Способ измерения линейных перемещений и устройство для его осуществления

(51)5 6 01 В 21/00ЪВ ЕТЕН ЬСТВ еритель- повыше- Способ ГОСУДАРСТВЕНЮЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(71) Особое конструкторское бюро Московского энергетического института(56) Авторское свидетельство СССРМ 1486772, кл:. О 01 В 11/00, 1987.Авторское свидетельство СССРМ 1462103, кл. 6 01 В 21/00; 1987.(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХПЕРЕМЕЩЕНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГООСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к измной технике. Цель изобретения -ние достоверности. предусматривает использование осветительной линейки и линейного фоточувствительного прибора с зарядовой связью (ЛФПЗС). Линейка содержит источники света, расстояние между которыми не превышает длины светочувствительной поверхности Л ФПЗС. ЛФПЗС перемещают относительно осветительной линейки, осуществляют его циклический опрос, в каждом цикле опроса формируют ее непрерывный видеосигнал, фиксируют координату максимума этого видеосигнала, соответствующую координате центра светового пятна от луча света, падающего в данный момент времени на Светочувствительную поверхность ЛФПЗС относительно ее начала. Источники Я света осветительной линейки включают в заданной последовательности по одному в. каждом цикле опроса ЛФПЗС, Перебор значений последовательности прекращается при фиксации в очередном цикле опрОса видеосигнала источника света, фиксируют текущее значение кода управления источниками света, по которому определяют номер совпадающего со светочувствительной поверхностью ЛФПЗС источника света и егосмещение относительно начала отсчетнойшкалы. Измеряемое перемещение определяют как сумму известного по калибровке смещения источника относительно начала отсчетной шкалы и измеренной координаты. Устройство, реализующее способ, соИзобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для. высокоточного измерения перемещений в контрольно-измерительной аппаратуре, прецизионных станках с программным управлением и т,п.Целью изобретения является повышение достоверности за счет получения абсолютного значения перемещения относительно начала отсчета за один цикл опроса ЛФПЗС при отсутствии ограничений на скорость перемещения контролируемого объекта до момента выполненияизмерения. На фиг,1 приведена блок-схема устройства, реализующего способ; на фиг,2 - временные диаграммы измерительного канала; на фиг.З - временные диаграммы схемы управления источниками света; нв фиг,4-6 -примеры схемных решений дифференциру ющего блока, генератора, широтно-импульсного модулятора соответственно.Устройство, реализующее способ, содержит осветительную линейку 1, в которой с шагом, меньшим длины светочувствительной поверхности ЛФПЗС, размещены источники 2 света например, светодиоды),линейный фоточувствительный прибор 3 с зарядовой связью (ЛФПЗС), генератор 4, блок 5 двойной коррелированной выборки, фильтр 6 нижних частот, дифференцирующий блок 7, компаратор 8, широтно-импульсный модулятор 9, счетчик 10, вычислительный блок 11. блок 12 памяти; дешифратор 13, второй, счетчик 14; элемент . 35И-НЕ 15, триггер 16 с разделительными входами. второй дифференцирующий блок 17 илинию 18 задержки,Источники 2 света формируют световой поток в направлении, перпендикулярном 40направлению смещения объекта и перпендержит осветительную линейку ипоследовательно соединенные ЛФПЗС 3, блок 5 двойной коррелированной выборки. ФНЧ 6, дифференцирующий блок 7, компаратор 8,ШИМ-модулятор 9, счетчик 10, вычислительный блок.11 и блок 12 памяти. Для управленйя источниками света. используются последовательно соединенные линия задержки, второй дифференцирующий блок, триггер, элемент И - НЕ, второй счетчик и дешифратор, выходы которого соединены с источниками света осветительной линейки.2 с.п.ф., 6 ил. дикулярном к светочувствительной поверхности ЛФПЗС 3. Необходимые для работы ЛФПЗС 3 последовательности импульсов формируются генератором 4; Точные значения координат центров источников света относительно начала отсчетной шкалы измеряются при паспортизации устройства и заносятся в блок 12 памяти устройства.При включении устройства в осветительной линейке 1 включается только один . из источников 2 света, Расстояние. между. источниками 2 света меньше длины светочувствительной поверхности ЛФПЗС 3, так что при любом положении ЛФПЗС 3 относительно линейки 1 в пределы светочувствительной поверхности ЛФПЗС 3 попадает не менее одного источника 2 света. Если включенный источник 2 света находится в пределах светочувствительной поверхности ЛФПЗС 3, то в каждом цикле опроса ЛФПЗС 3 на выходе ЛФПЗС 3 имеется последовательность видеоимпульсов, которая преобразуется в аппроксимирующий ее непрерывный видеосигнал с. определением координаты его вершины относительно начла ЛФПЗС 3; т.е. координаты наблюдаемого источника света - его центра относительно начала ЛФПЗС. По значению. кода состояния счетчика, формирующего последовательность кодов управления источниками света, определяется номер наблюдаемого источника. По этому номеру из памяти выбирается паспортизованное значение координаты центра данного источни- . ка относительно начала отсчетной шкалы осветительной линейки 1. Сумма координат центра источника относительно начала отсчетной шкалы и относительно начала ЛФПЗС есть абсолютное значение перемещения относительно начала отсчетной шкалы осветительной линейки.Если включенный источник 2 света ненаходится в пределах светочувствительнойповерхности ЛФПЗС 3, то импульс генератора 4. соответствующий "обратному ходу"цикла опроса ЛФПЗС 3, продвинет на единицу счетчик 14, формирующий код управления источниками 2 света, и в следующемцикле опроса ЛФПЗС 3 будет включен ужедругой источник света, Процесс изменениякода управления будет продолжаться дотех пор, пока не оудет зафиксирован видеосигнал источника света. При этом изменение состояния счетчика 14 блокируется ссохранением текущего значения до тех пор,пока в очередном цикле опроса ЛФПЗС 3 небудет отсутствовать видеосигнал источникасвета. В этом случае счетчик 14 снова начнетпродвигаться на единицу после каждого"пустого" цикла опроса до тех пор; пока в, очередном цикле видеосигнал не будет зафиксирован.Способ не требует никаких предварительных установок и привязок. Величина аб. солютного перемещения относительноначала отсчетной шкалы осветительной линейки отсчитывается в первом же цикдвопроса ЛФПЗС, содержащем видеосигналисточника света. Максимальная временнаязадержка от момента установки ЛФПЗС вположение измерения до момента выдачиданных отсчета перемещения равна произведению числа источников света осветительной линейки на длительность циклаопроса. Л ФП 3 С.Устройство для реализации способа работает следующим образом,Осветительная линейка 1 разделена наК равных участков отверстиями с размещенными внутри них источниками света 2, Дли, на каждого из участков. меньше длинысветочувствительной поверхности ЛФПЗСЗ,т так что при любом положении ЛФПЗС 3относительно осветительной линейки 1 со.светочувствительной поверхностью совмещен хотя.бы один источник света, Если этотисточник 2 света в данном цикле опросаЛФПЗС 3 включен, то на выходе ЛФПЗС 3имеется последовательность видеоимпульсов, которая синхронизируемым от генератора 4 блоком 5 двойной коррелированнойвыборки и фильтром 6 нижних частот преобразуется в аппроксимирующий входную последовательность непрерывныйвидеосигнал, имеющий колоколообразную.форму. Дифференцирующий блок 7 и компаратор 8 формируют импульс, совпадающийфронтом с центром колоколообразного видеосигнала. Этот импульс поступает на первый вход широтно-импульсного модулятора9, блокируя прохождение через него тактовых импульсов на первый счетчик 10, на котором таким образом фиксируется координата центра светового луча относительно начала ЛФПЗС 3. Выход первого счетчика 5 10 соединен с первым входом вычислительного блока 11, на вход управления которого поступает импульс "обратного хода" с второго выхода генератора 4, По этому импульсу осуществляется перенос кода 10 координаты со счетчика 10 в вычислительный блок 11, сброс в нуль счетчика 10 и возврат в исходное состояние широтно-импульсного модулятора 9. Двунаправленной шиной адресов/данных вычислительный 15 блок 11 соединен с блоком 12 памяти, вкотором записаны обмеренные при паспортизации.устройства точные координаты всех источников 2 света осветительной линейки 1 относительно начала ее отсчетной 20 шкалы. Управление источниками 2 светаосуществляет дешифратор 13, вход которого соединен с выходом второго счетчика 14, а каждый из выходов - с одним из источников 2 света, Счетный вход второго счетчика 25 14 соединен с.выходом элемента И - НЕ 15,. на первый вход которого подан импульс "обратного хода" от генератора 4. Второй вход элемента И-НЕ 15 соединен с прямым выхорм триггера 16. с раздельными входами, 30 управляемого по входу установки нуля выходным импульсом компаратора 8, а по входу установки единицы выходным импульсом второго дифференцирующего блока 17, который формируется по срезу задержанного 35 линией задержки 18 импульса "обратногохода" генератора 4, Импульс дифференцирующего блока 17 либо устанавливает триггер с раздельными входами 16 в состояние "лог.1", либо подтверждает это состояние, 40 если оно было установлено ранее. При отсутствии видеосигнала выходные импульсы компаратора 8 также отсутствуют, триггер 16 находится в состоянии "лог.1",.импульсы "обратного хода" проходят через элемент 45 И-НЕ 15 на второй счетчик 14, последовательна изменяя его состояние. Соответственно изменяется входной код дешифратора 13 и номер включенного источника 2 света. При каком-то значении кода 50 управления включенным оказывается совмещенный со светочувствительной поверхностью ЛФПЗС 3 источник 2 света. Тогда в данном цикле опроса ЛФПЗС 3 на выходе компаратора 8 появится импульс, который 55 переведет триггер 16 с раздельными входа, ми в состояние "лог.0", запрещающее про. хождение следующего импульса "обратногохода" через элемент И-НЕ 15 на второйсчетчик 14, который сохранит свое состояние, Приходящий. по окончании импульса"обратного хода" выходной импульс второго дифференцирующего блока 17 переведет триггер 16 с раздельными входами в состояние "лог.1", но выходной импульс компаратора 8 вновь переведет триггер 16 всостояние "лог.О" и следующий импульс "обратного хода" также на счетчик 14 не пройдет. Счетчик 14 будет сохранять свое . состояние до тех пор, пока в циклах опроса будут импульсы компаратора 8, При сдвиге светочувствительной поверхности ЛФПЗС 3 с включенного источника 2 света импульс компаратора 8 в очередном цикле опроса будет отсутствовать, сброса триггера 16 в состояние лог,О" не произойдет, импульсы "обратного хода" снова будут поступать на второй счетчик 14 и источники 2 света будут переключаться дешифратором 13 до тех пор, пока не включится совмещенный в данный момент времени с ЛФПЗС 3 источник 2 света. Выход счетчика 14 соединен с вторым входом вычислительного блока 11, и в каждом цикле опроса в блок 11 передается код номера включенного на данном цикле источника 2 света. По этому номеру из блока 12 памяти выбирается значение смещения данного источника 2 света относительно начала отсчетной шкалы осветительной линей-.ки 1. Суммированием величины смещения с измеренной координатой источника 2 света относительно начала светочувствительной поверхности ЛФПЗС 3 определяется абсолютная величина измеряемого перемещения,Формула изобретения 1. Способ измерения линейных перемещений, заключающийся в том, что перемещают линейный фоточувствительный прибор с зарядовой связью (ЛФПЗС), связываемый с контролируемым объектом, относительно осветительной линейки, формируют перпендикулярные к направлению перемещения обьекта лучи света, расстояние между которыми не превышает длины светочувствительной поверхности ЛФПЗС, направляя их на светочувствительную поверхность ЛФПЗС,осуществляют циклический опрос ЛФПЗС, в каждом цикле опроса преобразуют последовательность выходных импульсов ЛФПЗС в непрерывный видеосигнал, аппроксимирующий выходную импульсную последовательность, в полученном непрерывном видеосигнале фиксируют координату его максимума, соответствующую координате центра светового пятна от луча, падающего в данный момент времени на светочувствительную поверхностью ЛФПЗС относительно ее начала, определяют номер этого луча света и величину его смещения относительно начала отсчета,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения достоверности путем получения абсолютного значения перемещения относительно начала отсчета за один цикл опроса ЛФПЗС при отсутствии ограничений на скорость перемещения контролируемого объекта до момента выполнения измерения,источники света осветительной линейки включают в заданной последовательности, по одному в каждом цикле опроса ЛФПЗС, прекращают перебор значений последовательности при фиксации видеосигнала в очередном цикле опроса, фиксируют текущее значение кода управления источниками света, определяют по значению кода номер совпадающего со светочувствительной поверхностью ЛФПЗС источника света и определяют величину перемещения как сумму измеренной в данном цикле координаты источника света относительно начала светочувствительной поверхности ЛФПЗС и соответствующего данному номеру источника света смещения центра его светового пятна относительно начала отсчета,2. устройство для измерения линейных перемещений, содержащее оптически связанные осветительную линейку и линейный фоточувствительный прибор с зарядовой смесью (ЛФПЗС), расстояние между источниками света осветительной линейки не превышает длины светочувствительной поверхности ЛФПЗС, последовательно соединенные генератор,. блок двойной коррелированной выборки, к сигнальному входу которого подключен выход ЛФПЗС, фильтр нижних частот, первый дифференцирующий блок, компаратор, широтно-импульсный модулятор, первый счетчик и вычислительный блок, соединенный двунаправленной шиной с блоком памяти, а также второй счетчик, выход которого соединен с вторым входом вычислительного блока, генератор соединен вторым выходом с вторыми входами широтно-импульсного модулятора и первого счетчика и входом управления вычислительного блока, третьим выходом - с третьим входом широтно- импульсного модулятооа и групповым. выходом-с входом управления ЛФПЗС, отл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения достоверности за счет получения абсолютной величины перемещения при отсутствии ограничений на скорость перемещения контролируемого объекта до момента выполнения измерения, оно снабжено последовательно соединенными линиями задержки. вторым дифференцирующим блоком, триггером с раздельными входами и элементом И-НЕ, дешифратором, вход которого соединен с выходом вто10 1820209 а)Жюульс аЮраююаго гла ВМеацмпул гы но Выход ЮРЬИ ЮНепреры 5 иьйцдеасигнало РбаооеРЮШ д 8 ВююЬац с ноя дцуирер гдаующега ажъя 8 Юиа Мц СОРНОЛ /Йжююаю/7 г рого счетчика. а каждый из выходов соединен с соответствующим выводом одного из источников света осветительной линейки, другие выводы источников света обьединены и соединены с шиной питания, второй 5 вход триггера с раздельными входами соеЮ Ю 7 аРЫ 7 аобм цм лулбабРна Влп Юе ЬИЮ-маф лявара ж)Умюупж,юр У пусконця "шик мооулялара У Ютакщо 5 ие ци пЦльсб/ ИУ Ью де счетчоко 1динен с выходом компаратора. выход элемента И-НЕ соединен со счетным входом второго счетчика, вход линии задержки и второй вход элемента И-НЕ оОъединены и соединены с вторым выходом генератора.