Оптико-электронное устройство для измерения линейных и угловых перемещений

,265 4 С 01 В 21/ ТИЙ АНИК ИЗОБРЕТЕНИ ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ виям. 1 з.п.,ф-лы,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ ССПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫ(46) 23.10.86. Бюл. Кф 39 (71) Специальное конструкторско- технологическое бюро с опытным производством Минского радиотехнического института(56) Авторское свидетельство СССР В 781558, кл. С 01 В 11/00, 1980.Авторское свидетельство СССР У 1035419, кл. С 01 В 21/00, 1983.Авторское свидетельство СССР У 1188535, кл. С 01 В 21/00, 1983 (54) ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЕУСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ И УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ(57) Изобретение относится к измери- тельной технике и может быть использовано для измерения линейных и угловых перемещений объектов, в частности для измерения угловых колебаний при виброиспытаниях. Целью изобретения является повышение точности и расширение динамического диапазона измерений угловых перемещений за счет повышения уровня сигнала и увеличения объема информации. Устройство позволяет за счет двух сумматоров, дифференциального усилителя, .двухполупери- . одного выпрямителя и определенных . связей их как между собой, так и с дискретным фотопреобразователем, а таКже дополнительныхсвязей устройства с узлом управления, увеличить уровень информационного сигнала, так как сигнал снимается не с одного фотоприемника линейки, а со всех сразу, что дает возможность расширить динамический диапазон,т.е. динамический диапазон в устройстве определяется линей- ф ными размерами всей линейки фотоприемников, а не размерами одного фотоприемника. Связь линеек Фотоприемни- С ков с двумя сумматорами и связи суйматоров с входами дифференциального Е усилителя, позволяют выделять с выхо- дов сумматоров разностный информационный сигнал высокого уровня, что . снижает чувствительность устройства к внешним воздейст2 илеОптико-электронное устройство для измерения линейных и угловых перемещений состоит из оптической системы 1 для формирования интерференционных или муаровых полос, соединенных последовательно дискретного фото- преобразователя 2, оптически связанного с системой 1, блока 3 Формирователей, блока 4 счета и блока 5 индикации. Блок 3 Формирователей выполнен в виде усилительного узла 6, коммутатора 7, элемента И;8 и соединен- ных последовательно генератора 9 тактовых импульсов и узла 10 управления, причем выходы усилительного узла 6 и основные выходы узла 10 управления соединены с коммутатором 7, выход которого соединен с первым входом элемента И 8 и вторым входом узла 10 управления. Первый дополнительный выход узла 10 управления соединен с вторым входом элемента И 8, а второй - с вторым входом блока 4 счета. Выход генератора 9 тактовых импульсов соединен с третьим входом элемента И 8, выход которого подключен к первому входу блока 4 счета. Устройство содержит также первый сумматор 11, второй сумматор 12, дифференциальный усилитель 13, двухполупериодный выпрямитель 14, схему 15 сравнения, состоящую из последовательно соединенных второго дифференциального усилителя 16 и компаратора 17, генератор 18 пилообразного напряжения и второй элемент И 19, второй вход которого связан с выходом умножителя 20 частоты, а выход подключен к третьему входу блока 4 счета. Второй вход схемы 15 сравнения связан с первым выходом двухполупериодного выпрямителя 14 и третьим входом узла 10 управления. Третий вход элемента И 19 связан с Изобретение относится к измери тельной технике и может быть использовано для измерения линейных и угловых перемещений контролируемых объектов, в частности для измерения угловых колебаний, например, при виброиспытаниях изделий.Целью изобретения является повышен ние точности и расширение динамического диапазона измерений угловых перемещений за счет увеличения уровня информационного сигнала.На Фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого устройства; на Фиг 2 графики сигналов на элементах схемы,5 10 15 20 25 ЭО 35 40 45 50 55 четвертым дополнительным выходом узла 10 управления, Первый вход узла 10 управления связан с входом умножителя 20 частоты и третьим входом элемента И 8, Вход генератора 18 пилообразного напряжения связан с третьим дополнительным выходом узла 10 управления, Первый вход элемента И 19 также связан с четвертым входом узла 10 управления, а второй вход двухполупериодного выпрямителя 14 - с вторым входом блока 5 индикации. Дискретный фотопреобразователь 2 служит для преобразования оптического сигнала в электрический и содержит систему параллельных электрически изолированных фотоприемников, выполненную в виде двух линеек, причем ширина одного светочувствительного слоя фотоприемника выбрана меньше ши рины интерференционной или муаровой полосы при максимальной частоте их следования, а максимальный угол наклона границы раздела интерференционных полос не должен превышать линейных размеров всей линейки фотоприемников. В качестве дискретного фото- преобразователя 2 можно применить фотоматрицу и испольэовать два столбца (линейки Фотоприемников),Выходы каждой из линеек подключены к входам соответствующего сумматора 12 и 11, выходы которых подключены к входам дифференциального уси" лителя 13, а выход последнего соединен с входом двухполупериодного вып" рямителя 14. Выходы второй линейки Фотоприемников также соединены с входами усилительного узла 6. Узел 10 управления выполнен в виде двоичного счетчика 21, дешифратора 22, первого элемента И-НЕ 23, первого триггера 24, компаратора 25, интегрирующей 1 С-цепочки 26, элемента И 27, одновибратора 28, второго элемента И-НЕ 29 и, второго триггера 30, причем вход счетчика 21 является первым входом узла 10 управления, выходы дешифратора 22 - основные выходы узла 10 управления, вход первого элемента И-НЕ 23 - второй вход, выход первого триггера 24 - первый дополнительный выход, вход компаратора 25 - третий вход, выход одновибратора 28- второй дополнительный выход, выход элемента И 27 - третий дополнительный выход,вход второго элемента И-НЕ 29 - четвертый вход, а выход второго триггера30 является четвертымдополнительным1265476 45 где 6 3выходом узла 10 управления. Выходы счетчика 21 связаны с входами дешифратора 22, первый выход которогосоединен с первым входом первого триггера 24, выход первого элемента И-НЕ 23 связан с вторым входом первого триггера 24. Последний выход дешифратора 22 связан с входом одновибратора 28, выход которого соединен с первым входом второго триггера 30, с первым входом .". 10 элемента И 27 и с входами "Сброс" счетчика 21 и дешифратора 22. Выход второго элемента И-НЕ 29 связан с вторым входом второго триггера 30, а выход компаратора 25 через интегриру ющую И -цепочку 26 подключен к второму входу элемента И 27.Устройство работает следующим образом.При наличии угловых смещений 20 объекта относительно горизонтальной оси происходит расхождение опорного и сигнального пучков на выходе оптической системы 1 формирования интерференционных или муаровых полос на 25 угол, равный углу поворота объекта. Расхождение пучков приводит к изменению ширины интерференционных или муаровых полос на величину, равнуюаЬ = --- 2 здп 30 гдев .ширина одной интерференционной или муаровой полосы;9 - длина волны источника монохроматического излучения;- угол между опорным и сигнальным пучками.Фиксируя значение ширины интерференционных или муаровых полос, попадающих на дискретный фотопреобразо ватель 2, можно однозначно определить 40 угловые колебания объекта. Необходимо применять следующие ограничения. Угловые колебания исследуемого объекта лежат в пределахВ.2 ф угол отклонения поверхности контролируемого объекта относительно го ризонтальной оси в верти. калькой плоскости, нормальной к падающему на нее пучку;Радиус окружности созда ваемой пучком с выхода монохроматического излучателя;- расстояние от контролируемого объекта до плоскости, на которой сходятсяопорный и сигнальный пучки.В исходном состоянии, когда плоскость контролируемого объекта нор мальна к падающему на нее пучку с выхода монохроматического излуЧателя, вьщеляют из интерференционной картины две полосы(с максимальной .и минимальной освещенностью), проецируют их на приемную часть дискретного фотопреобразователя 2,ширина которого равна ширине выделения полос.При нормальных смещениях объекта происходит перемещение границы раздела двух интерференционных полос по светочувствительной поверхности дискретного фотопреобразователя 2, при этом ширина интерференционных полос остается неизменной. В случае, если контролируемый объект имеет угловые колебания своей поверхности, то изменяется пространственная частота следования интерференционных полос, т.е. изменяется их ширина. С выхода дискретного фотопреобразователя 2 снимаются электрические сигналы и подаются на вход усилительного узла 6, с выхода которого снимается или ."О" или 1 в зависимости от того, какая полоса в данный момент находится на светочувствительной поверхности Фотоприемника дискретного фотопреобразователя 2. Уси-, лительный узел 6 при этом может состоять, например, из усилителей аналоговых сигналов и компараторов с заданным порогом срабатывания. Генератор 9 тактовых импульсов формирует на выходе (фиг. 2 а ) последовательность прямоугольных импульсов, которые через счетчик 21 (Фиг. 2 о ) пос- тупают на входы дешифратора 22, на выходах последнего формируются импульсы опроса (Фиг. 2), которые поочередно через. коммутатор 7 опрашивают состояние Фотоприемников второй линейки дискретного Фотопреобразователя 2. На выходе коммутатора 7 формируется последовательность импульсов (Фиг. 2 в ), ширина которых определяет ширину интерференционных или муаровых полос, проецируемых на дискретный фотопреобразователь 2.Импульсы с выхода коммутатора 7 поступают на первый вход элемента И 8, 1265а в момент перехода их из состояния "О" в состояние " 1" ицет разрешение по первому входу элемента И 8. Одновременно с началом цикла опроса элементов дискретного фотопреобразователя 2 первый импульс с выхода дешифратора 22 подается на вход "Сброс" первого триггера 24, перебрасывая его в состояние логической "1" (фиг.2), тем самым Формируется сигнал раэреше ния по второму входу элемента И 8. При появлении информационного сигнала с выхода коммутатора 7 в виде логической "1" с выхода первого элемента И-НЕ 23 снимается инверсный 15 ему сигнал (фиг. 2 й ), по заднему фронту которого происходит переброс первого триггера 24 в состояние "О" (фиг, 2 , тем самым формируется сигнал запрета по второму входу эле мента И 8 до конца данного периода опроса элементов второй линейки дискретного Фотопреобразователя 2.Таким образом, импульсы с генератора 9 тактовых импульсов проходят 25 через элемент И 8 на вход блока 4 счета (фиг. 2 О ) с момента появления.информационного сигнала на первом входе элемента И 8 и оканчиваются с появлением сигнала запрета (фиг. 2 ) 30 по второму входу элемента И 8, Последний импульс (в каждом периоде опроса) с выхода дешифратора 22 поступает на одновибратор 28, который формирует короткий импульс (Фиг,2) на втором входе блока 4 счета, и по .заднему фронту импульса информация с . блока 4 счета заносится в блок 5 индикации. Одновременно импульсы с выхода одновибратора 28 блокируют счетчик 21 и дешифратор 22, устанавливают второй триггер 30 в состояние ."1" (фиг. 2 щ ) и через элемент И 27 сбрасывают генератор 18 пилообразного напряжения (фиг. 2в момент 45времени 1 -1,).Частота импульсов с выхода гене= ратора 9 тактовых импульсов выбирается не меньше удвоенной максимальной частоты следования интерферен ционных или муаровых полос, а ширина одного светочувствительного слоя Фотоприемника дискретного фотопреобразователя 2 должна быть не больше самой узкой интерференционной или . 55 ,муаровбй полосы, получаемой при угловых колебаниях объекта). При этом величина угла, на которую смещается 476 Ьобъект относительно своей, например,горизонтальной оси (в вертикальнойплоскости) может быть определенаиз выраженияагс з 1 и 2 т 1 сХ 29где 9 " угол, на который сместился объект;- длина волны источникамонохроматического излучения;Т - период следования импульсов с выхода генераторатактовых импульсов;1 - число импульсов, зарегист.рированных блоков индикации.Следовательно, число импульсов (1), прошедших через элемент И 8 в данном периоде опроса элементов дискретного фотопреобразователя, прямо пропорционально величине углового поворота контролируемого объекта относительно своей горизонтальной оси.При колебаниях относительно, например, горизонтальной оси (в вертикальной плоскости) наклон интерференционных полос на обеих линейкахфотоприемников дискретного фотопреобразователя 2 одинаковый, а при вырезании из всей интерференционной картины незначительного участка, размер которого определяет расстояние между линейками фотоприемников и на котором кривизной интерференционных колец можно пренебречь, линии на обеих линейках ровныеСледовательно, суммарный сигнал, снимаемый с выходов сумматоров 11 и 12 для каждой из линеек, одинаковый, а сигнал на выходе дифференциального усилителя 13 равен нулю (Фиг, 2 ь в момент 1 -1,)., В этом случае с выхода двухполупериодного выпрямителя 14 (Фиг. 2 м в момент- 1, ) также снимается нулевой сигнал, .который через компаратор 25 (фиг. 2 н ), интегрирующую КС -цепочку 26 (фиг. 2 и ) и элемент И 27 (фиг. 2) подается на вход генератора 18 пилообразного напряжения, тем самым блокируя последний (фиг, 2в момент 1, -1,).С выхода второго дифференциального усилителя 16 схемы 15 сравнения в момент 1 - 1, снимается также нулевой сигнал (фиг. 2 р ), который чеФ ърез компаратор 17 подается на пер476 71265 вый вход элемента И 19 (фиг. 2 ц ), блокируя тем самым прохождение импульсов с выхода умножителя 20 частоты на третий вход блока 4 счета (фиг. 2 ю в момент 1 - 1, ), и показания блока 5 индикации угловых смещений относительно вертикальной оси отсутствуют.При колебаниях относительно вертикальной оси из-за изменения накло на границ раздела интерференционных или муаровых полос на выходах сумматоров 11 и 12 появится разный по величине сигнал, а величина разностного сигнала, снимаемого с выхода 15 дифференциального усилителя 13, пропорциональна изменению наклона границ раздела интерференционных или муаровых полосВеличина сигнала с выхода дифференциального усилителя 13 может 20 находиться как в положительной, так и в отрицательной области (фиг.2 ь ), в зависимости от того, в какую сторону произошел наклон интерференпионных полос на линейках фотоприемников.,25 Для приведения величины информационного сигнала с выхода дифференциального усилителя 13 в одну область напряжений (положительную) используется двухполупериодный выпрямитель 14, З 0 применение которого позволят повысится точность измерений, так как отпадает необходимость иметь в генераторе 18 пилообразного напряжения высокостабильный двухполярный источник напряжения для формирования пилообразного напряжения для положительной и отрицательной величин информационного сигнала. Это позволяет также упростить схему управления генератором 40 18 пилообразного напряжения. Сигнал с первого выхода двухполупериодного выпрямителя 14 (фиг. 2 м ) приводит к перебросу компаратора 25 (порог срабатывания которого 0, выбирается 45 вблизи куля, фиг. 2 м ) .Положительный перепад сигнала с выхода компаратора 25 (фиг. 2 н ) через интегрирующую 0 С-цепочку 26 (фиг. 2 и ) и элемент И 27 (фиг. 2 р ) приводит к запуску генератора 18 пилообразного напряжения (фиг. 2 у): С выхода второго дифференциального усилителя 16 в схеме 15 сравнения снимается сигнал разницы (Фиг. 2 (р) 55 между информационным и пилообразным напряжениями (информационный сигнал показан пунктирной линией). Вмо-. менты перехода сигнала с выхода второго дифференциального усилителя 16через ноль, т.е. когда уровни инфор,мационного и пилообразного напряжений совпадают), компаратор 17 меняетсвое состояние (фиг. 2 ц ) . Импульсыс выхода компаратора 17 через второй элемент И-НЕ 29 узла 10 управления, где происходит их инверсия(фиг. 2), управляют работой второ-,го триггера 30 так, что в моментперехода сигнала из "0" в " 1" триггер 30 перебрасывается из "1" в"0" (фиг. 2 ц ) до конца цикла опросаэлементов дискретного фотопреобраэователя 2.Ширина импульсов, снимаемыхс выхода компаратора 17 (фиг. 2),прямо пропорциональна величине информационного сигнала, а следовательно,и угловому смещению объекта. Импульсы с выхода умножителя 20 частоты (фиг. 2 Э ) через второй элемент И 19 поступают на вход блока 4 1счета (фиг. 2 ю ), причем момент появления их синхрониэирован с появлением информационного сигнала в виде логической "1" на первом входе второго элемента И 19 (фиг. 2 ц ), а окончание - с появлением сигнала запрета в виде логического "0" (фиг, 2 м ) по третьему входу второго элемента И 19. Скорость нарастания и амплитуда пилообразного напряжения на выходе генератора 18 должны быть достаточными для того, .чтобы зафиксировать величину напряжения, снимаемого с выхода дифференциального усилителя 13 при максимально ожидаемом угловом перемещении объектаПериод следования импульсов сброса с выхода одновибратора 28 выбирается исходя из того, чтобы количество изменений в уровне информационного сигнала за время одного периода следования импульсов не превышало одного. В этом случае каждое угловое перемещение объекта фиксируется в последующем периоде опроса элементов дискретного фотопреобразователя 2. В момент перехода информационного сигнала через нулевой уровень на выходе компаратора 25 возникает короткий импульс (фиг.2 .и) в момент 1 -), который может привести к сбросу генератора 18 пилообразного напряжения. Поэтому для компенсации этого импульса в узле 10 управления применяется интегрирующая 18 цепочка 26 (фиг. 2 п в момент-1).- величина угпового перемещения контролируемого объекта относительно вертикальной оси;7 - период следования импуль" сов на выходе умножителя 20 частоты;- число импульсов на выходе элемента И 19;3 - расстояние от контролируемого объекта до плоскости Фотоприемников;Э - длина волны источникаизлучения,9 126547610При появлении сигнала рассогласо- Жасс д - .вания на выходе дифференциальногоВ=- 2 Д - ,усилителя 13 с второго выхода,цвухфполупериодного выпрямителя на,цополнительный вход блока 5 индикации поступает информация о знаке сигналарассогласования, по которому судято направлении угловых перемещений относительно вертикальной оси,При появлении второго импульса с Овыхода компаратора 17 (Фиг. 2 ц в момент- 16) после появления первогоимпульса (фиг. 2 ц в момент 1, -)в данном периоде опрос элементов дискретного Фотопреобразователя 2 импульсы с выхода умножителя 20 частоты через второй элемент И 19 не проходят, так как по окончании первогоимпульса с выхода второго триггера30 (фиг 2 М , момент за 1, ) посту ф о Р м у л а и 3 о б р е т е н и япает сигнал запрета на третий входвторого элемента И 19 который бл. Оптико-электронное устройствоУкирует последний до конца цикла опро- для измерения линейных и угловых песа, т,е. до появления следующего им- Ремещений, содержащее оптическую сиспульса сброса с выхода одновибрато тему для Формирования интерференционра 28 (Фиг. 2). ных или муаровых полос, дискретныйТаким образом, чем больше сигнал фотопреобразователь, выполненный врассогласования на выходе дифферен- виде двух линеек фотоприемников, расиального усилителя 13, тем большее положенных на одном уровне параллельсоличество импульсов пройдет на блок ЭО но друг другу, последовательно соеди4 счета т,е. число импульсов на вы- пенные блок Формирователей, подклюЭч нходе второго элемента И 19 (фиг.20 ) ченныи к однои из линеек дискретногоопределяет величину углового переме- фотопреобразователя, блок счета ищения относительно вертикальной оси, блок индикации, блок ФормирователейИсходя из разрешающей способнос- З 5 ти устройства, выбирается частота следования коротких импульсов на выходе умножителя 20 частоты. Чем выше должна быть разрешающая способность устройства, т,е. чем меньшие,угловые перемещения измеряют, тем выше должна выбираться частота следования импульсов на выходе умножителя 20 частоты. Количество элементов в линейках дискретного фотопреобразователя 2 выбирается, исходя из максимально охлаждаемого углового перемещения объекта, т.е. от наклона границы раздела интерференционньгх полос. Чем больше наклон, т.е, чем шире динами ческий диапазон измерений, тем необходимо брать большее количество Фотоприемников в линейках дискретного фотопреобразователя 2.55Величину угловых перемещений относительно вертикальной оси можно определить из соотношения состоит из усилительного узла, коммутатора и элемента И, соединенныхпоследовательно генератора тактовыхимпульсов и узла управления, выходыусилительного узла и основные выходыузла управления соединены с коммутатором, выход которого соединен спервым входом элемента И и вторым .входом узла управления, первый дополнительный выход которого соединен свторым входом элемента И, а второйсоединен с вторым входом блока счета,выход генератора тактовых импульсовсоединен с третьим входом элемента И,выход которого подключен к первомувходу блока счета, умножитель частоты, последовательно соединенные генератор пилообразного напряжения,схему сравнения и второй элемент И,второй вход которого связан с выходом умножителя частоты, второй входсхемы сравнения связан с третьимвходом узла управления блока формирователей, вход генератора пилообразного напряжения связан с третьим1265 дополнительным выходом узла управления блока формирователей, первый входкоторого связан с входом умножителячастоты, третий вход блока счета подключен к выходу второго элемента И,о т л и ч а ю щ е е с я тем, что,с целью повышения точности и расширения динамического диапазона измерений угловых перемещений, устройствоснабжено первым и вторым сумматорами,дифференциальным усилителем, двухполупериодным выпрямителем, первый выход которого связан с вторым входомсхемы сравнения, блок индикации снабжен дополнительным входом, которыйподключен к второму выходу двухполупериодного выпрямителя, входы первогосумматора подключены к выходам вто.рой линейки дискретного фотопреобра зователя, а входы второго сумматора- ок выходам первой линейки, выходыобоих сумматоров подключены к входамдифференциального усилителя, выходкоторого связан с входом двухполупериодного выпрямителя, узел управпе-ния дополнительно снабжен четвертымдополнительным входом и четвертымдополнительным выходом, выход схемысравнения связан с четвертым входомузла управления блока формирователей, четвертый дополнительный выходузла управления подключен к третьему входу второго элемента И, а схемасравнения состоит из последовательно,соединенных второго дифференциально- Зго усилителя и компаратора,47 б 122. Устройство по и. 1О т .1 и ч а ю щ е е с я тем, что узел управления выполнен в виде двоичного счетчика, дешифраторапервого элемента И-НЕ, первого триггера, компаратора, интегрирующей ЮГ -цепочки, элемента И, одновибратора, второго элемента И-НЕ и второго триггера, вход счетчика является первым входом узла управления, выходы дешифратора - основные выходы узла управления, вход первого элемента И-НЕ - второй вход, выход первого триггера - первый дополнительный выход, вход компаратора - третий вход, выход одновибратора - второй дополнительный выход, выход элемента И - третий дополнительный выход, вход второго элемента И-НЕ - четвертый вход, а выход второго триггера является четвертым дополнительным выходом узла управления блока формирователей, выходы счетчика связаны с входами дешифратора, первый выход которого соединен с первым входом первого триггера, выход первого элемента И-НЕ связан с вторым входом первого триггера, последний выкод дешифратора связан с входом одновибратора, выход которого соединен с первым входом второго триггера, с первым входом элемента И и с вхоДами "Сброс" счетчика и дешифратора, выход второго элемента И-НЕ связан с вторым входом второго триггера,авыход компаратора через интегрирующую цепочку подключен к второму входу элемента И.1265476 Составитель Е. Глазкова Техред И.Попович рректор М. Демчик улла т ПодписноеССР Заказ 5648/3 д, 4/5 Производственно-полиграФическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная ВНИИПИпо13035,Тираж 670Государственного комитета елам изобретений и открыт осква, Ж, Раушская наб