Способ выработки информации о расположении штриха меры при ее динамической поверке

-75Созданидниковых мал матическо ещении и тоузлов ГРС,85191 Ф ОКБС ИНФОРМАЦИИ ОРЫ ПРИ ЕЕ ДИНА тся к измерино к способамрасположении мической поГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(56) Отчет по теме 305особо точных полупровогабаритных средств автизмерения малых перемного позиционированияи КФС, Гос. рег. У 760Л., 1979, с. 14-26(54) СПОСОБ ВЫРАБОТКИРАСПОЛОЖЕНИИ ШТРИХА МЕМИЧЕСКОИ ПОВЕРКЕ(57) Изобретение отнотельной технике, а имобработки информацииштрихов мер при их ди.801348642 верке, Цель изобретения - повышение точности выработки информации о расположении штриха меры за счет уменьшения погрешности, вызванной наличием шума в сигнале. Сущность способа заключается в том, что в измерительном сигнале, сформированном на выходе фотоэлектронного микроскопа, в его кваэилинейной зоне, предшествующей нулевому значению, выделяют расчетный участок , , делят его на две равные части, определяют среднее значение напряжения для каждого из них, затем определяют длительность отсчетного интервала времени по формуле0 /2(0, - 0 ) -/4, где длительность расчетного участка сиг-нала, 0 , 0 - средние значения сигнала на первой и второй половинах расчетного участка, по окончании которо- Сф го формируют отсчетный импульс, характеризующий расположение штриха меры, 3 э.п. ф-лы, 5 ил,1348642 Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способамобработки информации о расположенииштрихов мер при их динамической поверке,Цель изобретения - повышение точности выработки информации о расположении штриха меры эа счет уменьшенияпогрешности, вызванной наличием шумав сигнале.На фиг.1 приведена структурнаясхема последовательности операцийспособа; фиг.2 - аналого-временная диаграмма.обработки сигнала; на фиг.3аналого-временная диаграмма компенсации изменения постоянной составляющей выходного сигнала, на фиг.4временная диаграмма компенсации изменения расстояния между шкаловой поверхностью меры и фотоэлектрическиммикроскопом, на фиг,5 - блок-схемаустройства, реализующего способ,Устройство содержит фотоэлектрический микроскоп 1, электронный компаратор 2, линии 3 и 4 задержки, электронный вольтметр 5, ЭВМ 6, счетную (схему 7 сравнения. Выход фотоэлектрического микроскопа 1 связан с входамиэлектронного вольтметра 5 и электронного компаратора 2, выход которогосвязан с входами линий 3 и 4 задержки.К входам ЭВМ 6 подключены выход линии 3 задержки и первый и второй выходы электронного вольтметра 5, входкоторого связан с первым и вторым вы 35ходами линии 4 задержки, Входы схемы7 сравнения связаны с выходами ЭВМ ивторым выходом линии 4 задержки.Последовательность операций осуществления способа следующая.. Ч -(1)где 1 - величина квазилинейной зоныкосигнала, предшествующей его40нулевому значению, мм;время, необходимое для вычисления значения, , с;Ч - скорость перемещения мерыотносительно микроскопа,45мм/с,Соблюдение неравенства (1) необходимо для того, чтобы вычисление значения т было закончено до егоокончания.50 Определение средних значений напряжений Б, и У (фиг, 1) на первой 1, и второй , половинах расчетного участка сигнала Ях) лоби зволяет построить линию регрессииКУ(х)1 этого сигнала по точкам с коШтрих поверяемой меры при помощи оптической системы, содержащейся в фотоэлектронном микроскопе 1, проецируется на фотоприемник фотоэлектронного микроскопа 1, выполненного в виде двух светочувствительных слоев, соединенных дифференциально и включенных в мостовую схему. При перемет щении поверяемой меры относительно фотоэлектронного микроскопа 1 на его выходе формируется измерительный сигнал, характеризующий положение штриха поверяемой меры относительно фотоприемника фотоэлектрического микроскопа 1. При проецировании штриха меры на один иэ светочувствительных слоев происходит разбаланс мостовой схемы и появляется сигнал рассогласования. Когда изображение штриха приходит вположение, симметричное относительносветочувствительных слоев фотоприемника, сигнал рассогласования стано-,вится равным нулю.Таким образом, выходной измерительный сигнал имеет кваэилинейнуюзону, предшествующую нулевому значению сигнала. Равенство нулю среднегозначения выходного измерительногосигнала соответствует совмещению центров штриха и поля зрения микроскопа1. В квазилинейной зоне сигнала выделяют расчетный участок. Причемвремя между концом расчетного участкасигнала и моментом равенства сигенала нулю устанавливают больше, чемвремя вычисления длительности отсчетного интервала времени , . Делятрасчетный участок , на две равныечасти. Определяют средние значениянапряжения сигнала каждой части. Попрошествии отсчетного интервала времени, начало которого соответствуетокончанию расчетного участка сигнала,формируют отсчетный импульс, характеризующий расположение штриха,Длительностьрасчетного участкасигнала является интервалом усреднения его значений, в результате которого вырабатываются средние значенияи У . Положение , относительноконца отсчетного интервала времениустанавливается таким образом,чтобы соблюдалось неравенство 1 р, ех .ординатами ( в в ;У,) и (,У ), где(2)о 20 3 1348 значения О и б являются ординатами М Ях)1Длительность отсчетного интервала времени 1 является характеристикой информативного параметра измерительного сигнала Б(х). Значение равно времени от окончания расчетного интервала .р до момента совмещения с нулем напряжения восстановленного на фоне шумов измерительного, сигнала.Значение , прогнозируется путем вычисления по следующей зависимости на основе определенных средних значений напряжений У и 0 . Длитель1 15 ность отсчетного интервала времени определяют по зависимости ротечУ ЯВ2(Б, -Б) 4где - длительность отсчетногинтервала времени;- длительность расчетногоучастка сигнала,Б 0 - срецние значения сигналана первой и второй половинах расчетного участка.Зависимость, по которой определяется значение длительностиотсчетного интервала времени, выводитсяна основании графика сигнала Б(х) 30(фиг.2),При условии эргодичности сигнала0(х) и описании комбинации математических ожиданий напряжения сигналаУ(х) по ансамблю его реализаций линией регрессии ИБ(х) средние значения О, и В напряжений этого сигнала соответственно на первой 1 р ивторой р половинах его расчетногоучастка Т могут быть приняты в качестве оценки математических ожиданийнапряжения сигнала У(х). Тогда в связи с взаимо однозначным соответствием 7 рБ - 13 и - + ф - фУ (3) 452 2 4 фтч. 2 будет верно равенстволр2 Б - Б.3. 3. (4)4 50 иэ которого значение Т,т ч равногрЦ .р,Ю2(ц -0) 42Правомочность использования указанного выражения для определения , т.е. выполнимость условий (3), подтверждается результатами экспериментальных исследований. 642 4Далее определяют напряжение постоянной составляющей сигнала и алгебраически суммируют его со средними значениями напряжения сигнала на первой и второй половинах его расчетного участка.Напряжение У постоянной составляющей сигнала У(х) характеризует мощность Р светового потока, воспринимаемого фотоприемником фотоэлектрического микроскопа, которая зависитот градиента коэффициента отражения или пропускания меры по ее длине,Изменение мощности Р ведет к нарушению баланса моста постоянного тока, в .диагональ которого включены светочувствительные слои фотоприемника, иэ-за чего происходит смещение во времени отсчетного импульса (фиг.5), Определение напряжения постоянной составляющей сигнала и алгебраическое суммирование его со средними значениями О, и О обеспечивают компенсациюсмешения отсчетного импульса за счетизменения рассчитываемого отсчетного интервала временина величину компенсирующего интервала 1, равноголл р Б(5)Учет влияния изменения напряжения У постоянной составляющей на погрешность выработки информации уменьшает зависимость момента формирования отсчетного импульса от градиента распределения коэффициента отражения(пропускания) меры по ее длине. Действие этого фактора на сигнал выражается в изменении постоянной составляющей сигнала, т.е, смещении его информативного параметра относительнонуля, по которому происходит формирование информации, Кроме того, на интервале перемещения меры, соответствующем расчетному участку сигнала, дополнительно определяют изменение расстояния между шкаловой поверхностью меры и микроскопом и алгебраически суммируют отсчетный интервал времени с компенсирующим интервалом, значение которого вычисляют по зависимости7 = - г ( и) а, (6)д огде 7 - компенсирующий интервал;Ч - скорость перемещения меры,аЬ, - изменение расстояния междушкаловой поверхностью и мик42 где50 5 13486роскопом соответственно вначале и конце расчетногоучастка1(ьЬ) - функция влияния изменениярасстояния на регистрируемоерасположение штриха.Данная зависимость выводится на основании того, что среднее значение функции влияния Г(ьЬ) на расчетномл участке, равное интегралу Г(ьЬ)с 1 Л,Во связано с временным интервалом Ь ,тсч., на который смещается из-эа изменения расстояния между шкаловой поверхностью и микроскопом, коэффициентом масштабного преобразования 1/Ч, Таким образом, алгебраическое суммированиес , компенсируетотсЧ (Вид функции Г(ьЬ) влияния изменения расстояния между микроскопом и шкаловой поверхностью определяется качеством оптической системы микроскопа, чистотой шкаловой поверхности, а также профилем и контрастностью штрихов меры, Для штриховых мер, изготовленных по 0-1-му классу точности, взаимодействующих с фотоэлектрическим микроскопом мод. МФ, функция Г(дЬ) при изменении расстояния между микроскопом и шкальной поверхностью меры в пределах +50 мкм имеет квазилинейный вид (получен по экспериментальным данным), Учет изменения расстояния между шкаловой поверхностью меры и микроскопом, выполняемый путем определения измерения этого расстояния, вычисления компенсирующего интервала и его суммирования с отсчетным интервалом времени, уменьшает погрешность от изменения этого расстояния. Изменяется указанное расстояние из-за не- прямолинейности траектории перемещения меры, деформаций от перераспределения нагрузки на механической части измерительной машины, вибрации узлов по оси, совпадающей с оптической осью микроскопа, и т.п.Кроме того, с целью уменьшения динамической погрешности на расчетном участке сигнала дополнительно определяют значение виброскорости, алгебраически суммируют отсчетный интервал времени с интервалом частотной коррекции, значение которого вычисляют по зависимости т = К,ч (Г = К (Ч + ВЧ (7) значение интервала частотнойкоррекции,Ч(Г = К (Ч + БЧ;- значение фазочастотной характеристикисхемы обработки информации;Ч - скорость перемещения меры,Б , - значение виброскорости;К , К - коэффициенты масштабногопреобразования значений фазысигнала Ь, время и скоростиперемещения в частоту сигнала соответственно.Вывод зависимости определяющейзначение интервала частотной коррекции 7, основан на том, что от изменения скорости Ч.перемещения меры,из-за наличия виброскорости 5, изменяется частота Г сигнала. При этомсмещение фазы Ч сигнала определяетсяфазочастотной характеристикой ч(Г= К (Ч + Бсхемы обрзботки информации, где К, - коэффициент масштабного преобразования скорости перемещения Ч в частоту Г.Так как изменение фазы М сигналаведет к смещению , , то произведение Ч(Г = К (Ч + Бна К, (коэффициент масштабного преобразованияфазы Ч сигнала во время) равно значению интервала . частотной коррекции,Вид фазочастотной характеристиКиЧ(Й = К (Ч + Б.устройства обработки информации определяется фазочастотными характеристиками электронных элементов, из которых оно состоит, и схемой их соединения; он можетбыть получен расчетным путем по известным методам теории электрическихцепей или экспериментально.В связи со взаимооднозначным соответствием между частотой Й сигналаи скоростью Ч перемещения меры относительно микроскопа, определяемымкоэффициентом К масштабного преобрайзования, функция влияния виброскорости Б на фазу ч сигнала может ьытьвыражена через фазочастотную характеристику Ч (Г = К (Ч + Я.со значениями Ч и Б., приведенными к частоте Г сигнала, При осуществленииаттестации меры на фиксированной скорости Ч в связи с небольшими колебаниями ее значения и, соответственно,значения частоты сигнала, вид фаэочастотной характеристики близок клинейному,Определение виброскорости меры позволяет вычислить интервал частотной1. Способ выработки информации орасположении штРиха меры при ее динамической поверке, заключающийся в том,что меру перемещают относительно фотоэлектрического микроскопа, регистрируют на его выходе измерительный сигнал с квазилинейной зоной, предшествующей нулевому значению сигнала, которое соответствует совмещению центров штриха меры и поля зрения фотоэлектрического микроскопа, форьяруют отсчетный импульс, характеризующий расположение штриха меры, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности выработки информации о расположении штриха меры, в квазилинейной зоне измерительного сигнала выделяют расчетный участокделят его на две равные части, ойределяют средние значения напряжения сигнала для каждой части расчетного участка измерительного сигнала, определяют длительность отсчетного интервала времени а отсчетный импульс, характеризующий расположение штриха меры, формируют по окончаниитного интервала времени, причем льность расчетного участка выт из условия отсчеОпределение изменения ьЬ. Расстояния между шкаловой поверхностью и микроскопом лЬ3 мкм, по которому вы О числяется компенсирующий интервалпроизводится бесконтактным датчикоммалых перемещений. Алгебраическоесуммирование отсчетного интервала7,ц времени со значениемкомпенсирующего интервала, значение которого соответствует 0,3 мкм, вычисляют по зависимости Х 6) на ЭВМ 6 илина электронной логической схеме вве 1 выц.величина квазилинейной эоны сигнала, предшествующего нулевому значению;скорость перемещения мерыотносительно фотоэлектронного микроскопа;время, необходимое для вычисления значения "отеч,лЬргде 1о"вюч коррекции, т.е. величину, на которую дением значения в счетную схему срав нужно сместить отсчетный импульс, Ал- нения.гебраическое суммирование этих интер- Величина виброскорости составляет валов позволяет уменьшить динамичес,1 Ч. Определение значения виброско кую погрешность, возникающую иэ-эа5рости перемещения меры относительно изменения скорости перемещения, микроскопа выполняется виброизмериВыработка информации о расположе- тельными датчиками, например, пьезонии штриха меры при ее динамической электрическими. Значение виброскорос поверке предлагаемым способом произ ти используется для вычисления интер водится путем перемещения меры отно- вала Х частотной коррекции. сительно микроскопа 1 с постоянной Алгебраическое суммирование отсредней скоростью на лазерном компа- счетного интервала т , времени с раторе МС, Выделение сигналахинтерваломчастотной коррекции вы на выходе микроскопа ФМвыполняет- числяют по зависимости (7) на ЭВМ 615ся дифференциальным включением пози- или введением значения 7, соответционно-чувствительной микросхемы ти- ствующего 0,1 мкм, в счетную схему 7 па 1 ПП 921 в диагональ моста постоян- сравнения.ного тока, на которую проецируется скувеличением 16 изображение штриха. 2 Ф о р м у л а и э о б р е т е н и я20Вьщеление начала расчетного участкасигнала, равного 2 мс, производитсяэлектронным компаратором 2, а егодлительность задается линией 3 задержки. Деление расчетного участка , на 25две половины р, и с, осуществляетсядополнительной линией 4 задержки.Определение средних значений У инапряжения порядка 5-10 В на участкахр, и ср для вычисления по ним отсчетного интервала , производитсяэлектронным вольтметром 5. Выделениедлительности с, порядка 1 мс отсчетного интервала времени по зависимости(2) производится на ЭВМ 6, реализующей указанный в ней алгоритм. Формирование отсчетного импульсаЬ, выполняется счетной схемой 7 сравненияпри равенстве текущего времени послеокончания расчетного участка , сигнала длительности отсчетного интервала времени .,Определение напряжения У постояннойсоставляющей сигнала, не превышающего2 В, производится электронным вольтметром 5. Величина погрешности при 45этом равна 0,2 мкм, 9 132, Способ по и.1, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью уменьшения погрешности от градиента распределения коэффициента отражения или пропускания меры по ее длине, определяют напряжение постоянной составляющей сигнала и алгебраически суммируют его со средними значениями напряжения сигнала на первой и второй частях его расчетного участка.3, Способ по пп.1 и 2, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что на интервале перемещения меры, соответствующем расчетному участку сигнала, определяют изменение расстояния между шкаловой поверхностью меры и фотоэлектронным микроскопом, функцию влияния из 48642 Оменения расстояния между шкаловой поверхностью меры и фотоэлектрическиммикроскопом на регистрируемое расположение штриха меры, компенсирующий 5интервали алгебраически суммируютотсчетный интервал временисполученным компенсирующим интервалом.4. Способ по пп.1-3, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью уменьшения динамической погрешности, нарасчетном участке сигнала дополнительно определяют значение виброскоростимеры, фазочастотную характеристикусхемы обработки информации, интервалчастотной коррекции и алгебраическисуммируют с его значением отсчетногоинтервала времени,едактор И.Касард Корректор В.Гирня акаэ 5178/3 исн роизводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул, Проектная, 4 9 Тира ВНИИПИ Государс по делам иэоб 13035, Москва, Ж 676 Подпвенного комитета СССРетений и открытий5, Раушская наб д, 4/5