Измеритель линейных перемещений

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК А 1 5 ц 4 6 01 В 21/ ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИА ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Щ 1 ЗВ.Ср У лрЫ 29 Внеши. Ы ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(54) ИЗМЕРИТЕЛЬ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ(57) Изобретение относится к измерительнойтехнике. Целью изобретения является повышение быстродействия измерения. Перед началом измерительного цикла в течение времени экспозиции на поверхность фотодиодной матрицы (ФДМ) 1 проецируется одинпериод решетки измерительного растра 9.По окончании экспозиции под управлением 801401273 блока 8 выполняется сканирование ФДМ 1 сначала апертурой в форме строки, а затем апертурой в форме столбца. Абсолютное положение полос измерительного растра 2 при сканировании во взаимно перпендикулярных направлениях фиксируется в счетчике 16 и сравнивается в блоке 23 с хранящимися в регистрах 20 и 21 координатами предыдущего положения. Полученная в дополнительном коде величина смешения объекта переписывается в счетчик 17, а затем его содержимое доводится до нуля тактовыми импульсами, число которых равно величине смещения и которые одновременно подсчитываются блоками 31 и 32. Направление счета зависит от знака и величины смещения и задается старшим незнаковым разрядом, а отсбражающим величину смещения двоично"о числа. 3 ил., 1 табл.Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений в различных автоматизированных системах.Цель изобретения - повышение быстродействия измерения за счет двухкоординатных измерений перемещения объекта.На фиг, 1 изображена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - функциональная схема блока управления; на фиг. 3 - временные диаграммы сигналов, поясняющие работу устройства.Измеритель линейных перемещений содержит источник 1 света, с электрическим управлением, последовательно расположенные по ходу светового потока измерительный растр 2, выполненный в виде непрозрачных взаимно ортогональных полос, объектив 3 и фотоприемник, выполненный в виде фотодиодной матрицы (ФДМ) 4, усилитель 5 считывания, представляющий собой преобразователь тока в напряжение, подключенный к выходу усилителя 5 компаратор 6, генератор 7 тактовых импульсов с прямым и инверсным выходами, блок 8 управления, регистр 9 опроса столбцов, регистр 10 опроса строк, первый - третий триггеры 11 - 13, элементы И 14 и 15, счетчик 16 положения растра, счетчик 17 смещения растра, счетчики 18 и 19 положения объекта, регистры 20 и 21 памяти, мультиплексор 22, блок 23 вычитания, инвертор 24, элемент ИЛИ 25, электронные коммутаторы 26 - 28, индикаторы 29 и 30. Измерительный растр 2 расположен меж,ду источником 1 света и объективом 3 и соединен с контролируемым объектом. Параметры оптической системы подобраны так, чтобы на ФДМ 4 проецировался один период измерительного растра. При этом число гп РДМ 4 равно числу столбцов гп и выбиратся равным 2", где р - целое положительное число, а отношение периода растра к пирине образующих его полос равно числу лементов с строке (столбце) ФДМ 4, чисчо разрядов в регистрах 9 и 10 равно числу строк (столбцов) ФДМ 4, число разрядоврегистрах 20 и 21, мультиплексоре 22, счетчике 16 положения растра и счетчике 17 мещения растра и число входов элемента ИЛИ 25 равно р, а число разрядов в счетчиках 18 и 19 положения объекта выбирает:я исходя из диапазона контролируемых перемещений, Число разрядов в блоке 23 вычитания также равно р, поскольку знаковый разряд не используется. Принципиально воз.иожно использование ФДМ 4 с произволь;ными значениями гп и и. В этом случае используемый рабочий участок фоточувствительной поверхности представляет собой квадрат со стороной, равной 2 элементов, где р - максимально возможное для данной ФДМ целое положительное число, Если элементарные ячейки ФДМ 4 не квадратные, то отношение периодов растра по одной и по другой стороне выбирается равным отношению соответствующих периодов расположения элементарных ячеек ФДМ 4, Счетчики 18 и 19, индикаторы 29 и 30 и электронные коммутаторы 27 и 28 образуют два идентичных блока 31 и 32 индикации положения объекта. В каждом блоке выходы счетчика 18 (19) подключены к входам индикатора 29 (30), а к входам прямого и реверсивного счета счетчика 18 (19) подсоединен электронный коммутатор 27 (28) . Счетные входы блоков 31 и 32 (сигнальные входы электронных коммутаторов 27, 28) объеди нены с выходами электронного коммутатора26, а входы сброса блоков 31 и 32 (входы сброса триггеров 18 и 19) подключены к шине внешнего сброса, Выходы электронного коммутатора 26 соединены также с счетными входами счетчика 17, причем выход электронного коммутатора 26, объединенный с входами прямого счета блоков 31 и 32, соединяется со входом реверсивного счета счетчиков 17, а выход, объединенный с входами реверсивного счета блоков 31 и 32 соединяется с входом прямого счета счетчика 17.Выходы счетчика 17 через элемент ИЛИ 25 подключены к входу сброса (с инверсным управлением) триггера 12, а входы предустановки счетчика 17 соединены с выходами блока 23. При этом выход старшего (незнакового) разряда блока 23 соединен также с информационным входом триггера 13, к выходу которого подключен вход управления электронного коммутатора 26. Если на этом входе высокий потенциал, то коммутатор 26 подает входной сигнал на верхний (по схеме) выход, подключенный к входу прямого счета счетчика 17 и входам реверсивного счета блоков 31 и 32. Прямой выход генератора 7 подключен к входу блока 8 и входам синхронизации регистров 9 и 1 О, а инверсный выход генератора 7 соединен через элемент И 14 с входом синхронизации счетчика 15 и через элемент И 15 - с входом электронного коммутатора 26. К другому входу элемента И 14 подключен выход триггера 11, а 45 к другому входу элемента И 15 подключенвыход триггера 12. Выходы регистра 9 подключены к шинам столбцов ФДМ 4. Выходы регистра 10 - к строчным шинам ФДМ 4, а выход компаратора 6 - к входу сброса триггера 11, Выходы счетчика 16 соединены с информационными входами регистров 20 и 21 и первой группы входов блока 23 вычитания, вторая группа входов которого подключена к выходам мультиплексора 22. Информационные входы мультиплексора 22 соединены с выходами соответствуюших регистров 20 и 21. Первый выход блока 8 (сигнал Г) соединен с информационным входом первого триггера регистра 9, который также как и регистр 10 представляет собой регистр1401273 Выход Адрес 1 2 3 4 5 б 7 8 1 О 1 1 О О О О 1 1 1 1 О О О О 1 О О О О 1 1 1 0 О 1 О О О 1 1 1 О 1 1 О О 1 1 1 О 1 О 0 О 1 1 1 О 1 О О О 1 1 1 О О 0 О 1 с+щ1 с+гп сдвига с числом разрядов, равным числу стобцов (для регистра 10 - числу строк) ФДМ 4. При этом в регистре 10 с шиной сброса соединены входы сброса всех входящих в него триггеров, а в регистре 9 вход 5 сброса у триггера младшего разряда регистра отсутствует (т. е. сигнал сброса обнуляет выходы всех разрядов регистра 9, кроме первого). Второй выход блока 8 (сигнал Д) подключен к информационным входам первого триггера регистра 10. Третий и четвертый выходы блока 8 (сигналы Е, Ж) соединены с входами сброса соответственно регистров 9 и 10. Пятый выход блока 8 (сигнал Б) подключен к входу включения источника 2 света, а шестой выход (сигнал В) - к входу стирания ФДМ 4, Седьмой выход блока 8 (сигнал К) соединен с входами синхронизации триггеров 12 и 13 и входом записи предустановки счетчика 1, восьмой выход (сигнал И) - с входом управления электронного коммутатора 27, входом разрешения записи регистра 20, входом управления мультиплексора 22, и через инвертор 24 с входом разрешения записи регистра 21 и входом управления электронного коммутатора 27. Последний девятый выход блока 8 соединен с входом синхронизации триггера 11, входом сброса счетчика 16 и входами записи регистров 20 и 21. Блок 8 управления содержит двоичный счетчик 33, подключенный через постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 34 к входам блока 35 буферных усилителей и формирователям 36 и 37 импульсов по положительному фронту сигналов (фиг. 2). Выход формирователя 36 подключен также к входу блока 35, а выход формирователя 37 соединен с входом формирователя 38 импульсов по отрицательному фронту сигналов. Длительность вырабатываемых формирователями 36 - 38 импульсов много меньше периода следования тактовых им пульсов на выходе генератора 7. Вход сброса счетчика 33 подключен к выходу ПЗУ 34. Выходами блока 8 являются выходы блока 35, формирователей 37 и 38 и один из выходов ПЗУ 34. Прошивка ПЗУ 34 выполняется в соответствии с таблицей.1401273 Продолжение таблицы Выход Адрес 1 2 3 4 5 6 7 8 О 1 О 1 1 О 1 0 0 1 0 1 1 О О 0 а+в+ 1 О 1 1+тп+и1 с+щ+гп О 1 1 с+гп+т+ 1 1 0 11 римечание,Устройство работает следую шим образом.Измерительный растр 2 освещается импульсным параллельным пучком от источника света 1 и с помощью объектива 3 проецируется на ФДМ 4 так, чтобы на ее фоточувствительную поверхность (для неквадратной матрицы - на рабочий участок) попадал только один период измерительного растра, Очевидно, что с учетом приведенных соотношений ширина проецируемых полос измерительного растра равна шагу дискретизации изображения вдоль соответствуюшей координатьь Процесс измерения координаты выполняется циклически с фиксированным периодом, состоящим из трех циклов. В начале первого цикла импульсом на шестом выходе блока 8 (фиг. Зв) производится стирание информации в ФДМ 4.Одновременно импульс на пятом выходе блока 8 (фиг. Зб) включает источник 1 света, и начинается экспозиция ФДМ 4.В процессе экспозиции на информационные входы регистров 9 и 10 поступает высокий потенциал (фиг. Зг, д), который под действием вырабатываемых генератором 7 тактовых импульсов (фиг. За) распространяется на выходы всех разрядов регистров 9 и 10 (для этого число синхроимпульсов за время экспозиции должно быть как минимум равно числу строк (столбцов) ФДМ 4. В последнем такте экспозиции на информационном входе регистра 10 сигнал обнуляется (фиг. Зд), поэтому с приходом очередного синхроимпульса (первым после окончания 0 1 1 О 0 О 1 1 О О 0 О 1 1 0 О О 1 Е=гп, если тп )и, иначе 1:=и,экспозиции) на выходе первого разряда регистра 10 низкий потенциал. Таким образом, к концу экспозиции на шинах всех столбцов 30 ФДМ 4 и на всех строчных шинах, кроме первой, высокий потенциал.В течение второго цикла под действиемвырабатываемых генератором 7 тактовых импульсов, число которых равно числу используемых в ФДМ 4 строк, низкий потенциал 35 последовательно перемещается к старшимразрядам регистра 10, осуществляя последовательный опрос ФДМ 4 апертурой, имеющей форму строки (фиг. 3 и - о). Если сканируемая строка ФДМ 4 освещена, сигналы 40 на выходе усилителя 5 и компаратора 6 равны нулю, Если же сканируемая строка затенена полосой измерительного растра, то появляются сигналы на выходе усилителя 5 и компаратора 6. Таким образом, во втором цикле происходит сканирование ФДМ 4 строкой, а сигнал на выходе компаратора 6 в инверсном виде повторяет распределение освещенности вдоль соответствующей координаты ФДМ 4.В начале третьего цикла на информационном входе регистра 9 устанавливается низкий потенциал,.на его вход приходит сигнал сброса (фиг, 4 е), устанавливающий на всех выходах регистра 9, кроме первого (триггер которого не соединен с шиной сброса), низкий потенциал, а сигналом с четвер того выхода блока 8 (фиг. Зж) сбрасываются в нуль выходы всех разрядов регистра 10.Под действием вырабатываемых генератором 7 тактовых импульсов выбранный стол 14012735 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 бе ц смещается вдоль ФДМ 4 (фиг. 3 л - м ), т. е, в третьем цикле происходит опрос ФДМ 4 апертурой в форме столбца. Абсолютное положение измерительного растра в диапазоне его одного периода находится с помощью триггера 11, элемента И 14 и счетчика 16. В начале каждого опроса, т. е. в начале второго и третьего цикла счетчик 16 сбрасывается, а триггер 11 устанавливается сигналом с девятого выхода блока 8 (фиг. Зз) и разрешает прохождение синхроимпульсов через элемент И 14 на вход счетчика 16. При появлении на выходе ФДМ 4 сигнала от полосы измерительного растра срабатывает компаратор 6, и сбрасывает триггер 11. В результате в счетчике 16 во втором цикле зафиксируется номер строки, содержащей полосу измерительного растра 2 вдоль одной координаты (У), а в третьем цикле - номер строки, определяющей вторую координату (Х) измерительного растра 2 (счет - с нуля). Перемещения измерительного растра 2 во всем контролируемом диапазоне, а не в пределах одного пространственного периода фиксируются в блоках 31, 32, на которые перед началом измерений подается сигнал сброса. Принцип измерений основан на том, что в каждом периоде определяется разность абсолютного смещения измерительного растра 2 между двумя смежными опросами, оценивается знак и величина смещения, и в соответствии с полученным результатом в блоки 31 и 32 поступает равное величине смещения число импульсов, которые суммируются, либо вычитаются из текущего показания содержащихся в блоках 31 и 32 счетчиков 18 и 19. Для исключения неоднозначности оценки предполагается, что скорость движения контролируемого объекта не должна превышать величины, при которой он может сместиться между двумя соседними опросами более, чем на половину пространственного периода измерительного растра 2.Фиксация предыдуших положений измерительного растра 2 осуществляется в регистрах 20 и 21, величина смещения объекта между двумя опросами находится в блоке 23, а число импульсов, равное величине смещения, формируется элементами 12, 13, 15, 26, 17 и 25. Направление счета задается старшим разрядом выходного сигнала блока 23. Рассмотрим более подробно процесс определения, например, координаты Х. Абсолютное положение измерительного растра 2 по этой координате определяется в третьем цикле и сохраняется в счетчике 16 до начала следующего второго цикла. Поскольку к началу этого цикла к входу блока 23 вычитания (вход В) подключен через мультиплексор 22 сигнал с выхода регистра 20, хранящего предыдущее значение абсолютной координаты измерительного растра 2 сигнал на выходе блока 23 равен величине смещения объекта между двумя последовательными опросами ФДМ 4 по этой коорли нате. По импульсу, вырабатываемому в и- чале второго цикла сельмым выходом блока 8 (фиг. Зк), величина смещения в двоичном дополнительном коле перепишется в счетчик 17. а значение прелпослелнего (старшего незнакового) разряда зафиксируется в триггере 13. Одновременно установится триггер 12, разрешая прохождение синхроимпульсов через элемент И 15 и электронныи коммутатор 26 на счетные входы счетчика 17 и блоков 31 (блок 32 в этот момент не работает, так как его коммутатор 28 выключен низким потенциалом на управляющем входе). Слелующий за импульсом с седьмого выхола блока 8 (сигнал К) импульс с левятого выхода блока 8 (сигнал 3, фиг. Зз) перепишет информацию в регистре 20, так как только на его входе разрешения записи - высокий уровень и подготовит содержимое регистра 20 к следующему циклу. С приходом очерелных синхроимпульсов с генератора 7 солержимое счетчика 17 начнет изменяться и. как только оно станет равным нулю, на выходе элемента ИЛИ 25 появится низкий потенциал, который сбросит триггер 12 и запретит дальнейшее прохождение счетных импульсов в блоки 31 и 32 до новой перезаписи информации в счетчике 17. Очевилно, число прошелших импульсов зависит как от содержимого счетчика 17, так и от направления счета. Если величина записанного в счетчике 17 смещения положительная и не превышает половины общего числа элементов в строке (сголбце) ФДМ 4, то на выходе триггера 13 ш.экий потенциал. Поскольку подсчитываемые синхроимпульсы в этом случае проходят на вход реверсивного счета счетчика 17, то он обнулится через число импульсов, равное величине смещения. Столько же импульсов добавится и к содержимому блока 31, так как к нем они постхпают на вход прямого счета. Если же смещение отрицательное и также не превышает половины общего числа элементов в строке (столбце), сигнал на выходе триггера 13 высокий, и счетные импульсы сммируются с содержимым счетчика 17 и вычитаются из содержимого счетчика 18 блока 3. Число таких импульсов, необходимых лля обнуления счетчика 17, также равно величине смещения. Если в процессе опроса контролируемый объект сместится так, что на ФДМ 4 проецируется следующая полоса измерительного растра, значение смещения на выходе блока 23 превысит по величине половину общего числа элементов в строке (столбце). Однако в этом случае при положительном смещении счетчик 17 ведет счет в прямом направлении, а при отрицательном - в обратном, поэтому число приходящих в блок 3 импульсов и направление их счета снова будет правильным.Формула изобретения Аналогичным образом производится определение другой координаты измерительного растра 2. Предустановка счетчика 17 импульсов с седьмого выхода блока 8 (фиг. Зк) и перезапись содержимого растра 2 импульсом с девятого выхода блока 8 (фиг. Зз) выполняется при этом в начале третьего цикла опроса, а подсчет импульсов, равных величине смещения, выполняется блоком 32 в течение третьего цикла при низком уровне сигнала на восьмом выходе блока 8 (фиг. 4 и) . Измеритель линейных перемещений, содержащий источник света, установленные по ходу светового потока измерительный растр, связываемый с объектом измерений, объектив и фотоприемник, генератор, два счетчика положения объекта, элемент ИЛИ, триггер, компаратор и усилитель считывания, вход которого подключен к выходу фотоприемника, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, он снабжен последовательно соединенными блоком управления и регистром опроса, столбцов, последовательно соединенными первым элементом И и счетчиком положения растра, последовательно соединенными первым регистром памяти и мультиплексором, последовательно соединенными блоком вычитания и реверсивным счетчиком смещения растра, последовательно соединенными вторым триггером, вторым элементом И и электронным коммутатором, первым и вторым блоками индикации, каждый из которых состоит из электронного коммутатора, выход которого соединен с входом счетчика положения объекта, индикатора, вход которого соединен с выходом счетчика положения объекта, регистром памяти, третьим триггером, инвертором и регистром опроса строк, первый выход генератора соединен с входом блока управления и со счетными входами регистра опроса строк и регистра опроса столбцов, второй выход генератора соединен с вторым входом второго элемента И и с первым входом первого элемента И, второй вход первого элемента И соединен с выходом первого триггера, второй выход блока управления сое 5 10 15 20 25 30 35 40 45 динен с входом источника света, третий выход блока управления соединен с К-входом регистра опроса столбца, четвертый и пятый выходы - с Р- и К-входами регистра опроса строк соответственно, шестой выход - со счетным входом первого триггера, с К- входом счетчика положения растра и Ю-входами первого и второго регистра памяти, седьмой выход - с управляющим входом электронного коммутатора первого блока индикации, с входом инвертора, с ФЕ-входом первого регистра памяти и с Я-входом мультиплексора, восьмой выход - со счетными входами второго и третьего триггеров соответственно, и с Ю-входом счетчика смещения растра, выходы которого соединены с входами схемы ИЛИ, выход которой соединен с К-входом второго триггера, выход компаратора соединен с К-входом первого триггера, группа информационных выходов счетчика положения растра соединена с группами информационных входов первого и второго регистров памяти соответственно и с группой входов Л блока вычитания, группа выходов второго регистра памяти соединена с группой входов В мультиплексора, группа выходов которого соединена с группой входов В блока вычитаний, выход старшего разряда блока вычитаний подсоединен к информационному входу третьего триггера, выход которого соединен с управляющим входом электронного коммутатора, первый и второй выходы которого соединены с первыми и вторыми входами электронных коммутаторов первого и второго блоков индикации соответственно и с реверсивными входами счетчика смещения растра, выход инвертора соединен с управляющим входом электронного коммутатора второго блока индикации и ЪЕ-входом второго регистра памяти, К-входы счетчиков положения объекта первого и второго блоков индикации соединены с шиной Внешний сброс, выход усилителя считывания соединен с входом компаратора, фотоприемник выполнен в виде фотодиодной матрицы, с первой группой входов которой соединена группа выходов регистра опроса столбцов, с второй группой входов - группа выходов регистра опроса строк, а обнуляющий вход матрицы - с девятым выходом блока управления.Составитель В. Техред И. Верес Тираж 680 комитета СССР поа, Ж - 35, Раушс ческое предприяти едактор С. Патрушевааказ 2532/38ВНИИПИ Государственного113035, МоскПроизводственно-полиграф МополцовКорректор Л. Зн мокосГолписноелслам изобретений и открытийкая наб л 4 5е, г. Ужгорол, уп. 11 роектная, 4