Оптический датчик перемещений с фазовым выходом Советский патент 1993 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещений объектов.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

На фиг. 1 приведена функциональная схема оптического датчика с фазовым выходом; на фиг. 2 - иллюстрация к работе датчика.

Оптический датчик перемещений содержит однофазный источник переменного напряжения 1, излучатель светового потока 2, фотоприемник отраженного сигнала 3, фотоприемник опорного сигнала 4, фазов- ращатель 5, масштабирующее звено 6, первое 7 и второе 9 согласующие устройства, регистрирующий прибор 22, объект контроля 23, блок формирования дополнительного отраженного сигнала 8, первый ТО и второй 11 сумматоры, блок повышения надежности и точности измерений 12, содержащий модулятор светового потока 13, электронный коммутационный элемент 15, контрольный источник излучения 16, контрольный фотоприемник 17, формирователь управляющих сигналов 18, рабочий 19 и контрольный 20 . электронные ключи, эталонную фазосдвига- ющую цепь 21.

Оптический датчик перемещений с фазовым выходом работает следующим образом.

Однофазный источник синусоидального напряжения низкой частоты 1 осуществляет амплитудную модуляцию светового потока источника излучения светового потока 2 и модулированный световой поток падает на фотоприемник 4 опорного сигнала и на отражающую поверхность объекта контроля 23, от которой отраженный световой поток попадает на фотоприемник 3 отраженного сигнала. На выходах фотоприемников опорного 4 и отраженного 3 сигналов формируются синусоидальные сигналы Uon и Uotp(x) частотой источника 1 модулирующего напряжения U, сдвинутые по фазе друг относительно друга на 180° за счет питания фотоприемников напряжением постоянного тока разной полярности. Путем подбора элементов фазовращателя 5 фаза сигнала 11доп на его выходе сдвигается относительно сигнала Копана входе согласующего устройства 9 на угол tpi более 90°,. н о мен ее 180°. Дополнительный опорный сигнал Уд on через масштабирующее звено б поступает на второй вход (Вх.2) первого сумматора 10, а основной опорный сигнал Uon поступает через второе согласующее устройство 9 на второй вход (Вх.2) второго сумматора 11. Одновременно отраженный сигнал UOTp(x) с

0

5

0

5

выхода фотоприемника 3 поступает через согласующее устройство 7 на первый вход (Вх.1) первого сумматора 10 и на вход блока формирования дополнительного отраженного сигнала 8, на выходе которого формируется дополнительный отраженный сигнал ид отр(х), сдвинутый по фазе на угол 1 (90° ifi 180° относительно основного отраженного сигнала и0тр(х) с выхода первого согласующего устройства 7. Дополнительный отраженный сигнал 11д отр(х) поступает на первый вход (Вх. 1) второго сумматора 11.

На первом сумматоре 10 происходит геометрическое суммирование основного отраженного сигнала Уотр(х) и дополнительного сигнала Удои на выходе сумматора формируется первый результирующий (суммарный) сигнал Us , который поступает на первый вход (Вх.1) фазометра 22.

Фаза р первого суммарного сигнала УЈ изменяется вследствие изменения по амплитуде основного отраженного сигнала Уотр(х) в функции измеряемого перемещения и определяется выражением (1)

arctg

sin ( 180 -#z )

U

-,0)

где р - фаза суммарного сигнала иЈ с выхода первого сумматора 10;

(180 - ) - угол сдвига фаз между синусоидальными сигналами Уд оп и У0тр(х);

Уд оп -дополнительный опорный сигнал с выхода масштабирующего звена 6,. сдвинутый по фазе на угол ipi фазовраща- телем 5;

и0тр(х) - основной отраженный сигнал с выхода первого согласующего устройства 7, промодулированный по амплитуде в функции перемещения.

На втором сумматоре 11 происходит геометрическое суммирование дополнитель-. ного отраженного сигнала Уд отр(х) и основного опорного (сигнала Uon и на выходе сумматора формируется второй суммарный сигнал USa , которой через блок 12 повышения надежности и точности измерений поступает на второй вход (Вх.2) фазометра 22. Фаза (рг второго суммарного сигнала Уг изменяется вследствие изменения по амплитуде дополнительного отраженного сигнала Уд отр(х) в функции измеряемого перемещения и определяется выражением (2)

sin(180-Vi) р2 arctg ------ ---х- гг / л лл /. Ч

cos ( 180 ) + vг иДотР(х)

42

где Фаза суммарного сигнала Ur с выхода второго сумматора 11;

(180 - ) - угол сдвига фаз между синусоидальными сигналами Don и 11Д Отр(х);

Uon - опорный сигнал с выхода второго согласующего устройства 9;

UA отр(х) - дополнительный отраженный сигнал с выхода блока формирования дополнительного отраженного сигнала 8, про- модулированный по амплитуде в функции перемещения.

В результате одновременного изменения фазы суммарных сигналов Ur и UЈ (с учетом выражений (1), (2), измеряемая между ними разность фаз определяется функцией преобразования (3)

рвых +Д(р1

arctg

sin С 180-ум)

+ arctg

sin (180 -ув)

cos(180-y,)

Суммарные сигналы UЈ/) и Ur2c выходов сумматора 10 и сумматора 11 (после прохождения через блок повышения надежности и точности измерений 12) подаются на входы регистрирующего прибора - фазометра 22, с выхода которого снимается зависимость разности фаз между двумя результирующими сигналами от измеряемого перемещения шх f(x).

Линейность выходной характеристики датчика обеспечивается выбором необходимых углов сдвига фаз (180 - ) и (180 - ipz) между сигналами (UA отр(х) и Uon, U0rp(x) и ид on) соответственно с помощью подборных элементов фазовращателя 5 и фэзовра- щателя, входящего в состав блока 8, а также изменением с помощью масштабирующего звена 6 и согласующего устройства 9 амплитуды сигналов Од оп и Uon таким образом,

Цд on

чтобы отношения сигналов

Uon

UOTP(X)

были равны 1 в точке баланса

идотр(х)

Хб, расположенной в конце диапазона измерения.

Повышение точности измерения за счет снижения температурной погрешности в предлагаемом изобретении достигается следующим образом. При изменении от воздействия температуры, например, фазового угла ys между сигналами U0n и ид Оп в сторону уменьшения его величины, вследствие

температурного ухода параметров фазовращателя 5, вектор сигнала ид оп приближается к вектору сигнала Uon. Фазовые углы между сигналами Uon и ид on, U0rp(x) и

5 Од отр(х) задаются реактивными элементами С или L фазовращателя типа R - С или R - L блоков 5 и 8 соответственно, Так как уход от температуры параметров резисторов R незначителен, вследствие высокой

10 температурной стабильности серийно изготавливаемых резисторов, например, типа С2-36, а уход параметров реактивных элементов С или L, как правило, одного знака, то это приводит и к уменьшению

15 фазового угла между сигналами Uorp(x) и ид отр(х) (на величину приблизительно равную уменьшению фазового угла УЈ между сигналами Uon ид Оп и вектор сигнала ид отр(х) приблизится к вектору

20 сигнала и0тр(х).

После геометрического сложения векторов сигналов Uoip(x) и иДОп, иДОтр(х) и Uon (с уменьшенными углами уз и уч от воздействия температуры) разность фаз

25 Дуъых между суммарными сигналами UЈ и U остается неизменной, т.к. векторы суммарных сигналов Ujr и Ц- после суммирования изменяют свое фазовое положение (поворачивается ) в од30 ном направлений. v

При изменении от воздействия температуры напряжения U с выхода источника 1 переменного напряжения, например, в сторону увеличения возрастают по величи35 не сигнала Uon и (x) с выходов фотоприемников 4 и 3 и, соответственно, с выходов блоков 7,9, а также сдвинутые относительно низ по фазе сигналы ид оп и ид отр(х) с выходов блоков 8, б, а отношение сигналов

40 идопиоп

п- f-л и г,--7-г входящие в вы- UOTP(X) иДОтр(х)

ражение(З) остаются практически неизменными и разность фаз- вых между суммарными сигналами Ur и U остается 45 неизменной.

Повышение точности измерений за счет увеличения помехоустойчивости к воздействию электромагнитных наводок 50 (сигнала помехи) на отраженный от обьек- та контроля сигнал обеспечивается вследствие того, что модули геометрически суммируемых сигналов ид Оп и Uorp(x), Uon и ид оп(х) имеют при этом пропорцио55

нальные приращения, поэтому отношеUn onUon

ния сигналов -г:-°-f- -v -71---,-с- ,

UOTP(X )идотр(х)

входящие в выражение (3) остаются неизменными и сигнал помехи компенсируется,

т.е. разность фаз раы между суммируемыми сигналами Ur, и UT остается неизменм t-% ной.

Формул а изобретения Оптический датчик перемещений с фазовым выходом, содержащий последовательно соединенные источник переменного напряжения и излучатель светового потока, фотоприемник опорного сигнала, оптически связанный с излучателем светового потока, последовательно соединенные фазовра- щатель, масштабирующее звено, первый сумматор регистратор, фотоприемник отраженного сигнала, оптически связанный с излучателем светового потока через объект контроля, блок повышения надежности и точности измерений, второй вход регистратора соединен с выходом блока повышения надежности и точности измерений, выход

аотр(Х)

фотоприемника опорного сигнала соединен с входом фазовращателя, отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности измерений, он снабжен первым и вторым

согласующими устройствами, блоком формирования дополнительного отраженного сигнала, вход которого соединен с выходом фотоприемника отраженного сигнала и входом первого согласующего устройства, вторым сумматором, первый и второй входы которого соединены с выходом блока формирования дополнительного отраженного сигнала и выходом второго согласующего устройства соответственно, вход второго

согласующего уетройства соединен с выходом фотоприемника опорного сигнала, выход второго сумматора соединен с входом блока повышения надежности и точности измерений.

Sfewfx)

иотр (X)

U,

if

Использование: изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может использоваться для измерения перемещений. Сущность: оптический датчик перемещений с фазовым выходом содержит однофазный источник переменного напряжения 1, излучатель светового потока 2, фотоприемник опорного сигнала 4, фазов- ращатель 5, масштабирующее звено 6, первое 7 и второе 9 согласующие устройства, регистрирующий прибор 22, объект контроля 23, блок формирования дополнительного отраженного сигнала 8, первый 10 и второй 11 сумматоры, блок 12 повышения надежности и точности измерений, содержащий модулятор светового потока 13, электронный коммутационный элемент 14, коммутационный элемент 15, контрольный фотоприемник 17, формирователь управляющих сигналов 18, рабочий 19 и контрольный 20 электронные ключи, эталонную фазосдвига- ющую цепь 21. 2 ил.