Амплитудно-фазовый оптический датчик перемещений Советский патент 1991 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к контрольно измерительной технике и может быть ис- пользоп-що для измерения перемещении

Об).ГК10П

Цель изобретения повышение точности измерения перемещений за счет устранения погрешностей, связанных с нестабиль,ностью вида информационного и опорного сигналов датчика перемещений и тем пературных погрешностей при работе оптического датчика перемещений

На фиг 1 изображена структурная электрическая схема амплитудно-фазового оптического датчика перемещений; на фиг. 2 - пекторная диаграмма формирования выходного сигнала сумматора.

Амплитудно-фазовый оптический датчик перемещений содержит последовательно соединенные однофазный источник 1 переменного напряжения и излучатель 2 светового потока, фотоприемник 3 отраженного сигнала, оптически связанный с излучателем 2 светового потока, последовательно соединенные фотоприемник 4 опорного сигнала, оптически связанный с излучателем 2 светового потока, фазовращатель 5 и масштабирующее звено 6, после довательно соединенные избирательный усилитель 7. вход которого соединен с выходом фотоприемника 3 отраженного сигнала, и сумматор 8, второй вход которого соединен с выходом масштабирующего звена 6, блок 9 коррекции фазы модулирующего сигнала, вход которого соединен с выходом источника 1 переменного напряжения, первый и второй полосовые фильтры 10 и 11, входы которых соединены соответственно с выходами сумматора 8 и блока 9 коррекции фазы модулирующего сигнала, первый блок 12 автоматического регулирования скважности сигналов, первый усилитель-ограничитель 13, вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра 10 и выходом первого блока 12 автоматического регулирования скважности сигналов, второй усилитель- ограничитель 14, второй блок 15 автоматического регулирования скважности сигналов, выход которого соединен с выходом второго полосового фильтра 11 и вхо дом второго усилителя-ограничителя 14. фазометр 16, первый и второй влоды которого соединены соответственно с выходом первого усилителя-ог раничителя 13 и-входом первого Ьл )ка 12 автоматического регулирования скважности сигналов и с выходом второго усилителя-ограничителя 14 и входом второго блока 15 автоматическое регулирования скважности сигналов. Фазометр 1G выполнен в виде последовэ0

0

те ль но соединенных фазового детектора 17, первый и второй входы которого являются первым и вторым входами фазометра 16 соответственно, фильтра 18 низких частот, усилителя 19 постоянного тока, выход которого является выходом фазометра 16. и узла 20 масштабирования выходного сигнала, вход и выход которого соединены соответственно с выходом и входом усилителя 19 постоянного тока.

Амплитудно-фазовый оптический датчик перемещений работает следующим образом.

Однофазный источник 1 синусоидаль5 ного напряжения низкой частоты осуществляет амплитудную модуляцию светового потока излучателя 2 светового потока, и модулированный световой поток падает на фотоприемник 4 опорного сигнала и на отражающую поверхность 21 объекта контроля, от которой отраженный световой поток попадает на фотоприемник 3 отраженного сигнала На выходах фотоприемников 4 и 3 опорного и отраженного сигналов формиру5 ются гармоничеекие сигналы U0n и 1)отр(х) с частотой источника модулирующего напряжения U , сдвинутые один относительно другого по фазе на 180° (фиг. 2) за счет питания фотоприемников напряжением постоянного тока разной полярности. С помощью фазовращателя 5 и масштабирующего звена 6 формируют сигнал U0n. сдвинутый по фазе относительно отраженного сигнала Uon на угол /(фиг. 2). меньший 90°.

5 Гармонические сигналы Ump(x) и Don с выходов фотоприемника 3 отраженного сигнала через избирательный усилитель 7 и фазовращатель 5. через масштабирующее звено 6 соответственно поступают на первый и второй входы сумматора 8. На сумматоре 8 происходит геометрические сложение гармонических сигналов UO TP(X) и Uon, и на выходе сумматора 8 формируется результирующий сигнал Upea. вектор которого вра5 щается вследствие изменения по амплитуде отраженного сигнала Uorp(x) в функции перемещения.

Фазу результирующего гармонического сигнала Upn3 (фиг. 2) определяют выражени0 ем

sini/b

0

0

r/7- arctg -

COS /b

и)П

(1)

Ucup (х)

5 где р - фаза результирующего сигнала UpP1 с выхода сумматора 8

J/b сдвиг фаз между гармоническими сигналами UOM и Uorp(x) .

Don - гармонический сигнал с выхода масштабирующего звена 6.

Uoip(x) - гармонический сигнал с выхода избирательного усилителя 7.

Результирующий сигнал U(,e.) с пыхода сумматора 8 и модулирующий сигнал U-- с выхода источника 1 синусоидального напряжения через блок 9 коррекции фазы модулирующего сигнала, через полосовые фильтры 10 и 11 соответственно поступают на входы первого 13 и второго 14 усилителей-ограничителей, на выходах которых формируются две последовательности 1)реэ и U- двуполярных импульсов прямоугольной формы, которые подаются на первый (Вх. 1) и второй (Вх. 2) входы фазового детектора 17, входящего в состав фазометра 16. На выходе фазового детектора 17 из двух последовательностей прямоугольных импульсов формируется одна последовательность Щ однополяриых прямоугольных импульсов, длительность которых пропорциональна изменению фазы результирующего сигнала Урез с выхода сумматора 8, определяемой выражением (1), т. е. пропорциональна измеряемому перемещению X.

Сигнал Ug с выхода фазового детектора 17 поступает через фильтр 18 низких частот на вход усилителя 19 в виде напряжения постоянного тока. т. е. фильтр 18 обеспечивает выделение постоянной составляющей из последовательности однополярных импульсов Ug прямоугольной формы. Величи- на постоянного напряжения U. на выходе фильтра 18 пропорциональна длительности импульсов Ug, т. е. пропорциональна измеряемому перемещению X.

Усилитель 19 постоянного тока обеспечивает усиление постоянного напряжения U- до необходимой величины, и с выхода усилителя 19 выходное напряжение постоянного тока UBUX- поступает на вход регистрирующего прибора, например вольтметра (не показан).

Избирательный усилитель 7 представляет собой полосовой RC-усилитель, состоящий из последовательного и параллельного соединения нескольких селективных RC-це- пей с использованием в качестве активных элементов усилительных микросхем широкого применения и обеспечивающий преимущественно усилении в заданной полосе частот.

Введение избирательного усилителя 7 и полосовых фильтров 10 и 11 повышает точность измерения за счет уменьшения коэффициента нелинейных искажений формы синусоидальных сигналов Uoip(x), ирез. и U и ослабления мешающего действия фоновых засветок на эти сигналы.

Э ю объясняе I я 1См что и збира юль ный усилитель 7 усиливает поргл Ю гармонику сигнала Uoip(x). я также комбинационные частоты, появляющиеся oi перемещения 5 отражающей поверхности 21. с частотой, не превышающей в реальных условиях работы 1000 Гц, a tn орая, третья и другие высшие гармоники сигнала ослабляются избирательным усилителем, так как ониока- 10 зываются за пределами его полосы пропускания.

Полосовые фильтры 10 и 11 пропускают без ослабления сигналы Upe и U и их комбинационные частоты, расположенные 5 в полосе пропускания, и ослабляют все ме- шпющие сигналы с частотами, меньшими нижней границы полосы пропускания фильтра (например часто га питающем сети 50 Гц и ее высшие гармоники) и большими верх- 0 ней границы полосы пропускания фильтра (например фоновые засветки от источников света)

Вследствие Э ого уменьшается искажение формы синусоидальных сигналов Upe.i. 5 I.L м Udip(x) . Следовательно, увеличивается точность измерения перемещений.

Повышение точности измерений достигается и за счет введения в состав устройства двух усилителей-ограничителей 13 и 14, ра- 0 ботающих с блоками 12 и 15 автоматического регулирования скважности сигналов.

Введение двух усилителей-ограничителей обеспечивает равенство результирующего Upej и модулирующего U напряжений 5 на сигнальных входах фазометра 16, что уменьшает погрешность измерения, обусловленную неравенством амплитуд сигналов, между которыми измеряется разность фаз.

0Введение в состав устройства двух блоков 12 и 15 автоматического регулирования скважности результирующего ир,ч и модулирующего и сигналов с выхода усилитепей- ограничителей 13 и 14 соответственно 5 уменьшает температурную погрешность устройства, так как блоки 12 и 15 работают в следящем режиме за скважностью прямоугольных сигналов DIM-З и U- и автоматически поддерживают скважность 0 этих 0 сигналов равной 0-- 2. В результате повышается точность измерения перемещений.

Повышение точности измерения за счет использования блока 9 коррекции фазы мо- 5 дулирующего сигнала и узла 20 масштабирования выходного сигнала заключается в следующем. В процессе эксплуатации вследствие временной нестабильности составных элементов устройства или от воздействия температуры нулевое значение выходной характеристики может смещаться, т е. выходная характеристика смещается параллельно характеристике, снятой при градуировании, что приводит к снижению точности измерений.

Для исключения смещения нуля выходной характеристики устройства с помощью блока 9 коррекции фазы модулирующего сигнала U- , представляющего собой регулируемый фазовращатель, плавно смещают фазу модулирующего сигнала U- на втором сходе фазометра 16, относительно которого измеряют фазу результирующего Урез сигнала так, чго выходная характеристика устройства приближается и совпадает с исходной выходной характеристикой, снятой при градуировании прибора в процессе изготовления Помимо смещения нуля выходной характеристики устройства вследствие временной нестабильности и дестабилизирующих факторов (температура и другие) в процессе эксплуатации может изменяться масштаб преобразования устройства, что также приводит к снижению точности измерения.

Для исключения изменения масштаба преобразования устройства с помощью узла 20. включенного между выходом и входом усилителем 19 постоянного тока фазометра, изменяют масштаб преобразования так, чтобы выходная характеристика устройства совпадала с исходной выходной характеристикой, снятой при градуировании устройства в процессе изготовления.

В результате регулирования масштаба преобразования устройства перед проведением измерений в процессе эксппуата- ции. с помощью узла 20 исключается возникающее изменение чувствительности устройства, обусловленное воздействием дестабилизирующих факторов и временной нестабильностью составных элементов устройства т Р попытается точность перемещений

Фор мул л изобретения Амппитуднг) фазовый оптический датчик перомгщомим содержащий последоваюльно соединенные источник переменного напряжения и излучатель светового потока, фотоприемник отраженного сигнала, оптически связанный с излучателем светового потока, последовательно соединенные фотоприемник опорного сигнала, оптически связанный,с излучателем светового потока, фазовращатель и масштабирующее звено, сумматор, второй

0 вход которого соединен с выходом масштабирующего звена, и фазометр, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, он снабжен избирательным усилителем, блоком коррекции фа5 зы модулирующего сигнала, первым и вторым полосовыми фильтрами, первым и вторым усилителями-ограничителями, первым и вторым блоками автоматического регулирования скважности сигналов, входы

0 которых соединены соответственно с выходом первого усилителя-ограничителя и первым входом фазометра и с выходом второго усилителя-ограничителя и вторым входом фазометра, а выходы соеди5 нены соответственно с выходом первого полосового фильтра и входом первого усилителя-ограничителя и с выходом второго полосового фильтра и входом второго усилителя-ограничителя, вход избирательно0 го усилителя соединен с выходом фотоприемника отраженного сигнала, выход соединен с первым входом сумматора, выход которого соединен с входом первого полосового фильтра, вход блока

5 коррекции фазы модулирующего сигнала соединен с выходом источника переменного напряжения, выход соединен с входом BTOpoio полосового фильтра, фазометр выполнен в виде последовательо но соединенных фазового детектора, первый и второй входы которого являются первым и вторым входами фазометра соответственно, фильтра низких частот и усилителя постоянного тока, выход которого

5 является выходом фазометра и узла масштабирования выходного сигнала, вход и выход которого соединены соответственно с выходом и входом усилителя постоянного тока

0

UOWlx)

W

фиг. 2

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности измерения перемещений за счет устранения погрешностей, связанных с нестабильностью вида информационного и опорного сигналов датчика перемещений и температурных погрешностей при работе оптического датчика перемещений. Амплитудно-фазовый оптический датчик перемещений содержит последовательно соединенные однофазный источник 1 переменного напряжения и излучатель 2 светового потока, оптический сигнал с выхода которого, отражаясь от контролируемой поверхности 21, попадает на фотоприемник 3 отраженного сигнала, где преобразуется в электрический сигнал, первая гармоника которого усиливается избирательным усилителем 7 и подается на первый вход сумматора 8, на второй вход которого подается опорный сигнал с выхода фотоприемника 4 опорного сигнала через фазовращатель 5 и масштабирующее звено 6. Фаза сигнала на выходе сумматора 8 будет пропорциональна перемещению контролируемой поверхности 21. Сигнал с выхода сумматора 8 фильтруется фильтром 10, регулируется блоком 12 и через усилитель-ограничитель 13 подается на первый вход фазометра 16. Сигнал с выхода источника 1 переменного напряжения, корректируясь по фазе блоком 9, фильтруется фильтром 11, регулируется блоком 15 и через усилитель-ограничитель 14 подается на второй вход фазометра 16, причем с амплитудой и скважностью, равными амплитуде и скважности сигнала на первом входе фазометра 16. Фазометр 16 преобразует разность фаз между сигналами на входе в постоянный сигнал на выходе, величина которого пропорциональна перемещению контролируемой поверхности 21. 2 ил.