Устройство для измерения перемещения объекта Советский патент 1992 года по МПК G01B21/22 

1Л

С

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности измерения при малых скоростях перемещения объекта. Растровый преобразователь 1 формирует четыре сигнала, сдвинутые друг относительно друга на 90° На выходе аналогового коммутатора 3, под управлением блока 2 определения квадранта, формируется сигнал треугольной формы. Аналого-цифровой преобразователь 4 преобразует амплитуду сигнала треугольной формы в позиционный код. Элемент 5 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ совместно с блоком 6 фазового коммутатора формируют измерительные импульсы в зависимости от направления перемещения объекта. Число измерительных импульсов подсчитывается блоком 8 подсчета импульсов. 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического управления технологическими процессами.

Известно устройство для измерения перемещения, содержащее растровый преобразователь и интерполятор.

Недостатком устройства является многократное преобразование информационного сигнала, что снижает точность измерения.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для измерения перемещения, содержащее растровый преобразователь с четырьмя выходами, блок определения квадранта сигналов, четыре входа которого подключены к выходам растрового преобразователя, аналоговый коммутатор, информационные и управляющие входы которого подключены соответственно к выходам растрового преобразователя и блока определения квадранта сигналов, блок подсчета импульсов.

Недостатком устройства является недостаточная точность, связанная с погрешностями преобразования крутизны промежуточного информационного сигнала пилообразной формы в частоту.

Целью изобретения является повышение точности измерения при малых скоростях перемещения объекта.

Указанная цель достигается тем, что устройство для измерения перемещения объекта, содержащее растровый преобразователь с четырьмя выходами, блок определения квадранта сигналов, четыре входа которого подключены к выходам растрового преобразователя, аналоговый коммутатор.

ч| VJ

ю о

ю

GJ

информационные и управляющие входы которого подключены соответственно к выходам растрового преобразователя и блока определения квадранта сигналов, блок подсчета импульсов, снабжено аналого-цифровым преобразователем, вход которого подключен к выходу аналогового коммутатора, элементом ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ с инверсией, сходы которого подключены к двум младшим разрядам аналого-цифрово- го преобразователя, блоком фазового коммутатора, входы которого подключены к второму младшему разряду аналого-цифрового преобразователя и выходу элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ с инверсией, дискретным коммутатором, два информационных и четыре управляющих входа которого подключены соответственно к пыходзм блока фазового коммутатора и выходам блока определения квадранта сигналов, выходы дискретного коммутатора соединены с двумя входами блока подсчета импульсов,

На фиг.1 приведена функциональная схема устройства; на фиг.2 - временные диаграммы входных и выходных сигналов блока определения квадранта сигналов и выходного сигнала аналогового коммутатора; на фиг.З - временные диаграммы выходных сигналов элементов устройства, обеспечивающих Формирование и счет импульсов преобразованных сигналов.

Устройство содержит растровый преобразователь 1 с четырьмя выходами, блок 2 определения квадранта сигналов, четыре входа которого подключены к выходам растрового преобразователя 1, аналоговый коммутатор 3, информационные и управляющие входы которого подключены соответственно к выходам растрового преобразователя

1и блока 2 определения квадранта сигналов, аналого-цифровой преобразователь 4 (АЦП), вход которого подключен к выходу аналогового коммутатора 3, элемент 5 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ с инверсией, входы которого подключены к двум младшим разрядам АЦП 4, блок 6 фазового коммутатора, входы которого подключены к второму младшему разряду АЦП 4 и выходу элемента 5 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ с инверсией, дискретный коммутатор 7, два информационных и четыре управляющих охода которого подключены соответственно к выходам блока 6 фазового коммутатора и выходам блока

2определения квадранта сигналов, и блок 8 подсчета импульсов, два входа которого подключены к выходам дискретного комму/атора 7.

Функциональная схема возможного варианта реализации растрового преобразователя 1 (см.фиг 1) содержит модулятор 9,

который выполнен в виде оптически связанных источника света, измерительного растра, механически связанного с перемещаемым объектом и снабженного шкалой

с постоянным шагом штрихов, и неподвижного растра, имеющего четыре участка штрихов, смещенных на четверть шага измерительного растра, четыре фотоприемника 10-13, которые установлены за

растровым сопряжением таким образом, что на каждый из них поступает световой поток, сдвинутый по пространственной фазе на п /2 относительно предыдущего фотоприемника, и включены попарно через один

по балансной схеме, два усилителя 14 и 15 фототоков и два инвертора 16 и 17, входы которых подключены к выходам усилителей

14и 15 фототоков. Выходы усилителей 14 и

15фототоков и выходы инверторов 16 и 17 являются выходами растрового преобразователя 1.

Функциональная схема возможного варианта реализации блока 2 определения квадранта сигналов (фиг. 1) содержит четыре

компаратора 18-21 и четыре логических элемента 22-25 И, каждый из которых имеет два входа. Входами блока 2 определения квадранта сигналов являются соединенные между собой:

измерительный и опорный входы компараторов 18 и 21;

опорные входы компараторов 18 и 19; измерительный и опорный входы компараторов 19 и 20;

измерительные входы компараторов 20 и21.

Компараторы 18-21 подключены к входам логических элементов 22-25 И следующим образом:

выход компаратора 18 соединен с первыми входами элементов 22 и 25 И;

выход компаратора 19 соединен с первым входом элемента 23 И и вторым входом элемента 22 И;

выход компаратора 20 соединен с вторыми входами элементов 23 и 24 И;

выход компаратора 21 соединен с первым входом элемента 24 И и вторым входом элемента 25 Vl,

Выходы логических элементов 22-25 И

являются выходами блока 2 определения квадранта сигналов.

Возможный вариант реализации блока 6 фазового коммутатора (фиг.1) содержит

два инвертора 26 и 27, входы которых являются входами блока 6 фазового коммутатора, первый дифференцирующий элемент 28, вход которого подключен к входу инвертора 26, второй дифференцирующий элемент 29,

вход которого подключен к выходу инвертоpa 26, и два логических элемента 30, 31 2И-2И-ИЛИ. Входы первой схемы 2И элемента 30 подключены к выходам дифференцирующего элемента 28 и инвертора 27, а входы второй схемы 2И соединены с выходом дифференцирующего элемента 29 и входом инвертора 27. Входы первой схемы 2И второго элемента 31 подключены к входу инвертора 27 и выходу дифференцирующего элемента 28, а входы второй схемы 2И, связаны с выходами инрертора 27 и дифференцирующего элемента 29. Выходами блока 6 фазового коммутатора являются выходы элементов 30 и 31 2И-2И-ИЛИ.

Возможный вариант реализации дискретного коммутатора 7 (фиг. 1) содержит два элемента 32 и 33 ИЛИ с двумя входами каждый, входы которых являются управляющими входами дискретного коммутатора 7, и два логических элемента 34 и 35 2И-2И- ИЛИ. Первые входы первых схем 2И элементов 34 и 35 подключены к выходу логического элемента 32 ИЛИ, а первые входы вторых схем 2И элементов 34 и 35 - к выходу логического элемента 33 ИЛИ. Второй вход первой схемы 2И элемента 34 и второй вход второй схемы 2И элемента 35 соединены между собой и являются первым информационным входом дискретного коммутатора 7, второй информационный вход которого образован соединенными друг с другом вторым входом второй схемы 2И элемента 34 и вторым входом первой схемы 2И элемента 35.

Устройство работает следующим образом.

При перемещении измерительного растра модулятора 9 происходит периодическое изменение фототока в фотоприемниках 10-13 из-за модуляции светового потока сопряжением измерительного и индикаторного растров, причем на каждый фо- топриемник 10-13 поступает световой поток, сдвинутый по пространственной фазе на я/2 относительно предыдущего фотоприемника. Учитывая, что фотоприемники 10, 12 и 11, 13 включены по балансной схеме, на входы усилителей 14 и 15 фототоков поступают два квадратурных измерительных сигнала без постоянной составляющей. При перемещении измерительного растра в одном направлении изменение сигнала на входе усилителя 14 фототока отстает по фазе на четверть периода от изменения второго квадратурного сигнала, создаваемого парой фотоприемников 11 и 13, а при перемещении измерительного растра в противоположном направлении второй квадратурный сигнал отстает от первого на ту же етверть периода. Поэтому знак фазового сдвига между квадратурными сигналами характеризует направление измеряемого перемещения. Основные квадратурные сигналы и их инверсии, полученные на вы- 5 ходе инвертором 16 и 17, преобразуются компараторами 18-21 блока 2 определения квадранта сигналов в прямоугольные импульсы, при этом период следования импульсов соответствует перемещению

0 измерительного растра на один шаг. Сформированные компараторами 18-21 прямоугольные импульсы подаются на логические элементы 22-25 И, на выходе которых формируются выходные сигналы блока 2 опре5 деления квадранта сигналов. При одинаковых амплитудах измерительных сигналов растрового преобразователя 1 длительность каждого выходного сигнала блока 2 определения квадранта сигналов

0 равна четверти периода измерительного сигнала, при этом импульс на выходе элемента 22 И присутствует при изменении фазы основного синусоидального сигнала растрового преобразователя 1 в пределах

5 -45 - +45°. на выходе элемента 23 И - в

пределах 45-135°, на выходе элемента 24 И

- в пределах 135-225°-и на выходе элемента

25 И - в пределах 225-315° соответственно.

Сформированные блоком 2 определе0 ния квадранта сигналов управляющие сигналы поступают на управляющие входы аналогового коммутатора 3, на соответствующие информационные входы которого подаются измерительные сигналы растро5 вого преобразователя 1. На выходе аналогового коммутатора 3 формируется линейно-треугольный сигнал, представляющий собой линейные участки сигналов растрового преобразователя 1, при этом.

0 длина участков соответствует четверти периода измерительных сигналов, а середины участков совпадают с нулевыми значениями измерительных сигналов. Временные диаграммы, поясняющие ра5 боту блока 2 определения квадранта сигналов и аналогового коммутатора 3. представлены на фиг.2. Сформированный периодический линейно-треугольный сигнал имеет удвоенную частоту по сравнению

0 с частотой сигналов растрового преобразователя 1, а его фаза совпадает с фазой основного синусоидального сигнала растрового преобразователя 1.

Сформированный линейно-треуголь5 ный сигнал поступает на вход АЦП 4. В результате преобразования текущее значение входного сигнала воспроизводится на выходе АЦП 4 в виде числа, представленного параллельным двоичным кодом, при этом частота переключения младшего разряда

АЦП 4 пропорциональна скорости изменения линейно-треугольного сигнала.

Реверсивный счет импульсов, соответствующих частоте изменения состояния младшего разряда, производится блоком 8 подсчета импульсов с учетом характера изменения (возрастания или убывания) линейно-треугольного сигнала на входе АЦП 4 и номера квадранта измерительных сигналов растрового преобразователя 1.

Определение знака приращения линейно-треугольного сигнала производится за счет формирования опорного сигнала, фаза которого остается постоянной при изменении фазы линейно-треугольного сигнала. Для получения опорного сигнала на вход элемента 5 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ с инверсией подаются сигналы с двух младших разрядов АЦП 4 и на его выходе формируется опорный сигнал, сдвинутый на четверть периода относительного сигнала с второго младшего разряда АЦП 4.

Сформированный опорный сигнал и сигнал с второго младшего разряда АЦП 4 поступают на входы фазового коммутатора. Эти сигналы и их инверсии, полученные на выходе инверторов 26 и 27, образуют четыре прямоугольных напряжения, сдвинутые по фазе относительно друг друга на четверть периода. Сигнал с выхода второго младшего разряда АЦП 4 и его инверсия подаются на вход дифференцирующих элементов 28 и 29 соответственно. Продифференцированные импульсы с выхода элементов 28 и 29 поступают на соответствующие входы схем 2И элементов 30 и 31 2И-2И-ИЛИ. На вторые входы схем 2И элементов 30 и 31 подаются опорный сигнал и его инверсия. Для показанной на фиг.1 схемы коммутации входов схем 2И элементов 30 и 31 счетные импульсы, период следования которых равен периоду переключения младшего разряда АЦП 4, вырабатываются на выходе элемента 30 при возрастании линейно-треугольного напряжения на входе АЦП 4. При убывании этого напряжения счетные импульсы появляются на выходе элемента 31. Таким образом, при перемещении измерительного растра модулятора 9 в одном направлении на выходах логических элементов 30 и 31 поочередно формируются счетные импульсы, присутствующие на каждом из выходов в течение времени перемещения измерительного растра на четверть шага растра. При изменении направления перемещения фаза линейно-треугольного сигнала изменяется на 180°, и очередность появления счетных импульсов на выходах элементов 30 и 31 меняется на противоположную.

Для подачи счетных импульсов на соответствующий вход блока 8 подсчета импульсов при движении измерительного растра в одном направлении выходы фазового коммутатора подключены к дискретному коммутатору 7, осуществляющему синхронно со сменой знака скорости изменения линейно-треугольного напряжения переключение выходов фазового коммутатора на

0 вход блока 8 подсчета импульсов. Управление работой дискретного коммутатора 7 осуществляется блоком 2 определения квадранта сигналов. Сигналы, соответству- кщие нечетным и четным номерам квадран5 тов сигналов, поступают соответственно на входы схем 32 и 33 ИЛ И дискретного коммутатора 7, выходные сигналы с которых поступают на соответствующие входы схем 2И логических элементов 34 и 35 2И-2И-ИЛИ.

0 Счетные импульсы с выходов фазового коммутатора поступают на соответствующие вторые входы схем 2И элементов 34 и 35. Для показанной на фиг.1 коммутации входов схем 2И элементов 34 и 35 счетные им5 пульсы появляются на выходе логического элемента 34 и подаются на вход + блока 8 подсчета импульсов, если измерительный растр модулятора 9 движется в прямом направлении. При движении в обратном на0 правлении счетные импульсы появляются на выходе логического элемента 35 и подаются на вход - блока 8 подсчета импуль- соо.

Временные диаграммы, поясняющие

5 работу элементов устройства, которые формируют счетные импульсы и обеспечивают их реверсивный счет блоком 8 подсчета импульсов, представлены на фиг.З.

При перемещении измерительного рас0 тра на один шаг на блок 8 подсчета импульсов поступают 4 п счетных импульсов (где п - число квантов, равных массе младшего разряда АЦП, соответствующих диапазону изменения линейно-треугольного сигнала).

5 Таким образом, предлагаемое устройство обладает разрешающей способностью, равной 1/4 п шага растра.

Предложенное техническое решение позволяет создать измеритель перемеще0 иия с высокой точностью измерения при сравнительно простой технической реализации, а также использовать растры модулятора с большим шагом (до 100 мкм и более) и обеспечить простой подбор параметров

5 сопряжения для получения в заданном диапазоне перемещения линейной формы измерительных сигналов.

Предложенная техническая реализация позволяет создать на одном базовом образце унифицированный ряд устройств для измерения перемещения с различным коэффициентом интерполяции за счет переключения выходов АЦП.

Кроме того, благодаря высокой разрешающей способности предложенное уст- ройство может быть использовано как преобразователь в цифровом тахогенерато- ре.

Формула изобретения Устройство для измерения перемеще- ния объекта, содержащее растровый преобразователь с четырьмя выходами, блок определения квадранта сигналов, четыре входа которого подключены к выходам растрового преобразователя, аналоговый ком- мутатор, информационные и управляющие входы которого подключены соответственно к выходам растрового преобразователя и блока определения квадранта сигналов, блок подсчета импульсов, отличающее-

с я тем, что, с целью повышения точности измерения при малых скоростях перемещения объекта, оно снабжено аналого-цифровым преобразователем, вход которого подключен к выходу аналогового коммутатора, элементом ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ с инверсией, входы которого подключены к двум младшим разрядам аналого-цифрового преобразователя, блоком фазового коммутатора, входы которого подключены к второму младшему разряду аналого-цифрового преобразователя и выходу элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ с инверсией, дискретным коммутатором, два информацией- ных и четыре управляющих входа которого подключены соответственно к выходам блока фазового коммутатора и выходам блока определения квадранта сигналов, выходы дискретного коммутатора соединены с двумя входами блока подсчета импульсов.

Сигнал на Входе элемента fB

К/ Х1х/

гН

J L

Сигнал наДшоде элемента 21

Сигнал на бшоде элемента 22

Сигнал набшоде д элемента 23

Сигнал на Зь/хаде | элемента 24

Сигнал на бшоде элемем/я025

Сигнал Hff Дшоде элемента

.К л ,

F V V Т V V V

f F-cgsv

у v ffi

sinv

V

Qkiit

ЩП jlj

1-ый разряд

,,п кбадронт пЯ+1 х8адран/я Реверс

| /

К

Р

| /

К