Способ контроля перемещений и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01B21/00 

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

Известны способы и устройства для измерения перемещений, использующие фотоэлектрические методы контроля.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является оптикоэлектронное углоизмерительное устройство. N

Способ,

реализованный в устройстве.

позволяет формировать сигнал, пропорциональный величина перемещения путем косвенного; измерения мощности излучаемых световых потоков в предположении, чтЬ мощность световых потоков лиl

нейно зависит от величины тока, протекающего через источники света.

Поскольку реальная зависимость мощности излучения от величины протекающего тока всегда нелинейна, то возникает по- грешность измерения перемещения.

Целью изобретения является повышение точности контроля перемещения путем исключения косвенных измерений и, кроме того, обеспечение возможности контроля двух координат.

Указанная цель, согласно способу достигается тем, что формируют две пары немодулированных световых импульсных потоков, сдвинутых в пространстве попарно в направлении перемещений, модулируют амплитуды потоков в зависимости от перемещения, образуют суммарный поток, выделяют часть немодулированного потока, преобразуют суммарный и немодулированные потоки в основной и опорный сигналы.

Импульсные световые потоки формируют с взаимным сдвигом во времени на четверть периода повторения, выделяют из основного сигнала пары импульсов, сдвинутые во времени на половину периода повторения. Из каждой пары импульсов формируют сигналы, пропорциональные сумме нечетных гармоник, по которым судят о величине и направлении перемещений. Формируют из каждой пары импульсов сигналы, пропорциональные сумме четных гармоник, начиная с четвертой, выделяют из опорного сигнала пары импульсов, сдвину- тые во времени на половину периода повторения, формируют из каждой пары импульсов сигналы, пропорциональные сумме нечетных гармоник, формируют суммарные и разностные сигналы из сигналов четных гармоник каждой пары основного сигнала и сигналов нечетных гармоник каждой пары опорного сигнала.

Суммарные и разностные сигналы сравнивают с эталонными сигналами и по ре- зультатам сравнения регулируют амплитуду импульсных световых потоков.

Согласно устройству цель изобретения достигается тем, что в устройстве, содержащем две пары источников излучения, опти- чески связанных с основным и опорным фотоприемниками, первый двухпозицион- ный ключ, вход которого соединен с основным фотоприемником, введен второй двухпозиционный ключ, два синхронных де- тектора, четыре перемножителя сигналов, два сумматора, шесть блоков вычитания сигналов, четыре интегратора, четыре одно- позиционных ключа и блок синхронизации;

выход опорного фотоприемника соединен с входом второго двухпозиционного ключа, выходы первого двухпозиционного ключа соединены с входами синхронных детекторов и входами первого и второго перемножителей. Выходы второго двухпозиционного ключа соединены с входами третьего и четвертого перемножителей: выход первого перемножителя соединен с первыми входами первого сумматора и первого блока вычитания, вторые входы которых соединены с выходом третьего перемножителя; выход второго перемножителя соединен с первыми входами второго сумматора и второго блока вычитания, вторые входы которых соединены с выходом четвертого перемножителя; выходы первых сумматора и блока вычитания соединены с первыми входами третьего и пятого блоков вычитания, на вторые входы которых подан эталонный сигнал; выходы вторых сумматора и блока вычитания соединены с первыми входами четвертого и шестого блоков вычитания, на вторые входы которых подан эталонный сигнал; выходы третьего, четвертого, пятого и шестого блоков вычитания соединены через последовательно соединенные интеграторы и однопозиционные ключи с источниками излучения; выходы блока синхронизации соединены с управляющими входами двухпозиционных ключей, перемножителей, синхронных детекторов и однопозиционных ключей.

На фиг.1 показаны световые импульсные потоки (изображения источников излучения) в проекции на чувствительную площадку основного фотоприемника; на фиг.2 - структурная схема устройства; фиг.З и 4 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

В основу способа положены свойства периодических функций.

Любую периодическую функцию можно представить в виде гармонического ряда Фурье, состоящего из четных и нечетных гармоник:

00 г9 ТТ

Si(t) а0/2 + 2 Га2п cos 2n + n 1L

г Ь2п sin2n Ptl +

«. f Га2п-1С08(2п-1)-Рг +

n 1L1

+ D2n-i sin (2n -1)Pt , (1)

где a2n, ban, Э2п-1, Ь2п-1 - коэффициенты ряда,

Т - период.

Эта же функция, сдвинутая в ту или иную сторону на Т/2:

S2(t) Si(t±T/2)a0/2 +

00

+

2П

2 Га2п C0s2n -it+b2n

п 1 LI

Xsin 2n

2П

г1 оо9 п

- 2 |a2n-i.cos(2n-1)t + n 1 L

2П

+ b2n-l sin(2n -l)

Пусть функциями Si(t) и S2(t) промодули- рованы источники излучения, сдвинутые в пространстве в направлении перемещения. При перемещении изображений источников излучения по фотоприемнику доля мощности от каждого источника, попадающая на фотоприемник, будет изменяться в соответствии с модулирующими функциг иь Ri(x), Rz(x), Ra(y), R4(y).

Поэтому сигнал фотоприемника (для одной из координат) можно записать в виде:

S(x,t) Ri(x) 81 (t) + R2(x) S2(t) (3) или с учетом (1) и (2):

S(xit)(x) + R2(x) + + Ri(x) + fc(x) Д Га2пС052п гР t + b2n sin +

+ Ri(x)-R2(x)l 1

LJn i(4)

a2n - 1 COS (2n - IJ-y-t + D2n -1 X

xsin(2n-i)-Pt

Четные гармоники результирующего сигнала S(xit) промодулированы суммой функций Ri(x) + R2(x), а нечетные разностью Ri(x)-R2(x).

ряую

2)

ли- е в ия. нищаяотиь

оде:

)

его ой ью

При соответствующем выборе формы источника излучения (фиг.1) сумма функций Ri(x) + R2(x) будет постоянна в некоторой области перемещений, а разность RI(X) 5 R2(x) образует дифференциальную позиционную характеристику. Следовательно, если выделить сигнал четных гармоник, то он не будет зависеть от перемещения, а будет зависеть от коэффициента передачи фото10 электрического канала, что позволяет стабилизировать его. Сигнал нечетных гармоник будет пропорционален перемещению.

Опорный сигнал не зависит от переме15 щений. Выделяя из опорного сигнала сигнал нечетных гармоник, можно контролировать равенство излучаемых парой источников мощностей и регулировать мощности источников.

20 При измерении по двум координатам сигналы от каждой пары источников излучения выделяются из сигнала фотоприемника коммутацией, при этом частота коммутации вдвое выше частоты повторения и сигнал

25 коммутации содержит только четные гармоники частоты повторения. Для исключения влияния сигнала коммутации на точность определения перемещений четные гармо- никл из осы,ь ioro фотоприемника

30 выделяют, начиная с четвертой.

Устройство (фиг.2) содержит блок 6 источников излучения, в котором размещены источники 1-4, конфигурация и расположение которых изображены на фиг.1. С источ35 никами излучения (блоком 6) при помощи оптической системы, содержащей объектив 7, светоделитель 8 и контрольный элемент 9, связаны основной и опорный фотоприемники 5 и 10. Выходы фотоприемников 5 и 10

40 подключены к входам первого и второго двухпозиционных ключей 11 и 12. Выходы ключа 11 соединены с входами синхронных детекторов 13 и входами первого и второго

45 перемножителей сигналов 14 и 15. Выходы ключа 12 соединены с входами третьего и четвертого перемножителей 16 и 17 Выход перемножителя 14 соединен с первыми выходами первого сумматора 18 и первого бло50 ка 19 вычитания сигналов, вторые входы которых соединены с выходом перемножителя 16 Выход перемножителя 15 соединен с первыми входами второго сумматора 20 и второго блока 21 вычитания, вторые вхо55 ды которых соединены с выходом пере- множит ля 17. Выходы сумматора 18 и блока 19 вычитания соединены с первыми входами третьего ч пятого блоков 22 м 23 ния на вторые входы которых подан эта лонный сигнал U.)л. Выходы сумматора

20 и блока 21 вычитания соединены с первыми входами четвертого и шестого блоков 24 и 25 вычитания, на вторые входы которых подан эталонный сигнал.

Выходы блоков вычитания 22-25 подключены через последовательно соединенные интеграторы 26 и однопозиционные ключи 27 к источникам излучения блока 6. Выходы блока синхронизации 28 соединены с управляющими входами ключей 11 и 12, перемножителей 14-17, синхронных детекторов 13 и однопозиционных ключей 27,

Световые потоки от источников излучения блока 6 проходят через светоделитель 8, объектив 7, отражаются от контрольного элемента 9 и тем же путем в обратной последовательности попадают на фотоприемник 5. Отклонения контрольного элемента 9 на углы а,{$ вызывают модуляцию потоков, попадающих на фотоприемник 5.

Часть светового потока отводится светоделителем 8 на опорный фотоприемник 10. Эта часть потока при перемещении не модулируется.

Световые потоки источников модулированы во времени сигналами Т1-Т4 (фиг.3.1), сдвинутыми на четверть периода повторения. Сигнал фотоприемника 5 содержит сиг- налы от световых потоков, амплитуда которых зависит от перемещений и коэффициента передачи фотоэлектрического канала, и сигнал постоянной составляющей той или иной полярности, вызванный темновым током фотоприемника, смещением нуля усилителя и т.п. Сигнал фотоприемника 10 содержит сигналы от световых потоков, амплитуда которых зависит от мощности излучения источников 1-4, а также сигнал постоянной составляющей. Сигналы фотоприемников Us( а,/, t) и Uio(t) показаны на фиг.3.1 для случая смещений Х0, Y0 (фиг,1.)

При помощи ключей 11 и 12, управляемых сигналом коммутации ТК, из сигналов Us( a ,/3, t) и Uio(t) выделяются сигналы соответствующей координаты а и/. Сигна- лы Un( a) и t) поступают на синхронные детекторы 13, в которых они умножаются на сигнал ТП1, содержащий только нечетные гармоники частоты повторения. Результаты перемножения (сигналы Uia( «1 ,t) и Ui3(/,t) фильтруются с целью выделения постоянной составляющей, которая и является выходным сигналом устройства (J.j или U;, пропорциональным угловому отклонению «или/.

Аналогичные операции происходят в перемножителях 16 и 17. Постоянная составляющая сигналов 1Иб( a ,t) и Ui7( Д t)

зависит только от разбаланса мощностей излучения соответствующих источников.

Сигналы с выходов ключа 11 также поступают на перемножители 14 и 15. На вто- рые входы перемножителей подается сигнал ТП2, содержащий только четные гармоники частоты повторения, начиная с четвертой, так как частота сигнала ТП2 в четыре раза выше частоты повторения. Постоянная 0 составляющая сигналов Ui4(«i t) и Ui5( t) зависит от коэффициента передачи фотоэлектрического канала.

Сигнал U 14(#11) поступает на сумматор

18и блок 19 вычитания, где к нему добавля- 5 ется сигнал разбаланса источников излучения 1Нб( #1 t), при этом сигнал на выходах блоков 18 и 19 становится больше для менее яркого источника излучения и меньше для более яркого. Аналогично формируется сиг0 нал на выходах блоков 20, 21 для другой координаты. Сигналы с выходов блоков 18,

19и 20, 21 поступают на блоки 22, 23 и 24, 25 вычитания,где сравниваются с соответствующими эталонными сигналами U эсс и

5 1)э/ .Сигналы с выходов блоков вычитания поступают на интеграторы 26 и далее на однопозиционные ключи 27. Ключи 27 управляются импульсами Т1-Т4. При замыкании ключей 27 сигналы с интеграторов 26

0 поступают на соответствующие источники излучения, чем достигается регулирование мощности излучения с целью поддержания постоянства коэффициента передачи фотоэлектрического канала и равенства мощно5 стей излучения каждой пары источников.

Рассмотренные способ и устройство позволяют стабилизировать параметры сигналов U, и U/J, при этом нелинейность характеристик элементов не влияет на ста0 бильность.

Формула изобретения 1, Способ контроля перемещений по двум координатам, заключающийся в формировании двух пар немодулированных

5 световых импульсных потоков, сдвинутых в пространстве попарно в направлении перемещений, модуляции амплитуды потоков в зависимости от перемещения, образовании суммарного потока, выделении части немо0 дулированного светового импульсного потока, преобразовании суммарного и немодулированного светового импульсного потоков в основной и опорный сигналы, о т- личающийся тем, что, с целью повыше5

ния точности, немрдулированные импульсные световые потоки формируют с взаимным сдвигом на четверть периода повторения, выделяют из основного сигнала пары импульсов, сдвинутые во времени на

половину периода повторения, формируют из каждой пары импульсов сигналы, пропорциональные сумме нечетных гармоник, и сигналы, пропорциональные сумме четных гармоник, начиная с четвертой, выделя- ют из опорного сигнала пары импульсов, сдвинутые во времени на половину периода повторения, формируют из каждой пары импульсов сигналы, пропорциональные сумме нечетных гармоник, формируют суммарные и разностные сигналы из сигналов четных гармоник каждой пары основного сигнала и сигналов нечетных гармоник каждой пары опорного сигнала, сравнивают суммарные и разностные сигналы с эталонными сигнала- ми и по результатам сравнения регулируют амплитуду импульсных немодулированных световых потоков, а величину перемещения контролируют по сигналам от пар импульсов, выделенных из основного сигнала, сдвинутых во времени на половину периода повторения.

2. Устройство для контроля перемещений, содержащее две пары источников излу- чения, оптически связанные с источниками излучения основной и опорный фотоприемники, двухпозиционный ключ, вход которого соединен с основным фотоприемником, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено вторым двухпозиционным ключом, двумя синхронными детекторами, четырьмя перемножителями сигналов, двумя сумматорами, шестью блоками вычитания сигналов, че- тырьмя интеграторами, четырьмя однопозиционными ключами и блоком синхронизации, выход опорного фотоприемника соединен с входом второго двухпози- ционного ключа, выходы первого двух- позиционного ключа соединены с входами синхронных детекторов и входами первого и второго перемножителей, выходы второго двухпозиционного ключа соединены с входами третьего и четвертого перемножителей, выход первого перемножителя соединен с первыми входами первого сумматора и первого блока вычитания, вторые входы первого сумматора и первого блока вычитания соединены с выходом третьего перемножителя, выход второго перемножителя соединен с первыми входами второго сумматора и второго блока вычитания, вторые входы второго сумматора и второго блока вычитания соединены с выходом четвертого перемножителя, выходы первого сумматора и первого блока вычитания соединены с первыми входами третьего и пятого блоков вычитания, выходы вторых сумматора и блока вычитания соединены с первыми входами четвертого и шестого блоков вычитания, на вторые входы третьего, четвертого, пятого и шестого блоков вычитания подается эталонный сигнал, выходы третьего, четвертого, пя- того и шестого блоков вычитания подключены через последовательно соединенные интеграторы и однопозиционные ключи к источникам излучения, а выходы блока синхронизации соединены с управляющими входами двухпозиционных ключей, перемножителей, синхронных детекторов и однопозиционных ключей.

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности. Способ основан на формировании двух пар световых импульсных потоков, сдвинутых в пространстве попарно в направлении перемещений, модуляции амплитуды потоков в зависимости от перемещения, формировании суммарного потока, выделении части немодулированного потока и преобразовании суммарного и немодулированного потоков в основной и опорный сигналы. Положительный эффект достигается за счет исключения косвенных измерений и связанных с ними погрешностей, обусловленных нелинейностью зависимости мощности световых потоков от величины тока. Для этого формируют информационный сигнал, пропорциональный сумме нечетных гармоник пар импульсов основного сигнала, сдвинутых на половину периода повторения, по которому судят о величине и направлении перемещений. Формируют сигналы, пропорциональные соответственно сумме четных пар указанных импульсов сумме нечетных пар импульсов опорного сигнала, сдвинутых на полпериода, из которых в свою очередь формируют суммарный и разностный сигналы, по результатам рассогласования которых с эталонными регулируют амплитуду импульсных световых потоков, исключая таким образом необходимость в косвенных измерениях. Устройство содержит блок 6 источников излучения, в котором размещены источники 1-4, которые связаны при помощи оптической системы, содержащей объектив 7, светоделитель 8 и контрольный элемент 9, с основным и опорным фотоприемниками 5 и 10, выходы которых, в свою очередь, связаны с трактом электронной обработки сигналов, в котором осуществляется обработка основного и опорного сигналов в соответствии с one- рациями способа. 2 с.п.ф-лы, 4 ил. fe V| СО GJ О Ю ON

фи

Уо

Хо

жПжГсжГс.т л7 jm т

let Ij3

Фиг. 2

фие.З

ЦО№А

У„Ш I

Г/72

UJdt.tl

v«lp.i