Амплитудно-фазовый оптический датчик перемещений

ф СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 01 В 21/ Г 5 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ВИДЕТЕЛЬС К АВТОРСКО О ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР(56) Авторское свидетельство СССРМ 1404821, кл. 6 01 В 21/00, 1986(54) АМПЛИТУДНО-ФАЗОВЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЙ(57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике. Цель изобретения -повышение точности измерения перемещений эа счет устранения погрешностей,связанных с нестабильностью вида информационного и опорного сигналов датчика перемещений и температурных погрешностейпри работе оптического датчика перемещений. Амплитудно-фазовый оптическийдатчик перемещений содержит последовательно соединенные однофаэный источник1 переменного напряжения и излучатель 2светового потока, оптический сигнал с выхода которого, отражаясь от контролируемойповерхности 21, попадает на фотоприемник3 отраженного сигнала, где преобразуется.Ж 1670408 А 1 в электрическии сигнал, первая гармоника которого усиливается избирательным усилителем 7 и подается на первый вход сумматора 8, на второй вход которого подается опорный сигнал с выхода фотоприемника 4 опорного сигнала через фазовращатель 5 и масштабирующее звено 6. Фаза сигнала на выходе сумматора 8 будет пропорциональна перемещению контролируемой поверхности 21. Сигнал с выхода сумматора 8 фильтруется фильтром 10, регулируется блоком 12 и через усилитель-ограничитель 13 подается на первый вход фаэометра 16. Сигнал с выхода источника 1 переменного напряжения, корректируясь по фазе блоком 9, фильтруется фильтром 11, регулируется блоком 15 и через усилитель-ограничитель 14 подается на второй вход фаэометра 16, причем с амплитудой и скважностью, равными амплитуде и скважности сигнала на первом входе фаэометра 16. Фазометр 16 преобразует разность фаз между сигналами на входе в постоянный сигнал на выходе, величина которого пропорциональна перемещению контролируемой поверхности 21. 2 ил.уо = эГст 9 ИэоЕретение относится к контролтнои мерительной технике и може Гцть испл,эоп но для измерения перемещении обьектол,1 ел изобретения повышение точности измерения перемещений эа счет устрдеия погрешностеи, связанных с нестдбил,ностью вида информационноо и опорноо сигналов датчика перемещений и тем пердтурных погрешностей при работе оптического датчика перемещений.11 а фиг. 1 изображена структурная электрическая схема амплитудно-фазового оптического датчика перемещений; на фиг. 2- векторная дидграмма формирования выходного сигнала сумматора,Алплитудно-фдзовьЙ оптический датчик перемещений содержит последовательо соединенные однофээный источник 1 переменного напряжения и излучатель 2 светового потока, фотоприемник 3 отраженного синала, оптически связанный с излучателем 2 светового потока, последовательно соединенные фотоприемник 4 огорОГО сиГндлэ, оптически связанный с излучателем 2 светового потока. фээовращатель 5 и масштдбирующее звено 6, после довдтельно соединенные избирательный усилитегь 7, вход которого соединен с выходом фотоприемника 3 отраженного сигнала, и сумматор 8, второй вход которого соединен с выходом масштабирующего звена 6, блок 9 коррекции фазы модулирующего сигнала, вход которого соединен с тцходом источника 1 переменного напряжения, первьи и второй полосовые фильтры 10 и 11, входы которых соединены соответственно с выходами сумматора 8 и блока 9 коррекции фазы модулирующего сигнала, первый блок 12 автоматического регулирования сквджности сигналов, первый усилитель-ограничитель 13, вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра 10 и выходом первого блока 12 автоматического регулирования скважносги сигндлов, второй усилитель- ограничитель 14, второй блок 15 автоматического регулирования ск важности сигналов, выход которого соединен с выходол 1 второго полосового фильтра 11 и вхо дом второго усилителя-ограничителя 14. фэзомегр 16, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом первого усилителя-ограничителя 13 и входом первого блока 12 автоматического регулирования скважности сигналов и с вцхдол второо усилителя-ограничителя 14 и входом второго блока 15 автоматическоо регулирования сквджности си налов, Фдзоетр 1, пцпплнен в виде гтоследова 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 тельно соединенных фазового детек гора 17, первый и второй входы которого являются первым и вторым входами фдзометрэ 16 соответственно, фильтра 18 низких частот, усилителя 19 постоянного тока, выход которого является выходом фазометра 16, и узла 20 масштабирования выходного сигнала, вход и выход которого соединены соответственно с выходом и входом усилителя 19 постоянного тока.Амплитудно-фазовый оптический датчик перемещений работает следующим образом,Однофаэный источник 1 синусоидального напряжения низкой частоты осуществляет амплитудную модуляцию светового потока излучателя 2 светового потока, и модулированный световой поток падает на фотоприемник 4 опорного сигнала и на отражающую поверхность 21 обьекта контроля, от которой отраженный световой поток попадает на фотоприемник 3 отраженного сигнала На выходах фотоприемников 4 и 3 опорного и отраженного сигналов формируются гармонические сигналы Ооп и Оотр(х) с частотой источника модулирующего напряжения О, сдвинутые один относительно другого по фазе на 180 (фиг. 2) эа счет питания фотоприемников напряжением постоянного тока разной полярности. С помощью фаэовращателя 5 и масштабирующего звена 6 формируют сигнал Оот. сдвинутый по фазе относительно отраженного сигнала Ооп на угол т(фиг. 2), меньший 90, Гармонические сигналы Оотр(х) и О,п с выходов фотоприемника 3 отраженного сигнала через избирательный усилитель 7 и фазовращатель 5. через масштабирующее звено 6 соответственно поступают нэ первый и второй входы сумматора 8. На сумматоре 8 п роисходит геометрические сложение гармонических сигналов Оотр(х) и Ооп, и на выходе сумматора 8 формируется реэультиРУющий сиГнал Орез вектоР котоРОГО ВРдщается вследствие изменения по амплитуде отраженного сигнала Оотрх в функции перемещения.Фазу результирующего гармонического сигнала Ор(фиг. 2) определяют выражени- ем(1)Оопсов. -----чОотр тх)где тп - фаза результирующего сигнала Оре 1с выхода сумматора 8тЬ - сдвиг фаэ между гармоническимисиГналами Оо и Оотр(х)Ооп - гарлонический сигнал с выходамасштэбирующего звена 6;45 50 Опн (х) - гармонический сигнал с вьходдизбирательного усилителя 7, РЕЗУЛЬтИРУЮЩИй СИГНаЛ Ореэ С ВЫХОДа сумматора 8 и модулирующий сигнал О- с выхода источника 1 синусоидального напряжения через блок 9 коррекции фазы глодулирующего сигнала, через полосовые фильтры 10 и 11 соответственно поступают на входы первого 13 и второго 14 усилителей-ограничителей, на выходах которых формируются две последовательности Оре, и О-.двуполярных импульсов прямоугольной формы, которые подаются на первый (Бх. 1) и второй (Вх 2) входы фазового детектора 17, входящего в состав фазоме 1 ра 16, На выходе фазового детектора 17 иэ двух последовательностей прямоугольных импульсов формируется одна последовательность Оя однополярных прямоугольных импульсов, длительность которых пропорциональна изменению фазы результирующего сигнала Оре с выхода сумматора 8, определяемой выражением (1), т, е. пропорциональна измеряемому перемещению Х.Сигнал Од с выхода фазового детектора 17 поступает через фильтр 18 низких частот на вход усилителя 19 в виде напряжения постоянного тока, т, е. фильтр 18 обеспечивает выделение постоянной составляющей иэ последовательности однополярных импульсов Оп прямоугольной формы, Величина постоянного напряжения О: на выходе фильтра 18 пропорциональна длительности импульсов О, т. е, пропооциональна измеряемому перемещению Х.Усилитель 19 постоянного тока обеспечивает усиление постоянного напряжения О- до необходимой величины, и с выхода усилителя 19 выходное напряжение посто- ЯННОГО Тока Оеых- ПОСТУПДЕТ Нд ВХОД РРГИ стрирующего прибора, например вольтметра (не показан). Избирательный усилитель 7 представляет собой полосовой КС-усилитель, состоящий из последовательного и параллельного соединения нескольких селективных КС-цепей с использованием в качестве активных элементов усилительных микросхем широкого применения и обеспечивающий преимущественно усиление в заданной полосе частот,Введение избирательного усилителя 7 и полосовых фильтров 10 и 11 повышает точность измерения за счет уменьшения коэффициента нелинейных искажений формы синУсоиДдльных сигндлОВ Оотр(х), Орез,и О- и ослабления мешающего действияфоновых засветок на эти сигналы,5 10 15 20 25 30 35 40 ЗГО обьясня ся гег 1 то И 1 бирдгельный усилитель 7 усиливает п рвук 1 гдрл 1 оникУ сигндлд Оо 1 р(х), а Гдкже комбиндЦионныечастоты, появлягощиеся опепел 1 ещегн 1 яотражающей поверхности 21. с частотой,нс превышаюгцей в реальных условияхработы 1000 Гц, д В 1 орая, третья и другиевысшие гармоники сигнала ослабляютсяизбирательным усилитРлел тдк кдк они оказываются эа пределами его полосы пропускдния.Г 1 олосовые фильтры 10 и 11 пропускаютбеэ ослабления сигналы Оре и О- и ихкомбинационные чдстогы, расположенныев полосе пропускдния, и осл;блянэт все мешающие сигндлы с чдс 1 отаци, меньшиминижней границы полосы пропускдния фильтра (например часто, э питдющеи сети 50 Гци ее высшие гдрмо гики) и большими верхнеи грдницы Г 1 олосы Г 1 ро ускдния фильтра(ндприг 1 ер фоновые засветки от источниковсвета)Вследствие эгого уленыпдется искджеНИР фОрМЫ СИНУСОИДДЛЬНЫХ СИГНДЛОВ Оред,О, м Оогр(х) . Следовательно, увеличиваетсяточнослгь измерения перемегцении,Повышение точности измерений достигается и за счет введения В состдв устройствадвух усилителей-ограничителей 13 и 14, работающих с блоками 12 и 15 двтомдтического регулирования скважности сигналов,Введение двух усилителей-ограничителей обеспечивает рдвегство результирующего Ори модулируюгцего О напряженийна сигнальных входах фазометра 1 б, чтоуменьшает погрешность измерения, обусловленнучо неравенством амплитуд сигналов, глежду которыми изгиеряется разностьфаз.Введение в состав устройства двух блоков 12 и 15 двтомати еского р гулированияскважности РезУльтиРУюЩего Ореэ и моДУлирующего О-сигналов с Выхода усилителейогрдничителей 13 и 14 соответственноуменьшает температурную погрешность устройства, так кдк блоки 12 и 15 работают вследящем режиме за сквджностью прямоУгольных сигналов Оре, и О - и двтоматически поддерживают сквамность О этихсигналов равной О:- 2. В результдте повышается точность измерения перемещений.Повышение точности измерения за счетиспользования блока 9 коррекцифазы модулирующего сигндлд и узла 20 масштабирования выходного сигнала заключается вследующем В процессе эксплуатациивследствие временнои нестабильности состаВных злРМРнтОВ устрОйсГвд или От Воз 1670408действия температуры нулевое значение выходной характеристики может смещаться, т. е, выходная характеристика смещается параллельно характеристике, снятой при градуировании, что приводит к снижению точности измерений,Для исключения смещения нуля выходной характеристики устройства с помощью блока 9 коррекции фазы модулирующего сигнала О-, представляющего собой регулируемый фазовращатель, плавно смещают фазу модулирующего сигнала О- на втором входе фазометра 16, относительно которого измеряют Фазу результирующего Орез сигнала так, что выходная характеристика устройства приближается и совпадает с исходной выходной характеристикой, снятой при градуировэнии прибора в процессе изготовления, Помимо смещения нуля выходной характеристики устройства вследствие временной нестабильности и дестэбилизируюьцих факторов (температура и другие) в процессе эксплуатации может изменяться масштаб преобразования устройства, что также приводит к снижению точности измерения.Дпя исключения изменения масштаба преобразования устройства с помощью узла 20. включенного между выходом и входом усилителем 19 постоянного тока фаэометра, изменяют масштаб преобразования так, чтобы выходная характеристика устройства совпадала с исходной выходной характеристикой, снятой при градуировании устройства в процессе изготовления.В результате регулирования масштаба преобразования устроиства перед проведением измерений в процессе эксплуатации, с помощью узла 20 исключается возникающее изменение чувствительности устройства, обусловленное воздействием дестабилизирующих факторов и временной нестабильностью составных элементов устройства, т е полыш 1 эется точность переМЕОЕНИй 1 Формула изобретения Ампл тудно фазовый оптический датчик пере" 1 и 1"ч 11. содеркэщий последовэ 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1 ельно соединенные источник переменного напряжения и излучатель светового потока, фотоприемник отраженного сигнала, оптически связанный с излучателем светового потока. последовательно соединенные фотоприемник опорного сигнала, оптически связанный,с излучателем светового потока, фаэовращатель и масштабирующее звено, сумматор, второй вход которого соединен с выходом масштабирующего звена, и фазометр, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения, он снабжен избирательным усилителем, блоком коррекции фазы модулирующего сигнала, первым и вторым полосовыми фильтрами, первым и вторым усилителями-ограничителями, первым и вторым блоками автоматического регулирования скважности сигналов, входы которых соединены соответственно с выходом первого усилителя-ограничителя и первым входом фазометра и с выходом второго усилителя-ограничителя и вторым входом фазометра, а выходы соединены соответственно с выходом первого полосового фильтра и входом первого усилителя-ограничителя и с выходом второго полосового фильтра и входом второго усилителя-ограничителя, вход избирательного усилителя соединен с выходом фотоприемника отраженного сигнала, выход соединен с первым входом сумматора, выход которого соединен с входом первого полосового фильтра, вход блока коррекции фазы модулирующего сигнала соединен с выходом источника переменного напряжения, выход соединен с входом второго полосового фильтра, фээометр выполнен в виде последовательно соединенных фазового детектора, первый и второй входы которого являются первым и вторым входами фазометра соответственно, фильтра низких частот и усилителя постоянного тока, выхОд которого является выходом фазометра и узла масштабирования выходного сигнала, вход и выход которого соединены соответственно с выходом и входом усилителя постоянного тока1670408 крлр(ю) едэктор В. Фел Заказ 2738 Тираж 367 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 изводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 10 алрР Составитель С. КонюховТехред М.Моргентал Корректор О, Кун