Способ измерения линейных перемещений и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК G01B21/00 

где fM - частота модуляции:

А-длина волны света,

k 0,05-0,2.

Для реализации способа в устройство, содержащее формирователь оптического сигнала с фазовой модуляцией, например интерферометр, генератор модулирующего сигнала, последовательно соединенные фотоэлектрический преобразователь, широкополосный усйлцтель, избирательный усилитель, синхронный детектор, второй вход котброгб соединен с выходом генератора и фильтр нижних частот, формирователь сигнала направления счета, пороговый элемент и реверсивный счетчик, дополнительно введены последовательно соединенные формирователь сигнала скорости, компаратор и запоминающее устройство, причем выход порогового элемента соединен со счетным входом реверсивного счетчика, выход широкополосного усилителя соединен с входом порогового устройства) входом формирователя сигнала скорости и одним из входов формирователя сигнала направления счета, выход фильтра нижних частот соединен со вторым входом формирователя сигнала направления счета, выход которого со единен с управляющим входом запоминающего устройства, выход запоминающего устройства соединен со знаковым входом реверсивного счетчика.

Предельная частота сигнала,. полученного синхронным детектированием исходного сигнала модулирующим сигналом, в несколько раз меньше частоты модуляции, что определяется возможностью эффективного подавления несущей, С другой стороны, спектр исходного сигнала не ограничен, что позволяет использовать его для формирования счетных импульсов. Так как при реверсировании скорость перемещения обязательно уменьшается до нуля измерять соотношение фаз квадратурных сигналов, т.е. определять направление движения можно при малых скоростях, когда оба сигнала передают информацию о перемещении без искажения, а при увеличении скорости выше предельной запоминать это направление движения.

Таким образом, скорость перемещения объекта не зависит от частоты модуляции, которая определяется конкретными схемными решениями устройства, реализующего способ.

Исходный электрический сигнал, полученный из оптического интерференционного сигнала, представляет собой сумму фазомодупированного сигнала и постоянного фонового сигнала

Us U0 + Uossln ( --р- + (о ot)

где х - измеряемое перемещение,

А-длина волны света,

д - амплитуда модуляции.

Такой сигнал содержит в общем случае бесконечное число гармоник. Используя представление функции Бесселя в виде коэффициентов ряда Фурье, исходный электрический сигнал можно представить в виде суммы:

Ui Uo + Uoi{ (Ј) +

00

+ Z 2 2k ( Ј ) COS 2 k U) Ot + COS

k 1

47ГХ

20

00

x 2 (|)sln.(2k-1)aiot , k 1

25 где Ј

And

- глубина фазовой модуля

ции,

Ik (I) - функция Бесселя первого рода k-того порядка.

При малых глубинах фазовой модуляции справедливо соотношение:

|0 И la з... Действительно, при величине ,2

о«9,9 ,Н «9,9 10 2 ,2 «4,98-10 3 ,1з«1,66 10 4 .

Пренебрегая членами, содержащими коэффициенты ниже второго порядка малости по сравнению с 1о, исходный электрический сигнал можно представить в виде

Ui Uo + U011 to ( Ј). sin +

+ 2li(Ј)cos- p-slnW .

Таким образом, исходный сигнал содержит широкополосный сигнал, несущий информацию с амплитудой, пропорциональной lo(Ј ) и амплитудно-модулированный сигнал с амплитудой, пропорциональной И(Ј). Последний выполняет двоякую роль. С одной стороны, он сам несет информацию о перемещении, с другой,, является помехой при регистрации широкополосного сигнала.

Синхронное детектирование модулирующим сигналом позволяет выделить из ам- плитудно-модулированного сигнала второй сигнал вида

U2 2Uoih(Ј)cos - Ях

Спектр этого сигнала должен быть ограничен сверху из условия оптимальной фильтрации второй гармоники модулирующей частоты, получающейся при синхронном детектировании. Однако в области низких частот, вплоть до нулевых, информация о перемещении передается полностью. Сравнивая фазы второго сигнала и широкополосного при скорости перемещения меньшей Vnp kfMA, при которой информация о перемещении передается обоими сигналами без искажения, определяют направление движения, а при достижении Vrip это направление запоминают. Величину k определяют из условия оптимальной фильтрации второй гармоники несущей частоты и конкретной схемной реализации устройства.

Так как амплитудно-модулйрованный сигнал представляет собой аддитивную помеху, которая снижает точность измерения фазы широкополосного сигнала, амплитуду модуляции следует устанавливать на минимально возможном уровне. Нижний ее предел ограничен шумами фотоприемной и измерительной систем.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2 - временные диаграммы ее работы.

Устройство для измерения линейных перемещений содержит формирователь 1 оптического сигнала, например лазерный интерферометр с фазовым пьезоэлектрическим модулятором, соединенный с ним генератор 2 модулирующего сигнала, фотоэлектрический преобразователь 3, расположенный в пределах интерференционной полосы, соединенный с ним широкополосный усилитель 4, последовательно соединенные избирательный усилитель 5, синхронный детектор 6 и фильтр 7 нижних частот, второй вход синхронного детектора 6 соединен с выходом генератора (2), формирователь 8 сигнала направления счета, последовательно соединенные формирователь сигнала скорости 9 и компаратор 10, на второй вход которого подается сигнал Unp, пропорциональный Vnp, один из входов формирователя 8 соединен с выходом фильтра нижних частот (7), запоминающее устройство 11, один из входов которого соединен с выходом формирователя 8 сигнала направления счета, а

другой - с выходом компаратора (10), пороговый элемент 12,выход которого соединен со счетным входом реверсивного счетчика 13, знаковый вход которого соединен с выходом запоминающего устройства (11). выход широкополосного усилителя (4) соединен с входом избирательного усилителя (5), вторым входом формирователя сигнала направления счета /8/, с входом

формирователя сигнала скорости (9) и входом порогового элемента.

Принцип работы устройства заключается в следующем.

Формирователь оптического сигнала (1)

преобразует измеряемое перемещение в .периодический оптический сигнал, который подвергается фазовой модуляции посредством воздействия сигнала генератора -(2) на фазовый модулятор, являющийся элементом формирователя оптического сигнала (1). Фотоэлектрический преобразователь (3) преобразует изменение интенсивности света в исходный электрический сигнал вида

25

Уз U0 + Uo3 ( sin

4л:х . 4яд

slnoJot)

Этот электрический сигнал усиливается широкополосным усилителем (4) и подается на вход избирательного усилителя (5), который выделяет и усиливает амплитудно-модули- рованную составляющую исходного сигнала U4 МУз

35

U5 U4 k5 2k5k4Uo3 i(Ј)x

xcos

4 ЯХ

sin uot

Амплитудно-модулйрованный сигнал Us детектируется синхронным детектором (6) с коэффициентом передачи k6, сигнал на выходе которого равен

U6 k4k5k6li(|)Uo3X

х ( cos - cos cos 2 to ot )

и фильтруется фильтром нижних частот(7) с частотой полюса fp« -yjp и коэффициентом передачи

U k4 ks ke k 11 (|) Уоз cos--r- - .

Для работы устройства сравнения фаз сигналов необходимо, чтобы полезная часть сигнала LJ4 и сигнал U были равны по амплитуде. Полагая глубину фазовой модуляции малой настолькр, что выполняется соотношение io li 12 ... пренебрегая членами разложения с коэффициентами менее второго порядка малости по сравнению с о( Ј) полезную составляющую сигнала U4 можно представить в виде:

U/11 k4ko3 lo(|)sln

4тгх

m0(Ј)sln

4;тгх

где Ua - амплитуда полезного сигнала. Из условия Uy U41 следует:

ksk6k7li(|) lo(D.

Полагая в полосе равномерного пропускания фильтра нижних частот (7) k6 1 и k7 1, можно определить требуемый коэффициент передачи избирательного усилителя (5)

К5

- |0Ш- тн1гФаза сигналов Шг и U сравнивается формирователем сигнала направления счета(8), который в зависимости от направления движения формирует сигнал высокого или низкого уровня.,

Формирователь сигнала скорости (9) формирует аналоговый сигнал Ug, пропорциональный скорости перемещения, который сравнивается на компараторе (10) с напряжением Unp. пропорциональным Vnp. в результате чего на выходе компаратора устанавливается напряжение Uio высокого или низкого уровня.

Сигналы 1)8 и Uio поступают на входы запоминающего устройства (11), таблица со стояния которого представлена на фиг. 3. При высоком уровне на входе А состояние выхода Q соответствует текущему состоянию входа В, т.е. устройство работает в режиме слежения за знаком, а при низком уровне на входе А на выходе .Q запоминается состояние, которое было на нем при высоком уровне на входе А. Изменение уровня на входе В при этом же изменяет состояния выхода.

Принципиальная схема запоминающего устройства представлена на фиг. 4. Устройство состоит из трех элементов 2И-НЕ и одного RS-триггера. Элементы 2И-НЕ Д1 и ДЗ выполняют функции элементов сравнения, элемент Д2 выполняет функции инвертора. При подаче сигнала низкого уровня на вход А на обоих входах триггера Д4 устанавливаются высокие уровни при любом состоянии входа В, при этом триггер Д4 сохраняет свое предыдущее состояние.

При подаче на вход А сигнала низкого

уровня, в зависимости от состояния входа В, на одном из входов RS-триггера установится сигнал низкого уровня. Так, при высоком уровне на входе В сигнал низкого уровня будет на R-входе RS-триггера, при этом на

выходе Q будет присутствовать низкий уровень. При низком уровне на входе А сигнал низкого уровня будет присутствовать на S- входе RS-триггера, что соответствует высокому уровню на выходе.

Сигнал с выхода запоминающего устройства (11) поступает на знаковый вход реверсивного счетчика (13) и устанавливает его. в состояние суммирования или вычитания в зависимости от уровня.

Компенсация влияния аддитивной помехи, которая может привести к ложному срабатыванию реверсивного счетчика, осуществляется пороговым элементом (12) с ги- стерезисной характеристикой.

Величина гистерезиса устанавливается из условия

Ur 2k4: Uo3li(Ј)2Uali(Ј)

Сигнал с выхода порогового элемента (12) поступает на счетный вход реверсивного счетчика (13), который считает число периодов полезного сигнала и таким образом производит измерение перемещения.

В макете измерителя линейных перемещений в качестве формирователя оптического сигнала использовался двухлучевой интерферометр, одно из зеркал которого закреплялось на пьезокерамическом элементе.

Частота модуляции устанавливалась fм 500 кГц и тм 30 кГц, при этом Vnp устанавливалась на уровне 32 и 1,8 мм/с соответственно. В качестве фотоэлектрического преобразователя использовался фотодиод, нагруженный на ОУ типа КР544У02, в качестве синхронного детектора - перемножитель сигналов К525ПС1. Формирователь сигнала скорости представляет собой преобразователь частота-напряжение. Все остальные

элементы также выполнены по известным схемам с применением микросхем. Формул а изобретения 1. Способ измерения линейных перемещений в оптико-электронных измерительных

системах с фазовой модуляцией, включающий преобразование перемещения в периодический оптический сигнал,его фазовую модуляцию по гармоническому закону, преобразование оптического сигнала в исходный электрический сигнал, выделение из него двух сигналов, определение направления движения по отношению их фаз и счет числа периодов одного из этих сигналов, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения за счет расширения диапазона измерений скоростей перемещения объекта, сравнивают фазы исходного сигнала и сигнала, полученного синхронным детектированием исходного сигнала модулирующим сигналом, по полученной величине определяют направление движения при I V К Vnp

Vnp kfM Я ,

где fw - частота модуляции фазы;

А - длина волны света, коэффициент k 0,05+0,2 выбирается из условия оптимального подавления второй гар- моники модулирующей частоты; а о величине перемещения судят по числу периодов исходного сигнала.

2. Устройство для измерения линейных перемещений, содержащее формирователь оптического сигнала с фазой модуляцией, генератор модулирующего сигнала, после0

5

0

5

довательно соединенные фотоэлектрический преобразователь, широкополосный усилитель, избирательный усилитель, синхронный детектор, второй вход которого соединен с выходом генератора модулирующего сигнала,-и фильтр нижних частот, формирователь сигнала направления счета, пороговый элемент и реверсивный счетчик, отличающееся тем, что, с целью расширения области применения за счет измерения быстро перемещающегося объекта, оно снабжено последовательно соединенными формирователем сигнала скорости и компаратором, запоминающим блоком, выход порогового элемента соединен со счетным входом реверсивного счетчика, выход широкополосного усилителя соединен с входом порогового устройства, входом фррми- рователя сигнала скорости и одним из входов формирователя сигнала направления счета, выход фильтра нижних частот соединен с вторым входом формирователя сигнала направления счета, выход которого соединен с входом запоминающего блока, выход компаратора соединен с управляющим входом запоминающего блока, выход которого соединен со знаковым входом реверсивного счетчика.

ФигЛ

Режим работы

Quzt

food

Зшод

О

1 О

«

/7/Иг/

Фиг.З