Способ измерения линейных перемещений и устройство для его осуществления

, 179 862 А 1 В 21/ И ТОРСКО ВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(56) 1. Авторское свидетельство СССР Ь 877324, кл, О 01 В 21/00, 1980.2. "Приборы и техника эксперимента", 1989, В 2, с. 171.(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ; ПЕРЕМЕЩЕНИЙ И УСТРОЙСТВОДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к измерительной технике и можетбыть использовано для измерения линейных перемещений подвижных объектов, в частности, при построении датчиков обратной связи в прецизйонном оборудовании. Целью изобретения является расширение области Изобретение относится к.измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений подвижных объектов, в частности подвижйых органов прецизионного оптико-механического. электриискрового, электронно-лучевого и металлорежущего оборудования, атакже при создании датчиков лийейных перемещений,Целью изобретения является расширение области применения эа счет расширения диапазона измерения скоростей перемещения объекта.Поставленная цель достигается тем, чтов известном способе, включающем преобразование смещения измеряемого объекта в ериодический оптический сигнал, его фаприменения за счет расширения диапазона измерения скорости перемещений объекта, Цель достигается тем, что измеряемое перемещение преобразуют в оптический периодический сигнал, который модулируют по фазе при помощи фазового модулятора, работающего на частоте 1 м, преобразуют оптический сигнал в исходный электрический, детектируют его синхронно с модулирующим сигналом и формируют таким образом сигнал, сдвинутыйпо фазе на + л/2 по отношению к исходному, направление движения определяют, сравнивая фазы полученных электрических сигналов при скорости движения 1 Ч 1 Чпр, а при ЧЧпр известное направление запоминают, величину перемещения определяют подсчетом 3 числа периодов исходного сигнала, величину Ч выбирают в диапазоне (0,05-0,2)1 м Я. 2с.п. ф-лы, 4 ил,эовую модуляцию по гармоническому закону, преобразование оптического сигнала в исходный электрический сигнал, выделвние из него двух квадратурных сигналов, определение направления движения по соотношению их фаэ и счет числа периодов одного иэ этих сигналов, направление движения определяют при скорости 1 Ч 1Чар путем сравнения Фазы исходного сигнала и сигнала,. полученного синхронным детектированием исходного сигнала модулирующим сигналом, а при скорости 1 Ч 1Чпр направление движения запоминают, о величине перемещения судят по числу периодов исходного сигнала. Величину предельной скорости Чпр устанавливают иэ соотношенияЧпр Нм А, 1798624где 1 м - частота модуляции;А - длина волны света,К =005 - 02,Для реализации способа в устройство, содержащее формирователь оптического сигнала с фазовой модуляцией, например интерферометр, генератор модулирующего сигнала, последовательно соединенные фотоэлектрический преобразователь, широкополосный усилитель, избирательный усилитель, синхронный детектор, второй вход котброг 6 соединен с выходом генератора и фильтр нижних частот, формирователь сигнала направления счета, пороговый элемент и реверсивный счетчик, дополнительно введены последовательно соединенные формирователь сигнала скорости, компаратор и запоминающее устройство, причем выход порогового элемента соединен со счетным входом реверсивного счетчика, выход широКополосного усилителя соединен с входом порогового устройства,. входом формирователя сигнала скорости и одним из входов формирователя сигнала направления счета, выход фильтра нижних частотсоединен со вторым входом формирователя сигнала направления счета, выход которого соединен с управляющим входом запоминающего устройства, выход запоминающего устройства соединен со знаковым входом реверсивного счетчика.Предельная частота сигнала полученного синхронным детектированием исходногосигнала модулирующим сигналом, в несколько раз меньше частоты модуляции, что определяется возможностью эффективного подавления несущей, С другой стороны, спектр исходного сигнала не ограничен, что позволяет использовать его для формирования счетных импульсов. Так как при реверсировании скорость перемещения обязательноуменьшается до нуля измерять соотношение фаз квадратурных сигналов, т.е. определять направление движения можно при малых скоростях, когда оба сигнала передают информацию о перемещении без искажения, а при увеличении скорости выше предельной запоминать это направление движения.Таким образом, скорость перемещения объекта не зависит от частоты модуляции, которая определяется конкретными схем- ными решениями устройства, реализующего способ. Исходный электрический сигнал, полученный из оптического интерференционного сигйала, представляет собой сумму фазомодулированного сигнала и постоянного фонового сигнала Оз = Оо + Оозз 1 п ( -- + -- з 1 п в ос )4 йх 4 ддгде х - измеряемое перемещение,5 А- длина волны света,д - амплитуда модуляции.Такой сигнал содержит в общем случаебесконечное число гармоник, Используяпредставление функции Бесселя в виде ко 10 эффициентов ряда Фурье, исходный электрический сигнал можно представить в видесуммы:15 01 ОО+О 01 ( з 1 п у 10(ф) +4 дх+ Х 2 12 к (4) соз 2 К соотг 3+ соз - у - х4 йх20х2 1 2 с - 1 ( ф ) з 1 п (2 3 с - 1 ) сд 01)К - 14 дд25 где= - у -- глубина фазовой модуляции,1 к- функция Бесселя первого родаМ-того порядка.При малых глубинах фазовой модуляциисправедливо соотношение:1 о 11 г 1 зДействительно, при величине -0,21 о =9,9 10,11 =9,9 10, 12 ==4;98 10, 1 з =1,66 1040 Пренебрегая членами, содержащими коэффициенты ниже второго порядка малости по сравнению с о, исходный электрический сигнал можно представить в виде45О =Оо+0010(4) з 1 п - +4 лх+ 2 1 (ф) соз -- зи вот.50Таким образом, исходный сигнал содержит широкополосный сигнал, несущий информацию с амплитудой, пропорциональной 10(ф ) и амплитудно-модулированный сигнал 55 с амплитудой, пропорциойальной Ц ). Последний выполняет двоякую роль. С одной стороны, он сам несет информацию о перемещении, с другой,.является помехой при регистрации широкополосного сигнала, 1798624Синхронное детектирование модулирующим сигналом позволяет выделить иэ амплитудно-модулированного сигнала второй сигнал вида02 =2 ОО 111(ф) соз4 7 гхСпектр этого сигнала должен быть ограничен сверху из условия оптимальной фильтрации второй гармоники модулирующей частоты, получающейся при синхронном детектировании, Однако в области низких частот, вплоть до нулевых, информация о перемещении передается полностью. Сравнивая фазы второго сигнала и широкополосного при скорости перемещения меньшей Чпр = ИмЛ, при которой информация о перемещении передается обоими сигналами без . искажения, определяют направление движения, а при достижении Жр это направление запоминают. Величину М определяют из условия оптимальной фильтрации второй гармоники несущей частоты и конкретной схемной реализации устройства,Так как амплитудно-модулированный сигнал представляет собой аддитивную помеху, которая снижает точность измерения фазы широкополосного сигнала, амплитуду модуляции следует устанавливать на минимально возможном уровне. Нижний ее предел ограничен шумами фотоприемной и измерител ьной систем.На фиг, 1 представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг. 2 - временные диаграммы ее работы,Устройство для измерениялинейных перемещений содержит формирователь 1 оптического сигнала, например лазерный интерферометр с фазовым пьезоэлектрическим модулятором. соединенный с ним генератор 2 модулирующего сигнала, фотоэлектрический преобразователь 3, расположенный в пределах интерференционной полосы, соединенный с ним широкополосный усилитель 4, последовательносоединенные избирательный усилитель 5, синхронный детектор 6 и фильтр 7 нижних частот, второй вход синхронного детектора 6 соединен с выходом генератора (2), формирователь 8 сигнала направления счета, последовательно соединенные формирователь сигнала скорости 9.и компаратор 10 в на второй вход которого подается сигнал Опр, пропорциональный Чпр, один из входов формирователя 8 соединен с выходом фильтра нижних частот (7), запоминающее устройство 11, один.из входов которого соединен с выходом формирователя 8 сигнала направления счета, а25 4 кх 4 Кд ОЗ = Ос + ООЗ(В 1 П - З - + - В - В 1 П ипв ) Этот электрический сигнал усиливается широкополосным усилителем (4) и подается на 30 вход избирательного усилителя (5), которыйвыделяет и увиливает амплитудно-модулированную составляющую исходного сигнала 04 = 1(403 35 05 = 04"5 = 2 15 1(4 ООЗ 11 (4 ) х х соз -- з 1 п в Ос 4 кх40 Амплитудно-модулированный сигнал 05детектируется синхронным детектором (6) с коэффициентом передачи 16, сигнал на выходе которого равен 45 Об = 1(4 1 с 5 сб 11 (4) ООЗ х х (сов - в -- сов - в - сов 2 и св ) 4 лх 4 л"х50 и фильтруется фильтром нижних частот (7) саочастотой полюса 1 р 2 и коэффициентом передачи 1 с 7: 55 07 = 1(4 15 1(б 1(7 11 ( ф ) 003 соз- у -4 лхДля работы устройства сравнения фаз сигналов необходимо, чтобы полезная часть сигнала О 4 и сигнал 07 были равны по ампдругой - с выходом компаратора (10), пороговый элемент 12, выход которого соединен со счетным входом реверсивного счетчика 13, знаковый вход которого соединен с вы ходом запоминающего устройства (11), выход широкополосного усилителя (4) соединен с входом избирательного усилителя (5), вторым входом формирователя сигнала направления счета /8/, с входом 10 формирователя сигнала скорости (9) и входом порогового элемента.Принцип работы устройства заключается в следующем,Формирователь оптического сигнала (1) 15 преобразует измеряемое перемещение в. периодический оптический сигнал, которыйподвергается фазовой модуляции посредством воздействия сигнала генератора -(2) на фазовый модулятор, являющийся элемен том формирователя оптического сигнала (1)Фотоэлектрический преобразователь (3) преобразует изменение интенсивности света в исходный электрический сигнал видалитуде, Полагая глубину фазовой модуляции малой настолькр, что выполняется соотношение 1 о 1 Ь " пренебрегая членами разложения с коэффициентами менее второго порядка малости по сравнению со( Я 5 полезную составляющую сигнала 04 можно представить в виде. 041 = к 4 коз о (4 ) 31 п - у - = 4 Юх10цгде 08 - амплитуда полезного сигнала. 15 Из условия 07 = 041 следует: ИсбЮ 4) = 1 о(В Полагая в полосе равномерного пропу скания фильтра нижних частот (7) 6 = 1 и 17 = 1, можно определить требуемый коэффициент передачи избирательного усилителя (5)о Кв = -1 Фаза сигналов 041 и От сравнивается формирователем сигнала направления счета (8), который в зависимости от направления дви жения формирует сигнал высокого или низкого уровня.Формирователь сигнала скорости (9) формирует аналоговый сигнал Оэ, пропорциональный скорости перемещения, .кото . рый сравнивается на компараторе (10) с напряжением Опр, пропорциональным Чпр. в результате чего на выходе компаратора устанавливается напряжение 01 о высокого или низкого уровня, 40Сигналы Оэ и Ою поступают нв входы запоминающего устройства (11, таблица состояния которого представлена на фиг. 3. При высоком уровне на входе А состояние выхода 0 соответствует текущему состоя нию входа. В, т,е. устройство работает в режиме слежения за знаком, а при низком уровне на входе А на выходе С 1 запоминается состояние, которое было на нем при высоком уровне на входе А. Изменение уровня 50 на входе В при этом же изменяет состояния выхода.Принципиальная схема запоминающего устройства представлена на фиг, 4. Уст-. ройство состоит из трех элементов 2 И-НЕ и 55 одного ЙЗ-триггера, Элементы 2 И-НЕ Д 1 и ДЗ выполняют функции элементов сравнения, элемент Д 2 выполняет функции инвертора, При подаче сигнала низкого уровня на . вход А на обоих входах триггера Д 4 устанавливаются высокие уровни при любом состоянии входа В, при этом триггер Д 4 сохраняет свое предыдущее состояние,При подаче на вход А сигнала низкого уровня, в зависимости от состояния входа В, на одном иэ входов ВЗ-триггера установится сигнал низкого уровня, Так, при высоком уровне на входе В сигнал низкого уровня будет на В-входе ВЗ-триггера, при этом на выходе 0 будет присутствовать низкий уровень. При низком уровне на входе А сигнал низкого уровня будет присутствовать на Я- входе ВЗ-триггера, что соответствует высокому уровню на выходе.Сигнал с выхода запоминающего устройства (11) поступает на знаковый вход реверсивного счетчика (13) и устанавливает его в состояние суммирования или вычитания в зависимости от уровня.Компенсация влияния аддитивной помехи, которая может привести к ложному срабатыванию реверсивного счетчика, осуществляется пороговым элементом (12) с гистерезисной характеристикой,Величина гистереэиса устанавливается иэ условияОг 2 М 4 00311 (ф) =2 Оа 1 Сигнал с выхода порогового элемента (12) поступает на счетный вход реверсивного счетчика (13), который считает число периодов полезного сигнала и таким образом производит измерение перемещения.В макете измерителя линейных перемещений в качестве формирователя оптического сигнала использовался двухлучевой интерферометр, одно из зеркал которого закреплялось на пьеэокерамическом элементе, Частота модуляции устанавливалась м = 500 кГц и 1 м = 30 кГц, при этом Чпр устанавливалась на уровне 32 и 1,8 мм/с соответственно.В качестве фотоэлектрического преобразователя использовался фотодиод, нагруженный на ОУ типа КР 544 У 02, в качестве синхронного детектора - перемножитель сигналов К 525 ПС 1. Формирователь сигнала скорости представляет собой преобразователь частота-напряжение. Все остальные элементы также выполнены по известным схемам с применением микросхем,Формула изобретения 1. Способ измерения линейных перемещений в оптико-электронных измерительных системах с фазовой модуляцией, включающий преобразование перемещения в периодический оптический сигнал, его фаэовую модуляцию по гармоническому закону, преобразование оптического сигнала в исходный электрический сигнал, выделение из него двух сигналов, определение направления движения по отношению их фаз и счет числа периодов одного из этих сигналов, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения области применения за счет расширения диапазона измерений скоростей перемещения объекта, сравнивают фазы исходного сигнала и сигнала, полученного синхронным детектированием исходного сигнала модулирующим сигналом, по полученной величине определяют направление движения приЧ 1 Члр,Чпр = ИмАгде 1 м - частота модуляции фазы;А - длина волны света,коэффициент М = 0,05 -0,2 выбирается иэ условия оптимального подавления второй гармоники модулирующей частоты;а о величине перемещения судят по числупериодов исходного сигнала.2. Устройство для измерения линейныхперемещений, содержащее формировательоптического сигнала с фазой модуляцией,генератор модулирующего сигнала, последовательно соединенные фотоэлектрический .преобразователь, широкополосный усилитель.избирательный усилитель; синхронный детектор, второй вход которого соединен с выходом 5 генератора модулирующего сигнала, и фильтрнижних частот, формирователь сигнала направления счета, пороговый элемент и реверсивный счетчик, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения области примене ния за счет измерения быстро перемещающегося объекта, оно снабжено последовательно соединенными формирователем сигнала скорости и компаратором, запоминающим блоком, выход порогового элемента соединен со 15 счетным входом реверсивного счетчика, выход широкополосного усилителя соединен с входом порогового устройства, входом форми- .рователя сигнала скорости и одним из входов формирователя сигнала направления счета, 20 выход фильтра нижних частот соединен с вторым входом формирователя сигнала направления счета, выход которого соединен с входом запоминающего блока, выход компаратора соединен с управляющим входом запоминающе го блока, выход которого соединен со знаковымвходом реверсивного счетчика.1798624 Составитель Е.ГлазковаТехред М.Моргентал Корректор Т,Вашкович Редактор Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101 Заказ 765 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035. Москва, Ж, Раушская наб., 4/5