Устройство для определения координат светового пятна

)5 601 В 21/ ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Московское стан костроител ьное п раизводственное обьединение "Красный пролетарий" и кооперативный инженерна-коммерческий центр "Алгол" (72) Е.И.Батусов, Л,А,Гамольский, В.Б.Добросельский и В,Е,Шройт(56) 1, Авторское свидетельство СССР Йг 1408216, кл, 6 01 В 21/00, 1987.,Авторское свидетельство СССР В 1552007, кл, 6 01 В 21/00, 1989,(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНКООРДИНАТ СВЕТОВОГО ПЯТНА(57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике. Целью изобретения является повышение точности за счет уменьшения влиячия дифракции светового потока от источника, связанного с обьектом.В результате оптического взаимодействия линейного фотоэлемента, закрепленного навращающемся основании, и источника света последний формирует в плоскости вращения фотоэлемента световое пятно.Источник дополнительного освещения оптически Взаимодействует с фсгсг 1 оиемн(яком 7 через отверстие е основан(ли, Сигнал с линейного фотоэлемента поступ(гет на первый каскад 9 блока 8 формирования и;.- пульсов, где е сумматоре 1 гу алгебраическ(л складывается с сигналом от источника 12 опорных напряжений и поступает в канал 13 ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВОЙ КООРДИНатЫ АНВЛО- гичным образом сигнал с фотоприемника 7 проходит через второй блок 27 формирования импульсОВ, .Выполненный ана(лг(", (нп ПЕРВОМУ, И ПОСтУПавт В ЕЬ(ЧИСЛИТЕЛЬ .-:Й б(:ск 16. Палскительный эффект обеспечивается путем преобразования информаци(эн-(сгс импульсного сигнала е импульс, к(ен, шел длительности и большей крутизны, сбеспеч(лваемсгс е результате прохождения 8 ГС -ЕрЕЗ ряд каСкадсв. каждый иэ кОтарых с,"стоит из последовательно соединенных с( мматоса 10 и операционного усилителя 11 е блоках 8 (л 27 формирования импульсов, е резуль-ате чего уменьшается временная по"ре гс гь срабатывания элементов элект- -.,(Знсгп т (акта. 3 з и ф лы, 12 илИзобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано, например, для определения линеЙных и углоы расстояний, на кстссые перемещаются обаекты, а такхе расстоянлй между сбаектом и источником света.Известно устройство для измерения иремещений светового пятна, содеркашее координатно-чувствительный фотоприем ник, блок сумматоров по числу каналов из мерения) и исто сник света,11,ДаннО 8 устссистес обеспечивает из(ч(ерение кОсрдинат сеетсесГО пятна известн(- го размера, образуемого источником на фОТСПРИЕМНИК 8, ПРИ ЭТОМ ТОЧНОСТЬ (ЛЗМЕПЕ- ний ограничена вследствие дискретноо характера измерений и (лзкай разрешаю(гвей способности координатной( с(пот(э(мы из-эа значительных размерсВ фстопри 8 мниксе, Повышение чувствительности сопсяженс с резким повь(шением слсжнос(и косрдина;- ной системы и подключенного; ней блока сумматоров. Это приводит также к повышенным габаритам координатной системы и стОимОсти устпсйства в Ц 8 лсм, Ь данном устройстве присутсгеует возможная неоднозначность определения координат за счет влияния конечных размеров светового пятна, а также иэ-за имеющих место дифракционных явлений, в результате чего возникает гауссовс распределение инт 8 нсивнсст 8 Й свеОВОГО сиГ- нала (как правило, с уплошенной еершиной - за счет соотношения размеров световоо пят - на и элемента фотоприемника).Известно также устройство определения кОООдинат светсБОГО пятна, содержа" щее две оптоэлектронные пары - одну с подвижным линейным фотоэлементом, а друГую СО стационарнь(м тОчечным ФОТО- приемником, блок обработки сигнала, включающий два канала - измер 8 ния угловой координаты и измерения радиально(й координаты светового пя(на взаимодейс-зую, е с (п(ален;(:(ли ог(тоэлектронными парак;., а т:.:к;,е вычислительный Ьлск 21,ь: .Бег тнс(8 стсои(ст Во позволяет Опре. (Я( Г,слярн.:;е координаты светового пят, Оа.В,с предаяел; етжесткис требованияк каэстеу оптической слстемы (лсгочникав -.: а та;же имеет ограничени(е возмож"Сти, так как не позволяет В и рсцесс 8 измерения менять расстояние ст источника13 света до линейного фотоэлемента в силу,".,В(сОксирсвки светсвогс пятна и измене:.-Ия за этогс его размеров). Кроме того,как е данном устройстве, так и во всех известных оптоэлектронных измерительных уст 1(Б ройстеах невысока точность вследствиеплавного характера изменения электрического сигнала на выходе фотоэлемента при его(врашени(и по мере пересечения последнимсветового пятна), Изменение уровня сигнала2 г( и г( згсм случае.происходит по крлвой, по(срме бл(лзкой к кривой распределения Гаусс,:(, Пс аналогичному закону происходит изменение сигнала при расфокусировке световогопятна, Зтс такжЕ накладывает ограничения25 на точность измерения,Целью изобретения является повышение точности измерений за счет уменьшения влияния дифракционных явлений ипроведения измерений вне зависимости от3 О размеров светового пятна, обеспечиваемого оптической системо(л источника света,Оставленная цельдостигается тем, чтоустройство для определения полярных координат светового пятна оснащено источ 35 н(лксм опорных напряжений и блоком,орми рован и я им пул ь сов, подкл юче н н ы ммежду выходом фотоприемника и каналомизмерения угловой координаты, выполненным в виде попарно чередующихся, пссле 4 О довательно соединенных каскадов изсумматора и операционного усилителя, причем вход сумматора соединен с выходоми(стсчника опорных напряжений, сигналы навходах сумматора рэзнополярны, а напряжение источника опорных напряжений устанавливается исходя из соотношенияК - 1Оист = ОсКгде Ос - напряжение входного сигнала дляоперационного усилителя данного каскада;К - коэффициент усиления этого усилителя,Для повышения точности измеренияполярных координат (за счет повышенияточности измерения радиальной координаты) источника света предлагается ввести 15второй аналогичный блок, установив егомежду выходом линейного фотоэлемента иканалом измерения радиальной координаты, при этом линейный элемент выполняется в виде разграниченных и оптически 20изолированных друг от друга участков, соединенных встречно и закрепленных на общем основании,Технологически проще такое разграничение произвести посредством нанесения 25на рабочую поверхность непрозрачной маски, которую желательно выполнить трансформируемой (изменяющейся формы),например, из гофрированного материала иснабдить средством изменения (трансфор- ЗОмации) ее формы. Такое средство можетбыть выполнено, например, в виде винтогаечной пары (талрепа), один элемент которойзакреплен на одном краю гофрированноймаски, а другой - на другом ее краю, 35На фиг,1 изображена механическаячасть устройства, общий вид; на фиг,2 - разрез А - А на фиг,1; на фиг.З - блок-схемаэлектронной части устройства; на фиг,4 - 8 -виды соответственно входных и выходных 40сигналов каскадов в блоке формированияимпульсов; на фиг,9 - линейный фотоэлемент с прямоугольной маской; на фиг;10 -то же, с трапециевидной маской; на фиг.11- маска трансформируемой формы из гофрированного материала со средствомтрансформации ее формы; на фиг.12 - форма сигнала на выходе маскированного линейного фотоэлемента.Устройство содержит линейный фотоэлемент 1, закрепленный на вращающемсяосновании 2 (это может быть диск с отверстием), Фотоэлемент 1 взаимодействует систочником 3 света (фиг.2), представляющим собой оптическую систему, закрепленную на подвижном элементе, напримерсуппорте металлорежущего станка (не показан), и дающим сфокусированное световоепятно 4 в плоскости вращения фотоэлемента 1. Линейный фотоэлемент 1 имеет длину 1 и ширину Ь и вращаешься с угловой скоростью в относительно оси 5 вращения. Источник 3 света создает световое пятно 4 на плоскости вращения фотоэлемента 1 световым диаметром б и с полярными координатами центра пятна В и р. Устройство содержит также источник 6 дополнительного освещения, взаимодействующий с фотоприемником 7. К выходу фотоприемника 7 подключен вход блока 8 (фиг.З) формирования импульсов, который состоит из цепи каскадов 9, каждый из которых выполнен в виде пар из сумматора 10 и операционного усилителя 11, соединенных последовательно, причем выход источника 12 подключен к входу каждого сумматора 10, а полярность сигнала на этом входе сумматора 10 противоположна полярности сигнала нэ другом его входе (т,е. на выходе предыдущего каскада 9), Вход канала 13 измерения угловой координаты в блоке 14 обработки соединен с выходом блока 8 формирования импульсов, Блок 14 обработки содержит канал 15 измерения радиальной координаты и вычислительный блок 16 (ЭВМ). Блок 15 состоит из усилителя 17, триггер 18 Шмидта, схемы И 19, счетчика 20 импульсов, генератора 21 импульсов и аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 22, соединенных последовательно, блок 16 - из триггера 23, схемы И 24, счетчика 25 импульсов и генератора 26 импульсов соединенных также последовательно.Для измерения радиальной координаты К светового пятна 4 в устройство введен дополнительно второй блок 27 формирования импульсов (фиг.З), аналогичный блоку 8, подключенный между выходом фотоэлемента 1 и входом канала 15 измерения радиальной координаты и выполненный идентично блоку 8. При этом линейный фотоэлемент 1 (фиг,9) выполнен в виде двух участков 28 и 29, оптически изолированных друг от друга непрозрачной маской 30 и электрически соединенных между собой. Маску 30 целесообразно выполнить в форме трапеции (фиг.10) с основаниями С 1 и С 2, большее основание С 2 которой обращено к центру вращения.Для удобства обслуживания и регулировки устройства маска 30 может быть выполнена трансформируемой (изменяющейся) формы, например, из гофрированного материала (фиг,11) или эластичной. В этом случае целесообразно маску 30 снабдить средством трансформации ее формы, которое можно выполнить, например, в виде талрепа 31, размещенного между крайними гофрами маски 30 со стороны большего ее основания, приатом упомянутые крайни 8 гофсы закоеп(е. ны на планках 32 и 33, которые соединены шарнирно с возможностьО относительных угловых установочных перемещений Гар".,- лельно рабочей поверхности фотозлемента Устройство для определения коопликгработает следугощим образом,Запуск всей схемы производится от :стоприемника 7 (Фиг,3 у при попадани 1 ла не- ГО световОГО потока от источника б дополнительногс освещРния ЧРрзз стве;- стие в диске, Сигнал от фотоприемника псступает в какал 13 определения угловой КООрдИНатЫ В бЛОК 8 14 ОбрабОтКИ Скгкала, ПРОХОДЯ ГрадесрИГЕЛЬНО ЧСОЕЗ блек 8, В канале 13 сигнал, поступая на триггер 23, Опрокидываез его у(до момента поступления импульса сброса от линейного фотозлемента 1 усиленногс усилителем 17). Одновременна с генератора 26 импульсов на вх.-,: схемы А 24 поступагот имгульсы с частотой 1 ч кц, а на второй входсхемы И 24-слналь с триггера 23, Коллчество импульсов с Гене - ратора 26 Определяется ДлитеуьОстьо имПулЬСа, ИДУЩЕГО ОТ ТСИГГЕРс: 23, .Е, временем, кеооходимьм для поворс г уд Н 8 ЙНОГО фотозлемРнта "на у Ол ув, ",а-;",." КОТОРОГО ОПРВДЕЛЯЕ 1 "Я МОМЕНТОМ ПЕРЕСЕс: ния отверстием в диске 2 свРтового пс:ока От источника 3 д 1 и л Итеуь О о Осв( щения а охокчание - моментом Вза 1 лмоде Ств(я линейного фотозлемеьТа 1 со световым пятном 4. Г 1 ри зтом, поскольку при своем врг. щении линейный фот;тале(мент 1 перег е(аесветовом поток ОГ исто ников 3 ;, 6 (фиг,1 л 2), то нз ВыхОДах фотопоиемникз 7 у злем 8 нта 1 Образуется алектрический сиГнал, Форма кс торого близка каусссву распределенигс (фИ 1-,4) ВКая ФОрМа СИГнсЛа ПРИВОДИТ К ВОЗ- никновениа ошибки (т,е. неточности) из-за неопределенности момента срабатывания блоков устройства, однако, поскольку сигкгл с фотоэлемента 1 (или фотоприемника 7) поступает на вход блока 8 (27) фор ирования импульсов (точнее на вход первого из цепи каскада 9), 18 Вход э(ого каскада 9,на Вход первого его злемента - сумматора 10) поступа 8 т также Опорное нап ряжекие ст источника 12 ОгОрньх кап рЯЯ(8 ни и, 1 ри зтсм полярность напряжения ка выходе ис Гачника 12 устзнавллвается Обратной пслЯрнОс; и сиГнала, поступа 1 ощего на ВМОД сумматора 10 От фотоэлемента ": (или сро оприемника 7), Абсолютная 88 личина зтоГО напряж 8 нияя устанэвливЗЗтся нескОлько меньшей (пОрядка 05- В), нежели пОт 8 нциэл сиГнала ст ФОТОЗЛ 8 Мекта 1, 11 одклдочекие СуММг-сора 10 ВыпОлнЗно ПО млкшернОл схеме, ы ри данной полярности пссгупаОщих на два еговход.-.: сигналов на выходе сумматора 10 оба" .уегся разность потенциалов упомянутыхс5; аким образом, если на один вход сумматор;- 10 подается слгнал О 1(например, отфстсзлемента 1), а на другой - 11 о (от источника 12 опорных напряжений), то на выходе:., .1 атсра 10 образуется разность уровней10 ;с 18 Ия 1 гтых сигналов О - /(Фиг,4 и 5) ПОс ,па.щая (в пределах данноГО каскада 9)нз Вх(г операционного усилителя 11, В резуль Вте:а Вь ходе операционного усилителя , 1 и данного каскада 9 в целом) имеется15;,:.г"ау Показанный на фиг.б. От первона:.Вл,;Ого (фиг,4) слгнала он отличается бо, " сл Фокусирсвзкной" 1 Формой,л:слс -ко вь;ряженкой вершиной ЗТО 1с;гз у Пс Всбхс пимсс ти) Вновь подаетсЯ20 .: л 1 РП Ий (аска;дгуосин-й и"-рво.,Е, ПССЙДЯ СУММгтсР ВТОРОГО КаСКаДа, ; ".ссрыЙ ". акжР подаетСЯ 1 о от исэчника12, гриобретает вид Г оказанный на Фиг,7,вступает на вход операционного усили 25 еуя 1 зтоо каскада, В результате сигналиВет Вид, показан:ый на ФиГ,8. У 13 согс, звления фиг,4 и Фиг.8 влдно, что дуИтельОсь ИГнала сокращается с Г на Входе еблс 8 (илл блок 27) до Гз а Выходе з алого30 блока, Это, и также более крутая Форма изме,-енля уровня сигнала, способствует более четкому срабатыванио всех1 ссладуОщих злемен гав и блоков устройства, т,е, повышает его точность, Кроме зтого.33 ВХОДНОЙ сигнал с фотоэуемента 1, Выпол;сн;Ого в соОтветствии с ФиГ 9-11. Грисбретает вид, показанный на фиг,12 Этообьлскяется тем, что при врашенил Фотозе(ента 1 с нанесенной маской 30 им фор 40 МируОтся (при прохождении через световоепятно 4) два импульса, а так как ширинамаски С значительно меньше диаметра с 1светового пятна 4, то в силу большой крутизныформы изменения импульса на выходе блока 845 Или 27) резко уменьшается временная зонанеопределенности срабатывания соответствуощего канала блока 14,Гаким образом, предлагаемое устройстВс ПОЗЬОЛЯЕТ ПРИ ИСПОЛЬЗОВВНИИ ТРдДИЦИ"0 онных оптических средств (источниковСВ 8 та и ОбьектиВОВ) получить значительноболее определенный уровень срабатываниязлектронных элементов(за счет узкого "сфокусированного" злектрического сигнала) и,55 уменьшив влияние оптических аберраций идифракции, повысить точность измерений,Формула изобретения1, Устройство для определения координат светового пятна содержащее Фотоприемник, линейный фотоэлемент, блок обработки сигнала с каналами измерения угловой и радиальной координат светового пятна, соответственно подсоединенными к выходам фотоприемника и линейного фотоэлемента о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью 6 овышения точности измерений полярных координат, оно снабжено блоком формирования импульсов и источником опорных напряжений, блок формирования импульсов включен между выходом фотоприемника и каналом измерения угловой координаты и выполнен в виде последовательно соединенных каскадов, состоящих из попарно связанных сумматора и операционного усилителя, а источник опорных напряжений соединен с одним входом сумматора, полярность сигнала которого проти",оположна полярности сигнала другого входа сумматора. 2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения точности измерения радиальной координаты, оно снабжено блоком формирования импуль сов, включенным между выходом. линейногофотоэлемента и каналом измерения радиальной координаты; а линейный фотоэлемент выполнен в виде участков, оптически изолированных друг от друга посредством 1 О непрозрачной маски, нанесенной на рабочую поверхность фотоэлемента.3. Устройство по пп.1 и 2, о т л и ч а ющ е е с я тем, что маска выполнена гофрированной,15 4. Устройство по пп.1 - 3, о т л и ч а ющ е е с я тем, что оно снабжено средством трансформации маски, кинематически связанным с крайними гофрами маски и выполненным в виде талрепа.2 О