Оптико-электронное устройство для измерения линейных перемещений Советский патент 1992 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений, амплитуд вибраций, линейных размеров деталей.

Целью изобретения является повышение точности измерений.

На чертеже изображена блок-схема устройства.

Оптико-электронное устройство для измерения линейных перемещений состоит из оптически связанных оптической системы 1 для формирования интерференционных полос и дискретного фотопреобразователя 2, светочувствительный слой которого выполнен в виде системы из 32 параллельных электрически, изолированных фотоприемников, последовательно соединенных блока 3 обработки сигнала, информационный вход которого соединен с выходом дискретного фотопреобразователя 2, блок 4 форми- рователей, блока 5 счета, блока 6

накопления и блок 7 индикации, блока 8 управления, выходы считывания которого соединены с управляющими входами дискретного фотопреобразователя 2, а первый, второй и третий выходы блока 8 управления соединены соответственно с первым, вторым и третьим управляющими входами блока 3 обработки сигнала, причем третий выход блока 8 управления также соединен с первым управляющим входом блока 4 формирователей и вторым входом блока 5 счета, четвертый выход блока 8 управления соединен с третьим входом блока 5 счета, второй управляющий вход блока 4 соединен с первым входом блока 8 управления и первым управляющим выходом блока 5 счета, третий управляющий вход блока 4 соединен со вторым входом блока 8 управления и вторым управляющим выходом блока 5 счета, пятый дополнительный выход блока 8 управления является выходом второго одно ч

ON Ю

вибратора в блоке 8 управления и соединен со вторым управляющим входом блока 6 накопления, первый управляющий вход блока б накопления соединен с первым входом блока 5 счета.

Блок 6 накопления выполнен в виде последовательно соединенных сумматора 9, первая группа входов которого является входами блока 6 накопления и подключена к выходу блока 5 счета, первого буферного регистра 10, первая группа выходов которого соединена.со второй группой входов сумматора 9 и второго буферного регистра 11, выходы которого являются выходами блока

6накопления и соединены с входами блока

7индикации, счетчика 12, вход которого является вторым управляющим входом блока 6 накопления и соединен с пятым дополнительным выходом блока 8 управления, выход счетчика 12 соединен с управляющим входом второго буферного регистра 11 с входом сброса счетчика 12 и с входом второго одновибратора14,первого одновибра- тора 13, вход которого ярляегся первым управляющим входом блока б накопления и соединен с первым входом блока 5 счета, выход соединен с управляющим входом первого буферного регистра 10, второго одновибратора 14,выход которого соединен с входом сброса первого буферного регистра 10.

Блок 8 управления выполнен аналогично прототипу и содержит генератор тактовых импульсов, схему счета, дешифратор, схему инверсии кода, схему согласования, первый мультивибратор, второй мультивибратор, первую схему И-НЕ, вторую схему И-НЕ и пять одновибраторов, причем, в отличие от прототипа, блок 8 управления содержит пятый дополнительный выход, который соединен с выходом второго одно- вибратора блока управления. Все остальные связи предлагаемого блока управления аналогичны блоку управления в прототипе.

Блок 3 обработки сигнала, блок 4 формирователей, блок 5 счета и блок 7 индикации в предлагаемом устройстве аналогичны по своему построению соответствующим блокам в устройстве, взятом за прототип.

Устройство работает следующим образом.

Из интерференционной картины, Сформированной блоком 1 формирования интерференционных полос, выделяются два полосы, темная и светлая, которые проецируются на дискретный фотопреобразова- тель 2, на выходе которого формируются сигналы, пропорциональные распределению освещенности вдоль выделенного участка. Расстояние между крайними

фотоприемниками дискретного фотопреоб- разователя 2 равно периоду интерференционной полосы.

При линейных перемещениях контролируемого объекта происходит перемещение границы раздела интерференционных полос по фотоприемникам дискретного фотопреобразователя 2, в результате чего на его выходе формируется электрический сигнал,

амплитуда которого пропорциональна величине перемещения, а фаза связана с пространственнымположениемфотоприемникоэ в дискретном фотопреоб- рззователе 2.

Фиксируя номер опрашиваемого столбца фотопреобразователя 2, на котором находится - границараздела интерференционных полос, можно однозначно определить величину перемещения

объекта из выражения:

I- ,

где А-длина волны зондирующего излучения;

п - количество столбцов дискретного

фотопреобразователя 2, приходящихся на ширину двух соседних интерференционных полос;

N - номер опрашиваемого столбца дискретного фотопреобразователя 2.

Сигнал, снимаемый со всех элементов столбца дискретного фотопреобразователя 2, поступает на вход блока 3 обработки сигнала, где преобразуется ЛЦП в цифровой

код, который далее используется в блоке 3 для вычисления среднего значения информационного сигнала за время опроса элементов дискретного фотопреоОразователя и сравнении текущего значения амплитуды

информационного сигнала со средним значением, вычисленным и записанным в буферные регистры блока 3 в предыдущем цикле опроса элементов дискретного фотопреобразователя 2. С выхода блока 3 обработки сигнала снимаются прямоугольные импульсы, причем на период следования интерференционных полос приходится один импульс, а его фронты соответствуют моменту времени, при котором происходит переход от темной к светлой полосе и наоборот. Прямоугольные импульсы с выхода блока 3 обработки сигнала поступают на вход блока 4 формирователей, где преобразуются в короткие импульсп, фаза которых

привязана к переднему и заднему фронтам импульса с выхода блока 3 обработки сигнала. Блок 4 формирователей в зависимости от состояния блока 5 счета пропускает импульсы, соответствующие переднему фронту

сигнала с выхода блока 3 обработки сигнала, или заднему, а также пропускает импульс с третьего выхода блока 8 управления в случае, если не поступил за время опроса столбцов дискретного фотопреобразователя 2 импульс с выхода блока 3 обработки сигнала. По заднему фронту импульса с третьего выхода блока 8 управления происходит занос в блок 5 счета нулей и обнуление блока 7 индикации.

В исходном состоянии, когда объект не движется, и на приемную часть дискретного фотопреобраэователя 2 спроецированы две полосы с максимальной и минимальной освещенностью, на первый вход блока 5 счета приходит импульс с выхода блока 4 формирователей в момент, когда счетчики в блоке 5 счета уже обнулены импульсом с третьего выхода блока 8 управления, состояние первого буферного регистра 10, второго буферного регистра 11 и счетчика 12 сброшены в ноль, путем нажатия кнопки Сброс (на фиг.1 не показана). Таким образом, в исходном состоянии показания блока 7 индикации нулевые. При смещении объекта происходит движение полос интерференционной картины, направление которого определяет знак, а число полос, прошедших по дискретному фотопреобразователю 2 - его величину. При движении полос последовательно засвечиваются столбцы дискретного фотопреобразователя 2 от 1-го до n-го и соответственно последовательно появляются импульсы, с выхода блока 4 формирователей. Число импульсов, поступивших с четвертого выхода блока 8 управления на третий вход блока 5 счета, соответствует числу опрошенных столбцов фотопреобразователя 2, на котором находится граница раздела интерференционных полос. Это число, с приходом импульса на первый вход блока 5 счета, передается в сумматор 9 и одновременно по импульсу сформированному одновибратором 13, то число записывается в буферный регистр 10 и передается на вторую группу входов сумматора 9. В следующем цикле опроса элементов дискретного фотопреобразователя 2, с выхода сумматора 9 снимается код суммы чисел поступившим на первую группу входов сумматора 9 с кодом на второй группе входов, пришедших с выхода буферного регистра 10, записанные в предыдущем цикле опроса элементов дискретного фотопреобразователя 2. В буферный регистр 10 импульсом с выхода одновибратора 13 будет записана сумма чисел кодов по первому и второму циклу опроса элементов фотопреобразователя 2.

В следующем цикле опроса в буферный регистр 10 будет записан код суммы чисел

за три цикла опроса элементов фотопреобразователя 2 и т.д. Таким образом, в буферный регистр 10 будет записан результат суммы кодов чисел за время накопления,

которое определяется количеством циклов опроса элементов фотопреобразователя 2, С выхода буферного регистра 10 снимается среднее значение, вычисленное как результат деления кода накопленной суммы чисел

0 на число, соответствующее количестпу циклов опроса элементов фотопреобразователя 2 за время накопления. С пятого дополнительного выхода блока 8 управления (вйход второго однозибратора 29, см,

5 блок-схему прототипа) снимается импульс, длительность которого соответствует одному циклу опроса, этот импульс подается на вход счетчика 12, который сосчитывает их и по истечению времени накопления пыдэет

0 на выходе импульс, по переднему фронту которого происходит запись усредненного результата измерений в буферный регистр 11, а по заднему - сброс счетчиков 12 в ноль. Одновибратор 14 по переднему

5 фронту импульса с выхода счетчика 12 формирует короткий импульс, который сбрасывает состояние буферного регистра 10 в ноль, и таким образом,блок 6 накопления готов к принятию следующей информации в

0 последующем цикле накопления. Число, записанное в буферный регистр 11, отображается на индикаторах младшего разряда (ИМР) блока 7 индикатора и соответствует смещению дробной части интерференцмон5 ной полосы.

Длительность импульса с выхода одно- вибратора 13 устанавливается больше, чем время суммирования сумматором 9, а длительность импульсов с выхода одновибрато0 ра 14 устанавливается больше времени задержки передачи числа с выхода буферного регистра 11 на вход индикаторов в блоке 7 индикации. Время накопления, по истечению которого происходит индикация усред5 ненного результата измерений микроперемещений, устанавливается так, чтобы обеспечить требуемую точность и скорость отображения информации, с учетом возможной частоты колебаний контролиру0 емого объекта. При этом предполагается, что контролируемый объект за время накопления может изменить свое положение только один раз, т.е. чтобы отследить положение объекта в реальном масштабе време5 ни, необходимо, чтобы частота следования импульсов с выхода счетчика 12 была равна или больше удвоенной максимальной частоты колебания контролируемого объекта.

Схема блока 5 счета построена так, что обеспечивает увеличение показаний индикагоров старших разрядов в блоке 7 индикации независимо от знака смещения при появлении цифры 00 после цифры 31 на выходе блока 5 и исключает увеличение показаний индикаторов старших разрядов при возникновении цифры 00 вслед за цифрой 01. Схема позволяет также уменьшить показание индикатора старшего разряда на 1 при появлении на выходе блока 5 цифры 31 после цифры 00. Учитывая то, что внешние вибрации лежат в диапазоне 0,1 до 600 Гц и носят в основном колебательный характер, а схема счета построена по реверсу с учетом знака перемещения, то ошибка измерений будет уменьшена по сравнению с известным устройством, путем усреднения результата измерений за время Тн (время накопления). В известном устройстве по прототипу, ошибка измерений будет больше, т.е. индикация результата измерений происходит в каждом цикле опроса элементов фотопреобразователя 2, а частота повторения импульсов, соответствующих длительности одному циклу опроса, в десять и более раз превосходит верхнюю частоту действия помехи, в таком случае, устройство будет отображать истинное положение объекта с учетом действия на него помехи, что приводит к снижению точности измерений,

В предлагаемом устройстве ошибка измерений будет меньше, т.к. действие помехи на контролируемый обьект за время накопления будет учтено в каждом цикле опроса, т.е. просуммировано с учетом знака, и усреднено, что в конечном итоге позволяет повысить точность измерений. Формула изобретения Оптико-электронное устройство для измерения линейных перемещений, содержащее оптически связанные оптическую систему формирования интерференционных полос и дискретный фотопреобразователь, светочувствительный слой которого выполнен в виде системы параллельных электрически изолированных фотоприемников, последовательно соединенные блок обработки, входом подключенный к выходам фотопреобразователя, блок формирователей и блок счета, блок индикации и блок

управления, выходы считывания которого соединены соответственно с управляющими входами фотопреобразователя, первый и второй выходы соединены соответственное первым и вторым управляющими входами

блока обработки, третий выход соединен с третьим управляющим входом блока обработки, вторым входом блока счета и первым управляющим входом блока формирователей, второй и третий управляющие входы

которого объединены, соответственно с первым и вторым входами блока управления и соединены с первым и вторым управляющими входами блока счета, третий вход которого соединен с четвертым выходом

блока управления, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено блоком накопления, выполненным в виде последовательно соединенных сумматора, первая группа входов которого является входами блока, подключенными к выходам блока счета, первого буферного регистра, первой группой выходов, подключенной к второй группе входов сумматора, и второго буферного регистра, выходы которого являются выходами блока, подключенными к входам блока индикации, первого одновибратора, вход которого является первым управляющим входом блока, соединенным с выходом блока формирователей, а

выход соединен с управляющим входом первого регистра, второго одновибратора, выход которого соединен с входом сброса первого регистра, и счетчика, вход которого является вторым управляющим входом

сброса блока, а выход соединен с управляющим входом второго регистра, входом второго одновибратора и входом сброса счетчика, а блок управления выполнен с пятым выходом, который соединен с вторым управляющим входом блока накопления.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения линейных перемещений, амплитуд вибраций, линейных размеров деталей. Целью изобретения является повышение точности измерений. Поставленная цель достигается тем, что в оптико-электронное устройство для измерения линейных перемещений объектов введен блок накопления, а блок управления снабжен дополнительным выходом. 1 ил.