Оптоэлектронный датчик линейных перемещений

(19) (1 Ц 51)5 6 01 В 21/О ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ВИОРц;:Ц Ц 11 Ц )УР ЬИЯд 1 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Московский авиационный институт им,Серго Орджоникидзе(54) ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ДАТЧИК ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ(57) Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения являетсяповышение надежности за счет применениягрубого и точного отсчета и упрощение конструкции за счет применения фотоприемника с одним выходом и общего для каналовформирователя фаз. Шкала 6 грубого отсчета имеет вид пластины с непрозрачным прямоугольным треугольником, больший из катетов которого расположен параллельно направляющим 2 и равен диапазону перемещения головки 1, а меньший катет равен длине фоточувствительной области ПЗС, а шкала точного отсчета выполнена в виде пластины с рядом равнобедренных треугольников, основания которых лежат на одной линии и каждое из них равно двойному диапазону измерения ПЗС, а высота треугольников равна длине фоточувствительной области ПЗС, шкалы установлены параллельно друг другу и так, чтобы вершины треугольников шкалы 7 точного отсчета попадали в точки, в которых показания канала грубого отсчетаменяются на единицу младшего разряда, 5 ил.30 35 40 50 Изобретение относится к измеритель, ной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений различных объектов.Цель изобретения - повышение надежности за счет применения грубого и точного отсчета и упрощение конструкции за счет применения фотоприемника с одним выходом и общего для каналов формирователя фаз.На фиг. 1 изображена конструктивная схема датчика, на фиг. 2 - блок-схема электронной части датчика; на фиг, 3 - эпюры электрических сигналов электронного блока; на фиг. 4 - схема, поясняющая принцип сопряжения грубого и точного каналов; на фиг. 5 - ал горитм работы вычислителя.Датчик содержит (фиг. 1) сканирующую головку 1, установленную на направляющих 2, состоящую из оптически связанных источника 3 излучения и двух фотоприемников 4 и 5, выполненных в виде линейных приборов с зарядовой связью (ПЗС). Система шкал содержит шкалу 6 грубого отсчета, представляющую собой пластину с непроз-очным прямоугольным треугольником, больший из катетов которого расположен параллельно направляющим 2 и равен диапазону перемещений головки 1, а меньший из катетов равен длине фоточувствительной области фотоприемника 4, и шкалу 7 точного отсчета, представляющую собой ряд идентичных непрозрачных равнобедренных треугольников, основания которых расположены на общей линии, параллельной направляющим 2, длина основания каждого из треугольников равна двойному диапазону измерений фотоприемника 5, а высота треугольников равна длине фоточувствительной области фотоприемни ка 5, выполненного в виде линейного ПЗС, фотоприемники расположены с внешних сторон каждой из шкал 6 и 7 по обе стороны от источника 3 излучения, находящегося между шкалами 6 и 7.Электронный блок содержит (фиг. 2) формирователь 8 фаз, вычислитель 9, два канала 10 и 11 грубого и точного отсчета, каждый из которых содержит последовательно соединенные фильтры 12 и 13 нижних частот, дифференцирующие каскады 14 и 15, компараторы 16 и 17, триггеры 18 и 19, элементы 20 и 21 совпадений, выходы формирователя 8 фаз соединены с управляющими входами ПЗС 4 и 5, выходы которых соединены с фильтрами 12 и 13 нижних частот, второй вход триггеров 18 и 19 соединен с выходом переноса формирователя 8 фаз, второй вход элементов 20 и 21 совпадений соединен с тактовым выходом формирователя 8 фаэ, а выходы элементов 20 и 21 совпадений соединены с входами вычислителя 9.Датчик работает следующим образом.При перемещении сканирующей головки 1 по направляющим 2 засвечивается большее или меньшее число фоточувствительных элементов ПЗС. Электрический сигнал с выхода первого ПЗС 4 (или второго 5) представляет собой последовательность"темных" (малых) и "светлых" (больших) импульсов(эпюра 1, фиг, 3). Фильтр 12 (или 13) нижних частот выделяет огибающую этих импульсов (эпюра 2, фиг. 3), а дифференцирующий каскад 14 (или 15) вырабатывает импульс на месте границы светотени(эпюра 3, фиг. 3), Компаратор 16 (или 17) нормализуе этот импульс (эпюра 4, фиг, 3) и подав его на первый выход триггера 18 (или 19),устанавливая его в "0" (эпюра 6, фиг, 3) Импульс переноса формирователя 8 фаз, поданный на второй вход триггера 18 (или 19) (эпюра 5, фиг. 3), устанавливает его в "1". Сформированный таким образом импульс триггера поступает на первый вход элемента 20 (или 21) совпадений, на второй вход которого приходят тактовые импульсы с формирователя 8 фаз (эпюра 7, фиг. 3), На выходе элемента 20 (или 21) вырабатывается пачка импульсов (эпюра 8, фиг. 3), число которых пропорционально смещению светотени на ПЗС, т.е, перемещению сканирующей головки 1 по каналу грубого и точного отсчета,Вычислитель 9 подсчитывает число импульсов А по каналу грубого отсчета и В 1 по каналу точного отсчета(головка 1 находится в сечении х) и производит процедуру согласования показаний по грубому и точному отсчетам. Процесс согласования каналов поясняется фиг, 4, На ней показаны совмещенные в пространстве лимбы двух каналов, причем длина основания непрозрачного треугольника канала 10 грубого отсчета (ГК) равна диапазону перемещенияголовки 1,а основание треугольника канала 11 точного отсчета (ТК) равно удвоенному диапазону измерений канала 11 точного отсчета= 2 (Вв - Во), (1) где Ви и Во - максимальное и минимальное значения показаний ТК.Соответственно Ал и Ао - показания ГК,Соотношения междуи 1 выбираюттак,чтобы= г , (2)где й - информационная емкость ПЗС;гп - число фаз ПЗС,Шкалы грубого и точного отсчета располагаются друг относительно друга таким об 168278110 разом, чтобы вершины треугольников ТК попадали в точки, в которых показания ГК меняются.на единицу младшего разряда, т.е. вершины треугольников ТК попадут на четные значения ГК, а основания - на нечетные или наоборот,Для формирования линейной статической характеристики датчика вычислитель производит действия с показаниями ГК и ТК по алгоритму, приведенному на фиг. 5. При этом характеристика датчика будет монотонно возрастающей или убывающей при сканировании головки,Приведем расчет разрешающей способности х предложенного датчика, у которого в качестве фотоприемника применяется ПЗС типа 1200 ЦЛ 1. Она определяется по формулех =(3)Тогда для й = 1000, в = 310001- 2 -цу - Т - 0,67 (мм);0,672 1000 3Однако сигнал с выхода ПЗС имеет случайную составляющую порядка от одной до трех единиц младшего разряда, поэтому реальная точность х = 1 мкм, что также достаточно для диапазона в 1 м, при этом основания равнобедренных треугольников равны - 6,7 мм, нанесение таких треугольников не представляет технологических затруднений.Ф ор мул а и зоб рете н и я Оптоэлектронный датчик линейных перемещений, содержащий направляющие, сканирующую головку, установленную на направляющих и содержащую источник излучения и два фотоприемника, две шкалы 20 25 30 35 40 отсчета и электронный блок, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения надежности и упрощения конструкции, одна шкала выполнена в виде пластины с непрозрачным прямоугольным треугольником, больший из катетов которого расположен параллельно направляющим и равен диапазону перемещения сканирующей головки, а меньший из катетов равен длине фоточувствительной области фотоприемника и является шкалой грубого отсчета, вторая шкала выполнена в виде пластины с рядом идентичных непрозрачных равнобедренных трегоульников, основания которых расположены на одной линии, параллельной направляющим, длина каждого из оснований равна двойному диапазону измерений фотоприемника, а высота треугольников равна длине фоточувствительной области фотоприемника и является шкалой точного отсчета, фотоприемники выполнены в виде приборов с зарядовой связью, расположены с внешней стороны соответствующих шкал, а источник излучения выполнен протяженным и расположен между шкалами напротив фотоприемников, электронный блок выполнен в виде формирователя фаз, вычислителя и двух каналов грубого и точного отсчета, каждый иэ которых содержит соединенные последовательно фильтр нижних частот, дифференцирующий каскад, компаратор, триггер и элемент совпадения, вторые входы триггеров и элементов совпадения каналов соединены соответственно с выходом переноса и тактовым выходом формирователя фаз, управляющие выходы которого соединены с управляющими входами фотоприемников, а выходы элементов совпадения каналов подключены ксоответствующим входам вычислителя.,Йс ь. 5 орректор М. Шароши Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул, Гагарина, 1 Редактор В. ДанкоЗаказ 3402ВНИИПИ Госуда Составитель Е. ГлазкоТехред М.Моргентал Тираж Подписноевенного комитета по изобретениям и открытиям прй ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Рэушская наб., 4/5