Устройство для измерения перемещений

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУ БЛИН 09) 111 1)5 С 0 1 00 ГОСУДАРСПО ИЗОБПРИ ГНН ЕННЫЙ КОМИТЕТЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ ССР ф 1 й 1 1 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИК А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ В.Четвертных зультат изм обусловленнь тиками скан рений погрешно х дрейфовыми х стора, Устрой ремещений сод состоящих из арактери етельство СССР В 21/00, 1970ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕ измерения и излучателей вателей кал ков, жестко сканистора т рядформироровочных световых потоакрепленных на корпусе световые калибровочны тносится к изме Целью изобрете(57) Изобретениерительной технике является повышение точности из ений медленно изменяющихся просов за счет повышения помехозащиности н уменьшение влияния на ре1589054 Составитель С, Коню Техред М.ДидыкТ,Пал Редактор Т,Парфено ж 485 Подписноебретениям и открытиям при ГКНТ СССРаушская наб., д, 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Уж Гагарина, 10 о Заказ 2530 ВНИИПИ Государственно 11303о комитета по из Москва, Ж, в Корректо1589054 ства,потоки от которых образуют геометрический растр вдоль поверхности сканистора и позволяют определять текущий калибровоччый коэффициент на любом участке сканистора, в том числеи в точке, соответствующей информационному оптическому сигналу от источника 2, жестко связываемого собъектом, Это позволяет компенсировать погрешности., обусловленные дрейИзобретение относится к измери" тельной технике и может быть использовано для измерения линейного пере мещения, 20Целью изобретения является повышение плоскости измерений медленно изменяющихся процессов эа счет повышения помехозащищенности и уменьшения влияния на результат измерений по грешностей, Обусловленных дрейфовыми характеристиками сканпстора,Иа фиг.1 приведена блок-схема предлагаемого устройства; на Фиг.2-4- функциональные схемы соответственно блока обработки, блока фазового уп равления и блока управления световыми калибровочйыми потоками; на фиг.5- диаграммы работы элементов устройУстройство для измерения перемещений содержит ряд 1 излучателей, состоящий из Ж формирователей калибровочных световых потоков, оптически связанные излучатель 2, предназначенный для установки на объекте измерений, оптическую систему 3 и сканистор 4 оптически связанный с формЦзоеателями ка,тибровочных световых потоков ряда 1 излучателей, жестко закрепленных на корпусе сканистора 4 и Образующих последовательный геометрический растр вдоль поверхности сканистора 4, источник 5 смещения, генератор 6 пилообразного напряжения,соединенэмнттером сканистора 4 и через источник 5 смещения с первым эмиттером сканистора 4, блок 7 управления генератором пилообразного напряжения, тактовый генератор 8, первый выход которого соединен с первым входом блска 7 управления, блок 9 фазового фовыми характеристиками сканистора,Блок 9 управления Фазой позволяетввести в каждый период опроса.сканистора синхронный фазовый сдвиг частоты модуляции световых потоков и частоты синхронизации фазового детекто"ра 15 с последующим усреднением ре.зультата в блоке 20 усреднения, чтоповышает помехозащищенность, 5 ил,управления, первый выход которого соединен с входом излучателя 2, первыйвход соединен с третьим выходом тактового генератора 8, блок 10 управления калибровочными световыми потоками, первый вход которого соединен свторым выходом блока 9 фазового управления, первый, второй, третий ичетвертый фильтры 11-14, выполненныев виде последовательно соединенныхсоответствующих резисторов и колебательных контуров, входы которых соединены с коллектором скапистора 4,первый, второй, третий и четвертыйфазовые детекторы 15 18, первые входыкоторых соедииены соответственно с выходами первого, второго, третьего ичетвертого фильтров 11-14 блок 19обработки, первый, второй, третий,четвертый входы которого соединенысоответственно с выходами первого,второго, третьего, четвертого фазовых детекторов 15-18, пятый входсоединен с выходом блока 7 управленияи входом генератора 6 пилообразногонапряжения, шестой вход соединен свторым выходом тактового генератора8, первый выход соединен с вторымивходами блока 7 управления и блока 9фазового управления, второй и третийвыходы соединены соответстэенно свторым и третьим входами блока 10 управления, блок 20 усреднения и блок21 регистрацю, вторые входы фазовь;хдетекторов 15-18 соединены соответственно с третьим выходом блока 9 фазового управления и первым, вторымитретьим выходами блока 1 С упр явления,четвертый вход которого ссединен стретьими входами блока 9 фазового управления и блока 7 управления, вторымвходом блока. 21 регистрации и вторымвыходом блока 20 усреднения, первый30 35 40 рованной границы двух модулированныхфототоков, образованных соответст 45 вующим модулированным световым потоком, происходит переворот фазы, фототока, поскольку, при дальнейшемдвижении эквипотенциальной линииидет преобладание последующего моду 50 лированного фототока над предыдущим,например коллекторного модулированного над эмиттерным модулированнымфототоком, В результате изменяетсянаправление суммарного модулированно го Фототока через нагрузку сканистора 4, а на соответствующем колебательном контуре, настроенном на соответствующую частоту модуляции све 5158и второй входы которого соединенысдответственно с четвертым и пятымвыходами блока 19 обработки, первыйвыход соединен с первым входом блока21 .регистрации, Б выходов блока 1 Оуправления световыми калибровочнымипотоками от 4 до 0+4 соединены соот ветственно с входами Н формирователей калибровочных световых потоковряда 1 излучателей,Устройство работает следующим образоКИзделие механически жестко связано с излучателем 2, который связанчерез оптическую систему 3 с фото чувствительной поверхностью еканистора 4, опрос которого осуществляетсягенератором 6 пилообразного напряжения и источником 5 смещения, Привключении устройства на втором выхо-.де блока 20 усреднения формируетсяимпульс, поступающий на четвертый,вход блока 10 управления световымикалибровочными потоками и на третийвход блока 9 фазового управления,устанавливающий эти блоки в исходное,состояние, а также поступающий натретий вход блока 7 управления генератором пилообразного напряжения,который при этом коммутирует на,свойвыход первый вход, подключенный кпервому выходу тактового генератора8, на котором .формируются импульсыдлительностью выбранные так, чтосбрасывают генератор 6 пилообразногонапряжения в исходное состояниеначало полного опроса сканистора 4(фиг,5 а), а частота следования ихвыбрана из условия полного опросасканистора 4 (фиг.5 а) - генератор 6пилообразного напряжения успевает опросить всю фоточувствительную поверхность сканистора 4, коллектор кото,рого нагружен через разделительныерезисторы К 1, К 2, К 3, К 4 соответственно на первый .11, второй 12, третий 13 и четвертый 14 колебательныеконтура. Третий выход тактового генератора 8 подключен к первому входублока 9 фазового управления, первыйвыход которого задает частоту ифазовый сдвиг модуляции излучателя2, а второй выход задает фазовыйсдвиг тактовой частоте, поступающей. на первый вход блока 10 управлениясветовыми калибровочными потоками,который, в зависимости от управляющих сигналов на втором и третьем вхо 9054е дах, подключенных к второму и тре тьему выходу блока 19 обработки,подключает на выходы от 4 до (0+4) соответствующую триаду формирователейФ 1, ф+ фкалибровочных световыхпотоков. Каждый из Ф 1, формирователейкалибровочных световых потоков ряда1 излучателей механически жестко свя"эан с сканистором 4 и расположеныони так, что их световые потоки.спроецированы вдоль Фоточувствитель. ной поверхности сканистора 4, образуя геометрический калибровочный 15 .растр, Причем, первый колебательный,койтур 11 настроен на частоту модуляции излучателя 2, а второй 12, третий 13, четвертый 14 колебательныеконтуры соответственно на частоту 20 триады Формирователей Ф, Ф , Ф 1 фякалибровочных световых потоков. Выход каждого колебательного контурапервого, второго, третьего и четвер того Фильтров 11-14 подключен соот25 ветственно к первому входу первого,второго, третьего, четвертого фазовых детекторов 15-18, на вторые входыкоторых поступают сигналы синхронизации соответственно с третьего выхо да блока 9 фазового управления и с первого, второго, третьего выходоаблока 10 управления калибровочнымисветовыми потоками. При опросе сканистора 4 происходит движение эквипотенциальной линии вдоль его фоточувствительной поверхности. Эквипотенциальная линия делит фоточувствительную поверхность сканистора 4 надве части, одна из которых содержитэмиттерный фоточувствительный переход, Поэтому, при пересечении эквипо тенциальной линии взаимно компенси тового потока, меняется Фаза сигнала.(Фиг,5 б,в,г.,д) на противоположную- Фазовый сдвиг, равный я (180 ф), который преобразуется на выходессответствующего Фазового детектора в перепад напряжения (фиг,5 е,ж,з,и), Резисторы К 1, К 2, КЗ, К 4 служат для токовой развязки соответствующих модулированных Фототоков. Выходы соответствующего Фазового детектора 15-18 подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому входам блока 19 обработки. Выход блока 7 управления генератором пилообразного напряжения подключен к пятому входу блока 19 обработки и устанавливает в исходное состояние триггер 22 видеосигнала (фиг,2) и счетчик 35 адреса (Фиг.2) постоянного запоминающего устройства ЗЗ (Фиг,2). В процессе полного опроса сканистора 4 (Фиг.5 а) триггер 22 видеосигнала находится в сброшенном состоянии, а по приходу информациснного видео сигнала(Фиг,5 е) - перепада на 25 пряжения на выходе первого Фазового детектора 15, переключается и разре шает работу узла 24 сброса (фиг.2), выход которого является первым выходом блока 19 обработки, где Формируются импульсы сброса локальногоопроса сканистора 4 (Фиг.5 а) с длилтельностью Ь ,поступающие на генератор 6 пилообразного напряжения. (фиг,5 л) чеРез второй вход и выход блока 7 управления генератором гилообразного напряжения, Причем, импуль" сы сброса лю Б имеют задержку на велличину, которая задается в узле 23 задержки сброс"., (Фиг.2) по при" 40 ходу 1+2-го видеосигнала 2(фиг,5 и), что соответствует длительйссти Л, Л"1 + "м.(фиг,5 к) " конец локально гс опроса сканистсра 4. Длительностьлимпульса сброса с (Фиг.5 л) определяет амплитуду пилообразного напряжения на выходе генератора 6 пилообразного напряжения (фиг.5 а) при локальном опросе и соответственно сиределяет локальную длину 1 фоточувствительной поверхности сканистора 4, К видеосигналуФ;, -го кали:бровочного светсвогс потока (фиг.5 з) задается длительность ,(Фиг,5 р) вузле 25 первой задержки (Фиг,2), а к видесси 1 нилу Ф "го (Фиг5 и) калибровочного светсвогс потока задается длительностью С+(фиг.5 с) в узле 26 второй задержки (фиг.2), которые являются полями допуска информационного видеосигнала ь (фиг,5 е). Еслидлительность информационного видеосигнала находится в поле допуска, тодлительностьсброса выбираетсяЛтакой, чтобы амплитуда пилообразногонапряжения и соответственно локальный участок 1 Фоточувствительнойповерхности сканистора охватывалпроекции ф, Ф , фкалибровочных световых протоков и проекциюизображения излучателя 2. Если изоб "ражение излучателя 2 движется вправо вдоль фоточувствительной поверхности сканистора 4, то длительностьЛ(фиг.5 е) информационного видеосиг 8нала становится больше поля допуска,1, поэтому на выходе первойсхемы И 28 (Фиг.2), а также иа втором выходе блока 19 обработки появляется импульс (фиг,5 м) соответствующий концу длительности 1+ сД,поступающий на второй вход блока 10управления калибровочными световымипотоками, который задает новую позицию Ф,1, ф ф+ калибровочнымсветовым потоком, Причем, конец локального опроса сканистора 4 опредеЛ,Лэляется длительностью.э+ с. за(фиг5 л), а локальный опрос охватывает проекции Ф 1 Ф , Ф з калибровочных световых потоков. Придвижении изображения излучателя 2 влево, вдоль фоточувствительной поверхности сканистора 4, длительность л,8информационного видеосигнала (фиг,5 е)становится меньше поля допуска+Л,Л+, поэтому на выходе второй схемыИ 29 (фиг,2), а также на третьем выходе блока 19 обработки появляетсяимпульс (фиг,5 н), соответствующийЛлконцу длительности+. , поступающий на третий вход блока 10 управления калибровочными световыми потоками, который задает новую позициюф ., Ф, ф:, а конец локальногоопроса сканистора 4 определяется длительностью,+ ь ю (фиг,5 к), при"Л, гчем, при переходе с Ф, ф Фелокального опроса в ФФ Ф.,локальный опрос длительностьюеРимпульса сброса возрастает (Фиг.5 л)на выходе узла 24 сброса и зависитот количества пришедших на его третий вход импульсов с выхода второйсхемы И 29, Соответственно изменяетсяи характер напряжения на выходе генератора 6 пилообразного напряжения(фиг.5 а) и характер опроса сканистора 4. Таким образом, устройство отслеживает проекцию излучателя 2 нафоточувствительной поверхности ска5нистора 4, так, что всегда организу.ется локальный опрос локального участ"ка 1, охватывающего проекцию Ф,Фр 1, Ф 1 калибровочных световых потоков при условии, что информационный видеосигнал с проекциии иэлучателя 2 находится в поле допуска( 1 +сс ь+ + ь+, С целью устранения неустойчивости работы устройства при переходе с 1- го локального 15опроса в 1 , -ый опрос и наоборотгс лвыбрано условие ,с ьд , Одновременно, в каждый -локальный опрос сканистора 4 определяется калибровочноел, лзначение длительности о, - , кото 20рая заполняется импульсами с частотой 1 п(фиг.5 п), приходящих со второго выхода тактового генератора 8 ктретьему входу формирователя 30(фиг.2) текущего калибровочного эначения, на выходе которого форМируетСя калибровочное числоЛ, л,ра - 1Кю еэт веще э еат1 (1)Т 25 11 еред очередным полным опросомсканистора 4 (фиг.5 а) счетчик 35 ад;реса сбрасывается и далее считаетколичество импульсов с выхода первойсхемы И 28 (фиг,5 м), которое равноместоположению локального опросаохватывающего Ф, Ф ., Фпроекции калибровочных световых потокови иэображения излучателя 2, С выходавторой схемы И 29 импульсы (фиг 5 и) 35поступают на отрицательный вход счетцика 35 адреса, который вычитает количество пришедших импульсов.из прежнего значения счетчика и определяЕтновое местоположение локального оп 40 роса, и на выходе постоянного запоминающего устройства 33 появляютсяранее записанные значения соответсчвующих выражению (3), а также на втором выходе появляется ранее записанное значение координаты х -го каОЭЦ1либровочного светового потока, соответствующее координате х-го калибровочного светового потока при температуре То окружающей среды, и поступающее на первый, второй входы сумматора 36 (фиг2), на первый вход которого поступает текущее значение Яо(4) перемещения с выхода узла 34 умножения чисел, На первом выходе сумматора 36 и соответственно на четвертом выходе блока 19 образуетсязначение перемещения иделиял л,пМ 8- "4Я ы (к+ --- - 1 о ) у (5)ф где Т - период полного опроса сканистора;1 - длина фоточувствительной поверхности сканистора;лС - длительность видеоимпульса121+2-го калибровочного светоного потока (фиг5 и);1 - длительность видеоимпульса1-го кагибровочного светового потока (фиг 5 ж),Аналогично, в каждый локальныйопрос сканистора 4 определяется инлформационная длительностькоторая заполняется импульсами счастотой заполнения (фиг.5 о) импульсов, приходящих с третьего выходатактового генератора 8 к третьемувходу формирователя 31 (фиг,2) текущего значения перемещения, на выходекоторого формируется текущее значение перемещениял,6- СЯ ю (2)Тгде с - длительность информационноЛго видеосигнала,Сброс формирователей текущего калибровочного значения 30 и значенияперемещения 31 происходит на каждое 54 10- значение сброса, постунающего с вью. хода узла 23 задержки,сброса иа четвертые их вхоцыВ узле 31 (фиг,2) деления чисел вычисляется дрейфовый коэффициентК яьчфеет,т уК(3)азЪгде К - калибровочное число, соответствующее Кпри температуре То окружающей среды ипоступающее на второй входузла 32 деления чисел с .первого выхода постоянногозапоминающего устройства33В узле 34 (фиг,2) умножения чисел в текущее значение перемещения вносится поправка с учетом дрейфового коэффициентал л,6,1Я - --- ф 1 оЯ 0( , (4)Т11158905 где- коэффициент оптической системы 3, зависящий от ее фокус-,ного расстояния, расстоянийот нее до изделия и до. фото 5чувствительной поверхностисканистора 4,.На втором выходе сумматора 36 и на пятом выходе блока 19 обработки формируется значение готовности информации перемещения изделия, через определенную длительно"ть запаздыва ния5-го узла,Длительность 1; а задержки концалокального опроса генератора 6 пилообразного напряжения задается в узле23 задержки сброса и выбирается изусловия"а 1 "опБлок 9 фазового управления рабо тает следующим образом (фиг.3).После установки счетчика 37 сдвига фазы в исходное состояние, при включении питания устройства и при окон-чании процесса усреднения (по приходу на второй его вход, являющийсятретьим входом блока 9 Фазового сдвига импульса с второго выхода блока.20 усреднения) он считает количествоимпульсов, соответствующее количеству локальных опросов сканистора, поступающих на его первый вход, В каждый последующий локальный опрос состояние счетчика 37 сдвига фазы меняется на единицу, а его состояние спомощью дешифратора 38 сдвига преобразуется так, что на одном из выходов дешифратора 38 сдвига появляется коммутирующий сигнал, который поступаетв узел 39 состояний, который коммутирует на свой выход соответствующийвход, который определяет соответствующий фазовый сдвиг частоте модуляции световых потоков, Фазовый сдвигФормируется с помощью дешифратора 5040 фазы и счетчика 41 тактовых им"пульсов. Выход узла 39 состояний яв.- ляется вторым выходом блока 9 фазового управления, а также соединен сосчетчиком".нормалиэатором 42, который 55преобразует приходящий сигнал в пониженную частоту со скважностью, равной двум, выход которого являетсяпервым выходом блока 9 фазового упг 4 12равления и подключен к излучателю 2,а .также подключен к входу фазовращателя 43, выход которого являетсятретьим выходом блока 9 фазового уп-.равления и определяет частоту синхронизации первого фазового детектора5, Фазовращатель, 43 служит для сдвига фазы частоты синхронизации фазового детектора 15 на величину задержкиинформационного видеосигнала излучателя 2 во время опроса сканистора 4и задержки колебательного контура 11.Блок 10 управления световыми калибровочными потоками (фиг.4) работает следующим образом,Сдвиговый регистр 44 устанавливается в исходное состояние при включении питания устройства и при окончании процесса усреднения - по приходу на его первый вход импульса свторого выхода блока 20 усреднения.На первом выходе сдвигового регистра44 появляется коммутирующий сигнал,который разрешает работу первой схеме С согласования, при этом включается первая триада формирователейкалибровочных световых потоков Ф,Ф, Ф , Идет последующий опрос сканйстора 4 (фиг,5 а). Импульсы, приходящие на второй вход сдвигового регистра 44, организуют сдвиг в сдвиговом регистре 44 так, что количество (1) пришедших импульсов соответствует 7-му выходу, на котором появляется коммутирующий сигнал, разрешающий работу С 1-той схеме согласования,при этом включается 1-я триада формирователей калибровочных световыхпотоков Ф Ф 1ФИдет локальный опрос сканистора, охватывающийпроекцию Ф 1, Ф+1, Ф., световых потоков на фоточувствительной поверхности сканистора 4. Причем, видеосигнал излучателя 2 находится в допуске, Импульсы, приходящие на третий вход сдвигового регистра 44, организуют сдвиг так, что количество(а) пришедших импульсов соответствует (у.а)-му выходу сдвигового регистра 44, на котором появляется кою.мутирующий сигнал, разрешающий работу С(-а)-й схеме согласования, приэтом включается (-а)-я триада формирователей калибровочных потоков(а 1 ф Й а) и ф (.1 с 1+2едущии локальный опрос всегда охватывает ту фоточувствительную поверхностьсканистора 4, на которой спроециро1 О 15 25 30 35 40 45 50 1315вана последующая триада световых потоков, при условии, что видеосигнализлучателя 2 находится в допуске,Частота триады модуляции калибровочных свеговых потоков задается делителем нормализатором 45 частоты, который формирует на первом, втором итретьем своем выходе различные сигналы по частоте с скважноетью, равнойдвум, поступающие соответственно навторой, третий, четвертый вход каждой схемы согласования и на первый,второй, третий фазовращатели 46-48Функции фаэовращателей аналогичныфазовращателю 43 в блоке 9 Фазовогоуправления и служат для сдвига фазычастоты синхронизации фазовых детекторов 16-18 на величину задержки видеосигналов триады калибровочных световых потоков,Формула изобретенияУстройство для измерения перемещений, содержащее сканистор, источник смещения, генератор пилообразного на пряжения, тактовый генератор высокой частоты, первый фильтр, выполненный в виде последовательно соединенных резистора и колебательного контура, выход генератора пилообразного напряжения соединен с вторым эмиттером сканистора и через источник смещения с первым эмиттером сканистора, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью поваппения точности измерений медленно изменяющихся процессов, оно снабжено излучателем, предназначен ным для установки на объекте измерения, и оптической системой, оптически связанными с фоточувствительной поверхностью сканистора, вторым, третьим и четвертым фильтрами, выполненными в виде последовательно соединенных соответствующих резисто ров и колебательных контуров, первым, вторым, третьим и четвертым фа эовыми детекторами, первые входы ко торых соединены соответственно с выходами первого, второго, третьего и четвертого фильтров, входы которых соединены с коллектором сканистора, блоком обработки, первый, второй, третий и четвертый выход которого 89054 14 соединены соответственно с выходамипервого, второго, третьего и четвертого фазовых детекторов, блоком управления калибровочными световымипотоками, первый, вторей и третий выходы которого соединены соответственно с вторыми входами второго,третьего и четвертого фазовых детекторов, второй и третий входы соединены соответственно с вторым и третьим выходами блока обработки, блоком фазового управления, первый выход которого соединен с входом излучателя, второй выход соединен спервым входом блока управления калибровочными световыми потоками,третий выход соединен с вторым входом первого фазового детектора, пер 20 вый вход соединен с третьим вьмодом тактового гевератора, блоком управления генератором пилообразного напряжения, выход которого соединен свходом генератора пилообразного напряжения и пятым входом блока обработки, первый вход соединен с первымвыходом тактового генератора, второйвход соединен с первым выходом блокаобработки и вторым входом блока фазового управления, блоком регистрации,первый вход которого соединен с первым выходом блока. усреднения, второй.вход соединен с третьими входами блока управления генератором пилообразного напряжения и блока фазового управления,четвертым входом блока управления калибровочными световымипотоками и вторым выходом блока усреднения,и Н Формирователями калибровочных световых потоков, жестко закрепленных на корпусе сканистора,оптически связанных с поверхностьюсканистора и образующих последовательная геометрический растр вдольповерхности сканистора, четвертыйи пятый выходы блока обработки соединены соответственно с первьпк и вторым входами блока, шестой вход усреднения соединен с вторым выходом тактового генератора, Н выходов блокауправления световыми калибровочнымипотоками от 4-х до 0+4 соединены соответственно с входами Б формирователей калибровочных световых потоков,