Устройство для автоматического измерения перемещений Советский патент 1980 года по МПК G01C23/00 G08C9/06 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ

1

Изобретение относится к измерительной технике и автоматике и может быть использовано для измерения линейных и угловых перемещений.

Известно устройство для автоматического измерения перемещений 1 , содержащее генератор импульсов, соединенный со счетчиком, выходы которюго соединены со входами дешифратора и регистра точного отсчета, световоды, соединенные в жгуты, растры с различающимися шагами, соединенные с помощью одних световодов с фотоприемником, который через последовательно соединенные усилитель, фильтр, формирователь О-переход подключен к блоку управления, выход которого соединен с другим входом регистра точного отсчета, излучатель, оптические затворы, каждый из которых соединен с соответствующим выходом дешифратора, второй излучатель, соединенный через другие световоды с каждьш оп- , тическим затвором, которые через другие световоды соединены с растрами с различающимися . ;

Это устройство обладает сложностью конструкции.

Известно устройство для автоматического измерения пepeJJeщeний 2, ПЕРЕМЕЩЕНИЯ

содержащее трехфазный источник напряжения, три излучателя, соединенных входами с выходами трехфазного источника напряжения, блок диафрагм, состоящий из трех диафрагм, узел светопроводов, вклкЛ ающий три светопровода , соединенных входными тopцa ш с выходами излучателей, а выходными торцами со входами диафрагм одинаковых -по номеру с порядковым номером излучателей, растровый нониусный преобразователь, установленный на выходе блока диафрагм, фотоприемник, расположенный на оптической оси ка диафрагм по другую сторону растрового нониусного пробразователя, избирательный усилитель, соединенный входом свыходом фотоприемника, блок формирования полезного сигнала, соединенный входами с выходом избирательного усилителя и четвертым выходом трехфазного источника напряжения.

Это устройство обладает недостаточной точностью измерений из-за того, что используемые в нем излучатели не могут обеспечить по технологическим и эксплуатационным причинам равенство световых потоков с высокой точностью. Целью изобретения является повыше ние точности измерений. Цель достигается тем, что оно дополнительно снабжено тремя блоками диафрагм, идентичными первому блоку диафрагм и смещенньоми относительно него вдоль растров на таг, равный (Ло+а/Ч Л-о) , где: i 1, 2 , 3-поряд ковые номера дополнительно введенных блоков диаЛрагм, Ло шаг растрового нониусного сопряжения, тремя узлами светопроводов, светопроводы которых соединены входными торцами с выходами излучателей, соответствующими номеру блока диафрагм, а выходными тор цами так же, как и светопроводы первого узла светопроводов, тремя фотоприемниками, расположенными на оптических осях дополнительных блоков диафрагм по другую сторону от растро вого нониусного преобразователя, тре мя фазосдвигающими блоками, соединенными входами с выходз; и соответствующих фотоприемников, а выходами со входами избирательногоусилителя. На фиг.1 представлена блок-схема пpeдJзaгaeмoгo устройства, на фиг.2 дополнительные разрезы и сечения, поясняющие конструкцию устройства. Устройство для автоматического измерения перемещений содержит трехфазный источник 1 напряжения, три точечных излучателя 2,3,4, соединенные входами с выходами источника 1 . напряжения, четыре узла светопроводов, включающих светопроводы 5-16, четыре блока диафрагм, каждый из которых состоит из трех одиниковых диафрагм 17,18,19 растровый нониусный преобразователь, включающий измерительный растр 20 и индикаторный растр 21, фотоприемники 22-25, избирательный усилитель 26, фазосдвигающие блоки 27-29, соединенные входами с выходами соответствующих фотоприем ников 23, 24, 25, и блок 30 формирования полезного сигнала. При этом: -р каждом узле светопроводов све топр1оводы 5-16 входными торцами соединены с в-ыходами излучателей 2-4, соответствующими номеру блока диафрагм, а выходными торцами со входами диафрагм одинаковых по номеру с порядковым номером излучателей 2-4} -растровый нониусный преобразователь расположен между блоками диаф рагм и фотоприемниками 22-25, -фотоприемники 22-25 расположены на оптических осях блоков диафрагм, -избирательный усилитель 26 соединен входами с выходами Фотоприемника 22 и фазосдвигающих блоко.р 2729 соответственно на углы -71: 3/2 Jc -блок 30 формирования Полезного сигнеша соединен входами с выходом избирательного усилителя 26 и четвер тым выходом трехфазного источника 1 напряжения; - блоки диафрагм смещены относительно первого блока диафрагм вдоль растра растрового нониусного преобразователя на шаг, равный A-IQ- i( + 1/4 АО ) , где: i 1,2,3, а-КГо - шаг , растрового нониусного сопряжения. Устройство работает следующим образом. Источники излучения (излучатели) 2,3,4 возбуждаются трехфазным источником 1 напряжения, в результате чего на выходах излучателей 2,3,4 генерируются переменные во времени светдвые потоки, определяемые уравнениями:i o-t imSi « ot; V- 02 2m otH2o); (9) (), где Фо1 , «г , оъ среднее значение светового пото.ка, 1УП zm амплитуда перёменнойсоставляющей светового потока. Световые потоки Ф-t , через светопроводы поступают соответственно на первые, вторые, третьи входы блоков диафрагм, а затем, пройдя через диафрагмы 17,18,19 каждого из блоков диафрагм, поступают на растровый нониусный преобразователь в виде трех световых потоков с линейным размером в сечении потока, равным длине диафрагмы С.Причем в пределах длины каждого блока диафрагм световые потоки -1. г , смещены относительно друг друга на шаг, равный -(j (1/3) А-оПри прохождении светового потока через нониусный растровый преобразователь, как известно , с.142, 143, на выходе растрового звена образуется пространственный оптический периодический сигнал комбинационные полосы , шаг которых равен: л - Аиу ни где и -ин и причем пространственная аза этого оптического сигнала перемещается в функции от измеряемого перемещения по формуле: ., 4l,, где do- измеряемое перемещение. На фиг.2 сечение В-В показано в упрощенном виде распределение освещенности Е (oL) в пространственном периодическом сигнале на выходе растрового преобразователя, которое, как известно, определяется уравнением: , (-ё;| „ сТ102) .. в этом случае амплитуды световых потоков i(j, прошедших через диафрагглы 17,18,19 первого блока диафрагм и растровый преобразователь, будут равны: )--Д ( «tafdLo-t)-- (13) Ч. ,f --7EU),dA. ае. Суммарный световой поток Фд (io-t) поступает на фотоприемник ISV где он преобразуется в электрически ;сигнал вида: и --K UoCO9{tt,b4(do)) где Ч(,так (t4 Из полученного уравнения ьидлСГ, что в результате преобразований пространственная фаза Ущ,.с оптического сигнала E(J.), сформированного на выхо де преобразователя, линейно преоб разуется в фазовый сдвиг (do) электрического сигнала /4/, причем перемещению пространственного сигнала в пределах этого сигнала, равного 1 rAnXi-. М, соответствует фазовый О А liV ИН 1л , I -,пЛ сдвиг сигнала /14/ на 360 , т.е. при - 4(.io)o; Ц.„; ЗбО -чио) 360f /15/ При неравенстве световых потоков излучателей 2,3,4 сигнал Д4/ имеет вид: U -UoCOs u ot-(eLo) i-fl. iHoiM 2« н Чг и„ Аг«о|ц11) 1б) где аг-п гитуды фазовых погрешностей г обусловленных неравенством световых потоков Фгм Ф)м Аналогично вышеизложенному ампли туды световых потоков , Фд, и | /9/ источников излучения 2,3,4, про шедших через другие блоки диафрагм и через растровый преобразователь, будут также определяться по уравнениям /13/ , И.4/ , /15/ , Лб/ . .Однако, в этом случае, таккак другие блоки диафрагм смещены относительно оптической оси первого блока диафрагм .(принятого в качестве начала отсчета) на указанные вьше шаги, то вслед .ствие этого фазовый сдвиг выходного сигнала фотоприемниксв 23,24,25 в уравнении /16/ , как видно из фиг.2 и /15/ , будет смещен относительно фазового выходного сигнала Лотоприем ника 2 на величину, равную: Для фотоприемника 23 фазовый сдви (jjубудет смещен на ff/S, т.е. Joa .

- « 1цаи )1иам1,

где (lp)i(ic,)|.

Uc-VUp.-cosJuJot- fio). (25)

(17)

На практике вследствие нестабиль 65 ности коэффициентов передачи ЛотоприДля фотоприемника 24 фазовый сдвиг V(eio)будет смешен на Л, т.е. г si« () У 1н«ч u W« ll UoH iaH«4 li где: Ч(do) ЧСЛо) + К .i( 18) Для фотоприемника 25 фазовый сдвигЧ(Ао будет смещен на и , т.е. Ч и-Чпи оС° КЬ- (.к5« « с AiHaM , (i HON X 419) ГЛе )-V{do1 /2f . Выходной электрический сигнал lilt фотоприемника 23, смещенного на (1+1/4)Ло в фазосдвигаюсдем блоке 16 смещается по фазе на ft/2 (9(f), т. е. и фг примет вид: Ф2- ( - -f- f- ,«.,(Ao)-,н«wl 2uг Ao) 4 -а«ач11.i(20) Выходной -электрический сигнал /18/ фотоприамника 24, смещенного на 2,5Ло, в фазоннверторе 28 смещается по фазе на угол + It , т.е. Оф примет вид: (21) )«1,иач1 ,fcSHn ()+AiM« l. Выходной электрический сигнал f фотоприемника 25, смещенного на 15/4 Д. о г. в фазосдвигающем блоке 29 смещается по фазе на +3/2ЯГ,т.е. ифм примет вид: 4m- «kn j% 06«ot- ao)( ) ( )i гиам )У. (2) Суммарный сигнал, равный сумме сигналов /19/ , /20/ , /2V /22/ , на выходе избирательного усилителя равен: l oi «Joz Oo-b Jo4Hos « ot-4Uo) +l.(Uoi-Ud-i) X 5лг (1 (do) oL „ац t«oa-Uo4)coe {Ч(Ао),„ач ,),,гл« 2 ( () - зцolч Ьwt «ot-чWo) , где IJcH o ni .na : Оог- оКфлг Откуда следует, что при выполнении условий: iUo,-4o2-Mo,Uo4 , 2 л и дУащА фазовые погрешности Л Цщ в выходном сигнале 3/, вследствие взаимной конденсации равны нулю, при этом фазовыЯ сдвиг этого сигнгша будет строго пропорционален измеряемо му перемещению, т.е. емников 22-25 может иметь место отк лонение амплитуд выходных сигналов /16/ , /20/ , /21/, /52/ от рассчетных параметров /24/, В этом случае полной KOMneHcaiXMH фазовых погрешностей д. , и л UZHIN в выходном сигнале (25) не произойдет. Однако оставшаяс часть слагаемых,обусловленных нераве ством амплитуд сигналов 16) , (20) , ( 1221, как следует из /23/ , вносит погрешность 2-ого порядка малости. Так, например, при использовании в предложенном устройстве относитель но грубых фотоприемников типа ФД-7К, обеспечивающих неравенство амплитуд выходных сигналов /16/, /20/, /21/, /22/ с погрешностью не хуже 10%, фазовая погрешность преобразования , зигл обусловленная, неравенством световых потоков ф-( , Ф Ф- /9/ источников излучения 2,3,4, уменьшается в данном устройстве, как следует из /23/ , не менее, чем в 10 раз.. ТакимОбразом, предложенное устройство позволяет повысить точность измерения контролируемого перемешеНИН за счет уменьшения влияния неравенсФва световых потоков источников излучения на точность преобразования измеряемого перемещения в фазовый сдвиг электрического . Формула изобретения Устройство для автоматического измерения перемещений, содержащее трехфазный источник напряжения, три излучателя, соединенных входс1Ми с вы ходами трехЛазного источника напряжения, блок диафрагм, состоящий из трех диафрагм, узел светопроводов, включающий три светопровода, соединенных входными торцами с выходами излучателей, а выходными торцами со входами диатрагм одинаковых по Но-меру с порядковым номером излу чателей, растровый нониусный преобразователь, установленный- на выходе блока диафрагм, фотоприемник, расположенный на оптической оси блока диафрагм по другую сторону растрового нониусного преобразователя, избирательный усилитель, соединенный входом с выходом фотоприемника, блок формирования полезного сигнала, соединенный входами с выходом избирательного усилителя и четвертым выходом трехфазного источника напряжения, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, оно дополнительно снабжено тремя блоками диафрагм, идентичными первому блоку диафрагм и смещенными относительно него вдоль растров на шаг, равный (Ao+-f/4(), где -j 1,2,3- порйдковые TiOMepa дополнительно введенных блоков диафрагм, АО - шаг растрового нониусного сопряжения, тремя узлами светопроводов, светопроводы которых соединены входными торцами с выходами излучателей, соответствующими номеру блока диафрагм, а выходными торцами так же, как и светопроводы первого узла светопроводов, тремя фотоприемниками, расположенными на оптических осях дополнительных блоков диаЛрагм по другую сторону от растрового нониусного преобразователя, тремя Лазосдвигающими блоками, соединенными входами с выходами соответствующих фотоприемников, а выходами со входами избирательного усидителя. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 63305, кл. G08 С 9/06, 01.06.77. 2.Фотоэлектрические преобразова- тёли информации. Под ред. Л.Н.Преснухина М., 1974, с.219 (прототип).

I

J / /«

a 16

i

тттл

1 A./ „I i I fS I I ,3 I I J-,7 ., QIZ/ ГУ1

ffntnu4ecka/ ось ff/ioKU duQippaiH u M ГУ rxT TTT l