Оптико-электронное устройство для измерения линейных и угловых перемещений

(51) 4 входом элеме одключен к п единен с выход к реть орог с опы(71) Специальное конструкторскотехнологическое бюро тным производством Минского радиотехническогоинститута(56) Авторское свидетельство СССРВ 1035419, кл. С 01 В 21/00, 1982.(54)(57) ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ И УГЛОВЫХПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащее оптическуюсистему для формирования интерференционных или муаровых полос, дискретный фотопреобразопатель, выполненный в виде линейки фотоприемников иоптически связанный с системой формирования интерференционных или муаровых полос, последовательно соединенные блок формирователей, подключенный к дискретному Фотопреобразователю, блок счета и блок индикации,блок формирователей состоит из усилительного узла, коммутатора и элемента И, соединенных последовательно генератора тактовых импульсов иузла управления, выходы усилительного узла и основные выходы узла управления соединены с коммутатором, выход которого соединен с первым входом элемента И и вторым входом узлауправления, первый дополнительныйвыход которого соединен с вторымвходом элемента И, а второй соединен с вторым входом блока счета, выход генератора тактовых импульсов. 801188535 А му входу бло счета, о т л и ч а -ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения угловыхперемещений за счет измерения угловых перемещений относительно двухвзаимно перпендикулярных осей, устройство снабжено блоком дифференциальных усилителей, умножителем частоты и последовательно соединеннымигенератором пилообразного напряжения,схемой сравнения и вторым элементомИ, второй вход которого связан свыходом умножителя частоты, коммутатор снабжен дополнительными входамии вторым выходом, а узел управлениятретьим входом и третьим дополнительным выходом, второй вход схемы сравнения связан с вторым выходом коммутатора блока формирователей и третьим входом узла управления блокаформирователей, третий вход второгоэлемента И связан с входом генератора пилообразного напряжения и третьим дополнительным выходом узлауправления блока формирователей, первый вход которого связан с входомумножителя частоты, дискретный фотопреобразователь снабжен второй линечкой Фотоприемников, расположенной параллельно первой, выходы обеих лине -ек дискретного фотопреобразователяподключены к входам блока дифференциальных усилителей, выходы которогосвязаны с дополнительными входамикоммутатора блока формирователей,блок счета снабжен третьим входом, подключенным к выходу второго элемента И.1188 1Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных и угловых перемещений контролируемых объектов, в частности для измерения угловых колебаний, например, при виброиспытаниях изделий.Цель изобретения - повьппение точности измерения угловых перемещений эа счет измерения угловых перемеще ний относительно двух взаимно перпендикулярных осей;На чертеже изображена блок-схема устройства.Устройство состоит иэ оптической системы 1 для формирования интерференционных или муаровых полос, соединенных последовательно дискретного фотопреобразователя 2, оптически связанного с системой 1, блока 3 формирователей, блока 4 счета и блока 5 индикации. Блок 3 формирователей выполнен в виде усилительного узла 6, коммутатора 7, элемента И 8 и соединенных последовательно генератора 9 тактовых импульсов и узла. 10 управ. ления, причем выходы усилительного узла 6 и основные выходы узла 10 управления соединены с коммутатором 7, выход которого соединен с первым входом элемента И 8 и вторым входом узла 10 управления, Первый дополнительный выход узла 10 управления соединен с вторым входом элемента И 8, а второй соединен с первым входом блока 4 счета. Выход генератора 9 тактовых импульсов соединен с третьим входом элемента И 8, выход которого подключен к второму входу блока 4 счета. Устройство содержит также40 блок 11 дифференциальных усилителей, умножитель 12 частоты и последовательно соединенные генератор 13 пилообразного напряжения, схему 14 сравнения и второй элемент И 15, второй вход которой связан с выходом умножителя 12 частоты, а выход подключен к третьему входу блока 4 счета. Второй вход схемы 14 сравнения связан с вторым выходом коммутатора 7 и тре 50 тьим входом узла 10 управления. Третий вход элемента И 15 связан с входом генератора 13 пилообразного напряжения и третьим дополнительнйм выходом узла 10 управления. Первый вход узла 10 управления связан с входом умножителя 12 частоты и третьим входом элемента И 8, Дискретный фото- преобразователь 2 служит для преоб 535 2раэования оптического сигнала вэлектрический и содержит системупараллельных электрически изолированных фотоприемников, выполненнуюв виде двух линеек 16 и 17, причемширина одного светочувствительногослоя фотоприемника выбрана меньшеширины интерференционной или муаровой полосы при максимальной частотеих следования, а максимальный уголнаклона границы раздела интерференционньж полос не должен превышатьлинейных размеров одного Фотоприемника линейки. В качестве дискретногофотопреобразователя 2 можно применить Фотоматрицу и использовать 2столбца (линейки фотоприемников).Выходы линеек 16 и 17 подключенык входам блока 11 дифференциальныхусилителей, выходы которого связаныс дополнительными входами коммутатора 7, причем два входа каждого дифференциального усилителя блока 11 раздельно подключены к Фотоприемникамлинеек 16 и 17, расположенным на одном уровне, Число дифференциальныхусилителей 11 соответствует количест 1ву фотоприемников в каждой из линеек16 и 17 дискретного фотопреобраэователя 2. Выходы линейки 17 фотоприемников подключены также к соответствующим входам усилительного узла 6. Устройство работает следующим образом.При наличии угловых смещений объекта относительно горизонтальной оси происходит расхождение опорного и сигнального пучков на выходе оптической системы 1 Формирования интерференционных или муаровых полос на угол, равный углу поворота объекта. Расхождение пучков приводит к изменению ширины интерференционных или муаровых полос на величину равнуюЬ = -,-т - ;2 зпгде Ь - ширина одной интерференционной или муаровой полосы;3 - длина волны источника монохроматического излучения;д - угол между опорным и сигнальным пучком.Фиксируя значение ширины интерференционных или муаровых полос, попадающих на дискретный фотопреобразователь 2, можно однозначно определить угловые колебания объекта.3 118Необходимо наложить следующие ограничения.Угловые колебания исследуемого объекта лежат в пределахагсгВЙ5049 ь2 фгде 3 - угол отклонения поверхностиконтролируемого объекта относительно горизонтальной оси 10в вертикальной плоскости, нормальной к падающему на неепучкууК - радиус окружности, создаваемой пучком с выхода монохроматического излучателя;Й - расстояние от контролируемого объекта до плоскости, накоторой сходятся опорный исигнальный пучок.В исходном состоянии, когда плоскость контролируемого объекта нормальна к падающему на нее пучку с выхода монохроматического излучателя, выделяют из интерференционной картины две полосы (с максимальной и минимальной освещенностью), которые проектируют на приемную часть дискретного фотопреобразователя 2, ширина которого равна ширине выделения полос.При нормальных смещениях объекта30 происходит перемещение границы раздела двух интерференционных полос по светочувствительной поверхности дискретного фотопреобразователя 2, при этом ширина интерференционных полос остается неизменной. В случае, если контролируемый объект имеет уг,ловые колебания своей поверхности, то изменяется пространственная частота следования интерференционных полос, т.е. изменяется их ширина.С выхода дискретного фотопреобразователя 2 снимаются электрические сигналы, которые подаются на вход 45 усилительного узла 6, с выхода которого снимается или "0" или "1" в зависимости от того, какая полоса в цанный момент находится на светочувствительной поверхности фотоприемни ка дискретного фотопреобразователя 2, Усилительный узел 6 при этом может состоять, например, из усилителей аналоговых сигналов и компараторов с заданным порогом срабатывания. Ге нератор 9 тактовых импульсов формирует на выходе последовательность прямоугольных импульсов, которые по 8535очередно через узел 10 управления и коммутатор 7 опрашивают состояние фотоприемников дискретного фотопреобразователя 2. На выходе коммутатора 7 формируется последовательность импульсов, ширина которых определяет ширину интерференционных или муаровых полос, проектируемых на дискретный фотопреобразователь 2. Импульсы с выхода коммутатора 7 поступают на первый вход элемента И 8, и в момент перехода их из состояния "0" в состояние "1" идет разрешение по первому входу элемента И 8, что дает возможность прохода импульсов с генератора 9 тактовых импульсов через элемент И 8 на вход блока 4 счета. В момент, когда импульс с выхода коммутатора 7 переходит из состояния ".1" в состоиякие 0 , через узел 10 управления формируется импульс запрета, который подается на второй вход элемента И 8, и тем самым, блокирует прохождение импульсов с выхода генератора 9 тактовых импульсов на вход блока 4 счета, на время, пока не закончится опрос всех фотоприемников дискретного фотопреобразователя 2 в данном периоде опроса.По окончанию каждого цикла опроса с второго дополнительного выхода узла 10 управления формируется короткий импульс, который поступает на блок 4 счета, и информация с блока 4 счета заносится в блок 5 индикации. Узел 10 управления формирует на первом дополнительном выходе также в конце каждого цикла опроса импульс разрешения, идущий на второй вход элемента И 8.Частота импульсов с выхода генератора 9 тактовых импульсов выбирается не меньше удвоенной максимальной частоты следования интерференционных или муаровых полос, а ширина одного светочувствительного слоя фотоприемника дискретного фотопреобразователя 2 должна быть не больше самой узкой интерференционной или муаровой полосы, получаемой при угловых колебаниях объектаПри этом величина угла, на который смещается объект относительно своей, например, горизонтальной оси (плоскости), может быть определена из выраженияЛагсзп-. --2 Т К8 = -- . ----21О с выхода генератора 9 тактовых импульссов и умножителя 12 частоты не прохо- дят через схему И 15 на вход блока 4 счета, и показания блока 4 счета угловых смещений относительно вертикальной оси отсутствуют.При колебаниях относительно вертикальной оси из-за изменения наклона границ раздела интерференционных или муаровых полос на выходе блока 11 дифференциальных усилителей появляется сигнал рассогласования, вели 40 чина которого пропорциональна изменению наклона границ раздела интерференционных или муаровых полосПри появлении сигнала рассогласования на выходе блока 11 с второго дополнительного выхода блока 10 управления на первый вход блока 4 счета поступает информация о знаке сигнала рассогласования, по которому судят о направлении угловых переме - щений относительно вертикальной оси,50 55 где 8 - угол, на который сместилсяобъект;- длина волны источника монохроматического илучения;Т - период следования импульсовс выхода гененатора тактовыхимпульсов;К - число импульсов, зарегистрированных блоком индикации.При колебаниях относительно, например, горизонтальной оси (в вертикальной плоскости) наклон интерференционных полос на обеих линейках 16 и 17 фотоприемников дискретного фото- преобразователя 2 одинаков, а при вырезании из всей интерференционной картины незначительного участка, размер которого определяет расстояние между линейками 16 и 17 фотоприемников и на котором кривизной интерференционных колец можно пренебречь, линии на обеих линейках 16 и 17 равны, Сигнал на выходе блока 11 дифференциальных усилителей отсутствует. 25 В этом случае с выхода схемы 14 сравнения на первый вход схемы И 15 подается сигнал разрешения логическая 1).При отсутствии сигнала на выходах блока 11 дифференциальных усилителей30 с третьего дополнительного выхода узла 10 управления сигнал запрета подается на вход генератора 13 пилообразного напряжения и третий вход схемы И 15. В этом случае импульсы Сигнал рассогласования с выходаблока 11 дифференциальных усилителейпоступает на дополнительные входыкоммутатора 7, который по управляющим импульсам с выхода узла 10 управления поочередно подключает выходыблока 11 дифференциальных усилителейк второму входу схемы 14 сравненияи третьему входу узла 10 управления,который по этому сигналу снимаетсигнал запрета на своем третьем дополнительном выходе, обеспечив запуск генератора 13 пилообразного напряжения, и снимает сигнал запретапо третьему входу схемы И. 15 на времяопроса одного фотоприемника.Импульсы с выхода умножнтеля 12частоты через схему И 15 поступают на вход блока 4 счета. При появлениисигнала рассогласования схема 14сравнивает уровень сигнала, подаваемого с второго выхода коммутатора7, с уровнем напряжения на выходегенератора 13 пилообразного напряжения. При совпадении уровней схема 14сравнения формирует на выходе импульс, который поступает на первый входсхемы И 15 и блокирует прохождение импульсов с умножителя 12 частоты на вход блока 4 счета.Скорость нарастания напряжения на выходе генератора 13 должна быть достаточной для того, чтобы зафиксировать величину напряжения, снимаемого с выхода блока 11 дифференциальных усилителей за время опроса одного йотоприемникаПри опросе последующих фотоприемников после появления первого сигналарассогласования на третьем дополнительном выходе блока 10 управленияформируется сигнал запрета, которыйподается на третий вход схемы И 15и вход генератора 13, бло ируя их доконца цикла.Таким образом, чем больше сигналрассогласования на выходе блока 11дифференциальных усилителей, тем большее количество импульсов пройдет наблок 4 счета, т.е. число импульсовна выходе схемы И 15 определяет величину углового перемещения относительно вертикальной оси.Исходя из разрешающей способности устройства, выбирается частотаследования коротких импульсов навыходе умножителя 12 частоты. Чемвыше должна быть разрешающая способ2 17 Составитель Е.ГлазкоРедактор Е,Копча Техред Ж, Кастелевич орректор Е,Сирохман,Подписное 6733/41 Т ВНИИПИ Государст по делам из 113035, Москва, ираж 650венного комитета СССРбретений и открытийЖ, Раушская наб., д ак Патент",Ужгород, ул.Проектна илиал ность устройства, т,е. чем меньше угловые перемещения измеряют, тем вьппе должна выбираться частота сле- . дования импульсов на выходе умножителя 12 частоты,Величину угловых перемещений относительно вертикальной оси можно определить из соотношения где 3 - величина углового перемеще- У ния контролируемого объекта относительно вертикальной оси; Т - период следования импульсовна выходе умножителя 12частоты;К - число импульсов на выходсхемы И 15;Й - расстояние от контролируемого объекта до плоскостиФотоприемников;, .- длина волны источника излучения.Таким образом, предлагаемое устройство позволяет измерить угловые перемещения относительно двух взаимно перпендикулярных осей и тем самым повысить точность измерения угловых перемещений,