Устройство для определения координат светового пятна

 

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике. Целью изобретения является повышение точности за счет уменьшения влияния дифракции светового потока от источника, связанного с объектом. В результате оптического взаимодействия линейного фотоэлемента, закрепленного на вращающемся основании, и источника света последний формирует в плоскости вращения фотоэлемента световое пятно. Источник дополнительного освещения оп

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕспуБлик (19) (>4) (я)5 6 01 В 21/00

Г ОСУДА P СТВ Е ННЫ Й КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4660137/28 (22) 02.02,89 (46) 07.07.92. Бюл. М 25 (71} Московское стан костра ител ьное п раизвадственное обьединение "Красный пролетарий" и кооперативный инженерна-коммерческий центр "Алгол" (72) Е.И.Батусав, Л,A,Ãàìñëüñêèé, B.Б.Дабрасельский и B,E,Øðoéò (53) 531.7(088.8} (56} 1, Авторское свидетельство СССР

М 1408216, кл. 6 01 В 21/00, 1987.

g,Àâòoðñêîe свидетельство СССР

1Ф 1552007, кл. G 01 Б 21/00, 1989. (54} УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

КООРДИНАТ СВЕТОВОГО ПЯТНА (57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике. Целью изобретения является повышение точности за счет уменьшения влиячия дифракции светового потока от источника, связанного с обьектом.

В результате оптического взаимодействия линейного фотоэлемента, закрепленного на вращающемся оcíHî â à íHè è, и источника света последний формирует в плоскости вращения фотоэлемента световое пятно.

Источник дополнительного освещения оптически взаимодейств! 6T с фотоп Оие,:.. н иком 7 через отверстие B основании. Сигнал с линейного фотоэлем"нта поступге-. На первый каскад 9 блока 8 формирования и;. 1пульсов, где в сумматоре 10 алгебраически складывается с сиг1гелсм от источни:.(а 12 опорных напря>кений и поступает в кана; ",">

ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВОЙ КООРДИНаты АНБПОгичным Образом сигнал с фотоприе(яника 7 проходит через второй блок 27 формиpoBаниsi ИMпулbcов.,БыпОлненHЫA 31-,аi10" ичнQ

ПЕРВОМУ, И ПОСтУПавт В ВЫ1ИСЛ(теЛЬ::-..—,::Й бпок 16. Положительный эффект обеспечивается путем преобразования и нформаци0;:-, -:: ого импульсного сигнала в импульс, кlен..шей длительности и большей крутизны, . бесг;ечиваемого Б результате прохождения

8ГО - ЕР83 РЯД каСкаДОБ, кажДыЙ из KQTOPblx с,"„с-г(ят из последовательно соединенных

С мматQp" 10 и операционного усилителя 11 блоках 8 и 27 формирования импульсов, в реэуль-ате чего уменьшается временная по .;.;8:"::.;;:-. (ь срабатывания элементов элект-,он:-,:(ч-;: TpBêTà. 3 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть ис" пользовано, например, для определения линейнъ(х и уГлОВых расстоя ний, на кОтооые перемещаются объекты, а так>хе расстояний между объектом и источником света.

Известно устройство для измерения и-.ремещений светового пятна, содержашее координатно-чувствительный фотоприе::::" ник, блок сумматоров (по числу ка1:алов "-: мерения) и источник света (1), Данное устооиство Обеспечивает /(змерение кООрдинат светОБОГO пят116 известного размера, образуе ого источником на фотоприемнике, пр". э гом точность измепений Ограни 46НВ вследствие дискретного х .рактера измерений и 1иэкай разрешг;о цей способности координатной . Истемы из-эа

ЗНБЧИТЕЛЬНЫХ Р831 iBPOB j>QTOBPN8IIHVIKQB, Повышение чувствительности сопоя>кено с резким повышением сложнос (и косрдина-ной системы и подключенного к:-:ей блока сумматоров. Это приводит также к повышенным габаритам координатной системы и стоимости устрОЙстВа в це110м. h данном устройстве присутс гвуе1 возмо>кная неоднозначность определения координат за счет влияния конечных размеров светового пятна, а также иэ-за имеющих место дифракционных явлений, Б результате чего возникает гауссово распределение интенсивностей светового сигнала (как правило, с уплошенной Вершиной— за счет соотношения размеров cBGTQBQI о 1-;ят— на и элемента фотоприемника).

Известно также устройство определения кОООдинат светОВОГО пятна, содержа"

ЩЕЕ ДВЕ ОПтОЭЛЕКтРОННЫЕ ПаРЫ вЂ” QPHy C подвижным линейным фотоэлемBHToì, а другую — О стационарным точечным (f>IBTQприемником, блок обработки сигнала, Bключающий два канала — измерения угловой координаты и измерения радиальной ординаты светового пя тна Бзаимодейс-."; Io.,. -".с .-казан,(-.ми Оптоэлектронными пара4. :а:;к>::.е Вычислительный блок (2).

" ."-Вест 08- (стоойство пс ЗБоляет Опре .,я:,;,0(1яр; — координаты светового пят, Оа.::Бко предъявлл:- . Жесткис требования к ка :эству аптичес«ОЙ системы fëñ(Q÷íèêà све-.=, B та;(же имеет Oграничение возмож:-l,ости, так i<2K не позволяет Б процесс8 из мерения менять расстояние OT источника

",11 света !ic линейного фотоэлемента в силу ,,3c(!>Окусировки свеTQBoro ns",ffa (и измене-;;а этого его размеров). Кроме того, как B данном устройстве, так и во всех извесггных ог1тоэлектронных измерительных уст15 ройствах невысока точность вследствие плавного характера изменения электрическо:Q сигнала на выходе фотоэлемента при его

Бр-1щении (по мере пересечения nocnepíèM светового пятна), Изменение уровня сигнала

2г1 и Б BIQI I случае-происходит по кривой, по (>Орме близкой к кривой распределения Гаусса. По аналогичному закону происходит измеH8Hè8 сиГнала при расфокусировк8 светОВОГО пятна, Это также накладывает ограничения

20 на точ "1ость измерения.

Целью изобретения является повышеI.- .ие точности измерений за счет уменьшения влияния дифракционных явлений и проведения измерений вне зависимости от

ЗО размеров светового пятна, обеспечиваемого оптической системой источника света.

Г1оставленная цель достигается тем, что устройство для определения полярных координат светового пятна оснащено источ35 ником Опорных напряжений и блоком (, ;;армирован ия импульсов, подкл юче н н ы м между выходом фотоприемника и каналом измерения угловой координаты, выполненным в виде попарно чередующихся, после40 довательно соединенных каскадов из сумматора и операционного усилителя, и ричем вход сумматора соединен с выходом источника опорных напряжений, сигналы на i 746217 входах сумматора разнополярны, а напряжение источника опорных напряжений устанавливается исходя из соотношения

К вЂ” 1

0ист = Uc

К где 0с — напряжение входного сигнала для операционного усилителя данного каскада;

К вЂ” коэффициент усиления этого усили- IQ теля, Для повышения точности измерения полярных координат (за счет повышения точности измерения радиальной координа-. ты) источника света предлагается ввести 15 второй аналогичный блок, установив его между выходом линейного фотоэлемента и каналом измерения радиальной координаты, при этом линейный элемент выполняется в виде разграниченных и оптически 20 изолированных друг оТ друга участков, соединенных встречно и закрепленных на общем основании, Технологически проще такое разграничение произвести посредством нанесения 25 на рабочую поверхность непрозрачной маски, которую желательно выполнить трансформируемой (изменяющейся формы), например, из гофрированного материала и снабдить средством изменения (трансфор- 30 мации) ее формы. Такое средство может быть выполнено, например, в виде винтогаечной пары (талрепа), один элемент которой закреплен на одном краю гофрированной маски, а другой — на другом ее краю. 35

На фиг,1 изображена механическая часть устройства, общий вид; на фиг,2 - разрез А — А на фиг.1; на фиг.3 — блок-схема электронной части устройства; на фиг.4 — 8— виды соответственно входных и выходных 40 сигналов каскадов в блоке формирования импульсов; на фиг,9 — линейный фотоэлемент с прямоугольной маской; на фиг;10— то же, с трапециевидной маской; на фиг.11 — маска трансформируемой формы из гоф- 45 рированного материала со средством трансформации ее формы; на фиг.12 — форма сигнала на выходе маскированного линейного фотоэлемента.

Устройство содержит линейный фото- 5Q элемент 1, закрепленный на вращающемся основании 2 (это может быть диск с отверстием). Фотоэлемент 1 взаимодействует с источником 3 света (фиг.2), представляющим собой оптическую систему, закреплен- 55 ную на подвижном элементе, например суппорте металлорежущего станка (не показан), и дающим сфокусированное световое пятно 4 в плоскости вращения фотоэлемента 1. Линейный фотоэлемент 1 имеет длину

I и ширину Ь и вращаешься с угловой скоростью N относительно оси 5 вращения. Источник 3 света создает световое пятно 4 на плоскости вращения фотоэлемента 1 световым диаметром d и с полярными координатами центра пятна R и р. Устройство содержит также источник 6 дополнительного освещения, взаимодействующий с фотоприемником 7. К выходу фотоприемника 7 подключен вход блока 8 (фиг.3) формирования импульсов, который состоит из цепи каскадов 9, каждый из которых выполнен в виде пар из сумматора 10 и операционного усилителя 11, соединенных последовательно, причем выход источника 12 подключен к входу каждого сумматора 10, а полярность сигнала на этом входе сумматора 10 противоположна полярности сигнала на другом его входе (т.е. на выходе предыдущего каскада 9). Вход канала 13 измерения угловой координаты в блоке 14 обработки соединен с выходом блока 8 формирования импульсов, Блок 14 обработки содержит канал 15 измерения радиальной координаты и вычислительный блок 16 (ЭВМ). Блок 15 состоит из усилителя t7, триггер 18 Шмидта, схемы

И 19, счетчика 20 импульсов, генератора 21 импульсов и аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 22, соединенных последовательно, блок 16 — из триггера 23, схемы И 24, счетчика 25 импульсов и генератора 26 импульсов соединенных также последовательно.

Для измерения радиальной координаты

R светового пятна 4 в устройство введен дополнительно второй блок 27 формирования импульсов (фиг.3), аналогичный блоку 8, подключенный между выходом фотоэлемента 1 и входом канала 15 измерения радиальной координаты и выполненный идентично блоку 8. При этом линейный фотоэлемент 1 (фиг,9) выполнен в виде двух участков 28 и

29, оптически изолированных друг от друга непрозрачной маской 30 и электрически соединенных между собой. Маску 30 целесообразно выполнить в форме трапеции (фиг.10) с основаниями С1 и Ср, большее основание Cz которой обращено к центру вращения.

Для удобства обслуживания и регулировки устройства маска 30 может быть выполнена трансформируемой (изменяющейся) формы, например, из гофрированного материала (фиг,11) или эластичной. В этом случае целесообразно маску 30 снабдить средством трансформации ее формы, которое можно выполнить, например, в виде талрепа 31, размещенного между крайними гофрами маски

30 со стороны большего ее основания, при зтсм упомянутые KpaAhNe гофсы зякоаппены на планках 32 и 33, которые соединены шарнирно с возможность,о относительных угловых установочных перемещений пара.;лельно рабочей поверхности фото-;:.e;: "-. ITB

Устройство для определеeè, коо „. Икаработает следу ощим образом.

Запуск всей схемы производится от тсприемника 7 (фиг,3J при попадани1л на ri«-:ГО сватовОГО потока от источниi:, 6 дополнительного освещения через о»яеогстиа В Диске, Сигнал От фотоприемника 7 поступает В канал 13 определения углов,-,й ксссдинаты в блоке 1 4 обработ:,«и с;,. Гнала " рсхсдя .",редвари гельно чсрез бп 1к 8, В канала 13 сигнал, поступая на триггер 23, спрскидывасп. его (до момента поступления импульса сброса от линейного фотоэлемента 1., усиланнсгс усилителем 17). Одновременна с гeHepaToра 26 импульсов на вх.-.,: схемы M 24 поступагот импульсы с частотой

N КГц, а на второй вход схемы И 24 - си< кап ь: с триггера 23, Кол ячество импульсов с гане— ратсра 26 Определяется длительностью импульса, идр <чего от гсиГГFpa «3, .а.

Врем8нам, наооходимым для rtoeoро18 ЛАнайноГО фстсзлемента "„на у. Ол <В,:- .а -: . i кстсроГО Опрадапяе1 я моментом паресеч;-::— ния отверстием в диске 2 светового по-.:Ока от источника «„пп«: читал ь; oi с gj-BpB et II ja а охокчаниа — момe:-;том взалмодействн. линейногс фотоэлемента 1 со световым пятном 4. Г1ри этом, поoêольку при своем вращении линейный фотоэлемент 1 пересекает световом поток Ог исто ников 3.; 6 (фиr.1 л 2), тс на Выходах фстспсиемника 7 и элемента 1 образуатсч электрический сигнал, форма которогo близка j< Гаусссву распредепени с (фиг,4), Такая форма сигнала приводит к возникнсванигс ошибки (т,е. неточности) из-за неопределенности момента срабатывания блоков устройства, однако, поскольку сигнал с фотоэлемента 1 (или фотоприемника 7) псступаат на Вход блока 8 (27) формирования импульсов (точнее на вход nepaoro из цеп.»». каскада 9). ja Вход BTQi o каскада 9 1,на Bxoq первого агс элемента — сумматора 10) пос гупаат также Опорное нап ряжекиа о; источника 12 спорных напряжений, При атом полярность напряжения на выходе исгачника 12 устанавливается Обратной полярнос;-и сиГнэлз, поступающего На ВМОД сумматора 10 оТ фОтОэлзмантз ": (или <р ОТОприамника i), Абсолютная величина этого напряженияя Vo танавливаатся насколько меньшей (порядка

0„5-1 5), нежели потенциал сигнала о фотоэлемента 1, Дсдкл счаниа с мма-«ора ",0

ВЫПОЛНанс Г1О МИКШГ»Ской СХЕМЕ:;, П РИ Д ГН

: и -иляркостл tjocryrja!owt x ка два его вход,=.:;:::игнапов на выходе сумматора 10 об,<. .:-:-, я разность потенциалов упомянутых

I (5; a,<õì образом. если на один вход сумм.-;ггра 10 подается слгнал Uj(например, от

<., огозпемента 1), а на другой — 4 (от источника j2 опорных напряжений), то на выходе

:.:, i,aTора 10 образyeTOI: разность уровней

10: ллян голых сигналов О i — 13< (фиг,4 и 5) по< па ::ц ая (ь пГгеДелах ДднноГО каскаДа 9) к -:. B. Ор. о -;арационного усилителя 11, В резупьi BTe ia Bb!ходе операционного усилита., . : 1j и данного каскада 9 в целом) имеется ..:.:.г ал показанный на фиг.б. От первона:- аль:-ого (фиг.4) сигнала он отличается боOIt, С l "OÊ, СИ, ОВЗННОЙ, ФОРМОЙ И .Ог -:..:, .:,ко вь .раже»I- ой вершиной ЗТО1 с::,-. ;ап (при -;аобходимости) вноoь подается

2 О,:: ..-. и; ду,о в 1 и и 1(а с i(a д;., а ь! а f o à л ч н ь и Г; е р в O-::, Ojj"iOijäB СуММатОр ВТОрОГС «aСКада

, -::; (о! Орый : якже подаетСя U«„от источника 2 ; приобретает вид. г.оказанный на фиг,7, поступает ка вход операционного усипи25 «= i;.я I1 1 этого каскада, В результате сигнал

:l ." Е=T вид, пОкаЗан,-;ь;й на фиг.8. ИЗ СОпО::,веления фиг.4 и фиг.8 В«рНо, чго дпитепь,,о», ь ИГнала col

30 блока, Это, и также более крутая форма изм.,-снля уроBня сигнала, способствует бо.:.еа четкому срабатывани о всех последующих зламенгов vj блоков устройства, т,"-, повышает.его точность. Кроме этого.

35 сходкой сигнал с фотоэлемента 1, зыпопi;;eHi огО В соответствии с фиГ.9-11. прчобрегаа» вид, показанный на фиг.12. Это обьлскяется тем, что при врашении фотозлеь.е "ra 1 с нанесенной маской 30 им фор40 мируготся (при прохождении через световое пятно 4) два импульса, а так как ширина маски С значительно меньше диаметра oj светового пятна 4, то в силу большой крутизны формы изменения импульса на выходе блока 8

45 (илл 27) резко уменьшается временная зона неопределенности срабатывания соответству.ощего канала блока 14, Taким образом, предлагаемое устройстI». о позьоляет при использовании традици-!

-:0 онных оптических средств (источников

"вета и обьактивов) получить значительно более определенный уровень срабатывания электронных элементов(за счет узкого "сфокусированного" электрического сигнала) и, 55 уменьшив влияние оптических аберраций и дифракции, повысить точность измерений.

Формула изобретения

1, Устройство для определения координат светового пятна. содержащее фотопри1746217

10 емник, линейный фотоэлемент, блок обработки сигнала с каналами измерения угловой и радиальной координат светового пятна, соответственно подсоединенными к выходам фотоприемника и линейного фотоэлемента,, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью йовышения точности измерений полярных координат, оно снабжено блоком формирования импульсов и источником опорных напряжений, блок формирования импульсов включен между выходом фотоприемника и каналом измерения угловой координаты и выполнен s виде последовательно соединенных каскадов, состоящих из попарно связанных сумматора и операционного усилителя, а источник опорных напряжений соединен с одним входом сумматора, полярность сигнала которого проти",оположна полярности сигнала другого входа сумматора.

2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения точности измерения радиальной координаты, оно снабжено блоком формирования импуль5 сов, включенным между выходом. линейного фотоэлемента и каналом измерения радиальной координаты; а линейный фотоэлемент выполнен в виде участков, оптически изолированных друг от друга посредством

1О непрозрачной маски, нанесенной на рабочую поверхность фотоэлемента.

3. Устройство по пп.1 и 2, о т л и ч а ющ е е с я тем, что маска выполнена гофрированной.

15 4. Устройство по пп.1 — 3, о т л и ч а ющ е е с я тем, что оно снабжено средством трансформации маски, кинематически связанным с крайними гофрами маски и выполненным в виде талрепа.

2О

1746217

1746217