Оптико-электронное помехоустойчивое измерительное устройство Советский патент 1992 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике, а именно к устройствам для измерения размеров нагретых изделий, и может быть использовано при контроле проката, поковок и других крупно- габаритных изделий при их производстве в нагретом состоянии.

На предприятиях различных отраслей народного хозяйства, выпускающих крупногабаритное оборудование, контроль гео- метрических параметров основных базовых деталей осуществляется, в основном, с помощью ручных измерительных средств - рулеток, кронциркулей и шаблонов. Все эти средства не обеспечивают необходимой точности и оперативности контроля и не позволяют осуществлять измерение изделий, не прерывая технологического процесса.

Известно оптико-электронное устрой- .ство, осуществляющее измерение размеров обечаек в процессе их производства на валковых листогибочных машинах, имеющее указатель отклонения размера детали от номинального и индикатор температуры на- гретой детали. Информация о температуре необходима для введения температурной поправки на размер детали при ее остывании.

Известны оптико-электронные измери- тельные устройства со сканированием изображения кромки изделия, которые преобразуют положение кромки изделия относительно оптической оси в широтно- импульсный сигнал, длительность которого пропорциональна этому положению. Эти устройства содержат оптическую систему, сканирующее устройство, электронный блок обработки информации с фотопреобразователем и индикатор отклонения раз- мера.

Оптико-электронные измерительные преобразователи с широтно-импульсной модуляций содержат-широкополосные усилители фототока и поэтому чувствительны к шумам, следовательно, такие преобразователи работоспособны только при определенном отношении сигнал/шум. Для выделения сигнала на фоне случайных помех целесообразно применение спектраль- ного метода, позволяющего определять скважность импульса по амплитуде гармонической составляющей измеряемого сигнала. Однако непосредственно применить такой метод не представляется возможным, поскольку амплитуда гармонической составляющей определяется не только длительностью, но и амплитудой сигнала.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство

для измерения угловых координат точечного источника излучения, содержащее прерыватель светового потока, выполненный в виде двух модуляторов с различными частотами модуляции, избирательный усилитель фототока с блоком автоматической регулировки усиления, настроенным на частоту первого модулятора, и полосовой фильтр, подключенный к усилителю фототека и настроенный на частоту второго модулятора,

Недостатком этого устройства является ограниченная точность измерения, так как устройство содержит два вращающихся модулятора, которые являются источниками погрешностей, обусловленных неравномерностью нанесения прорезей на вращающиеся диски, неравномерностью скоростей вращения дисков, технологической погрешностью установки дисков и нелинейной статической характеристикой измерительного преобразователя, обусловленной принципом действия вращающегося модулятора.

Это устройство не может быть использовано для измерения размеров деталей без дополнительных изменений, например один из модуляторов должен быть выполнен как сканатор, т.е. размер прорезей диска должен быть меньше размера между ними. Кроме того, этот преобразователь не позволяет определить знак измеряемой координаты относительно оптической оси.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что оптико-электронное помехоустойчивое измерительное устройство, содержащее прерывательсветовогопотока, последовательно соединенные усилитель фототока и блок автоматической регулировки усиления с полосовым фильтром и второй полосовой фильтр, вход которого соединен с выходом усилителя фототока, фильтры настроены на различные частоты, снабжено последовательно соединенными двухполу- периодным выпрямителем и. третьим полосовым фильтром и фазочувствительным фильтром низкой частоты, управляющий вход которого соединен с выходом второго и третьего полосовых фильтров, прерыватель светового потока выполнен в виде вибрационного сканатора с фотоприемником, выход которого соединен с входом усилителя фототока, управляющий вход соединен с выходом блока автоматической регулировки усиления, полосовой фильтр которого настроен на частоту сканирования, а второй и третий полосовые фильтры настроены на частоту, вдвое большую.

Указанное отличие позволяет значительно повысить точность измерения, так

как вибрационный сканатор не содержит составляющих погрешностей, присущих вращающимся сканирующим устройствам, особенно обусловленных отклонением скорости вращения. При синусоидальном зако- не сканирования статическая характеристика преобразователя отклонения размера в длительность импульса имеет зависимость, обратную синусоидальной, а при помощи спектрального преобразова- ния статическая характеристика измерительного устройства становится линейной, что в конечном счете повышает точность измерения. Введение фазочувствительного фильтра низкой частоты позволяет опреде- лять знак координаты смещения границы изделия. Кроме того, предлагаемое устройство значительно проще, так как меньше содержит механически подвижных частей, а следовательно, и надежнее.

На фиг. 1 изображена блок-схема латаемого устройства; на фиг. 2 - время-импульсная диаграмма, поясняющая работу устройства.

Прерыватель светового потока пред- ставляет собой вибратор 1, совершающий колебания с помощью генератора 2. На свободном конце вибратора 1 закреплен фотоприемник 3, подключенный, всвоюочередь, через сопротивление нагрузки RH к усилите- лю 4 фототока. Усилитель 4 фототока является избирательным и настроен на полосу пропускания f-2 f, где f-частота сканирования. К усилителю 4 фототока подключен блок автоматической регулировки усиления (АРУ), состоящий из электрического полосового фильтра 5, настроенного на частоту f, фильтра 6 низкой частоты с диодом и задающего элемента 7, которые соединены с входами дифференциального усилителя 8, который, кроме функции усиления, выполняет также функцию элемента сравнения. Выход дифференциального усилителя 8 соединен с фотоприемником 3. К усилителю 4, фототока подключен электрический полосе- вой фильтр 9, настроенный на частоту, вдвое большую частоты сканирования - 2f, к которому, всвою очередь, подключен ключ 10. Управляющий вход ключа 10 соединен с генератором 2 через двухполупериодный выпрямитель 11 и электрический.полосовой фильтр 12, настроенный на частоту 2f, и диод V. Выход ключа 10 подключен к фильтру 13 низкой частоты, соединенному, в свою очередь, с индикатором 14.

При работе измерительного устройства вибратор 1 совместно с фотоприемником 3 совершает возвратно-поступательное движение по-гармоническому закону Зек х А , cos 2 п ft, преобразуя пространственное

распределение освещенности в плоскости изображения объектива во временное иф(т) (диаграмма 15 на фиг. 2). Сигнал с фотопреобразователя 11ф(т.) имеет прямоугольную форму и длительность-этого импульса пропорциональна смещению границы изделия относительно оптической оси

r 4arccosЈ

т.е. зависимость нелинейная.

Амплитуда импульса напряжения на сопротивлении нагрузки RH - иф(1) зависит от температуры изделия. Усилитель 4 фототока являясь избирательным за счет введения частотно-зависимой отрицательной обратной связи, усиливает только две гармонические составляющие сигнала с частотами f и 2f. Полосовой электрический фильтр 5, настроенный на основную гармоническую со- ставляющую, осуществляет отрицательную обратную связь на частоте f и составляющая сигнала этой частоты поступает на фильтр б низкой частоты с диодом, осуществляющий преобразование синусоидального сигнала в постоянное напряжение, которое далее поступает на инвертирующий вход дифференциального усилителя 8. На второй неинвертирующий вход усилителя 8 поступает сигнал с задающего элемента 7. Если напряжение с фильтра 6 низкой частоты отличается от напряжения задающего элемента 7, то разность напряжений усиливается усилителем 8, выходное напряжение которого изменяет чувствительность фотоприемника 3 таким образом, чтобы амплитуда основной гармонической составляющей на выходе усилителя фототока оставалась постоянное и равной заданной. Таким образом, блок АРУ обеспечивает на выходе усилителя 4 фототока постоянную амплитуду основной гармонической составляющей (диаграмма 16 на фиг, 2). Величина этой амплитуды определяется с помощью интеграла Фурье

, / 1 ч

Vm-4M/m sl( -)

где а) - 2rif - круговая частота основной гармонической составляющей;

Ку - коэффициент усиления усилителя 4 фототока.

Сигнал с усилителя 4 фототока поступает на полосовой электрический фильтр 9,

настроенный на частоту 2f. Величина амплитуды этой гармонической составляющей на выходе фильтра 9 (Диаграмма 17 на фиг. 2)также определяется с помощью интеграла

Фурье

адт

Kw ь 2)

ovr

г 2

Отношение амплитуд гармонических составляющих

cos

Vim2

не зависит от величины амплитуды импульса напряжения на входе усилителя 4 фототока Um, а определяется только величиной длительности импульса т , которая, в свою очередь, определяется отклонением размера детали. Выразив отношение амплитуд К через проекцию отклонения размера х, получим выражение

К - COS о

wi(2

(О

arccos

Таким образом, величина отношения К зависит линейно от величины проекции отклонения размера при нелинейном законе сканирования. Поскольку амплитуда первой гармонической составляющей сигнала Dim постоянна, то величина отношения определяется по амплитуде второй гармонической составляющей U2m Uim К. Гармонический сигнал с полосового электрического фильтра 9 поступает на ключ 10, который, в свою очередь, управляется опорным синусоидальным напряжением U0n(t) с частотой 2f. Опорный сигнал преобразуется от синусоидального сигнала частоты f источника питания сканатора с помощью двухполуперйодного выпрямителя 11, полосового электрического фильтра 12, настроенного на частоту 2f. Опорное напряжение с помощью диода V управляет ключом 10 (диаграмма 17 на фиг. 2), который открыт только в течение одного полупериода опорного напряжения, что позволяет на выходе ключа получать пульсирующий сигнал {диаграмма 18 на фиг. 2), полярность которого Определяется фазой второй гармонической

составляющей, которая, в свою очередь, зависит от скважности импульса на входе усилителя фототока иф(г). Сигнал с выхода ключа 10 поступает на фильтр 13 низеой

частоты, а постоянное напряжение с этого фильтра подается на индикатор 14. Полярность напряжения на выходе фильтра 13 низкой частоты определяется положением границы изделия относительно оптической

оси измерительного устройства.

При внедрении оптико-электронного помехоустойчивого измерительного устройства для определения геометрических параметров крупногабаритных деталей

химнефтеаппаратуры повышается точность измерения, особенно при измерении остывшей детали на заключительном этапе технологического процесса. При повышении точности производства деталей исключается брак, а следовательно, и повторный технологический цикл, связанный с. исправлением формы детали. Кроме того, при повышении точности производства деталей повышается производительностьсборочных и монтажных работ при сборке химнефтеаппаратуры. .

Формула изобретения Оптико-электронное помехоустойчивое измерительное устройство, содержащее

прерыватель светового потока, последовательно соединенные усилитель фототока и блок автоматической регулировки усиления с первым полосовым фильтром и второй полосовой фильтр, вход которого соединен с

выходом усилителя: фототока, фильтры настроены на различные частоты, о т ли чающееся тем, что, с целью повышения точности за счет исключения движущихся механических узлов, оно снабжено последовательно

соединенными двухполупериодным выпрямителем и третьим полосовым фильтром и фазочувствительным фильтром низкой частоты, управляющий вход которого соединен с выходами второгоитретьего полосовыхфильтров, прерыватель светового потока выполнен в виде вибрационного сканатора с фотоприемником, выход которого соединен с входом усилителя фототока, управляющий вход -с выходом блока автоматической регулировки усиления, полосовой фильтр которого настроен на частоту сканирования, а второй и третий полосовые фильтры настроены на частоту, здвое большую.

X

№

у s / / NK XX /

фип

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности за счет исключения из устройства механических вращающихся элементов. Прерыватель светового потока выполнен в виде вибратора 1, совершающего колебания с помощью гене(Г ратора 2. На свободном конце вибратора закреплен фотоариемник 3, выход которого соединен с входом усилителя 4 фототока. Электронный тракт устройства организован, таким образом, что при синусоидальном законе сканирования статическая характеристика преобразования отклонения размера в длительность импульса имеет зависимость, обратную синусоидальной, но при помощи спектрального преобразования статическая характеристика измерительного устройства становится линейной. Знак координаты смещения границы измеряемого изделия определяется с помощью фазо- чувствительного фильтра 13 низкой частоты. Таким образом, прерыватель светового потока представляет собой вибрационный сканатор С фотоприемником и лишен вращающихся механических частей, что и обеспечивает достижение положительного эффекта. 2 ил. Л W ю