Устройство для определения координат светового пятна Советский патент 1992 года по МПК G01B21/00 

jsjLJIIJzH

тически взаимоцейств 8т г ком 7 через отверстие в основании Сигнал с линейного фотоэлемента поступке нч первый каскад 9 блока с1 Фор.лигэчаьля ил пульсов, где в сумматор0 10 алгебоамче Х складывается с гипсом от источиu опорных напряжений ь поступает g 1 определения угловой гоордчнэты iisio- гичным образом сигнал с фотоприег руп а / проходит через втором блок 7 формюэвз- ния импульсов вмпочнемнь й aijcarг н первому, и поступав yn cni T v

згсн 16 Положительный эффект обеспечи

чрзгся путем преобразования информациt импульсного сигнала в импульс

i3 длительности и большем крутизны

баемого в результате прохождения

gr,-. | лрез ряд аскэдов каждый из которых

из последовательно соединенных

10 и операционного усилителя 11

блска/ 8 и 27 формирования импульсов в

c cvn-i зт его уменьшается временная по

б1 сь гоябать вания элементов злект

пи с i ч тэ 3 з п ф лы 12 ил

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности за счет уменьшения влияния дифракции светового потока от источника, связанного с объектом. В результате оптического взаимодействия линейного фотоэлемента, закрепленного на вращающемся основании, и источника света последний формирует в плоскости враще- ния фотоэлемента световое пятно. Источник дополнительного освещения оп

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть не пользовано, например для определения линейных и угловых расстояний на котооье перемещаются объесгг атак ерзсстоянл i между объек ом и мсточчиком света

Известно устройство п,пя измерения i ремещений светового содерхашес координатно-чувствительный фотоприе ник, блок сумматоров (по числу кагзлзв г мерения) и источник света Г1

Данное устройство об-ас.тз -упает рение коордичат светового Й Б ЗСТИО- го размера образурГ 1 го nci04in/i c i нэ фотоприемнике пр/ эюи точнс ь мзморе- ний ограничена вследст дю/ретного хе- рактера измерений и мзкой пэчреюаюч й способности оорЈ /тагной и° за значительных фо спомемникоо Повышение мувстьителььости сопояччечо резким повышением сложное и косрамч -т- ной системь i подключенного ,-зй блока сумматоров Это приводит также л повышенным габаритам координатной и стоимости устройства в целом К данном устройстве присутствует возможная неоднозначность определений координат за счет влияния конечных размеров светового пятка, а также из-за имеющих место дифракционных явлений в результате чего возникает ГЭУССОВО распределение интенсианостей свето зогс 4i- нала (как правило ( } плошенной вершиной - за счет соотношения размероь светового т- на и элемента фо оприемника)

Известно также устройство опоедепе- ния координат светового пгпиа, содержащее две оптозлекгроикые пары - орни с подвижным линейным фотоэлекенгом а другую - со стационарным точечным фото- приемником, блок обработки cwfr aflj а-ю чающий два канала измерение угловсм координаты и измерения радиэльно1 гор динаты светового ппгнг азаимодеГ | 1 з) -о

i (v- i ми огп01лелтрои-1ыми пара

Ь f e I ТЫЛЬНЫЙ ЬЛО 2j

Р ое д(тооисгво псзволяет опре- i оняр е координаты светового пятj n о о предъяви 1 ic требования

т :мву сртичессо1- системы источника

л° и / ее. огоач |чение возможгс ак как те позвопяет в процессе из- чен-- р Ni64flTb оасстояние от источника deTC иг линейного фотоэлемента в силу О L сировкм сзетосого (и измене

11 - г эгэго его размеров) Кроме того f дачном устройс ре так и во изве- -ibi- опгозле тронных измерительных уст I невысока точность вследствие г ааного характера изменения электрическо т с /тала на выходе Фотоэлемента при его L1,1 iu°iHi/ (по мере пересечения поспедним

етг«ого пятна) Изменение уровня сигнала I;M случае-происходит по кривом по Ч орьс близкой к кривой распределения Гауе GJ 1, г налог ному закону происходит изме ir:j|/ e сигнала при расфокусировке светового пятна Это также накладывает ограничения точность измерения

Целью изобретения является повыше s не точности измерений за счет уменьшения влияния дифракционных явлений и пооведения измерений вне зависимости от размеров светового пятна обеспечиваемо- о оптической системой источника света

Поставленная цель достигается тем что устройство для определения полярных ко- огщинат светового пятна оснащено источ- ичком опорных напряжений и блоком формирования импульсов подключенным выходом фотоприемника и каналом м меренкя угловой координаты выполненные в виде попарно чередующихся пссле- дойательно соединенных каскадов из е Мспора и операи ион но го усилителя при «ей вход сумматора соединен с выходом lit очника опорных напряжении сигналы на

входах сумматора разнополярны, а напряжение источника опорных напряжений устанавливается исходя из соотношения

UHCT Uc К - 1

К

где Uc - напряжение входного сигнала для операционного усилителя данного каскада;

К - коэффициент усиления этого усилителя.

Для повышения точности измерения полярных координат (за счет повышения точности измерения радиальной координаты) источника света предлагается ввести второй аналогичный блок, установив его между выходом линейного фотоэлемента и каналом измерения радиальной координаты, при этом линейный элемент выполняется в виде разграниченных и оптически изолированных друг от друга участков, соединенных встречно и закрепленных нз общем основании.

Технологически проще такое разграничение произвести посредством нанесения на рабочую поверхность непрозрачной маски, которую желательно выполнить трансформируемой (изменяющейся формы), например, из гофрированного материала и снабдить средством изменения (трансформации) ее формы. Такое средство может быть выполнено, например, в виде винтога- ечной пары (талрепа), один элемент которой закреплен на одном краю гофрированной маски, а другой - на другом ее краю.

На фиг.1 изображена механическая часть устройства, общий вид; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.З - блок-схема электронной части устройства; на фиг.4-8 - виды соответственно входных и выходных сигналов каскадов в блоке формирования импульсов; на фиг,9 - линейный фотоэлемент с прямоугольной маской; на фиг,10 - то же, с трапециевидной маской; на фиг.11 - маска трансформируемой формы из гофрированного материала со средством трансформации ее формы; на фиг.12 - форма сигнала на выходе маскированного линейного фотоэлемента.

Устройство содержит линейный фотоэлемент 1, закрепленный на вращающемся основании 2 (это может быть диск с отверстием). Фотоэлемент 1 взаимодействует с источником 3 света (фиг.2), представляющим собой оптическую систему, закрепленную на подвижном элементе, например суппорте металлорежущего станка (не показан), и дающим сфокусированное световое пятно 4 в плоскости вращения фотоэлемента 1. Линейный фотоэлемент 1 имеет длину

I и ширину b и вращается с угловой скоростью ш относительно оси 5 вращения. Источник 3 света создает световое пятно 4 на плоскости вращения фотоэлемента 1 свето- вым диаметром d и с полярными координатами центра пятна R и р. Устройство содержит также источник 6 дополнительного освещения, взаимодействующий с фотоприемником 7. К выходу фотоприемника 7

подключен вход блока 8 (фиг.З) формирования импульсов, который состоит из цепи каскадов 9, каждый из которых выполнен в виде пар из сумматора 10 и операционного усилителя 11, соединенных последовательно, причем выход источника 12 подключен к входу каждого сумматора 10, а полярность сигнапа на этом входе сумматора 10 противоположна полярности сигнала на другом его входе (т.е. на выходе предыдущего каскада 9). Вход канала 13 измерения угловой координаты в блоке 14 обработки соединен с выходом блока 8 формирования импульсов. Блок 14 обработки содержит канал 15 измерения радиальной координаты и вычислительный блок 16 (ЭВМ). Блок 15 состоит из усилителя 17, триггер 18 Шмидта, схемы И 19, счетчика 20 импульсов, генератора 21 импульсов и аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 22, соединенных последовательно, блок 16 - из триггера 23, схемы И 24, счетчика 25 импульсов и генератора 26 импульсов соединенных также последовательно.

Для измерения радиальной координаты

R светового пятна 4 в устройство введен дополнительно второй блок 27 формирования импульсов (фиг.З), аналогичный блоку 8, подключенный между выходом фотоэлемента 1 и входом канала 15 измерения радиальной координаты и выполненный идентично блоку 8. При этом линейный фотоэлемент 1 (фиг.9) выполнен в виде двух участков 28 и 29, оптически изолированных друг от друга непрозрачной маской 30 и электрически соединенных между собой. Маску 30 целесообразно выполнить в форме трапеции (фиг.Ю) с основаниями Ci и С2, большее основание С2 которой обращено к центру вращения.

Для удобства обслуживания и регулировки устройства маска 30 может быть выполнена трансформируемой (изменяющейся) формы, например, из гофрированного материала (фиг, 11) или эластичной. В этом случае целесообразно маску 30 снабдить средством трансформации ее формы, которое можно выполнить, например, в виде талрепа 31, размещенного между крайними гофрами маски 30 со стороны большего ее основания, при

этом упомянутые рэймие закоепг1- ны на планках 32 и 33 котооче i шзрнирно с возможностью от-юс1/ т ль, нх угловых уста- орючиь грремещенм/ г i лельно рабочей по РП ногти 1

Устройство для опредечени работает следукки /м тбргзом

Запуск всей cxev.H поои волитсь г топриемника 7 (ib /r 3} при попадании г и, го светового потока от чсточ ич 1 б дополнительного освещения отпео стие в диске Сигн&л от фотопрчеи us с1 7 поступаег в канал 13 определение угппв i кооодинчте с Н обцабот о i цдла

ГрОлОДУ КЗЛЬНи 1CU83 б Л У 8 В

канале 13 поступая на триггер 23 опрокидывает его (до момента поступления импульса сброса от линейного фотоэлемен, те 1 усиленно с усилителем 17) Одьовр менно с гекерагооа 26 импульсов нз ЕХ-- схемы И 24 поступаю импульсы с часто г of N кГц, а нэ вт орсй вход схемы А 24 - сиг нал ь с триггера 23 Когунество иг/пульсов с ген j ратора 26 определяется длительностью v пульса, идущего or ipmreuc 23 временен, злимым длр почете нейного фотоьг. ь # л / 1 которого определяйся переде1 ния отверстием а 2 световою i, 01 о от источника 7 дсп гимтзл к,, югиссвемонпя а охокчаниз в аи одейг тв 1- линейного сротоэлементз 1 со световые пя г ном 4 Пои этом п:, прл свг-е врз линейные фоюояененг i nepecc aei

СВеТОВОЙ ПОТОК 0« S4C С Н( 1 / 6 (ф /,Г А 9)

то нз выходах фотопоиемн кэ /j элемента образуется электрический сигнал Форма о торого близка к Гауссову распределеник (фиг 4) Такая форма сигнала приводит t возникновению ошиЬкм (те неточности, и «-за неопределенности и..оментг срабатуваиил блоков устройствез, однако поскольку uv н л с фотоэлемента 1 (или фотоприемника Tj по ступает на вход блока 8 (27) формиоованья импульсов (точьее на вход первого из цеп/ каскада 9) 4s еход этою 9 (н0 вхоц первого его злемьм сумматора iO)nc(.n - пает также опорное напряжение о сгочн- - ка 12 опооны/ апряжьний ilpyi JTO, полярность напряжения на выходе исгччНУ- ка 12 устзнзвлиззетсй обратной попярчос.и сигнала, поступающего на зход t/ммаюра 10 от фотозлеменга 1 (или фи«опрчемн лкл /) Абсолютная величина jrort капряженмяя ь танавливается ьзсколько меньшее (порядка 0,5-1 В), нежели потенциал сигнала о фотоэлемента 1 Подключение npd «J выполчэнс по м кшсоной схеме i rip/i дчн

и млярности поступающих на два его /|Гналов на выходе сумматора 10 об i - сяразность потенциалов упомянутых

™ 1Г

я /м образе i ecru на од/ж вход сум

л i j 0 подаете сигнал Ui (например от fvo, -лемента 1) а ьа другой - U0 (от исюч t/ j опорных напряжении) то на выходе i N 4тора 10 oOpajveTCK разность уровней s -г in ,1ггму сигналов Ut-Uo (фиг 4 и 5) по- Т а (в поеделах данного каскада 9) Е п о ,ерациснного усилителя 11 В ре- -, HI- i эте i j выходе операционного усилите- г i ч данпого каскада 9 в целом) имеется IK л показанный на фиг 6 От первона

мь (roi г-1) сигнала он о пичаетья бо0 ( Z С , J«2 -10И фОр|ЛОИ п

м /v O BL рожэннои вери/ной Этот

с цпп i pjb ) pi-ore подается

j ( TJI/i jt,Kd,n 3 гмего / i-ji/порво

Сум в срого -.

0opbii/ ai х- р подается Jo or /с оиобретае показанным на фиг 7

i с упает на зход операционного усили г./. ornio -чзскарз В рсзулыате сигнал

I VIL 10КЗЗЭН| L ,| тЭ фИ| 8 Из СОЛО

, ф /т л /. фиг 8 вчдьо то длитель ос сигнала с г на входе в З.н {ил/ б nor 27) до ja выходе згсго лг Это а тзкАе более крутая форма из г ьчир /розня сигнала способствует 5о ез е т о м / срабатыванию всех |10Г &дующих злеменюв и блоков устроист ча т о повышает его точность Кроме чтого ОУОД-.ОЙ сигнал с фотоэлемента 1 зыпол сн юго в соответствии с фиг 9 11 присб вид показанный на сриг12 Это 53 сняе-ся гем что при врашеньи фото i, с нанесенной маской 30 им Фор лпо ,отся (при прохождении через световое тятно 4) два импульса а 1ак как. ширина маски С значительно меньше диаметра d вогового пятна 4, то в силу большой крутизны форг ы изменения импульса на выходе блока 8 (vtnv 27) резко уменьшается временная зона неопределенности срабатывания соответству още-о канала блока 14

образом предлагаемое устройст ьи дозволяет при использовании традици- оиных оптических средств (источников гзега и объективов) получить значительно Оопее определенный уровень срабатывания электронных элементов (за счет узкого сфо кусированного электрического сигнала) и i неныиив слияние оптических аберрации и дифракции, повысить точность измерении Формула изобретения

1Устройство для определения коорди

т свэтового чяана содержащее фотоприемник, линейный фотоэлемент, блок обработки сигнала с каналами измерения угловой и радиальной координат светового пятна, соответственно подсоединенными к выходам фотоприемника и линейного фотоэлемента, , отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений полярных координат, оно снабжено блоком формирования импульсов и источником опорных напряжений, блок формирования импульсов включен между выходом фотоприемника и каналом измерения угловой координаты и выполнен в виде последовательно соединенных каскадов, состоящих из попарно связанных сумматора и операционного уси- лителя, а источник опорных напряжений соединен с одним входом сумматора, полярность сигнала которого противоположна полярности сигнала другого входа сумматора.

Фиг.-/

А-А

Фиг. 2

-U

ФиеЛ

О

29

9

Фие4О т

-fn

Z

о

о i cb

a J

П

цп

П

П гпф