Фотоэлектрическое устройство для автоматического измерения перемещений Советский патент 1979 года по МПК G01B11/26 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может бьеть использовано для автоматического измерения линейных и угловых перемещений с высокой точностью в достаточно широком диапазон измерений.

Известны фотоэлектрические устройств а, например автоколли матеры,позволяющие измерять углы в Диапазоне нескольких минут (±5 - 10)с погрешностью 0,5--2 1 .

Однако отношение погрешности к диапазону измеряеьвлх углов у таких устройств не удается получить менее 0,001, причем чем шире диапазон измерения, тем ниже точность. У других измерительных приборов, например фотоэлектрических микроскопов для измерения штриховых мер, это соотношение того же порядка. В настоящее время в метрологии, станкостроении и приборостроении необходимо производить измерение длин и углов в диапазоне до нескольких миллиметров и минут с погрешностью соответственно О,5 мкм и О,1 .

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является фотоэлектрическое устройство дош автоматического измерения перемещений, которое содержит вибратор со щелью, интегрирующий усилитель и генератор опорного напрямсения, подключенные через сумматор к катушк вибратора, последовательно соединенные фотоприемник, избирательный усилитель и фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом генератора опорного напряжения, а выход - с входом интегрирующего усилителя, и отсчетный прибор, присоединенный к выходу интегрирующего усилителя 2 .

При помощи этого устройства можно осуществлять измерение углов в диапазоне ±10 с погрешностью порядка 0,1, так что, хотя точность его и достаточна, диапазон измерений слшиком ограничен.

Цель изобретения - расширение диапазона измерений.

Цель достигается тем, что в предлагаемое устройство введены система следящего сервопривода, содержащая реверсивный серводвигатель, каретку с зaкpeплeнны ш на ней концевыми Ъыключателяг-да, кинематически свяэанную с валом серводвигателя, схему выделения сигнала второй гармоники. подключенную к выходу избирательного усилителя, и два исполнительных реле через .контакты которых серводвигател подключен к выходу фазового детектора, обмотка возбуждения одного реле присоединена к выходу схемы выделени сигнала второй гармоники, а в цепи питания второго реле установлены кон цевые выключатели и потенциометр, кинематически связанный с валом серводвигателя и подключенный через сум матор к отсчетному прибору. На фиг. 1 изображена блок-схема описываемого устройства; на фиг. 2 схема управления реверсивным серводвигателем. Фотоэлектрическое устройство для измерения, например, угловых перемещ НИИ объекта 1 с зеркалом содержит автоколлиматор 2, в плоскости изобра жения объектива которого расположена щель вибратора 3. За вибратором уста новлен фотоприемник 4, выход которог подключен к входу избирательного уси лителя 5, настроенного на основную частоту и связанного с фазовым детек тором 6. Выход фазового детектора соедине с входом интегрирующего усилителя 7 а выход,последнего подключен к одному из входов сумматора 8, ко втор му входу которого подключен генератор 9 опорного напряжения. Второй вы ход усилителя 5 связан через схему выделения сигнала второй гармоники с обмоткой реле 11, которое в исход ном невозбужденном состоянии присое диняет выход.фазового детектора через контакты реле 12 к обмотке якор двигателя 13 постоянного тока, пере мещающего через редуктор каретку 14 с установленным на ней вибраторо 3. В крайних точках диапазона перемещения каретки установлены два кон цевых выкпючателя 15 и 16, один из которых имеет нормально разомкнутые а второй - нормально замкнутые контакты. На валу двигателя закреплен потенциометр 17, который через сумматор 18 подключен к отсчетному прибору 19. В схеме управления реверсивного серводвигателя (фиг. 2) показаны место включения и положение контактов 20, 21 и 22 реле 12, а также реле 11 и концевых выключателей 15 При измерении линейных перемещеНИИ вместо автоколлиматора может быть установлен NoiKpocKon, а вместо зеркала штриховая мера. Устройство работает следующим образом. При повороте объекта 1 измэрени с жестко закрепленным на нем зеркалом на некоторый угол происходит смещение в фокальной плоскости объе тива автоколлимационного изображения относительно центра колебаний щели вибратора 3, которое пропорционально углу поворота объекта. Периодические колебания щели вибратора 3 относительно изображения марки (штриха) вызывают модуляцию светового потока, который,попадая на фотоприемник 4, вызывает появление электрического сигнала. Этот сигнал представляет сумму сигналов различных частот, кратных основной частоте колебаний о Основную информацию в сигнале несут составляющая той же частоты, что и частота колебаний щели (1-я гармоника) и составляющая удвоенной частоты (2-я гармоника). При совпадении центра колебаний щели с центром изображения марки (штриха) составляющая 1-ой гармо- , НИКИ равна нулю, а вторая гармоника имеет максимальную величину. При смещении центра изображения марки (штриха) относительно центра колебаний щели 1-я гармоника возрастает от нуля до некоторого значения, а сигнал 2-ой гармоники уменьшается до нуля при выходе изображения из зоны захвата щели вибратора 3. Составляющая основной частоты, фаза которой аависит от направления смещения, а амплитуда - от величины этого смещения, выделяется и усиливается усилителем 5 и далее поступает на фазовый детектор 6, где преобразуется в постоянное напряжение, пропорциональное углу поворота объекта. Это напряжение подается на обмотку якоря реверсивного двигателя 13 через контакты реле 11, Двигатель осуществляет, через редуктор перемещение каретки 14 с вибратором 3 в любом из двух взаимно противоположных направлений. Например, при движении каретки 14 в сторону концевого выключателя 15 произойдет замыкание этого выключателя и реверсирование электродвигателя, если центр изображения марки оказался первоначально смещенным в противоположную сторону и при перемещении каретки с вибратором центр колебаний щели начал удаляться от центра изображения марки. Благодаря замыканию концевого выключателя 15 происходит возбуждение реле 12, в результате чего его контакты 20, 21 и 22 (фиг. 2) перебросятся во второе положение, обеспечив изменение полярности включения обмотки якоря электродвигателя и, как следствие, изменение его направления вращения, а следовательно, и направления перемещения каретки - теперь в сторону смещения изображения марки. Аналогично, если каретка 14 первоначально движется в сторону выключателя 16, а изображение марки находится с противоположной стороны, то, дойдя до выключателя 16, она

разомкнет его, реле 12 развозбудится и его контакты 20, 21 и 22 в цепи питания двигателя 13 вернутся в исходное положение, вследствие чего двигатель вновь реверсируется и начинает перемещать каретку 14 в направлении изображения марки. Таким образом, каретка 14 с вибратором 3 всегда будет осуществлять поиск и в конечном итоге смещаться в сторону изображения марки,

Момент захвата изображения марки щелью вибратора. 3 контролируется по появлению сигнала второй гармоники который возрастает при приближении центра колебаний щели к центру изображения марки. Этот сигнал выделяется схемой 10 выделения сигнала второй гармоники и подается на обмотку реле 11, которое через свой контакт разрывает цепь питания двигателя 13, и последний выключается, останавливая каретку 14. Для отсчета перемещения каретки 14 с вибратором 3 на валу двигателя 13 закреплен потенциометр 17, выход которого связан через сумматор 18 с отсчетньам прибором 19, например с цифровым вольтметром.

После того, как закончен поиск изображения марки и она находится в зоне захвата щели вибратора 3, но однако не совпадает с нею, включается канал точного наведения. При работе этого канала постоянное напряжение с выхода фазового детектора поступает на вход интегрирующего усилителя 7, выходной сигнал которого суммируется в сумматоре 8 с напряжением переменного тока от генератора 9 опорного напряжения. Далее суммарный сигнал подается на катушку вибратора 3, при помощи которой обеспечивается перемещение щели вибратора до тех пор, пока центр колебаний щели точно не совпадает о центром изображения марки Напряжение с выхода интегрирующего усилителя 5, пропорциональное сме щению центра изображения марки относительно щели вибратора в пределах зоны захвата, подается также через сумматор 18 на отсчетный прибор 19. Таким образом, в рассматриваемом устройстве используется поиск изображения марки при помощи двигателя и точное наведение при помощи компен сатора (вибратора), чТо позволяет получить высокое быстродействие и исключить автоколебания, которые неизбежны при использовании д.тя точного наведения двигателя. Для диапазон измерений углов +10 с использованием потенциометра для отсчета перемещения каретки погрешность определяется точностью работы потенциометра. Для новых оиразцов потенциометров погрешность составляет 0,01%,, так что в диапазоне измерения погрешность составит

бОО 0,0001 О,Об (0,3 мкм) Погрешность точного наведения с использованием вибратора-, выполняющего функцию компенсатора, не превышает значения 0,l (0,5 мкм).

Таким образом, предлагаемое фотоэлектрическое устройство позволяет расширить диапазон измеряемых длин и углов в пределах от 100 мкм до 3 мм и от 20 до 20

при высокой

точности измерений с погрешностью соответственно 0,5 мкм и 0,l .

15

Формула изобретения

Фотоэлектрическое устройство для

20 автоматического измерения перемещений содержащее вибратор со щелью, интегрирующий усилитель и генератор опорного напряжения, подключенные череэсумматор к катушке вибратора, последовательно соединенные фотоприемник, избирательный усилитель и фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом генератора опорного напряжения, а выход - с входом интегрирующего усилителя, и отсчетный прибор, присоединенный к выходу интегрирующего усилителя, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона измерений, в него введены система следящего -сервопривода, содержащая реверсивный серводвигатель, каретку с закрепленными на ней концевыми выключателями, кинематически связанную с валом серводвигателя, схему выделения сигнала второй гармоники, подключенную к выходу избирательного усилителя, и два исполнительных реле, через контакты которых серводвигатель подключен к выходу фазового детектора, обмотка возбуждения одного реле присоединена к выходу схемы выделения сигнала второй гармоники, а в цепи питания второго реле установле.ны концевые выключатели и потенциометр, кинематически связанный с валом серводвигателя и подключенный через сумматор к отсчетному прибору. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе: 1.Э.И. Контрольно-измерительная техника 39, 1963. ( 237). 2.Богуславский М.Г. и др. Высокочувствительный фотоэлектрический автоколлиматор с автоматическим наведением . ИТ 6, 1973, с. 25-26.

v/. /, rr ;;-- .;- ; ,

r,/;,r/v. ,

657242

.Z