Устройство для измерения скорости перемещения объекта Советский патент 1982 года по МПК G01P3/36 

Изобретение относится к измеритёль ной технике и может найти применение в фотографии, прокатном производстве, на транспорте и др. областях техники. Известно растровое устройство для измерения линейной скорости объекта вдоль одной координаты. Оно содержит оптическую систему, в фокальной плоскости которой располагается неподвижная растровая решетка, работающая в проходящем свете tl. Однако с помощью этого устройства нельзя определить направление движения объекта. Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения скорости перемещения объекта, содержащее объектив, растровый элемент, расположенный в фокальной плоскости объектива, дифференциальный усилитель и схему частотного сравнения, к первому входу которой подключен выход дифференциального усилителя. Устройство также содержит фокусирующие линзы и фотоэлементы. Растровый элемент выполнен в виде модулирующего диска с нанесенными на него прозрачными и зеркальными полосами. На диск с помощью объектива проецируется изображение контролируемого объекта. Модулирующий диск наклонен к оптической оси объектива под углом 5, при этом световой поток от изображенмя, прошедший через прозрачные полосы растра, фокусируется линзой на первом фотоэлементе, а световой поток, отраженный зеркальными полосами растра, фокусируется линзой на втором фотоэлементе. Сигналы, снятые с выходов фотоэлементов, усиливаются и поступают на входы дифференциального усилителя. При вращении модулирующего диска и давлении контролируемого объекта на выходах фотоэлементов существуют сигналы- низкой частоты, обусловленные изменениями их общей освещенности при движении объекта обладающего оптичес397 27кими неоднородностями, и кроме этого, на выходах фотоэлементов существуют также сигналы высокой частоты обусловленные модуляцией элементами растра элементов изображения, причем сигна- 5 лы высокой частоты на выходах фотоэлементов cдвинyfы друг относительно друга на половину периода. При подключении фотоэлементов ко входам дифференциального усилителя в нем происхо- 50 дит уничтожение низкочастотной составляющеи, и сигнал с частотой, несущей информацию о скорости смещения изображения, с выхода дифференциального усилителя поступает на схему частот- 5 ного сравнения, выход которой соединен с сервоусилителем, подключенным к электродвигателю, вращающему модулирующий диск. При вращении модулирующего диска происходит модуляция светового потока от дополнительно установленной лампы. Фотодиод, вЬспринимающий этот световой поток от лампы, через последовательно соединенные усилитель и счетное устройство соединен с генератором, который выдает опор ную частоту в схему частотного сравне ния. Система работает таким образом, что на выходе дифферейциального усилителя поддерживается практически постоянная частота, а скорость смещения изображения контролируемого объекта воспроизводится соответствующими изменениями скорости вращения модулирующего диска. О скорости движения объекта судят по частоте на выходе фотодиода 2.. Однако это устройство характеризуется недостаточно высокой точностью измерения из-за погрешностей, возникающих при биениях диска, нetтaбильности в работе электродвигателя и т. д Цель изобретения - повышение точности измерени-й скорости перемещения объекта. Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее растровый элемент, расположенный в фокальной плоскости объектива, дифференциальный усилитель и схему частотного сравнения, к первому входу которой подключен выход дифференциального уси лителя, введены четыре блока электрон ных ключей, задающий генератор, кольцевой сдвиговый регистр с четным чисЛОМ разрядов N и второй дифференциаль ный усилитель, при этом растровый эле мент выполнен в виде полосовых фотоэлементов, расположенных вплотную

вательности к управляющим входам соответственно первого и третьего блоков электронных ключей, а инверсные 2- 4 друг к другу, число которых кратно г1, фотоэлементы объединены в N групп путем электрического соединения 1-го, N-ro, (N+l)-ro фотоэлементов первой группы, 2-го, {N+2)-ro, (2N+2)-ro фотоэлементов второй группы, причем группы фотоэлементов подключены к информационным входам блоков электронных ключей, прямые выходы разрядов кольцевого сдвигового регистра подключены в прямой и обратной последовыходы разрядов кольцевого сдвигового. регистра также в прямой и обратной последовательности подключены к управляющим входам соответственно второго и четвертого блоков электронного ключей, вход кольцевого сдвигового регистра связан с выходом задающего генератора, выходы блоков электронных ключей подключены ко входам первого и второго дифференциального усилителей, а выход последнего второму входу схемы частотного сравнения, На чертеже представлена упрощенная функциональнагг схема устройства, Устройство содержит объектив 1, в фокальной плоскости которого располагается пластина 2 с нанесенными на ее поверхность полосовыми фотоэлементами расположенными поаледовательно вплотную друг к другу (эта-часть предлагаемого устройства может бь1ть выполнена например, путем нанесения на пластину 2 фоточувствительного слоя и последующего разделения его на фотоэлементы путем надрезки), четыре блока 3-6 ключей, задающий генератор 7 кольцевой сдвиговый регистр 8, четыре усилителя 9, два дифференциальных усилителя 10 и 11, схему 12 частотного сравнения; Кольцевой сдвиговый регистр содержит четное число разрядов N. В половине разрядов регистра 8 записан последовательный ряд логических единиц, а в другой половине - последовательный ряд логических нулей. Прямые и инверсные выходы разрядов кольцевого сдвигового регистра 8 соответствущим образом связаны с управляющими входами блоков 3-6 ключей., В фокапьной плоскости объектива 1, где объективом формируется изображение контролируемого объекта, расположена пластина 2 с нанесенными на ее поверхности вплотную друг к другу полосовыми фотоэлементами. Число поло597совых фотоэлементов кратно числу разрядов N кольцевого сдвигового рег-истра 8, это обусловлено необходимостью того, чтобы в любой момент времени при работе устройства общая площадь фотоэлементов работающих по любому каналу не изменялась и оставалась постоянной Фотоэлементы электрически свя.заны и объединены в N групп так, что электрически связаны фотоэлементы 1-го, {N+1)-го,.(2N+1)-го и т, д. - это первая группа фотоэлементов, связаны фотоэлементы 2-го, (N+2)-ro, (2N+2)-ro и TV д. - это вторая группа фотоэлементов и эти N групп фотоэлементов

последовательно подключены к информационным входам блоков ключей. Прямые и инверсные выходы разрядов кольцевого сдвигового регистра 8 соответствующим образом подключены к управ- 20 ляющим входам блоков ключей.

На чертеже представлен вариант устройства, содержащего четырехразрядный кольцевой сдвиговый регистр 8, В блоках ключей в каждый момент(Време- 15 ни открыты те ключи, на управляющие входы которых поданы сигналы 1 от кольцевого сдвигового регистра закрыты те ключи, на управляющие входы которых поданы сигналы О. В исходном состоянии в первом и втором .разрядах регистра 8 записаны 1, а О. При этом в третьем и четвертом в блоке 3 ключей открыты ключи, инфор мационные входы которых связаны с Tpe тьей и четвертой группами фотоэлементов, и на выходе блока.3 существует электрический сигнал обусловленный интегральной засветкой фотоэлементов третьей и четвертой групп. Это подобно тому, как если бы на изображение контролируемого объекта в фокальной плоскости объектива 1 была бы наложена растровая решетка постоянного шага с прозрачными и непрозрачными полосами равной ширины, причем непрозрачные полосы растровой решетки находились бы в районе фотоэлементов первой и второй групп, а прозрачные полосы рас тровой решетки располагались бы в зон фотоэлементов третьей и четвертой трупп, .а за растровой решеткой находился бы один общий фотоэлемент. Устройство работает следуюи1им об.разом. При подаче от задающего генератора 7 импульса частоты в кольцевом сдви говом регистре происходит сдвиг на

импульса частоты ff в регистре вновь происходит сдвиг на один разряд записанногр там числа, и в первом и втором разрядах регистра будут О, а в третьем и четвертом - 1. На выходе блока 3 ключей су|цествует сигнал, обусловленный интегральной засветкой фотоэлементов уже первой и второй групп. Это эквивалентно тому, как если бы 72 рдин разряд записанного там двоичного числа и во втором и третьем разрядах 5удут записаны 1, а в первом и четвертом - О. На выходе блока 3 ключей существует сигнал, обусловленный интегральной засветкой фотоэлементов уже второй и третьей групп. Это эквивалентно тому, как если бы растровая решетка, наложенная на изображение контролируемого объекта сдвинулась бы вдоль оси X на ширину одного фотоэлемента в направлении, противоположном направлению оси X. При подаче от задающего генератора 7 на вход кольцевого сдвигового регистра 8 следующего .растровая решетка, наложенная на изображение контролируемого объекта, сдвинулась бы вдоль оси X ещё на ширину одного фотоэлемента в направлении противоположном направлению оси X. Таким образом, при подаче от задающего генератора 7 импульсов частоты ff в регистре 8 осуществляется последовательный сдвиг числа, и на выходе блока 3 ключей существует ступенчатый сигнал, обусловленный интегральной засветкой соответствующих фотоэлементов в каждый момент времени. Изменение уровня сигнала на выходе блока 3 ключей наблюдается при подаче на вход Регистра 8 импульса частоты f, приводящего к сдвигу числа в регистре и переключениям в блоке 3 ключей. Сигнал с выхода блока 3 ключей подается на вход усилителя 9 снабженного сглаживающим фильтром. На выходе усилителя 9 будет существовать усиленный и сглаженный сигнал такой, какой существовал бы на выходе фотоэлемента расположенного за растровой решеткой, наложенной на изображение контролируемого объекта в фокальной плоскости объектива, причем эта растровая решетка с прозрачными и непрозрачными полосами равной ширины двигалась бы вдоль оси X в направлении противоположном направлению оси X. При неподвижном контролируемом объекте сигнал на выходе усилителя 9. подключенного к блоку ключей имеет частоту frt IP - шаг растровой решетки; VP - скорость движения растровой решетки. Величины 1р и VP могут быть определены из соотношений 1р N.d, где N - число групп фотоэлементов| d - ширина одного фотоэлемента , d f. - частота следования импульсов от задающего генератора 7. При движении объекта вдоль оси X на выходе усилителя 9 подключенному к блоку 3 ключей происходит отклонение частоты сигнала -от величины f на Af, причем если направления движения растровой решетки и изображения контролируемого объекта совпадают, то про исходит уменьшение частоты fo на лГ, если же решетка и И: рбражение объекта движутся в противоположных направлениях, то происходит увеличение частоты на e -K-Vo, где УП - скорость движения изображения объекта вдоль оси X; К - коэффициент увеличения объек тива УО - скорость движения объектива вдоль оси X. Таким образом, по величине отклонения /Sf можно определить скбрость движения контролируемого объекта, а по знаку отклонения можно определить направление этого движения. Поскольку к управляющим входам бло ка ключей подключены инверсные выходы разрядов кольцевого сдвигового .регистра 8- в той же послегдовательности, как подключены прямые выходы разрядов регистра 8, к управляющим входам блока 3 ключей, на выходе блока 3 ключей в каждый момент времени сущест вует сигнал от интегральной засветки определенных дзух групп фотоэлементов и на выходе блока ключей Л существует сигнал от интегральной засветки двух других групп фотоэлементов. Тогда на выходе усилителя 9, подключенного к блоку ключей, существует сглаженный и усиленный сигнал, такой, какрй существовал бы, если бы в фокальной плоскости объектива 1 на изображение контролируемого объектива была бы наложена растровая .решетка с прозрачными и непрозрачными полосами равной ширины и-движущаяся в том же направлении, как и для блока 3 ключей, но сдвинутая на половину периода. Таким образом, придвижении контролируемого объекта, обладающего оптическими неоднородностями, на выходах усилителей 9 связанных с блоками 3 и 4 ключей, существуют сигналы низкой частоты обусловленные изменениями общей освещен-, ности в фокальной плоскости объектива и сигналы высокой частоты сдвинутые друг относительно друга на половину периода. При подаче этих сигналов на входы дифференциального усилителя 10 в нем происходит уничтожение низкочастотной составляющей сигнала и на его выходе будут сигналы частоты fpiaf. Прямые и инверсные выходы разрядов , кольцевого сдвигового регистра 8 подключены также к управляющим входам блоков 5 и 6 ключей, но в последовательности обратной подключению к блокам 3 и ключей. Таким образом, на выходах усилителей 9, подключенных к блокам 5-и 6 .ключей будут существовать сглаженные и усиленные сигналы, такие, -какие существовали бы на выхоqe фотоэлемента при наложении на изображение контролируемого объекта сдвинутых на половину периода растровых решеток, движущихся по оси X в направлении противоположном тому, какое существует для блоков 3 и ключей. Сигналы с выходов усилителей 9 под-ключенных к блокам 5 и 6 ключей подаются на входы дифференциального усилителя 11, на выходе которого существует сигнал частоты . Таким образом, вустройстве происходит возникновение таких сигналов, какие существовали бы на выходах фотоэле)ентов, если бы в фокальной плоскости объектива на изображение контролируемого объекта были бы наложены четыре растровые решетки, две из которых, сдвинутые на половину периода, двигались бы в направлении оси X, -а две других, тоже сдвинутые на половину периода , двигалисьбы в направлении, противоположном направлению осиХ, Выходы дифференциальных усилителей 10 и 11 подключены к схеме частотного сравнения, на выходе которой существует сигнал пропорциональный разности частот входных сигналов; (,) -(). Величина этого сигнала пропорциональна скорости движения контро лируемого объекта вдоль оси X,- а знак показывает направление этого движения Если схема частотного сравнения допол нительно снабжена интегратором, то на ее выходе также будет сигнал пропорциональный перемещению контролируемого объекта вдоль оси X. Если движение контролируемого объекта осуществляется не строго влоль. . рси X, а под углом к ней, то на выхода устройства будут существовать сигналы, пропорциональные величинам, составляющим скорость и перемещения объ екТа вдоль оси X. Положительный технический эффект устройства заключается в том, что оно не содержит регулируемого электропривода и механических движущихся элемен тов, обладает меньшим весом и габэ19итами, так как все оно может быть выполнено на одной пластине, на одной стороне которой нанесены фотоэлементы а на другой нанесена электрическая схема всего устройства, выполненная методом современной технологии изготовления микросхем. Формула изобретения Устройство для измерения скорости перемещения объекта, содержащее объектив, растровый элемент, расположенный в фокальной плоскости объектива, дифференциальный усилитель и схему частотного сравнения, к первому входу которой подключен выход ди ренциального усилителя, отличающеес я тем, что, с целью повышения точности , в него введены четыре блока электронных ключей, задающий генератор, кольцевой сдвиговый регистр с четным числом разрядов N и второй дифференциальный усилитель, при этом растровый элемент выполнен в виде полосовых фотоэлементов, расположенных вплотную друг к другу, число которых кратно N, фотоэлементы объединены в N групп путем электрического соединения 1-го, N-ro, (М+1)-го фотоэлементов первой группы, 2-го, ()-гб, (2N+2)го фотоэлементов второй группы, причем группы фотоэлементов подключены к информационным входам блоков электронных ключей, прямые выходы разрядов кольцевого сдвигового регистра подключены в прямой и обратной последовательности к управляющим входам соответственно первого и третьего блоков электронных ключей, а инверсные выходы разрядов кольцевого сдвигового регистра также в прямой и обратной последовательности подключены к управляющим входам соответственно второго и четвертого блоков электронного ключей, вход кольцевого (Сдвигового регистра: связан с выходом задакмцёго генератора, выходы блокое электронных ключей подключены ко входам первого и второго, дифференциального усилителей, а выход последнего - ко второму входу схемы час,тотного сравнения. . . Источники информации, . принятые во в 1ииание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 251966, кя. С 01 Р ЗМ 1970. 2.Патент Великобритании № кл. G 1 А, « О, 975 (прототип).