразователь 2 и в момент времени t,-t2 (диагр. д, фиг. ty-jn происходит стирание информации с фо- топреобразователя 2. Далее импульс с выхода одновибратора 21 поступает на вход одновибратора 29, который также формирует прямоугольный импульс и в момент времени (диагр. и фиг. 2) происходит сброс счетчиков схемы 28 счета. В этот промежуток времени происходит запись оптической информации в дискретный фотопреобразователь 2. С момента времени происходит следующий цикл опроса дискретного фотопреобра- зователя 2.

Генератор 31 тактовых импульсов вырабатывает прямоугольные импульсы (диагр. б, фиг. 2), которые через схему 28 и дешифратор 24 поступают на входы схемы 20. Схема 20 инверсии кода позволяет в зависимости от состояния блока 5 счета инвертировать порядок опроса столбцов дискретного фото- преобразователя 2, при этом в индикаторах старшего разряда блока 6 индикации изменяется только знак.

После окончания опроса столбцов дискретного фотопреобразователя 2 по- ,следний опрашиваемый импульс с выхода дешифратора 24 поступает на вход одновибратора 21 и 25. Одновибратор 25 формирует короткий импульс, длительность которого равна периоду повторения тактовых импульсов с выхода генератора 31 (диагр. з, фиг, 2). Это дает возможность задержать выключение генератора 31 по сравнению с выключе30

35

40

45

50

блока 5 счета. Импульсы с мыходпч новибраторов 25 и 1е оОъсчнмя ются на схеме 33 И-HF. и формирую импульс запирания (диагр. к, фиг, генератора 31. По переднему фронт этого импульса одновибратор 32 фо мирует короткий чмпульс, который рез инвертор 14 подается на входы ферного регистра 11 и буферного р стра 16. Таким образом, по оконча каждого цикла опроса элементов дис ного фотопреобразователя 2 в буфе регистр 16 будет занесено среднее чение сигнала, вычисленное р данн периоде опроса, а показания буфер регистра 11 будут сброшены в данн периоде опроса, а показания буфер регистра 11 будут сброшены в О, он будет готов для принятия в сле щем цикле опроса суммарного значе сигнала по каждой выборке. Импуль выхода одновибратора 32 сбрасывае также блок 5 счета,

С выхода D-триггера 15 снимают прямоугольные импульсы (диагр. м, фиг. 2), причем на период следова интерференционных полос (промежут времени от t( до t2 диагр. а, фиг приходится один импульс, а его фр ты соответствуют моменту времени, котором происходит переход от тем к светлой полосе, и наоборот. Пря угольные импульсы с выхода D-триг 15 поступают на вход дифференциат 17, с выходов которого снимаются роткие импульсы, фаза которых при на к переднему и заднему фронтам пульса с выхода блока 3 обработки сигнала. С выходов дифференциатор импульсы поступают на входы схемы формирования. Схема 18 формирован в зависимости от состояния блока счета пропускает или импульсы, со ветствующие переднему фронту сигн с выхода блока 3 обработки сигнал или заднему (диагр. н, фиг. 2), а также пропускает импульс с выхода новибратора 32 в случае, если не ступил за время опроса столбцов д кретного фотопреобразователя 2 им с выходов дифференциатора 17. По нему фронту импульса с выхода одн вибратора 32 происходит занос в бл

. - - нием схемы 28 счета и тем самым сфор- 5 счета нулей и обнуление блока б

О

5

г n

0

5

0

5

0

блока 5 счета. Импульсы с мыходпч од- новибраторов 25 и 1е оОъсчнмя- ются на схеме 33 И-HF. и формируют импульс запирания (диагр. к, фиг, 2) генератора 31. По переднему фронту этого импульса одновибратор 32 фор- мирует короткий чмпульс, который через инвертор 14 подается на входы буферного регистра 11 и буферного регистра 16. Таким образом, по окончании каждого цикла опроса элементов дискретного фотопреобразователя 2 в буферный регистр 16 будет занесено среднее значение сигнала, вычисленное р данном периоде опроса, а показания буферного регистра 11 будут сброшены в данном периоде опроса, а показания буферного регистра 11 будут сброшены в О, и он будет готов для принятия в следующем цикле опроса суммарного значения сигнала по каждой выборке. Импульс с выхода одновибратора 32 сбрасывает также блок 5 счета,

С выхода D-триггера 15 снимаются прямоугольные импульсы (диагр. м, фиг. 2), причем на период следования интерференционных полос (промежуток времени от t( до t2 диагр. а, фиг. 2) приходится один импульс, а его фронты соответствуют моменту времени, при котором происходит переход от темной к светлой полосе, и наоборот. Прямоугольные импульсы с выхода D-триггера 15 поступают на вход дифференциатора 17, с выходов которого снимаются короткие импульсы, фаза которых привязана к переднему и заднему фронтам импульса с выхода блока 3 обработки сигнала. С выходов дифференциатора 17 импульсы поступают на входы схемы 18 формирования. Схема 18 формирования в зависимости от состояния блока 5 счета пропускает или импульсы, соответствующие переднему фронту сигнала с выхода блока 3 обработки сигнала, или заднему (диагр. н, фиг. 2), а также пропускает импульс с выхода одновибратора 32 в случае, если не поступил за время опроса столбцов дискретного фотопреобразователя 2 импульс с выходов дифференциатора 17. По заднему фронту импульса с выхода одно- вибратора 32 происходит занос в блок

- - 5 счета нулей и обнуление блока б

ин

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности за счет исключения влияния на результаты измерений переходных процессов считывания фотопреобразователя. Устройство состоит из оптически связанных оптической системы 1 для формирования полос и фотопреобразователя 2, последовательно соединенных блока 3 обработки сигнала, блок 4 формирователей, блока 5 счета и блока 6 индикации, и блока 7 управления, электрически связанного с фотопреобразователем 2, блоком 3, блоком 4 и блоком 5. Выборка амплитуды информационного сигнала с фотопреобразователя 2 по сигналам от блока 7 происходит в моменты, соответствующие серединам импульсов опроса столбцов фотопреобразователя 2, что позволяет исключить влияние переходных процессов. 2 ил. &

мировать мультивибратором 23 еще один импульс, необходимый для управления работой блока обработки сигнала 3 и

дикации.

В исходном состоянии, когда объект не движется, и на приемную часть дис-

кретного фотопреобразователя 2 спроецированы две полосы с максимальной и минимальной освещенностью, на первы вход блока 5 счета приходит импульс с выхода схемы 18 формирования в момент когда счетчики в блоке 5 счета уже обнулены импульсом с выхода одновиб- ратора 32. Таким образом, в исходном состоянии показания блока 6 индикации нулевые. При смещении объекта происходит движение полос интерференционной картины, направление которого определяет знак, а число полос, прошедших по дискретному фотопреобразовате-

лю 2 - его .величину. При движении полос последовательно засвечиваются столбцы дискретного фотопреобразова- теля 2 от 1-го до n-го и соответственно последовательно появляются им- пульсы с выхода схемы 18 формирования. Число импульсов, поступивших с выхода схемы 26 И-НЕ на третий вход блока 5 счета, соответствует числу опрошенных столбцов фотопреобразователя 2. Это число с приходом импульса на первый вход блока 5 счета передается в блок 6 индикации. Число, занесенное в блоке 5 счета, соответствует номеру опрашиваемого столбца да- скретного фотопреобразователя 2, на котором находится граница раздела интерференционных полос. Это число ото-. бражается на индикаторах младшего разряда (ИМР) блока 6 индикации и соответствует смещению дробной части интерференционной полосы.

Схема блока 5 построена так, что обеспечивает увеличение показаний ин дикаторов старших разрядов в блоке 6 индикации независимо от знака смещения при появлении цифры 00 после цифры 31 на выходе блока 5 и исключает увеличение показаний индикаторов старших разрядов при возникновении цифры 00 вслед за цифрой 01„ Схема позволяет также уменьшить показания индикатора старшего разряда на 1 при появлении на выходе блока 5 цифры 31 после цифры 00.

Фо.рмула изобретения

Оптико-электронное устройство для измерения линейных перемещений, содержащее оптически связанные оптическую систему формирования полос и дискретный фотопреобразователь, светочув ствительный слой которого выполнен в

виде системы параллельных электрически изолированных фотоприемников, блок управления, выходы считывания которого соединены с управляющими входами дискретного фотопреобразователя, последовательно соединенные блок формирователей, выполненный в виде последовательно соединенных дифференциатора и схемы формирования, блок счета и блок индикации, два управляющих выхода блока счета подключены соответственно к управляющим входам схемы формирования,

отличающееся

jj

0

5

о

Q

5

0

5

тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено блоком обработки сигнала, выполненным в виде последовательно соединенных согласующего усилителя, вход которого подключен к выходу фото- преобразователя, и аналого-цифрового преобразователя, управляющий вход которого является первым входом блока обработки сигнала, последовательно соединенных по одной группе входов арифметическо-логического блока, пер вого буферного регистра и мультиплексора, двух инверторов, D-триггера и второго буферного регистра, управляющий вход арифметическо-логического блока соединен с управляющими входами первого буферного регистра и мультиплексора и через первый инвертор - с управляющим входом D-триггера, и является вторым входом блока обработки 5 -сигналов, первая группа входов ариф- метическо-логического блока соединена , с выходами аналого-цифрового преобразователя, вторая группа входов соединена с выходами мультиплексора, третья группа входов соединена с второй группой выходов первого буферного регистра, выход сравнения арифметико- логического блока соединен с информационным входом D-триггера, выход которого подключен к входу блока формирования, третья группа выходов буферного регистра соединена с входами второго буферного регистра, выходы второго буферного регистра соединены с второй группой входов мультиплексора, управляющий вход второго буферного регистра через второй инвертор соединен с входом сброса первого буферного регистра и является третьим входом блока обработки сигнала, блок управления выполнен в виде последовательно соединенных генератора тактовых импульсов, схемы счета дешифратора, схемы инверсии кода и схемы согласования

U16

выходы которой являются выходами считывания блока управления, первый и второй управляющие входы схемы инверсии кода соединены с управляющими выходами блока счета соответственно, первого одновибратора, вход которого соединен с последним выходом дешифратора, выход соединен с управляющим входом схемы согласования, второго одновибратора, вход которого соединен с выходом первого одновибратора, третьего одновибратора, вход которого объединен с входом первого одновибратора, первой схемы И-НЕ, первый вход которой соединен с выходом третьего оцновибратора, а второй вход - с выходом второго одновибратора, а выход - с управляющим входом генератора тактовых импульсов, четвертого од

Jl/ulflлллллnnшlnшlnлnллJlллnnплллллл

пппппппвппяипппппппппппяппипппяш

Ifcl I fcll jjjuuuuuu

35

-

0

5

новибратора, вход которого соединен с выходом первой схемы И-НЕ, а выход является третьим выходом бпока управления и соединен с третьим входом блока обработки сигнала и третьим yiipr.fi- ляющим входом схемы формирования блока формирователей, последовательно со- соединенных первого мультивибратора, вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов, а выход подключен к первому входу блока обработки сигналов, пятого одновибратора, второй схемы И-НЕ, второй вход которой подключен к выходу первого мультивибратора, а выход подключен к управляющему входу блока счета, и вто- рого мультивибратора, выход которого подключен к второму входу блока обработки сигналов.

Lr-И

/

6 U t л