Устройство для измерения перемещения объекта

(5 ц 5 6 01 В 21/22 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(71 Научно-исследовательский институт технологии машиностроения(56) Д.Вульвет. Датчики в цифровых системах, М., Энергоиздат, 1981, с,50, рис.2.21.Авторское свидетельство СССР М 864131, кл, 6 01 Р 3/46, 1978 (прототип). (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ОБЪЕКТА(57) Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности измерения при малых Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического управления технологическими процессами.Известно устройство для измерения перемещения, содержащее растровый преобразователь и интерполятор.Недостатком устройства является многократное преобразование информационного сигнала, что снижает точность измерения.Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для измерения перемещения, содержащее растровый преобразователь с четырьмя выходами, блок определения квадранта сигналов, четыре входа которого подключены к выходам растрового преобразователя, аналоговый коммутатор, информационные и упЖ 1779923 А 1 скоростях перемещения объекта, Растровый преобразователь 1 формирует четыре сигнала, сдвинутые друг относительно друга на 90 На выходе аналогового коммутатора 3, под управлением блока 2 определения квадранта, формируется сигнал треугольной формы. Аналого-цифровой преобразователь 4 преобразует амплитуду сигнала треугольной формы в позиционный код. Элемент 5 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ совместно с блоком 6 фазового коммутатора формируют измерительные импульсы в зависимости от направления перемещения объекта. Число измерительных импульсов подсчитывается блоком 8 подсчета импульсов. 3 ил, аваъ равляющие входы которого подключены соответственно к выходам растрового преобразователя и блока определения квадранта ф 4 сигналов, блок подсчета импульсов. юНедостатком устройства является не- О достаточная точность, связанная с по- Я грешностями преобразования крутизны ( ) промежуточного информационного сигнала пилообразной формы в частоту.Целью изобретения является повышение точности измерения при малых скоростях перемещения объекта,Указанная цель достигается тем, что устройство для измерения перемещения объекта, содержащее растровый преобразователь с четырьмя выходами, блок определения квадранта сигналов, четыре входа которого подключены к выходам растрового преобразователя, аналоговый коммутатор, 1779923информационные и управляющие входы которого подключены соответственно к выходам растрового преобразователя и блока определения квадранта сигналов, блок подсчета импульсов. снабжено аналого-цифровым преобразователем, вход которого подключен к выходу аналогового коммутатора, элементом ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ с инверсией, входы которого подключены к двум младшим разрядам анзлого-цифрового преобразователя, блоком фазового коммутатора, входы которого подключены к второму младшему разряду аналого-цифрового преобразователя и выходу элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ с инверсией, дискретным коммутатором, доа информационных и четыре упрзоллощих входа которого подключены сооветственно к выходам блока фазового коммутатора и выходам блока определения квадранта сигналов, выходы дискретного коммутатора соединены с двумя входами блока подсчета импульсов,На фиг.1 приведена функциональная схема устройства; нз фиг,2 - временнь 1 е диаграммы входных и выходных сигналов блока определения квадранта сигналов и выходного сигнала аналогового коммутатора; а фиг.3 - временные диаграммы выходных сигналов элементов устройства, обеспечивающих формирование и счет импульсов преобразованных сигналоо,устройство содержит растровый преобразователь 1 с четырьмя выходами, блок 2 определения квадранта сигналов, четыре входа которого подключены к выходам растрового преобразователя 1, аналоговый . коммутатор 3, информационные и управляющие входы которого подключены соответственчю к оыходам растрового преобразователя 1 и блока 2 определения квадранта сигналов, аналого-цифровой преобразователь 4 (АЦП),.вход которого подключен к выходу аналогового коммутатора 3, элемент 5 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ с инверсией, входы которого подключены к двум младшим разрядам АЦП 4, блок 6 фазового коммутатора, входы которого подключены к второму младшему разряду АЦП 4 и выходу элемента 5 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ с инверсией, дискретный коммутатор 7, доз информационных и четыре управляющих охода которого подключены соответственно к выходам блока 6 фазового коммутатора и оыходам блока 2 определения квадранта сигналов, и блок 8 подсчета импульсоо, два входа которого подключены к выходам дискретного коммутатора 7,Функциональная схема возможного варианта реализации растрового преобразовзтеля 1 (см.фиг,1) содеркит модулятор 9,5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 который выполнен в виде оптически связанных источника света, измерительного растра, механически связанного с перемещаемым обьектом и снабженного шкалой с постоянным шагом штрихов, и неподвижного растра, имеющего четыре участка штрихов, смещенных на четверть шага измерительного растра, четыре фотоприемника 10-13, которые установлены за растровым сопряжением таким образом, что на каждый из них поступает световой поток, сдвинутый по пространственной фазе на л /2 относительно предыдущего фотоприемника, и включены попарно через один по бзлансной схеме, доа усилителя 14 и 15 фототоков и доа инвертора 16 и 17, входы которых подключены к выходам усилителей 14 и 15 фототоков. Выходы усилителей 14 и 15 фототоков и выходы иноертороо 16 и 17 являются выходами растрооого преобразователя 1.Функциональная схема возмокного варианта реализации блока 2 определения квадранта сигналоо (фиг,1) содержит четыре компарзторз 18-21 и четыре логических элемента 22-25 И, каждый из которых имеет два входа, Входами блока 2 определения квадранта сигналов являются соединенные между собой:измерительный и опорный входы компаратороо 18 и 21;опорные входы компараторов 18 и 19; измерительный и опорный входы компараторов 19 и 20;измерительные входы компаратороо 20 и 21.Компараторы 18-21 подключены к входам логических элементов 22-25 И следующим образом:выход компаратора 18 соединен с первыми входами элементов 22 и 25 И;выход компаратора 19 соединен с первым входом элемента 23 И и вторым оходом элемента 22 И;выход компаратора 20 соединен с вторыми входами элементов 23 и 24 И;выход компаратора 21 соединен с первым входом элемента 24 И и вторым входом элемента 25 Ь,Выходы логических элементов 22-25 И являются выходами блока 2 определения квадранта сигналов.Возможный вариант реализации блока 6 фазового коммутатора (фиг.1) содержит два инвертора 26 и 27, входы которых являются входами блока 6 фазового коммутатора, первый дифференцирующий элемент 28, вход которого подключен к входу инвертора 26, второй дифференцирующий элемент 29, вход которого подключен к выходу инверто 177992310 20 30 35 40 45 50 ра 26, и два логических элемента 30, 31 2 ИИ-ИЛИ. Входы первой схемы 2 И элемента 30 подключены к выходам дифференцирующего элемента 28 и инвертора 27, авходы второй схемы 2 И соединены с выхо дом дифференцирующего элемента 29 и входом инвертора 27. Входы первой схемы 2 И второго элемента 31 подключены к входу инвертора 27 и выходу дифференцирующего элемента 28, а входы второй схемы 2 И, связаны с выходами инвертора 27 и дифференцирующего элемента 29. Выходами блока 6 фазового коммутатора являются выходы элементов 30 и 31 2 ИИ-ИЛИ. Возможный вариант реализации дискретного коммутатора 7 (фиг,1) содержит два элемента 32 и 33 ИЛИ с двумя входами каждый, входы которых являются управляющими входами дискретного коммутатора 7,и два логических элемента 34 и 35 2 ИИИЛИ, Первые входы первых схем 2 И элементов 34 и 35 подключены к выходу логического элемента 32 ИЛИ, а первые входы вторых схем 2 И элементов 34 и 35 - к выходу логического элемента 33 ИЛИ. Вто- . 25 рой вход первой схемы 2 И элемента 34 и второй вход второй схемы 2 И элемента 35 соединены между собой и являются первым информационным входом дискретного коммутатора 7, второй информационный вход которого образован соединенными друг с другом вторым входом второй схемы 2 И элемента 34 и вторым входом первой схемы 2 И элемента 35. Устройство работает следующим образом. При перемещении измерительного растра модулятора 9 происходит периодическое изменение фототока в фотоприемниках 10-13 из-за модуляции светового потока сопряжением измерительного и индикаторного растров, причем на каждый фо.топриемник 10-13 поступает световой поток, сдвинутый по пространственной фаэе на л/2 относительно предыдущего фотоприемника. Учитывая, что фотоприемники 10, 12 и 11, 13 включены по балансной схеме, на входы усилителей 14 и 15 фототоков поступают два квадратурных измерительных сигнала без постоянной составляющей При перемещении измерительного растра в одном направлении изменение сигнала на входе усилителя 14 фототока отстает по фазе на четверть периода от изменения второго квадратурного сигнала, создаваемого парой фотоприемников 11 и 13, а при перемещении измерительного растра в противоположном направлении второй квадратурный сигнал отстает от первого на ту же четверть периода. Поэтому знак фаэового сдвига между квадратурными сигналами характеризует направление измеряемого перемещения, Основные квадратурные сигналы и их инверсии, полученные на выходе инвертором 16 и 17, преобразуются компараторами 18-21 блока 2 определения квадранта сигналов в прямоугольные импульсы, при этом период следования импульсов соответствует перемещению измерительного растра на один шаг. Сформированные компараторами 18-21 прямоугольные импульсы подаются на логические элементы 22-25 И, на выходе которых формируются выходные сигналы блока 2 опре- деления квадранта сигналоо, При одинаковых амплитудах измерительных сигналов растрового преобразователя 1 длительность каждого выходного сигнала блока 2 определения квадранта сигналов равна четверти периода измерительного сигнала, при этом импульс на выходе элемента 22 И присутствует при изменении фазы основного синусоидального сигнала растрового преобразователя 1 в пределах -45 - +45 О, на выходе элемента 23 И - в пределах 45-135 О, на выходе элемента 24 И - в пределах 135-225 О и на выходе элемента 25 И - в пределах 225-315 О соответственно.Сформированные блоком 2 определения квадранта сигналов управляющие сигналы поступают на управляющие входы аналогового коммутатора 3, на соответствующие информационные входы которого подаются измерительные сигналы растрового преобразователя 1. На выходе аналогового коммутатора 3 формируется линейно-треугольный сигнал, представляющий собой линейные участки сигналов растрового преобразователя 1, при этом. длина участков соответствует четверти периода измерительных сигналов, а середины участков совпадают с нулевыми значениями измерительных сигналов. Временные диаграммы, поясняющие работу блока 2 определения квадранта сигналов и аналогового коммутатора 3, представлены на фиг.2. Сформированный периодический линейно-треугольный сигнал имеет удвоенную частоту по сравнению с частотой сигналов растрового преобразователя 1, а его фаза совпадает с фазой основного синусоидального сигнала растрового преобразователя 1,Сформированный линейно-треугольный сигнал поступает на вход АЦП 4, В результате преобразования текущее значение входного сигнала воспроизводится на выходе АЦП 4 в виде числа, представленного параллельным двоичным кодом, при этом частота переключения младшего разряда10 20 25 30 35 40 45 50 55 АЦП 4 пропорциональна скорости изменения линейно-треугольного сигнала,Реверсивный счет импульсов, соответствующих частоте изменения состояния младшего разряда, производится блоком 8 подсчета импульсов с учетом характера изменения (возрастания или убывания) линейно-треугольного сигнала на входе АЦП 4 и номера квадранта измерительных сигналов растрового преобразователя 1.Определение знака приращения линейно-треугольного сигнала производится за счет формирования опорного сигнала, фаза которого остается постоянной при изменении фазы линейно-треугольного сигнала. Для получения опорного сигнала на вход элемента 5 ИСКЛОЧАОЩЕЕ ИЛИ с инверсией подаются сигналы с двух младших разрядов АЦП 4 и на его выходе формируется опорный сигнал, сдвинутый на четверть периода относительного сигнала с второго младшего разряда АЦП 4.Сформированный опорный сигнал и сигнал с второго младшего разряда АЦП 4 поступают на входы фазового коммутатора. Эти сигналы и их инверсии, полученные на выходе инверторов 26 и 27, образуют четыре прямоугольных напряжения, сдвинутые по фазе относительно друг друга на четверть периода. Сигнал с выхода второго младшего разряда АЦП 4 и его инверсия подаются на вход дифференцирующих элементов 28 и 29 соответственно, Продифференцированные импульсы с выхода элементов 28 и 29 поступают на соответствующие входы схем 2 И элементов 30 и 31 2 ИИ-ИЛИ. На вторые входы схем 2 И элементов 30 и 31 подаются опорный сигнал и его инверсия. Для показанной на фиг.1 схемы коммутации входов схем 2 И элементов 30 и 31 счетные импульсы, период следования которых равен периоду переключения младшего разряда АЦП 4, вырабатываются на выходе элемента 30 при возрастании линейно-треугольного напряжения на входе АЦП 4, При убывании этого напряжения счетные импульсы появляются на выходе элемента 31. Таким образом, при перемещении измерительного растра модулятора 9 в одном направлении на выходах логических элементов 30 и 31 поочередно формируются счетные импульсы, присутствующие на каждом из выходов в течение времени перемещения измерительного растра на четверть шага растра. При изменении направления перемещения фаза линейно-треугольного сигнала изменяется на 180, и очередность появления счетных импульсов на выходах элементов 30 и 31 меняется на противоположную. Для подачи счетных импульсов на соответствующий вход блока 8 подсчета импульсов при движении измерительного растра водном направлении выходы фазового коммутатора подключены к дискретному коммутатору 7, осуществляющему синхронно сосменой знака скорости изменения линейно-треугольного напряжения переключение выходов фазового коммутатора на вход блока 8 подсчета импульсов, Управление работой дискретного коммутатора 7 осуществляется блоком 2 определенияквадранта сигналов. Сигналы, соответствующие нечетным и четным номерам квадрантов сигналов, поступают соответственно на входы схем 32 и 33 ИЛИ дискретного коммутатора 7, выходные сигналы с которых поступают на соответствующие входы схем 2 И логических элементов 34 и 35 2 ИИ-ИЛИ, Счетные импульсы с выходов фазового коммутатора поступают на соответствующие вторые входы схем 2 И элементов 34 и 35. Для показанной на фиг.1 коммутации входов схем 2 И элементов 34 и 35 счетные импульсы появляются на выходе логического элемента 34 и подаются на вход "+" блока 8 подсчета импульсов, если измерительный растр модулятора 9 движется о прямом направлении, При движении в обратном направлении счетные импульсы появляются на выходе логического элемента 35 и подаются на вход "-" блока 8 подсчета импульсов.Временные диаграммы, поясняющие работу элементов устройства, которые формируют счетные импульсы и обеспечивают их реверсивный счет блоком 8 подсчета импульсов, представлены на фиг.3.При перемещении измерительного растра на один шаг на блок 8 подсчета импульсов поступают 4 и счетных импульсов (где и - число квантов, равных массе младшего разряда АЦП, соответствующих диапазону изменения линейно-треугольного сигнала). Таким образом, предлагаемое устройство обладает разрешающей способностью, равной 1/4 и шага растра.Предложенное техническое решение позволяет создать измеритель перемещения с высокой точностью измерения при сравнительно простой технической реализации, а также использовать растры модулятора с большим шагом (до 100 мкм и более) и обеспечить простой подбор параметров сопряжения для получения в заданном диапазоне перемещения линейной формы измерительных сигналов,Предложенная техническая реализация позволяет создать на одном базовом образце унифицированный ряд устройств для из 1779923 30мерения перемещения с различным коэффициентом интерполяции за счет переключения выходов АЦП,Кроме тога, благодаря высокой разрешающей способности предложенное устрайство может быть использовано какпреобразователь в цифровом тахогенераторе,О ар мула и э о 6 рете н и яУстройство для измерения перемещения абьекта, содержащее растровый преобразователь с четырьмя выходами, блокопределения квадранта сигналов, четыревхода которого подключены к выходам растрового преобразователя, аналоговый коммутатор, информационные и управляющиевходы которого подключены соответственно к выходам растровОго преобразователя иблока определения квадранта сигналов,блок подсчета импульсов, о т л и ч а ю ще е с я тем, что, с целью повышения точности измерения при малых скоростях перемещения обьекта, оно снабжено аналога-цифровым преобразователем, вход которого подключен к выходу аналогового коммутатора, элементом ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ с инверсией, входы которого подключены к двум младшим разрядам аналого-цифрового преобразователя, блоком фазового коммутатора, входы которого подключены к второму младшему разряду аналого-цифрового преобразователя и выходу элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ с инверсией, дискретным коммутатором, два информацион-. ных и четыре управляющих входа которого подключены соответственно к выходам блока фазового коммутатора и выходам блока определения квадранта сигналов, выходы дискретного коммутатора соединены с двумя входами блока подсчета импульсов,1779923 йеналнп 8 хо 8 е .УЛЮЕЮПП Ю Гцгнплнп 8 ылпеЮЮЕюли Ю Иснапнпйп 0 с зяеиент Я СиенппнпЬпа ЭЛРМЕН 070 10 СО 2 нплнадлО 1 е элеиРнт 020 УЕНОЛНПЙИОЙ леменла ЛУ 102 НОлНП ВХО ЭЛРМЕНЛ 302 боакалнаВьцо элемента 21 Гцсналнодыдоде элемента 22 богиал НОВЫ,ада элемента 23 0 ОЕЙОЛ Н 06 ЫХОдйэлРиеийб М Согнал набяо 8 е элеменГО 025 00 ГИОЛНОВЬУОае элемента 3779923 102 нОлб 1 АЦП1-6 ю,Об 37 яб МнцпнабыдйеялРмяуюп Р 7 й 2 нОЯИО ЙлО ЗЯСУЕнп 30 Л Гцгнплнп 5 ыхвйзлемюлп Я Опнцвна Вьцо 8злен 7 о У 4 ГцгнвянабьцюазлеяВнпо Л и Редактор С, Кулаков каз 4428 ВНИИПИ Госуда изводственн Й/гююы ЩЮГ-ой разрядЙгноянабылп 3 еэлеменоа 51 цгниипВылйзяеменща Я йгнпвна бьцю 3 езпгменщо 30 Йгнппнп 3 ьцой.Улеюгюи.У 1 Составитель С, Дмитр евТехред М;Моргентал Корректор А.Мотыль Тираж Подписноевенного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5