RU2095754C1

RU2095754C1 - Optoelectronic device for measuring the position of mechanism

Info

Publication number: RU2095754C1
Application number: RU96104836A
Authority: RU
Inventors: А.М. Марченко; В.Б. Федосеев; Д.Ю. Сусанов; И.Г. Кутузов
Original assignee: Закрытое акционерное общество "ЛЭРДО"
Priority date: 1996-03-25
Filing date: 1996-03-25
Publication date: 1997-11-10

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: higher measurement results are obtained due to minimizing of measurement error caused by curvature and spatial angular movement of object mechanism on which the given device is installed. Device has optical transmitting system, receiving system including objective 6, light space-time modulator 14, Fourier converter 15, binary filter 16 of spatial frequency, position-sensitive receivers 9, 10, processing route including units 7, 11, 12, 19, 20. Signal from channel formed by units 21, 22, 23, 25 arrives at analog gate 20 and light space-time modulator 14 is supplied with signal from auxiliary pulse converter 26. Signal of preset duration is supplied to recording device 8 at moments of time corresponding to minimum amplitude values of mechanism angular movements. EFFECT: higher results of measurement. 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к устройствам для измерения оптико-электронными средствами положения механизмов. The invention relates to measuring equipment, in particular, to devices for measuring the position of mechanisms by optical-electronic means.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому устройству является оптико-электронное устройство для измерения положения механизма, содержащее основание, установленные на нем источник питания, источник излучения и формирующую систему, дополнительную формирующую систему, объектив, устанавливаемый в отраженном от объекта световом потоке, компаратор, регистрирующее устройство, два оптических приемника, последовательно включенные с первым из них усилитель и сумматор. The closest in technical essence and the achieved result to the proposed device is an optoelectronic device for measuring the position of the mechanism, containing a base, a power source installed on it, a radiation source and a shaping system, an additional shaping system, a lens mounted in the light stream reflected from the object, a comparator, a recording device, two optical receivers connected in series with the first of them an amplifier and an adder.

Недостатком известного оптико-электронного устройства для измерения положения механизма является невысокая точность результатов измерения вследствие того, что механизм с установленной на нем измерительной системой совершает пространственные угловые перемещения, а поверхность объекта, до которого измеряется расстояние, имеет кривизну. A disadvantage of the known optical-electronic device for measuring the position of the mechanism is the low accuracy of the measurement results due to the fact that the mechanism with the measuring system installed on it performs spatial angular displacements, and the surface of the object to which the distance is measured has a curvature.

Целью изобретения является повышение точности измерения положения механизма. The aim of the invention is to improve the accuracy of measuring the position of the mechanism.

Цель достигается тем, что известное оптико-электронное устройство для измерения положения механизма, содержащее основание, установленные на нем источник питания, источник излучения и формирующую систему, дополнительную формирующую систему, объектив, устанавливаемый в отраженном от объекта световом потоке, компаратор, регистрирующее устройство, два оптических приемника, последовательно включенные с первым из них усилитель и сумматор, снабжено установленными на основании пространственным модулятором света, образующим с источником излучения и формирующей системой передающую оптическую систему, пространственно-временным модулятором света, Фурье-преобразователем и бинарным фильтром пространственной частоты, установленными последовательно по ходу светового пучка между объективом и оптическими приемниками и образующими с ними приемную оптическую систему, дополнительным источником излучения и установленным по ходу его светового пучка поворотным зеркалом, установленным перед объективом и оптически связанным с дополнительным источником излучения через дополнительную формирующую систему, усилителем-формирователем, аналоговым ключом, датчиком ускорений, формирователем стробирующего импульса, основной и дополнительной линиями задержки, одновибратором и дополнительным формирователем импульса, выход датчика ускорений соединен с входом формирователя стробирующего импульса, выход которого параллельно соединен с входами основной и дополнительной линий задержки, выход основной линии задержки последовательно соединен с одновибратором и управляющим входом аналогового ключа, выход дополнительной линии задержки соединен с входом дополнительного формирователя импульса, выход которого подключен к электрическому входу пространственно-временного модулятора света, оптические приемники выполнены позиционно-чувствительными, первый из них предназначен для определения координаты центра пятна, второй для определения размера пятна и соединен с входом компаратора, выход которого соединен со входом усилителя-формирователя, выход которого соединен со вторым входом сумматора, выход сумматора соединен с входом аналогового ключа, выход его со входом регистрирующего устройства, дополнительный источник излучения оптически связан с оптическими приемниками через дополнительную формирующую систему, поворотное зеркало, объектив, пространственно-временной модулятор света, Фурье-преобразователь и бинарный фильтр пространственной частоты, а ось чувствительности датчика ускорений параллельна оптической оси объектива. The goal is achieved by the fact that the known optical-electronic device for measuring the position of the mechanism, containing a base, a power source mounted on it, a radiation source and a shaping system, an additional shaping system, a lens mounted in the light flux reflected from the object, a comparator, a recording device, two optical receivers, connected in series with the first of them, an amplifier and an adder, is equipped with a spatial light modulator mounted on the base, forming with a source of exercises and the transmitting optical system with the spatio-temporal light modulator, the Fourier transducer and the binary spatial frequency filter installed sequentially along the light beam between the lens and the optical receivers and forming the receiving optical system with them, an additional radiation source and installed along it light beam with a rotary mirror mounted in front of the lens and optically coupled to an additional radiation source through an additional a forming system, an amplifier-driver, an analog switch, an acceleration sensor, a gating pulse shaper, a main and additional delay lines, a single vibrator and an additional pulse shaper, the output of an acceleration sensor is connected to the input of a gating pulse shaper, the output of which is parallel connected to the inputs of the main and additional lines delays, the output of the main delay line is connected in series with a single-shot and the control input of an analog key, the output of an additional the delay line is connected to the input of an additional pulse shaper, the output of which is connected to the electric input of the space-time light modulator, the optical receivers are position-sensitive, the first of them is used to determine the coordinates of the spot center, the second to determine the spot size and connected to the comparator input, the output which is connected to the input of the amplifier-driver, the output of which is connected to the second input of the adder, the output of the adder is connected to the input of the analog key, its output input of the recording device, an additional source of radiation optically coupled to the optical receiver via a further forming system, a rotary mirror, the lens, the space-time light modulator, Fourier-binary converter and a filter spatial frequency, and the acceleration sensor sensitivity axis parallel to the optical axis of the lens.

На чертеже изображена схема оптико-электронного устройства для измерения положения механизма. The drawing shows a diagram of an optoelectronic device for measuring the position of the mechanism.

Оптико-электронное устройство для измерения положения механизма содержит основание 1, установленные на нем источник 2 питания, источник 3 излучения и формирующую систему 4, дополнительную формирующую систему 5, объектив 6, устанавливаемый в отраженном от объекта световом потоке, компаратор 7, регистрирующее устройство 8, два оптических приемника 9, 10, последовательно включенные с первым из них усилитель 11 и сумматор 12. На основании 1 установлены также пространственный модулятор 13 света, образующий с источником 3 излучения и формирующей системой 4 передающую оптическую систему. Пространственно-временной модулятор 14 света, Фурье-преобразователь 15 и бинарный фильтр 16 пространственной частоты установлены на основании последовательно по ходу светового пучка между объективом 6 и оптическими приемниками 9, 10, образуя с ними приемную оптическую систему. Также оптико-электронное устройство содержит дополнительный источник 17 излучения и установленное по ходу его светового пучка поворотное зеркало 18. Оно установлено перед объективом 6 и оптически связано с дополнительным источником 17 излучения через дополнительную формирующую систему 5. Устройство содержит усилитель-формирователь 19, аналоговый ключ 20, датчик 21 ускорений, формирователь 22 стробирующего импульса, основную 23 и дополнительную 24 линии задержки, одновибратор 25 и дополнительный формирователь 26 импульса. Выход датчика ускорений 21 соединен со входом формирователя 22 стробирующего импульса, выход которого параллельно соединен со входами основной 23 и дополнительной 24 линий задержки, выход основной линии 23 задержки последовательно соединен с одновибратором 25 и управляющим входом аналогового ключа 20, выход дополнительной линии 24 задержки соединен со входом дополнительного формирователя 26 импульса, выход которого подключен к электрическому входу пространственно-временного модулятора 14 света. Оптические приемники 9, 10 выполнены позиционно-чувствительными. Первый приемник 9 предназначен для определения координаты центра пятна, второй 10 - для определения размера пятна и соединен с входом компаратора 7, выход которого соединен с входом усилителя-формирователя 19, выход которого соединен со вторым входом сумматора 12, выход сумматора 12 соединен с входом аналогового ключа 20, выход его со входом регистрирующего устройства 8. Дополнительный источник 17 излучения оптически связан с оптическими приемниками 9,10 через дополнительную формирующую систему 5, поворотное зеркало 18, объектив 6, пространственно-временной модулятор 14 света, Фурье-преобразователь 15 и бинарный фильтр 16 пространственной частоты, а ось чувствительности датчика 21 ускорений параллельна оптической оси объектива 6. От источника питания 2 осуществляется необходимое питание элементов устройства. The optical-electronic device for measuring the position of the mechanism comprises a base 1, a power source 2 installed on it, a radiation source 3 and a forming system 4, an additional forming system 5, a lens 6 installed in the light flux reflected from the object, a comparator 7, a recording device 8, two optical receivers 9, 10, connected in series with the first of them, an amplifier 11 and an adder 12. On the basis of 1, a spatial light modulator 13 is also installed, forming a radiation source 3 and forming systems oh 4 transmitting optical system. The space-time light modulator 14, the Fourier transducer 15, and the spatial frequency binary filter 16 are mounted on the base sequentially along the light beam between the lens 6 and the optical receivers 9, 10, forming a receiving optical system with them. Also, the optoelectronic device contains an additional radiation source 17 and a rotary mirror 18 installed along its light beam. It is mounted in front of the lens 6 and is optically connected to the additional radiation source 17 through an additional forming system 5. The device contains an amplifier-former 19, an analog switch 20 , an acceleration sensor 21, a gate pulse shaper 22, a main 23 and an additional 24 delay lines, a one-shot 25 and an additional pulse shaper 26. The output of the acceleration sensor 21 is connected to the input of the gate pulse generator 22, the output of which is parallelly connected to the inputs of the main 23 and additional 24 delay lines, the output of the main delay line 23 is connected in series with the single-vibrator 25 and the control input of the analog switch 20, the output of the additional delay line 24 is connected to the input of the additional pulse shaper 26, the output of which is connected to the electrical input of the space-time light modulator 14. Optical receivers 9, 10 are position-sensitive. The first receiver 9 is designed to determine the coordinates of the center of the spot, the second 10 to determine the size of the spot and is connected to the input of the comparator 7, the output of which is connected to the input of the amplifier-former 19, the output of which is connected to the second input of the adder 12, the output of the adder 12 is connected to the analog input key 20, its output with the input of the recording device 8. An additional radiation source 17 is optically coupled to optical receivers 9,10 through an additional forming system 5, a rotary mirror 18, a lens 6, spatially a time light modulator 14, a Fourier transducer 15, and a binary filter of spatial frequency 16, and the sensitivity axis of the acceleration sensor 21 is parallel to the optical axis of the lens 6. From the power supply 2, the necessary elements of the device are supplied.

Оптико-электронное устройство для измерения положения механизма относительно объекта (звена исполнительной системы) работает следующим образом. Пучок монохроматического светового излучения от источника 3 направляется в формирующую систему 4, на выходе которой формируется параллельный пучок заданного диаметра, направляемый на пространственный модулятор 13 света. Пучок монохроматического светового излучения пространственно модулируется по интенсивности в соответствии с законом Sin по оси X и направляется на поверхность объекта, расстояние до которого измеряется. Изображение светового пучка на объекте формируется объективом 6 на фоточуствительной среде пространственно-временного модулятора 14 и регистрируется. В момент регистрации на пространственно-временной модулятор света поступает импульс с дополнительного формирователя 26 импульсов, длительность которого равна t/2 (половине длительности t стробирующего импульса). При этом импульс задержан дополнительной линией 24 задержки на время t относительно стробирующего импульса. Optoelectronic device for measuring the position of the mechanism relative to the object (link executive system) works as follows. A beam of monochromatic light radiation from a source 3 is sent to a forming system 4, at the output of which a parallel beam of a given diameter is formed, which is directed to a spatial light modulator 13. The beam of monochromatic light radiation is spatially modulated in intensity in accordance with the Sin law along the X axis and is directed to the surface of the object, the distance to which is measured. The image of the light beam at the object is formed by the lens 6 on the photosensitive medium of the space-time modulator 14 and is recorded. At the time of registration, a pulse from an additional pulse shaper 26 is received at the spatio-temporal light modulator, the duration of which is t / 2 (half the duration t of the gating pulse). When this pulse is delayed by an additional delay line 24 for a time t relative to the gating pulse.

Пространственные угловые перемещения (имеющие периодический характер) механизма, на котором установлено оптико-электронное устройство для измерения положения механизма, а также кривизна поверхности объекта, расстояние до которого измеряется, приводят к тому, что период отраженного пространственно-модулированного излучения, зарегистрированного пространственно-временным модулятором 14 света, не будет оставаться постоянным по всей чувствительной поверхности модулятора 14. При считывании изображения световое когерентное излучение от источника 17 преобразуется в плоско-параллельный пучок после дополнительной формирующей системы 5, зеркала 18 и объектива 6. Spatial angular displacements (of a periodic nature) of the mechanism on which the optoelectronic device for measuring the position of the mechanism is installed, as well as the curvature of the surface of the object, the distance to which is measured, lead to the period of the reflected spatially modulated radiation recorded by the space-time modulator 14 of light, will not remain constant over the entire sensitive surface of the modulator 14. When reading an image, coherent light from and the source 17 is converted into a plane-parallel beam after an additional forming system 5, mirror 18 and lens 6.

Плоско-параллельный пучок проходит через пространственно-временной модулятор 14 света, дифрагирует на пространственной зарядовой структуре пространственно-временного модулятора 14 света и попадает на вход Фурье-преобразователя 15. Зарядовая структура в свою очередь формируется изображением пространственно-промодулированного излучения, отраженного от объекта, расстояние до которого определяется. В Фурье-плоскости преобразователя 15 формируются световые дифракционные пятна 0, +1, -1 порядков. The plane-parallel beam passes through the space-time light modulator 14, diffracts on the spatial charge structure of the space-time light modulator 14, and enters the input of the Fourier transducer 15. The charge structure, in turn, is formed by the image of the spatially modulated radiation reflected from the object, the distance to which is determined. In the Fourier plane of the transducer 15, light diffraction spots of 0, +1, -1 orders of magnitude are formed.

Бинарный фильтр 16 пространственной частоты выделяет дифракционные пучки +1 и -1 порядка, местоположение которых относительно оптической оси Фурье-преобразователя характеризует расстояние до объекта. The spatial frequency binary filter 16 selects diffraction beams of +1 and -1 order, the location of which relative to the optical axis of the Fourier transducer characterizes the distance to the object.

Световое дифракционное пятно +1 порядка попадает на позиционно-чувствительный приемник 9. Смещение дифракционного пятна +1 порядка относительно оптической оси пропорционально расстоянию до объекта. A light diffraction spot of +1 order hits the position-sensitive receiver 9. The displacement of the diffraction spot of +1 order relative to the optical axis is proportional to the distance to the object.

Электрический сигнал, пропорциональный смещению светового пятна, с приемника 9 поступает на вход усилителя 11, а с его выхода на вход сумматора 12. Световое дифракционное пятно -1 порядка преобразуется оптическим приемником 10, компаратором 7, усилителем-формирователем 19 в сигнал, пропорциональный ширине дифракционного максимума, которая характеризует угловые перемещения механизма, на котором установлено устройство для измерения расстояния до объекта, а также кривизну поверхности объекта. An electrical signal proportional to the displacement of the light spot from the receiver 9 enters the input of the amplifier 11, and from its output to the input of the adder 12. The light diffraction spot of the 1st order is converted by the optical receiver 10, comparator 7, the amplifier-former 19 into a signal proportional to the width of the diffraction maximum, which characterizes the angular displacement of the mechanism on which the device for measuring the distance to the object, as well as the curvature of the surface of the object.

В сумматоре 12 происходит вычитание сигнала ошибки оптического приемника 10 из сигнала оптического приемника 9. Таким образом, на выходе сумматора 12 имеет место сигнал, пропорциональный расстоянию между механизмом и объектом с учетом кривизны поверхности объекта и пространственных угловых перемещений механизма, несущего на себе измерительное оптико-электронное устройство. С выхода сумматора 12 сигнал поступает на вход аналогового ключа 20. In the adder 12, the error signal of the optical receiver 10 is subtracted from the signal of the optical receiver 9. Thus, at the output of the adder 12 there is a signal proportional to the distance between the mechanism and the object, taking into account the curvature of the object’s surface and the spatial angular displacements of the mechanism carrying the measuring optical electronic device. From the output of the adder 12, the signal is fed to the input of the analog key 20.

Момент, в который значение измеренного расстояния поступает на вход регистрирующего устройства 8, определяется за счет введения в устройство измерительного тракта, включающего в себя элементы устройства 21, 22, 23, 25. Информационный сигнал с датчика 21 линейного ускорения поступает на вход формирователя 22 стробирующего импульса, в котором происходит фильтрация низкочастотной составляющей спектральной плотности действующих ускорений (возникающих вследствие пространственных угловых перемещений механизма) и формирование прямоугольного импульса, длительность которого равна длительности t отрицательного полупериода действующего ускорения. The moment at which the value of the measured distance is supplied to the input of the recording device 8 is determined by introducing into the device a measuring path that includes the elements of the device 21, 22, 23, 25. The information signal from the linear acceleration sensor 21 is fed to the input of the gate pulse generator 22 , in which the low-frequency component of the spectral density of the acting accelerations is filtered (resulting from spatial angular displacements of the mechanism) and the formation of a rectangular pulse whose duration is equal to the negative half cycle duration t acting acceleration.

После основной линии 23 задержки, задерживающей импульс на время 3t/2, он поступает на вход одновибратора 25. Длительность импульса, формируемого одновибратором 25, определяется временем, в течение которого необходимо наличие информационного сигнала на регистрирующем устройстве 8. С выхода одновибратора 25 сигнал поступает на управляющий вход аналогового ключа 20, и на входе регистрирующего устройства 8 регистрируется информационный сигнал о расстоянии до объекта. After the main delay line 23, delaying the pulse for a time of 3t / 2, it is fed to the input of the single-shot 25. The duration of the pulse generated by the single-shot 25 is determined by the time during which the presence of the information signal on the recording device 8. From the output of the single-shot 25, the signal goes to the control input of the analog key 20, and at the input of the recording device 8, an information signal is recorded about the distance to the object.

Момент регистрации соответствует моменту времени, в который механизм имеет минимальное значение амплитуды пространственных угловых перемещений, что позволяет проводить измерение расстояния между механизмом и объектом с повышенной степенью точности. The moment of registration corresponds to the point in time at which the mechanism has a minimum value of the amplitude of spatial angular displacements, which makes it possible to measure the distance between the mechanism and the object with an increased degree of accuracy.

Таким образом, измерение расстояния между механизмом и объектом происходит на интервале времени, соответствующем нахождению механизма в области минимальных значений амплитуд угловых перемещений. Thus, the measurement of the distance between the mechanism and the object occurs on a time interval corresponding to the location of the mechanism in the region of the minimum values of the amplitudes of angular displacements.

Оптико-электронное устройство может быть использовано в автоматизированных системах в процессе сихронизации выполнения технологических операций исполнительными звеньями механизмов. Optoelectronic device can be used in automated systems in the process of synchronizing the execution of technological operations by executive links of mechanisms.

Claims

An optical-electronic device for measuring the position of the mechanism, containing a base, a power source installed on it, a radiation source and a shaping system, an additional shaping system, a lens mounted in the light flux reflected from the object, two optical receivers and an amplifier in series with the first of them an adder, a comparator, a recording device, characterized in that it is equipped with a spatial light modulator mounted on the base, forming with a radiation source and forming system transmitting optical system, mounted on the basis of a spatio-temporal light modulator, a Fourier transducer and a binary spatial frequency filter, optically coupled and installed sequentially along the light beam between the lens and optical receivers and forming a receiving optical system, an additional radiation source and mounted along its light beam and optically coupled through an additional forming system by a rotary mirror, placed in front of the lens and optically connected with it, an amplifier-driver, an analog switch, an acceleration sensor, a gating pulse shaper, a main and additional delay lines, a single vibrator and an additional pulse shaper, the output of the acceleration sensor is connected to the input of the gating pulse shaper, the output of which is connected in parallel with inputs of the main and additional delay lines, the output of the main delay line is connected in series with a single-shot and analog control input On the key, the output of the additional delay line is connected to the input of the additional pulse shaper, the output of which is connected to the electrical input of the space-time light modulator, the optical receivers are position-sensitive, the first of them is used to determine the coordinates of the center of the spot, the second to determine the size of the spot and connected to the input of the comparator, the output of which is connected to the input of the amplifier-former, the output of which is connected to the second input of the adder, the output of the adder is connected to the input an analog key, its output with the input of the recording device, an additional radiation source is optically connected to optical receivers through an additional forming system, a mirror, a lens, a spatio-temporal light modulator, a Fourier transducer and a binary spatial frequency filter, and the sensitivity axis of the acceleration sensor is parallel to the optical axis object.