RU2117247C1

RU2117247C1 - Frequency-pulse opticoelectronic dimension converter

Info

Publication number: RU2117247C1
Application number: RU96113618A
Authority: RU
Inventors: А.Н. Шилин; А.М. Сухоруков
Original assignee: Волгоградский государственный технический университет
Priority date: 1996-06-26
Filing date: 1996-06-26
Publication date: 1998-08-10

Abstract

FIELD: mechanical engineering, manufacture of large-sized parts, high-temperature processes. SUBSTANCE: dimension converter has lens 2 and mask 3 with two rectangular windows corresponding to measurement and reference channels. Two photoconverters 4 and 5 are connected correspondingly to two amplifiers 6 and 8 of photocurrent. Integrator 7 is connected with noninverting input directly to photocurrent amplifier 6 and with inverting input to photocurrent amplifier 8 through commutator 9 controlled by univibrator 12 and with output to one input of comparator 10. Other input of comparator 10 is connected to source 11 of reference voltage and its output is linked to univibrator 12. EFFECT: increased measurement accuracy. 3 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для измерения размера изделий, и может быть использовано в машиностроении при производстве крупногабаритных деталей. The invention relates to instrumentation, in particular to devices for measuring the size of products, and can be used in mechanical engineering in the manufacture of large parts.

Известны оптико-электронные измерительные устройства со сканированием изображения кромки изделия (Зарезанков Г.Х. "Фотоэлектронные приборы автоматического контроля размеров проката", М.: Металлургиздат, 1962, с. 37), которые преобразуют положение кромки детали относительно оптической оси в широтно-импульсный оптико-электронный сигнал, длительность которого пропорциональна этому положению. Широтно-импульсное преобразование сигнала используется для исключения влияния различных амплитудных факторов на точность измерения. Кроме того, широтно-импульсный оптико-электронный сигнал легко преобразуется в цифровой код. Эти устройства содержат оптическую систему, сканирующее устройство, электронный блок обработки информации с фотопреобразователем и индикатор отклонения размера. Known optoelectronic measuring devices with scanning the image of the edge of the product (Zarezankov G.Kh. "Photoelectronic devices for automatic control of the dimensions of rolled metal", M .: Metallurgizdat, 1962, p. 37), which convert the position of the edge of the part relative to the optical axis in pulse-width optoelectronic signal, the duration of which is proportional to this position. The pulse-width conversion of the signal is used to exclude the influence of various amplitude factors on the measurement accuracy. In addition, a pulse-width optical-electronic signal is easily converted to a digital code. These devices include an optical system, a scanning device, an electronic information processing unit with a photoconverter and a size deviation indicator.

Недостатком этих устройств является сложность механической конструкции блока сканирования, который является источником основных составляющих статической и динамической погрешностей измерения. The disadvantage of these devices is the complexity of the mechanical design of the scanning unit, which is the source of the main components of the static and dynamic measurement errors.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для измерения размеров проката (Зарезанков Г.Х., там же, с. 34). Это устройство содержит объектив, маску с двумя окнами, два фотопреобразователя, установленные напротив окон маски, и электронную схему обработки информации. Через первое окно на первый фотопреобразователь поступает излучение от краевого участка изделия, а через второе окно на второй преобразователь поступает излучение от полного участка поверхности изделия вблизи края. Положение края изделия относительно оптической оси устройства определяется по величине отношения усиленных сигналов с фотопреобразователей. Величина отношения определяется с помощью аналоговой электронной схемы. Применение этого метода измерения позволяет уменьшить влияние изменения интенсивности излучения изделия, которая определяется его аппаратурой, на результат измерения размера. The closest in technical essence to the invention is a device for measuring the size of the hire (Zarezankov G.Kh., ibid., P. 34). This device contains a lens, a mask with two windows, two photoconverters mounted opposite the mask windows, and an electronic information processing circuit. Through the first window, the first photoconverter receives radiation from the edge portion of the product, and through the second window, the radiation from the full portion of the surface of the product near the edge enters the second converter. The position of the product edge relative to the optical axis of the device is determined by the magnitude of the ratio of amplified signals from the photoconverters. The magnitude of the relationship is determined using an analog electronic circuit. The use of this measurement method allows to reduce the effect of changes in the radiation intensity of the product, which is determined by its equipment, on the result of measuring size.

Данное измерительное устройство имеет низкий технический уровень, обусловленный невысокой точностью измерения, содержит сложную электронную схему обработки информации и стрелочный индикатор, регистрирующий результат измерения размера в аналоговой форме. При использовании измерительного устройства с аналоговой схемой обработки информации в составе автоматизированной системы управления технологическим процессом необходим аналого-цифровой преобразователь, который является источником дополнительной погрешности измерения. Кроме того, при передаче аналоговой информации от измерителя к ЭВМ в канале передачи данных возникает дополнительная погрешность. This measuring device has a low technical level, due to the low accuracy of the measurement, contains a complex electronic data processing circuit and a dial indicator that records the size measurement result in analog form. When using a measuring device with an analog information processing circuit as part of an automated process control system, an analog-to-digital converter is required, which is a source of additional measurement error. In addition, when transmitting analog information from the meter to the computer in the data channel, an additional error occurs.

В связи с этим важнейшей задачей является создание нового оптико-электронного устройства для измерения размера объекта с цифровым представлением результата измерения, не содержащего аналоговой схемы обработки измерительной информации, стрелочные индикаторы и механические подвижные детали и имеющего в качестве выходного информативного параметра частоту следования импульсов для передачи без потерь на большие расстояния с дальнейшим преобразованием в десятичный цифровой код. In this regard, the most important task is to create a new optical-electronic device for measuring the size of an object with a digital representation of the measurement result that does not contain an analog circuit for processing measurement information, dial indicators, and mechanical moving parts and having as an informative parameter the pulse repetition rate for transmission without loss over long distances with further conversion to decimal digital code.

Техническим результатом заявленного частотно-импульсного преобразователя размера является повышение точности и помехоустойчивости измерения и удобства пользования этим измерительным устройством, поскольку результат измерения представлен в цифровом коде. Наличие цифрового выхода у измерительного устройства позволяет использовать его в составе автоматизированных систем управления технологическими процессами в различных отраслях промышленности. The technical result of the claimed pulse-frequency converter of the size is to increase the accuracy and noise immunity of the measurement and ease of use of this measuring device, since the measurement result is presented in digital code. The presence of a digital output at the measuring device allows its use as part of automated process control systems in various industries.

Указанный технический результат достигается тем, что в частотно-импульсном оптико-электронном преобразователе размера, содержащем объектив, маску с двумя окнами, два фотопреобразователя и электронную схему обработки информации, схему обработки информации преобразователя выполнена в виде двух усилителей фототока, интегратора, компаратора, источника опорного напряжения и одновибратора, выходы фотопреобразователей опорного и измерительного каналов соединены с входами соответствующих усилителей фототока, выход одного из которых подключен через коммутатор, управляемый одновибратором, к инвертирующему входу интегратора, а выход второго усилителя фототока непосредственно подключен к неинвертирующему входу интегратора, выход которого соединен с первым входом компаратора, а его второй вход соединен с источником опорного напряжения, выход компаратора подключен к одновибратору. The specified technical result is achieved in that in a frequency-pulse optical-electronic size converter containing a lens, a mask with two windows, two photoconverters and an electronic information processing circuit, the converter information processing circuit is made in the form of two photocurrent amplifiers, an integrator, a comparator, a reference source voltage and single-vibrator, the outputs of the photoconverters of the reference and measuring channels are connected to the inputs of the respective amplifiers of the photocurrent, the output of one of which is li ne through a switch controlled monostable to the inverting input of the integrator, and an output a second photocurrent amplifier directly connected to the noninverting input of the integrator, whose output is connected to the first input of the comparator and a second input connected to a reference voltage source, the comparator output is connected to the monostable multivibrator.

Указанное отличие позволяет повысить точность измерения размера, поскольку в частотно-импульсном оптико-электронном преобразователе размера применен принцип частотно-импульсного развертывающего преобразования, в результате которого частота следования импульсов пропорциональна размеру контролируемого объекта. Эта последовательность импульсов может передаваться на большие расстояния как по проводным линиям, так и по радиоканалам передачи данных, а затем преобразовываться в двоично-десятичный код без потерь информации непосредственно в ЭВМ. This difference makes it possible to increase the accuracy of size measurement, since the principle of a frequency-pulse sweep conversion is applied in a frequency-pulse optoelectronic size converter, as a result of which the pulse repetition rate is proportional to the size of the object being monitored. This sequence of pulses can be transmitted over long distances both over wire lines and over radio channels for data transmission, and then converted into a binary-decimal code without loss of information directly to a computer.

Приведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного решения, позволило установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого решения по совокупности признаков, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения. The analysis of the prior art cited by the applicant, including the search by patents and scientific and technical sources of information and the identification of sources containing information about analogues of the claimed solution, made it possible to establish that the applicant did not find an analogue characterized by features identical to all the essential features of the claimed invention. The definition from the list of identified analogues of the prototype, as the closest solution for the totality of features, allowed us to identify the set of essential distinguishing features in relation to the applicant's technical result in the claimed object set forth in the claims.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству. Therefore, the claimed invention meets the requirement of "novelty" under applicable law.

Для проверки соответствия заявленного изобретения требованию "изобретательского уровня" заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение для специалиста не следует явным образом из известного уровня техники. To verify the compliance of the claimed invention with the requirement of "inventive step", the applicant conducted an additional search for known solutions in order to identify features that match the distinctive features of the claimed invention, the results of which show that the claimed invention does not explicitly follow from the prior art.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "изобретательский уровень". Therefore, the claimed invention meets the requirement of "inventive step".

На фиг. 1 изображена блок-схема частотно-импульсного оптико-электронного преобразователя размера; на фиг. 2 - проекция маски на плоскость измерения; на фиг. 3 - временные диаграммы, поясняющие работу прибора. In FIG. 1 shows a block diagram of a pulse-frequency optoelectronic size converter; in FIG. 2 - projection of the mask onto the measurement plane; in FIG. 3 - time diagrams explaining the operation of the device.

Излучение от поверхности измеряемого объекта 1 через объектив 2 и маску 3 с двумя прямоугольными окнами, соответствующими измерительному и опорному каналам, фокусируется на светочувствительные поверхности фотопреобразователей 4 и 5. К усилителю фототока 6, соединенному с фотопреобразователем 4, подключен неинвертирующий вход интегратора 7, а к усилителю фототока 8, соединенному с фотопреобразователем 5, подключен одним входом коммутатор 9, выход которого подключен к инвертирующему входу интегратора 7. Выход интегратора 7 соединен с первым входом компаратора 10, ко второму входу которого подключен источник опорного напряжения 11. Выход компаратора 10 подключен к входу одновибратора 12, выход которого соединен с другим входом коммутатора 9. The radiation from the surface of the measured object 1 through the lens 2 and a mask 3 with two rectangular windows corresponding to the measuring and reference channels is focused on the photosensitive surfaces of the photoconverters 4 and 5. A non-inverting input of the integrator 7 is connected to the photocurrent amplifier 6 connected to the photoconverter 4, and a photocurrent amplifier 8 connected to the photoconverter 5 is connected to one input by a switch 9, the output of which is connected to the inverting input of the integrator 7. The output of the integrator 7 is connected to the first Odom comparator 10, to the second input of which is connected a reference voltage source 11. The comparator output 10 is connected to the input of monostable multivibrator 12, whose output is connected to another input of switch 9.

При работе преобразователя размера на фотопреобразователи 4 и 5 одновременно попадают потоки излучения от поверхности контролируемого объекта 1, прошедшие через объектив 2 и маску 3. Сигналы от потоков измерительного и опорного каналов с выхода фотопреобразователей 4 и 5 подаются на усилители фототока 6 и 8 соответственно. Сигнал измерительного канала меньше, т. к. определяется площадью окна маски, соответствующей излучаемой поверхности S₄ = ax, в то время как площадь засвеченного окна маски опорного потока определяется S₅ = ab (фиг. 2). Сигнал измерительного канала с выхода усилителя фототока 6 непосредственно подается на неинвертирующий вход интегратора 7, на выходе интегратора появляется линейно изменяющееся напряжение с положительной производной (фиг. 3), диаграмма 13, которое поступает на один вход компаратора 10, а на другой его вход подается постоянное пороговое напряжение от источника опорного напряжения 11. В момент t₂ срабатывания компаратора 10 на его выходе появляется импульс, фиг. 3, диаграмма 14, который запускает одновибратор 12, формирующий импульс стабильной длительности T₀ = t₂ - t₃, который открывает коммутатор 9. Сигнал опорного канала с выхода усилителя фототока 8 через коммутатор 9 подается на инвертирующий вход интегратора 7 только в течение интервала времени T₀, поэтому на двух входах интегратора 7 действует разность напряжений измерительного и опорного каналов. Так как напряжение опорного канала больше измерительного, то на выходе интегратора 7 появляется линейно изменяющееся напряжение с отрицательной производной, фиг. 3, диаграмма 13. По истечении времени T₀ в момент t₁ коммутатор 9 закрывается, на вход интегратора 7 вновь поступает только напряжение измерительного канала, и цикл повторяется, фиг. 3, диаграмма 13. Частота следования импульсов на выходе компаратора пропорциональна отношению световых поток измерительного и опорного каналов.When the size converter is operating, the photo-converters 4 and 5 simultaneously receive radiation fluxes from the surface of the controlled object 1 passing through the lens 2 and mask 3. The signals from the measurement and reference channel flows from the output of the photo-converters 4 and 5 are fed to the photocurrent amplifiers 6 and 8, respectively. The signal of the measuring channel is smaller, because it is determined by the area of the mask window corresponding to the emitted surface S ₄ = ax, while the area of the illuminated window of the mask of the reference flow is determined by S ₅ = ab (Fig. 2). The signal of the measuring channel from the output of the amplifier of the photocurrent 6 is directly fed to the non-inverting input of the integrator 7, a linearly varying voltage with a positive derivative appears on the output of the integrator (Fig. 3), diagram 13, which is fed to one input of the comparator 10, and a constant input to its other threshold voltage from the reference voltage source 11. At the time t _{2 of} operation of the comparator 10, a pulse appears at its output, FIG. 3, a diagram 14, which starts a single-shot 12, generating a pulse of stable duration T ₀ = t ₂ - t ₃ , which opens the switch 9. The signal of the reference channel from the output of the photocurrent amplifier 8 through the switch 9 is fed to the inverting input of the integrator 7 only during the time interval T ₀ , therefore, at the two inputs of the integrator 7 there is a voltage difference between the measuring and reference channels. Since the voltage of the reference channel is greater than the measuring one, a linearly varying voltage with a negative derivative appears at the output of the integrator 7, FIG. 3, diagram 13. After the time T ₀ expires at time t _{1, the} switch 9 closes, only the voltage of the measuring channel is fed back to the input of the integrator 7, and the cycle repeats, FIG. 3, diagram 13. The pulse repetition rate at the output of the comparator is proportional to the ratio of the light flux of the measuring and reference channels.

Период повторения импульсов на выходе компаратора определяется следующими соотношениями:

откуда

где
f_x - частота повторения импульсов на выходе компаратора, пропорциональная информативному параметру-размеру;
T_x - период следования импульсов на выходе компаратора;
T₀ - длительность стабильного импульса;
U_o - напряжение, пропорциональное опорному потоку;
U_x - напряжение, пропорциональное измерительному потоку.The pulse repetition period at the output of the comparator is determined by the following relationships:

where from

Where
f _x - pulse repetition rate at the output of the comparator, proportional to the informative parameter-size;
T _x - the pulse repetition period at the output of the comparator;
T ₀ is the duration of a stable pulse;
U _o - voltage proportional to the reference flow;
U _x is the voltage proportional to the measuring flow.

Результат измерения размера может быть непосредственно введен в ЭВМ без дополнительного аналого-цифрового преобразования. The result of the size measurement can be directly entered into the computer without additional analog-to-digital conversion.

Применение данного частотно-импульсного оптико-электронного преобразователя размера позволяет повысить точность измерения. The use of this frequency-pulse optical-electronic size converter allows to increase the measurement accuracy.

Таким образом, вышеизложенное свидетельствует о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности:
частотно-импульсный оптико-электронный преобразователь размера, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, предназначен для использования в различных технологических процессах;
для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления в соответствии с описанием и прилагаемыми чертежами;
частотно-импульсный оптико-электронный преобразователь размера, воплощающий заявленное изобретение при его осуществлении, способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.Thus, the foregoing indicates that when using the claimed invention the following combination:
a pulse-frequency optoelectronic size converter embodying the claimed invention in its implementation, is intended for use in various technological processes;
for the claimed invention in the form described in the claims, the possibility of its implementation in accordance with the description and the attached drawings is confirmed;
a pulse-frequency optoelectronic size converter embodying the claimed invention in its implementation is able to achieve the achievement of the technical result perceived by the applicant.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "промышленная применимость". Therefore, the claimed invention meets the requirement of "industrial applicability".

Claims

A pulse-frequency optical-electronic size converter containing a lens, a mask with two windows, two photoconverters and an electronic information processing circuit, characterized in that the converter information processing circuit is made in the form of two photocurrent amplifiers, an integrator, a comparator, a voltage reference source and a single-vibrator, the outputs of the photoconverters of the reference and measuring channels are connected to the inputs of the respective amplifiers of the photocurrent, the output of one of which is connected through a switch, we control second monostable to the inverting input of the integrator, and an output a second photocurrent amplifier directly connected to the noninverting input ingegratora whose output is connected to the first input of the comparator and a second input connected to a reference voltage, the comparator output is connected to the monostable multivibrator.