Оптико-электронное устройство для измерения линейных и угловых перемещений

 

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ И УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащее оптическую систему для формирования интерференционных или муаровых полос, дискретный фотопреобразопатель, вьтолненный в виде линейки фотоприемников и оптически связанный с системой формирования интерференционных или муаровых полос, последовательно соединенные блок формирователей, подключенный к дискретному фотопреобразователю , блок счета и блок индикации, блок формирователей состоит из усилительного узла, коммутатора и элемента И, соединенных последовательно генератора тактовых импульсов и узла управления, выходы усилительного узла и основные выходы узла управления соединены с коммутатором, выход которого соединен с первым входом элемента И и вторым входом узла управления, первый дополнительный выход которого соединен с вторым входом элемента И, а второй соединен с вторым входом блока счета, выход генератора тактовых импульсов. соединен с третьим входом элемента И, выход которого подключен к первому входу блока счета, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения угловых перемещений за счет измерения угловых перемещений относительно двух взаимно перпендикулярных осей, устройство снабжено блоком дифференциальных усилителей, умножителем частоты и последовательно соединенными генератором пилообразного напряжения, схемой сравнения и вторым элементом И, второй вход которого связан с с S выходом умножителя частоты, коммутатор снабжен догголнительными входами (Л и вторым выходом, а узел управлениятретьим входом и третьим дополнительньм выходом, второй вход схемы сравнения связан с вторым выходом коммутатора блока формирователей и третьим входом узла управления блока формирователей, третий вход второго 00 элемента И связан с входом генера00 СП СО СП тора пилообразного Напряжения и третьим дополнительным выходом узла управления блока формирователей, первый вход которого связан с входом умножителя частоты, дискретный фотопреобразователь снабжен второй линейкой фотоприемников, расположенной параллельно первой, выходы обеих лине ек дискретного фотопреобразователя подключе.ны jc входам блока дифференциальных усилителей, выходы которого связаны с дополнительными входами коммутатора блока формирователей, блок счета снабжен третьим входом, подключенным к выходу второго элемента И.

СОЮЭ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (51)4 С 01 В 21 00, (21) 3606613/24-28 (22) 16.06.83 (46) 30.10.85. Бюл. У 40 (71) Специальное конструкторскотехнологическое бюро с опытным производством Минского радиотехнического института (72) А.Н.Мотуз, Б.В.Никульшин, В.В.Попов и Н.И.Сиваков (53) 531.7(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

9 1035419, кл. G 01 В 21/00, 1982. (54)(57) ОПТИКОЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ И УГЛОВЫХ

ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащее оптическую систему для формирования интерференционных или муаровых полос, дискретный фотопреобразопатель, выполненный в виде линейки фотоприемников и оптически связанный с системой формирования интерференционных или муаровых полос, последовательно соединенные блок формирователей, подключенный к дискретному фотопреобразователю, блок счета и блок индикации, блок формирователей состоит из усилительного узла, коммутатора и элемента И, соединенных последовательно генератора тактовых импульсов и узла управления, выходы усилительного узла и основные выходы узла управления соединены с коммутатором, выход которого соединен с первым входом элемента И и вторым входом узла управления, первый дополнительный выход которого соединен с вторым входом элемента И, а второй соединен с вторым входом блока счета, выход генератора тактовых импульсов.

ÄÄSUÄÄ 1188535 A соединен с третьим входом элемента

И, выход которого подключен к первому входу блока счета, о т л и ч а— ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения угловых перемещений за счет измерения угловых перемещений относительно двух взаимно перпендикулярных осей, устройство снабжено блоком дифференциальных усилителей, умножителем частоты и последовательно соединенными генератором пилообразного напряжения, схемой сравнения и вторым элементом

И, второй вход которого связан с выходом умножителя частоты, коммутатор снабжен дополнительными входами и вторым выходом, а узел управлениятретьим входом и третьим дополнительным выходом, второй вход схемы сравнения связан с вторым выходом коммутатора блока формирователей и третьим входом узла управления блока формирователей, третий вход второго элемента И связан с входом генератора пилообразного напряжения и третьим дополнительным выходом узла управления блока формирователей, первый вход которого связан с входом умножителя частоты, дискретный фотопреобразователь снабжен второй линечкой фотоприемников, расположенной параллельно первой, выходы обеих лине— ек дискретного фотопреобразователя подключены к входам блока дифференциальных усилителей, выходы которого связаны с дополнительными входами коммутатора блока формирователей, блок счета снабжен третьим входом, подключенным к выходу второго элемента И.

1188

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных и угловых перемещений контролируемых объектов, в частности для измерения угловых колебаний, например, при виброиспытаниях изделий.

Цель изобретения — повьппение точности измерения угловых перемещений эа счет измерения угловых перемеще- 10 ний относительно двух взаимно перпендикулярных осей;

На чертеже изображена блок-схема устройства.

Устройство состоит иэ оптической системы 1 для формирования интерференционных или муаровых полос, соединенных последовательно дискретного фотопреобразователя 2, оптически связанного с системой 1, блока 3 фор-20 мирователей, блока 4 счета и блока. 5 индикации. Блок 3 формирователей выполнен в виде усилительного узла 6, коммутатора 7, элемента И 8 и соединенных 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 соединен с первым входом блока 4 счета. Выход генератора 9 тактовых импульсов соединен с третьим входом элемента И 8, выход которого подключен к второму входу блока 4 счета. Устройство содержит также

40 блок 11 дифференциальных усилителей, умножитель 12 частоты и последовательно соединенные генератор 13 пилообразного напряжения, схему 14 сравнения и второй элемент И 15, второй вход которой связан с выходом умножителя 12 частоты, а выход подключен к третьему входу блока 4 счета. Второй вход схемы 14 сравнения связан с вторым выходом коммутатора 7 и тре50 тьим входом узла 10 управления. Третий вход элемента И 15 связан с входом генератора 13 пилообразного напряжения и третьим дополнительнйм выходом узла 10 управления. Первый вход узла 10 управления связан с вхо- 5 дом умножителя 12 частоты и третьим входом элемента И 8. Дискретный фотопреобразователь 2 служит для преоб535 2 раэования оптического сигнала в электрический и содержит систему параллельных электрически изолированных фотоприемников, выполненную в виде двух линеек 16 и 17, причем ширина одного светочувствительного слоя фотоприемника выбрана меньше ширины интерференционной или муаровой полосы при максимальной частоте их следования, а максимальный угол наклона границы раздела интерференционньж полос не должен превышать линейных размеров одного фотоприемника линейки.. В качестве дискретного фотопреобразователя 2 можно применить фотоматрицу и использовать 2 столбца (линейки фотоприемников).

Выходы линеек 16 и 17 подключены к входам блока 11 дифференциальных усилителей, выходы которого связаны с дополнительными входами коммутатора 7, причем два входа каждого дифференциального усилителя блока 11 раздельно подключены к фотоприемникам линеек 16 и 17, расположенным на одном уровне. Число дифференциальных усилителей 11 соответствует количеству фотоприемников в каждой из линеек

16 и 17 дискретного фотопреобраэователя 2. Выходы линейки 17 фотоприемников подключены также к соответствующим входам усилительного узла 6.

Устройство работает следующим образом.

При наличии угловых смещений объекта относительно горизонтальной оси происходит расхождение опорного и сигнального пучков на выходе оптической системы 1 формирования интерференционных или(муаровых полос на угол, равный углу поворота объекта.

Расхождение пучков приводит к изменению ширины интерференционных или муаровых полос на величину равную

b = — т —;

2sin i где Ь вЂ” ширина одной интерференционной или муаровой полосы; — длина волны источника монохроматического излучения; — угол между опорным и сигнальным пучком.

Фиксируя значение ширины интерференционных или муаровых полос, попадающих на дискретный фотопреобразователь 2, можно однозначно определить угловые колебания объекта.

3 118

Необходимо наложить следующие ограничения.

Угловые колебания исследуемого объекта лежат в пределах

arctgЙ

5

049

2 где 3 — - угол отклонения поверхности контролируемого объекта относительно горизонтальной оси 10 в вертикальной плоскости, нормальной к падающему на нее .пучкуу

R — - радиус окружности, создаваемой пучком с выхода монохро- 15 матического излучателя;

d — - расстояние от контролируемого объекта до плоскости, на которой сходятся опорный и сигнальный пучок.

В исходном состоянии, когда плоскость контролируемого объекта нормальна к падающему на нее пучку с выхода монохроматического излучателя, выделяют из интерференционной картины две полосы (с максимальной и минимальной освещенностью), которые проектируют на приемную часть дискретного фотопреобразователя 2, ширина которого равна ширине выделения 1 олос.

При нормальных смещениях объекта

30 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 уг,ловые колебания своей поверхности, то изменяется пространственная частота следования интерференционных полос, т.е. изменяется их ширина.

С выхода дискретного фотопреобразователя 2 снимаются электрические сигналы, которые подаются на вход 45 усилительного узла 6, с выхода которого снимается или "0 или 1 в зависимости от того, какая полоса в цанный момент находится на светочувствительной поверхности фотоприемни- 50 ка дискретного фотопреобразователя 2, Усилительный узел 6 при этом может состоять, например, из усилителей аналоговых сигналов и компараторов с заданным порогом срабатывания. Ге- 55 нератор 9 тактовых импульсов формирует на выходе последовательность прямоугольных импульсов, которые по8535 очередно через узел 10 управления и коммутатор 7 опрашивают состояние фотоприемников дискретного фотопреобразователя 2. На выходе коммутатора

7 формируется последовательность импульсов, ширина которых определяет ширину интерференционных или муаровых полос, проектируемых на дискретный фотопреобразователь 2. Импульсы с выхода коммутатора 7 поступают на первый вход элемента И 8, и в момент перехода их из состояния "0" в состояние "1" идет разрешение по первому входу элемента И 8, что дает возможность прохода импульсов с генератора

9 тактовых импульсов через элемент

И 8 на вход блока 4 счета. В момент, когда импульс с выхода коммутатора

7 переходит из состояния ".1" в состои якие 0, через узел 10 управления формируется импульс запрета, который подается на второй вход элемента

И 8, и тем самым, блокирует прохождение импульсов с выхода генератора

9 тактовых импульсов на вход блока 4 счета, на время, пока не закончится опрос всех фотоприемников дискретного фотопреобразователя 2 в данном периоде опроса.

По окончанию каждого цикла опроса с второго дополнительного выхода узла 10 управления формируется короткий импульс, который поступает на блок 4 счета, и информация с блока 4 счета заносится в блок 5 индикации.

Узел 10 управления формирует на первом дополнительном выходе также в конце каждого цикла опроса импульс разрешения, идущий на второй вход элемента И 8.

Частота импульсов с выхода генератора 9 тактовых импульсов выбирается не меньше удвоенной максимальной частоты следования интерференционных или муаровых полос, а ширина одного светочувствительного слоя фотоприемника дискретного фотопреобразователя 2 должна быть не больше самой узкой интерференционной или муаровой полосы, получаемой при угловых колебаниях объекта °

При этом величина угла, на который смещается объект относительно своей, например, горизонтальной оси (плоскости), может быть определена из выражения

Л

arcsin-.

2Т.К

8 = — —.— — — ——

1188535!

О с выхода генератора 9 тактовых импульсов и умножителя 12 частоты не прохо- дят через схему И 15 на вход блока 4 счета, и показания блока 4 счета угловых смещений относительно вертикальной оси отсутствуют.

При колебаниях относительно вертикальной оси из-за изменения наклона границ раздела интерференционных или муаровых полос на выходе блока

11 дифференциальных усилителей появляется сигнал рассогласования, вели40

45 чина которого пропорциональна изменению наклона границ раздела интерференционных или муаровых полос.

При появлении сигнала рассогласования на выходе блока 11 с второго дополнительного выхода блока 10 управления на первый вход блока 4 счета поступает информация о знаке сигнала рассогласования, по которому судят о направлении угловых переме.— щений относительно вертикальной оси, 50

55 где — угол, на который сместился объект; - длина волны источника монохроматического илучения;

Т - период следования импульсов с выхода гененатора тактовых импульсов;

К - число импульсов, зарегистрированных блоком индикации.

При колебаниях относительно, например, горизонтальной оси (в вертикальной плоскости) наклон интерференционных полос на обеих линейках 16 и 17 фотоприемников дискретного фотопреобразователя 2 одинаков, а при вырезании из всей интерференционной картины незначительного участка, размер которого определяет расстояние между линейками 16 и 17 фотоприемников и на котором кривизной интерференционных колец можно пренебречь, линии на обеих линейках 16 и 17 равны, Сигнал на выходе блока 11 дифференциальных усилителей отсутствует. р5

В этом случае с выхода схемы 14 сравнения на первый вход схемы И 15 подается сигнал разрешения (логическая 1).

При отсутствии сигнала на выходах блока 11 дифференциальных усилителей

30 с третьего дополнительного выхода узла 10 управления сигнал запрета подается на вход генератора 13 пилообразного напряжения и третий вход схемы И 15. В этом случае импульсы

Сигнал рассогласования с выхода блока 11 дифференциальных усилителей поступает на дополнительные входы коммутатора 7, который по управляющим импульсам с выхода узла 10 управления поочередно подключает выходы блока 11 дифференциальных усилителей к второму входу схемы 14 сравнения и третьему входу узла 10 управления, который по этому сигналу снимает сигнал запрета на своем третьем дополнительном выходе, обеспечив запуск генератора 13 пилообразного напряжения, и снимает сигнал запрета по третьему входу схемы И. 15 на время опроса одного фотоприемника °

Импульсы с выхода умножнтеля 12 частоты через схему И 15 поступают на вход блока 4 счета. При появлении сигнала рассогласования схема 14 сравнивает уровень сигнала, подаваемого с второго выхода коммутатора

7, с уровнем напряжения на выходе генератора 13 пилообразного напряжения. При совпадении уровней схема 14 сравнения формирует на выходе импульс, который поступает на первый вход схемы И 15 и блокирует прохождение импульсов с умножителя 12 частоты на вход блока 4 счета.

Скорость нарастания напряжения на выходе генератора 13 должна быть достаточной для того, чтобы зафиксировать величину напряжения, снимаемого с выхода блока 11 дифференциальных усилителей за время опроса одного фотоприемника.

При опросе последующих фотоприемников после появления первого сигнала рассогласования на третьем дополнительном выходе блока 10 управления формируется сигнал запрета, который подается на третий вход схемы И 15 и вход генератора 13, бло;ируя их до конца цикла.

Таким образом, чем больше сигнал рассогласования на выходе блока 11 дифференциальных усилителей, тем большее количество импульсов пройдет на блок .4 счета, т.е. число импульсов на выходе схемы И 15 определяет величину углового перемещения относительно вертикальной оси.

Исходя из разрешающей способности устройства, выбирается частота следования коротких импульсов на выходе умножителя 12 частоты. Чем выше должна быть разрешающая способ1188535

pic,t. "

2 17

Составитель Е.Глазкова

ТехредЖ.Кастелевич Корректор <.Сирохман

Редактор Е.Копча

Заказ 6733/41 Тираж 650 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ПЛЛ "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4 ность устройства, т,е. чем меньше угловые перемещения измеряют, тем вьппе должна выбираться частота сле- . дования импульсов на выходе умножителя 12 частоты, Величину угловых перемещений относительно вертикальной оси можно определить из соотношения где 9 — величина углового перемещеУ ния контролируемого объекта относительно вертикальной оси;

Т - период следования импульсов на выходе умножителя 12 частоты;

К вЂ” число импульсов на выход схемы И 15;

Й вЂ” расстояние от контролируемого объекта до плоскости фотоприемников;, .

/1 — длина волны источника излу- чения.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет измерить угловые перемещения относительно двух ssaимно перпендикулярных осей и тем самым повысить точность измерения угловых перемещений.