Фотоэлектрический преобразователь перемещений Советский патент 1991 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано для контроля, индикации и измерения перемещений различных контролируемых объектов.

Цель изобретения - повышение точности измерения за счет устранения ошибки, вызванной нестабильностью напряжения источника питания.

На фиг. 1 изображена структурная схема преобразователя; на фиг. 2 и 3 - теневая маска в исходном и рабочем положениях соответственно; на фиг. 4 - распределение потенциала по длине резистивного слоя фотопотенциометра.

Фотоэлектрический преобразователь перемещений содержит источник 1 света, последовательно установленные по ходу светового луча теневую маску 2, жестко связываемую с объектом контроля1 и имеющую два равновеликих прозрачных окна, и фотопотенциометр 3 с источником 4 питания. Резистивный слой 5 фотопотенциометра 3 имеет выводы на концах, соединенные с одной клеммой источника 4, средний вывод 6 и симметрично расположенные относительно него выводы 7 и 8. Фотопроводящий 9 и коллекторный 10 слои фотопотенциометра 3 разделены по поперечной оси диэлектрическим слоем 11. Обе части коллекторного слоя 10 имеют по одному выводу 12 и 13. Средний вывод 6 через измеритель 14 тока подключен к второй клемме источника 4. Маска 2 расположена в плоскости, перпендикулярной оптической оси источника 1 света, и имеет окна, одноименные точки которых симметричны относительно оптической оси источника 1, а их сечения, параллельные оси чувствительности фотопотенциометра 3, монотонно изменяются. Преобразователь содержит также три канала регистрации угловых, вертикальных и го- ризонтальных перемещений, которые включают в себя первые усилитель 15, блок 16 сравнения и блок 17 деления, вторые усилитель 18 и блок 19 сравнения, третьи усилитель 20 и блок 21 сравнения, первый блок 22 умножения, четвертые усилитель 23 и блок 24 сравнения, второй блок 25 умножения, сумматор 26 и второй 27, третий 28 и четвертый 29 блоки деления. Выход измерителя 14 через последовательно соединенные блоки 27, 15 и 16 подключен к первому входу блока 17, к второму входу которого через блоки 18 и 19 подключен выход блока 27. Симметричные выводы 7 и 8 через блок 28 подключены к первому входу блока 22, к второму входу которого через

со

с

о ч о

ю

блоки 20 и 21 подключен выход блока 17. Выводы 12 и 13 через блок 29 подключены к первому входу блока 25, к второму входу которого через блоки 23 и 24 подключен выход блока 17, который является первым выходом преобразователя. Выход блока 22 является вторым выходом преобразователя и подключен к первому входу сумматора 26, к второму входу которого подключен выход блока 25, а выход его является третьим выходом преобразователя. Выход источника 4 подключен к второму входу блока 27 и третьим зходам блоков 28 и 29.

Преобразователь работает следующим образом.

Луч света от источника 1,проходя через прозрачные окна маски 2, попадает на фо- топотснциомотр 3. Освещенные участки фо- топроводящего слоя 9, сопротивление которых становится пренебрежимо малым, шунтируют через соответствующие участки коллекторного слоя 10, сопротивление которого также пренебрежимо мало, расположенные над ними участки резистивного слоя 5. В исходном состоянии (фиг..2) начало системы координат ОмХмУм теневой маски 2 и начало системы координат OXY фотопотенциометра лежат на оптической оси источника 1 света. При этом распределение потенциала на резистивном слое 5, длина которого равна 2а, имеет вид, представленный штриховой линией на фиг. 4, На выводах 7 и 8, расположенных на расстоянии b от среднего вывода 6, равные потенциалы, а напряжение между ними равно нулю, что свидетельствует об отсутствии перемещения по оси Y. Потенциалы выводов 12 и 13, соответствующие горизонтальным участкам графика распределения потенциала фиг. 4, также равны, что определяет нулевое напряжение между ними, свидетельствуя об отсутствии перемещения по оси X. Измеритель 14 тока при отом определяет некоторое значение, соответствующее нулевому перемещению по углу 0. На всех трех выходах преобразователя нулевые сигналы. При перемещении контролируемого объекта вместе с маской 2 по оси X на ДХ, по оси Y на A Y и на угол 0 вокруг оптической оси источника 1 света положение маски 2 относительно системы координат OXY принимает вид, представленный на фиг, 3. Соответствующее этому положению распределение потенциала резистивного слоя 5 изображено на фиг. 4 сплошной линией. Напряжение между выводами 7 и 8 определяют выражением

Ub(h - 12)

Uy - - РА

(a-li)(a-l2)

0)

где U - напряжение источника 4 питания.

Напряжение между выводами 12 и 13 определяют выражением

Ux

5 (a-l2)-OX3(a-li) „.

. (а-1,)(а-12) w

10

Значение силы тока, протекающего через измеритель 14,равно

I

(h + I2) k(a-li)(a-l2)

(3)

где k - коэффициент, характеризующий сопротивление участка единичной длины резистивного слоя 5.

С учетом формы и размеров окон маски 2 (фиг. 2), расположения базисов OXY и 0MXMYM (фиг. 3), малости перемещений Дх, ДУи в и пренебрегая составляющими второго порядка малости, записываем приближенные выражения

li ki+ 2k2 Д Y+ кз в;

I2 ki-2k2 AY+ k3 &,

OXi k4+ ДХ-ka AY-ksft(4)

ОХз k4- ДХ+ k2 Д Y-k5 0 ; где Н ОмХ2м-ОмХ1м ОмХ4м-ОмХзм;

tnb

k2 tg

0

5

0

2

(0MX2M+OMXiM)k2(OMX4M+OMX3M): М ОмХ1м ОмХзм: .

Подставив выражения (4) в (1)-(3), определяем искомые значения перемещений ke-k

где

в

ka - kg Г

AY kioUy-knUy0;

ДХ - ki2Ux - ki3 Ux в + ki4 Д Y.

М -МЛ-д -М7, ,.

(5)

(6) (7)

m,

,Q-k. i k,0

Ю-М . 4Ubkj

(8)

k,(a-U

L Q k . L .11

i kn--2U ч ц

50

Представим выражение для коэффициентов ky и kg-ki2 в виде

k7 F k -Иа-ЫЪ

IVlf k;-akk,(a-kO)

(9)

55

k.nk, U

- iТогда выражения для углового и линейных перемещений можно записать в окончательном виде

0

ke-kU

и

ka - kb 1

Uv

ДУ (Йо-1с 10)

Ux

АХ ()+

Сигнал, соответствующий силе тока I, поступает с выхода измерителя 14 в блок 27 деления, где он делится на сигнал U, соответствующий напряжению источника 4, Сигнал отношения I/U с выхода блока 27 усиливается в усилителях 15 и 18 в k/ и kg раз соответственно, сравнивается в блоках 16 и 19 сравнения с сигналами ke и ks соответственно, а результаты сравнения делятся в блоке 17 друг на друга, формируя на первом выходе преобразователя сигнал углового перемещения в в соответствии с выражением (10). Сигнал Uy с выводом 7 и 8 делится в блоке 28 на сигнал U с выхода источника 4, а результат деления поступает на первый вход блока 22. Сигнал 0 с выхода блока 17 усиливается в усилителе в kn раз, сравнивается в блоке 21 с сигналом k io. а результатсравнения умножается на сигнал Uy/U в блоке 22, на выходе которого формируется сигнал вертикального перемещения AY согласно выражению (11). Сигнал их с выводов 12 и 13 делится в блоке 29 на сигнал U с выхода источника 4: Сигнал отношения Ux/U поступает на первый вход блока 25. Сигнал 0 с выхода блока 17 усиливается в усилителе 23 в ka раз, сравнивается в блоке 24 с сигналом ki2. результат сравнения перемножается в блоке 25 с сигналом UX/U и поступает на вход сумматора 26, На другой вход сумматора 26, масштабный коэффициент которого равен ki4, поступает сигнал AY с выхода блока 22. Таким образом, на выходе сумматора 26 формируется сигнал горизонтального перемещения согласно выражению (12).

Преобразователь перемещений по сравнению с выбранным прототипом характеризуется более высокой точностью измерения перемещений. Это обусловлено тем, что выходные сигналы преобразователя-прототипа формируются в соответствии с выражениями (5)-(7). При этом значения входящих в данные выражения коэффициентов kg-ku считаются постоянными. В соответствии с принятыми постоян0

ными значениями этих коэффициентов, которые определяются по выражениям (8), настраиваются соответствующие усилители и блоки сравнения каналов регистрации преобразователя-прототипа. В течение всего процесса измерения настройка этих блоков остается неизменной. Если при неизменных значениях перемещений 0. A Y и А X изменяется напряжение питания U источника 4 на величину г U, то выходные сигналы получают приращения в соответствии с выражением . 29

y9 W VM 9(лУ) vii

ЛУ этгуи;

()-а(дх

зи

VU

ii

зй

(k,-k,BJ)1

а-1е,.е,) Ma-e.Ka-to

JU41 аи

-A k.

.k.L.i..

id I

k,-k, 6U . Ь1Е,-Е,1 3jaO

(o-e,)(a-e,i Til

c k

V.-k.ftu ,Ru k

};

«k.

3uvj 3U

о z,)(a-e,i

При этом под коэффициентами в последних выражениях понимают значения, в соответствии с которыми производится настройка преобразователя до

5 изменения напряжения U, то есть до начала процесса измерения. Очевидно, что значения производных, а следовательно, и всех трех приращений, отличны от нуля. Этим определяется ошибка измерения, обуслов0 ленная нестабильностью источника 4 питания и характерная для преобразователя прототипа. В преобразователе выходные сигналы формируются каналами регистрации в соответствии с выражениями (10)-{12).

5 При этом усилители 15, 18, 20 и 23, блоки 16, 19, 21 и 24 сравнения и первый вход сумматора 26 настроены в соответствии со значениями коэффициентов , kg , kn , 1сз, ke, k8, kio1, kiy1 и ki4, которые, как следует из выра0 жений (8) и (9), не зависят от U. С учетом последнего и, подставив в выражения (10)- (12) выражения (3), (1) и (2) соответственно, нетрудно убедиться в том, что значения выходных сигналов не зависят от U. Следо5 вательно, ошибка от нестабильности источника питания отсутствует, что повышает точность измерения. Таким образом, цель изобретения достигнута.

Использование преобразователя перемещений позволяет повысить точность

регистрации и контроля положения различных объектов с несколькими степенями свободы.

Формула изобретения Фотоэлектрический преобразователь перемещений, содержащий источник света, последовательно установленные по ходу светового луча теневую маску с двумя равновеликими окнами, жестко связываемую с контролируемым объектом, фотопотенциометр с источником питания и три канала регистрации угловых, вертикальных и горизонтальных перемещений, плоскость теневой маски перпендикулярна оптической оси источника света, окна выполнены так, что их одноименные точки расположены симметрично относительно оптической оси источника света, а величины их сечений, параллельных оси чувствительности фотопотенциометра, монотонно изменяются, резистивный слой фотопотенциометра имеет выводы на концах, соединенные с одной клеммой источника питания, вывод в середине и два вывода, расположенных симметрично среднему, фотопроводящий и коллекторный слои фотопотенциометра разделены диэлектрическим слоем вдоль поперечной оси фотопотенциометра, каждая часть коллекторного слоя имеет вывод, средний вывод резистивного слоя фотопотенциометра подключен через измеритель тока к второй клемме источника питания, канал регистрации угловых перемещений содержит после- довательно соединенные первый усилитель, первый блок сравнения и первый блок деления, выход которого является первым выходом преобразователя, и последовательно соединенные второй усилитель, вход которого соединен в общую точку с входом первого усилителя, и второй блок сравнения, выход которого подключен к

второму входу первого блока деления, канал регистрации вертикальных перемещений содержит третий усилитель, третий блок сравнения и первый блок умножения, канал

регистрации горизонтальных перемещений содержит четвертый усилитель, четвертый блок сравнения, второй блок умножения и сумматор, выход которого является третьим выходом преобразователя, отличающийся тем. что, с целью повышения точности измерения за счет устранения ошибки, вызванной нестабильностью напряжения источника питания, дополнительно введены второй

блок деления, первый вход которого подключен к выходу измерителя тока, второй - к выходу источника питания, а выход - к входам первого и второго усилителей, третий блок деления, первый и второй входы

которого подключены соответственно к первому и второму симметричным выводам резистивного слоя фотопотенциометра, третий - к выходу источника питания, а выход подключен к входу первого блока умножения, и четвертый блок деления, первый и второй входы которого подключены соответственно к выводам первой и второй частей коллекторного слоя фотопотенциометра, третий - к выходу источника питания, а выход - к входу второго блока умножения, выход первого блока деления подключен через последовательно соединенные третий усилитель и третий блок сравнения к второму входу первого блока

умножения, выход которого подключен к входу сумматора и является вторым выходом преобразователя и через последовательно соединенные четвертый усилитель v, четвертый блок сравнения - к второму

входу второго блока умножения, выход которого подключен к второму входу сумматора.

Q f

N

I

T

i о .ь

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности измерений за счет устранения ошибки, вызванной нестабильностью напряжения источника питания. Цель достигается тем, что перед каждым каналом регистрации устанавливается блок деления сигнала. 4 ил.

-а хг

фигЗ