SU1229574A1

SU1229574A1 - Optronic device for measuring linear displacements

Info

Publication number: SU1229574A1
Application number: SU843727430A
Authority: SU
Inventors: Анатолий Николаевич Мотуз; Борис Викторович Никульшин; Владимир Николаевич Шульга; Людмила Никифоровна Морозевич
Priority date: 1984-04-13
Filing date: 1984-04-13
Publication date: 1986-05-07

Abstract

Изобретение относитс к измерительной технике и может быть использовано дл измерени линейных перемещений, амплитуд вибраций и линейных размеров. Целью изобретени вл етс повышение точности и расширение динамического диапазона путем исключени погрешностей от внешних помех. Устройством фиксируетс перемещение при анализе интерференционной картины и регистрации ее при помощи линейки фотоприемников, при этом повышаетс точность при расширении диапазона благодар тому, что фотоприемники линейки располагаютс под углом 45&deg; к границе раздела выделенных интерференционных полос, светочувствительные поверхности фотоприемников линейки объединены через волоконно-оптический жгут с объединенным входным торцом, фотоприемники включены попарно по дифференциальной схеме и применена система автоматической регулировки усилени . 1 3. п. ф-лы, 1 ил. к ю QO сд | NUThe invention relates to a measurement technique and can be used to measure linear displacements, amplitudes of vibrations and linear dimensions. The aim of the invention is to improve the accuracy and broaden the dynamic range by eliminating errors from external interference. The device records the movement when analyzing the interference pattern and registering it with the help of a line of photodetectors, while increasing the accuracy when extending the range due to the fact that the photoelectric sensors of the line are located at an angle of 45 °. to the interface of the selected interference fringes, the photosensitive surfaces of the photodetectors of the ruler are connected via a fiber-optic bundle with a combined input end, the photoreceivers are connected in pairs according to a differential circuit and an automatic gain control system is applied. 1 3. Clause f-ly, 1 ill. K y QO SD | NU

Description

Изобретение относитс к измерительной технике и может быть использовано дл измерени линейных перемещений, амплитуд вибраций, линейных размеров деталей.The invention relates to a measurement technique and can be used to measure linear displacements, amplitudes of vibrations, and linear dimensions of parts.

Целью изобретени вл етс повышение точности и расширение динамического диапа- зона измерений за счет исключени вли ни на информационный сигнал внешнихThe aim of the invention is to improve the accuracy and broaden the dynamic range of measurements by eliminating the influence on the information signal of external

помех.interference.

На чертеже представлена блок-схема устройства .The drawing shows the block diagram of the device.

Устройство содержит систему 1 формировани интерференционных или муаровых полос, линейку 2 фотоприемников, блок 3 автоматической регулировки усилени (АРУ) блок 4 формирователей и блок 5 индикации . АРУ состоит из узла 6 усилителей, узла 7 управлени , схемы 8 сравнени , источника 9 опорных напр жений, сумматора 10, узла 11 дифференциальных усилителей .The device contains a system 1 of the formation of interference or moire bands, a line of 2 photodetectors, a block 3 of automatic gain control (AGC), a block of 4 drivers, and a block 5 of indication. The AGC consists of a node 6 of amplifiers, a node 7 of control, a circuit 8 of comparison, a source 9 of reference voltages, an adder 10, a node 11 of differential amplifiers.

На выходе системы 1 установлена линейка 2 фотоприемников, выходы которой электрически св заны с входами блока 3 АРУ, где соединены с основными входами узла 6 усилителей, выходы которых соединены с входами сумматора 10 и с входами узла 11 дифференциальных усилителей, выходы которопо соединены с основными выходами блока 3 АРУ, которые соединены с основными входами блока 4 формирователей, выход сумматора 10 соединен с первым входом схемы 8 сравнени , а его второй вход с одним из выходов источника 9 опорных напр жений, выходы которого соединены с дополнительными входами блока 4 формирователей , выходы которого подключены к входам блока 6 индикации, а выход схемы 8 сравнени через узел 7 управлени подключен к управл ющему входу узла 6 усилителей.At the output of system 1, a series of 2 photodetectors is installed, the outputs of which are electrically connected to the inputs of the AGC block 3, where they are connected to the main inputs of node 6 amplifiers, the outputs of which are connected to the inputs of adder 10 and the inputs of node 11 of differential amplifiers, outputs which are connected to the main outputs the AGC block 3, which are connected to the main inputs of the block 4, the output of the adder 10 is connected to the first input of the comparison circuit 8, and its second input to one of the outputs of the source 9 of reference voltages, the outputs of which are connected to additional inputs of the block 4 drivers, the outputs of which are connected to the inputs of the display unit 6, and the output of the comparison circuit 8 through the control section 7 is connected to the control input of the amplifier section 6.

Система 1 служит дл формировани интерференционных полос и состоит из источника монохроматического излучени , светоделител , опорного зеркала, расширител излу- чени и щелевой диафрагмы (не показаны), линейка 2 фотоприемников служит дл преобразовани оптического сигнала в электрический и содержит систему электрически изолированных фотоприемников, блок 3 АРУ служит дл поддержани посто нным уровн сигналов на входах блока 4 формирователей , узел 6 усилителей содержит усилители , коэффициент передачи которых может измен тьс под действием управл ющего напр жени с выхода узла 7 управлени , который содержит усилитель и элемент согласовани выхода усилител с управл ющими входами полевых транзисторов (не показаны ) в узле 6 усилителей, блок 4 формирователей служит дл преобразовани ана логового сигнала в цифровой и содержит р д усилителей (представл ющих собой компараторы ), одни из входов которых подключены к основным выходам блока 3 АРУ,The system 1 serves to form interference fringes and consists of a source of monochromatic radiation, a beam splitter, a reference mirror, a radiation expander and a slit diaphragm (not shown), a line 2 of photodetectors serves to convert the optical signal into an electrical one and contains a system of electrically isolated photodetectors, unit 3 The AGC serves to maintain a constant level of signals at the inputs of the block 4 drivers, the amplifier unit 6 contains amplifiers, the transmission coefficient of which can vary under The control voltage from the output of the control unit 7, which contains an amplifier and an amplifier output matching element with control inputs of field-effect transistors (not shown) in the amplifier section 6, the driver unit 4 converts the analog signal to digital and contains a number of amplifiers (representing comparators), one of the inputs of which are connected to the main outputs of the AGC block 3,

00

5 five

5 0 50

0 0

00

5five

а другие входы подключены к дополнительным выходам блока 3 АРУ, и управл емые инверторы (не показаны).and other inputs are connected to the additional outputs of the AGC block 3, and controlled inverters (not shown).

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Из интерференционной картины, сформированной системой 1 формировани интерференционных полос, выдел ютс две полосы: темна и светла , которые проецируютс на линейку 2 фотоприемников, на выходе которой формируютс сигналы, пропорциональные распределению освещенности вдоль выделенного участка. Рассто ние между крайними фотоприемниками линейки 2 равно периоду интерференционной или муаровой полосы, а количество фотоприемников, приход щихс на щирину обоих полос, выбираетс одинаковым.From the interference pattern formed by the system 1 of the formation of interference bands, two bands are distinguished: dark and light, which are projected onto a line of 2 photodetectors, at the output of which signals are generated that are proportional to the distribution of illumination along the selected area. The distance between the extreme photodetectors of ruler 2 is equal to the period of the interference or moire band, and the number of photodetectors per width of both bands is chosen to be the same.

С целью расширени динамического диапазона измерений с сохранением ширины вырезанных полос, фотоприемники линейки 2 располагаютс под углом 45° по отношению к границе раздела выделенных полос , что позвол ет увеличить количество фотоприемников, приход щихс на ширину выделенной полосы, и тем самым повысить разрешающую способность устройства.In order to expand the dynamic range of measurements while maintaining the width of the cut bands, the photodetectors of the ruler 2 are positioned at an angle of 45 ° with respect to the interface between the selected bands, which allows an increase in the number of photodetectors per width of the selected band and thereby increase the resolution of the device.

С этой же целью светочувствительные поверхности фотоприемников линейки 2 объединены через волоконно-оптический жгут с объединенным входным торцом, что позвол ет исключить промежутки между фото- приемниками линейки 2 и сделать ее сплощ- ной на всем участке измерений. Дл автоматической компенсации любого дрейфа в уровне посто нной составл ющей сигнала, вызываемого, например, температурной зависимостью чувствительности фотоприемников , изменением ркости излучени и т. п., фотоприемники линейки 2 включаютс попарно по дифференциальной схеме через узел б усилителей к входам узла 11 дифференциальных усилителей, т. е. ФП с ФП (- +1), ФП2 с ФП ( + 2) и т. д., где N - число фотоприемников в линейке 2.With the same purpose, the photosensitive surfaces of the photodetectors of the ruler 2 are connected via a fiber-optic bundle with a combined input end, which eliminates the gaps between the photoreceivers of the ruler 2 and makes it flat throughout the entire measurement area. In order to automatically compensate for any drift in the level of the constant component of the signal caused, for example, by the temperature dependence of the sensitivity of photodetectors, changes in radiation brightness, etc., the photoreceivers of line 2 are included in pairs through a differential circuit through an amplifier node b to the inputs of a node 11 differential amplifiers, that is, the FP with the FP (- +1), the FP2 with the FP (+ 2), and so on, where N is the number of photodetectors in the line 2.

При линейных перемещени х контролируемого объекта происходит перемещение границы раздела интерференциальных полос по фотоприемникам линейки 2, в результате чего на их выходах формируетс электрический сигнал, амплитуда которого пропорциональна величине перемещений, а фаза св зана с пространственным положением фотоприемников в линейке 2. Дл исключени вли ни на амплитуду выходного сигнала, снимаемого с выходов узла 6 усилителей , вредных воздействий, таких как изменение ркости излучател , чувствительности фотоприемников при температурных воздействи х и т. п., предусмотрена автоматическа регулировка коэффициента передачи усилителей в узле 6. Дл этого сигналы с выходов узла 6 усилителей поступают на входы сумматора 10, с выхода которого снимаетс посто нный уровень напр жени , величина которого остаетс неизIn the case of linear displacements of the object being monitored, the interface of the interference fringes moves along the photodetectors of ruler 2, as a result of which an electrical signal is generated at their outputs, the amplitude of which is proportional to the amount of displacements, and the phase is related to the spatial position of the photoreceivers in line 2. the amplitude of the output signal taken from the outputs of the node 6 amplifiers, harmful effects, such as changing the brightness of the radiator, the sensitivity of the photodetectors at t mperaturnyh exposure to x and m. p., provides an automatic adjustment of transmission ratio amplifier at node 6. For this purpose the signals from amplifiers node 6 outputs supplied to inputs of the adder 10, the output of which is removed a constant voltage level, whose value remains neiz

менной при перемещении интерференционных полос по линейке 2 фотоприемников, так как число фотоприемников, приход щихс на щирину светлой и темной интерференционных полос одинаково, а щирина вырезанных полос равна линейным размерам линейки 2 фотоприемников и увеличение сигнала с выхода фотоприемника, наход щегос на темной полосе, приводит к такому же уменьшению сигнала с выхода фотоприемника , наход щегос на светлой полосе, а их сумма остаетс посто нной. В случае действи на устройство вредных воздействий происходит одинаковое изменение сигнала с выходов всех фотоприемников линейки 2, что ведет к изменению уровн напр жени на выходе сумматора 10. Схема 8 сравнени представл ет собой дифференциальный усилитель, на один вход которого поступает сигнал с выхода сумматора 10, а на второй вход - опорное напр жение с источника 9, величина которого выбираетс равной значению напр жени с выхода сумматора 10 в момент начала измерений . В случае отсутстви вредных воздействий сигнал на выходе схемы 8 сравнени равен нулю, а при их воздействии по вл етс сигнал рассогласовани , величина которого пропорциональна внешним воздействи м , а знак напр жени рассогласовани указывает в какую сторону происходит изменение сигнала с выходов фотоприемников (увеличиваетс или уменьшаетс ).When moving the interference fringes along the line of 2 photodetectors, since the number of photoreceivers falling on the width of the light and dark interference fringes is the same, and the width of the cut out lines is equal to the linear dimensions of the line 2 photodetectors and increasing the signal from the output of the photodetector located on the dark strip, to the same decrease in the signal from the output of the photodetector located on the light band, and their sum remains constant. In the case of exposure to a device of harmful effects, the signal changes from the outputs of all the photodetectors of the line 2, which leads to a change in the voltage level at the output of the adder 10. The comparison circuit 8 is a differential amplifier, one input of which receives a signal from the output of the adder 10, and the second input is the reference voltage from source 9, the value of which is chosen equal to the voltage value from the output of the adder 10 at the time of the start of measurements. In the case of the absence of harmful effects, the signal at the output of the comparison circuit 8 is zero, and when they are applied, a mismatch signal appears, the magnitude of which is proportional to external influences, and the sign of the mismatch voltage indicates the direction in which the signal changes from the outputs of the photodetectors (increases or decreases ).

Сигнал с выхода схемы 8 сравнени через узел 7 управлени подаетс на управл ющие входы полевых транзисторов в узле 6 усилителей, изменение сопротивлени которых приводит к изменению коэффициента передачи усилителей в узле 6 так, что уменьшение напр жени с выхода сумматора 10 приводит к увеличению коэффициента передачи усилителей, а увеличение - к уменьшению его.The output signal of the comparison circuit 8 through the control node 7 is applied to the control inputs of field-effect transistors in the amplifier section 6, the resistance change of which leads to a change in the gain of the amplifiers in the node 6 so that a decrease in the voltage from the output of the adder 10 leads to an increase in the gain of the amplifiers , and increase - to decrease it.

Таким образом, на выходе узла 6 усилителей формируютс сигналы, амплитуда которых определ етс только линейными перемещени ми объекта и не зависит от вредных воздействий на устройство.Thus, at the output of node 6 of the amplifiers, signals are generated, the amplitude of which is determined only by the linear displacements of the object and does not depend on the harmful effects on the device.

Определив максимальное и минимальное значени информационных сигналов, снимаемых с основных выходов блока 3 АРУ, при возможных перемещени х контролируемого объекта, и, разбив диапазон изменений информационных сигналов на р д дискретных уровней с шагом квантовани А{/, можно значительно увеличить разрешающую способность устройства, а тем самым расши- рить динамический диапазон измерений без значительного увеличени количества фотоприемников в линейке 2, что в конечном итоге позвол ет повысить точность измерений .Having determined the maximum and minimum values of information signals taken from the main outputs of the AGC block 3, with possible movements of the monitored object, and by dividing the range of changes of information signals into a series of discrete levels with the quantization step A {/, the resolution of the device can be significantly increased. thus expanding the dynamic range of measurements without significantly increasing the number of photodetectors in line 2, which ultimately improves the accuracy of measurements.

Источник 9 опорных напр жений имеет р д выходов, напр жение на которых измен етс с шагом на ДУ, от минимального до максимального значени информационных сигналов.The reference voltage source 9 has a series of outputs, the voltage of which varies in steps of remote control, from the minimum to maximum value of the information signals.

Напр жени с выходов источника 9 подаютс на один из входов усилителей в блоке 4 формирователей, на вторые входы которых подаютс информационные сигналы с основных выходов блока 3 АРУ и при пре- выщении информационным сигналом величины опорных напр жений, с выходов усилителей Б блоке 4 формирователей поступают пр моугольные импульсы, которые сосчитываютс блоком 5 индикации. Число импульсов пропорционально величине перемещени .Voltages from the outputs of source 9 are fed to one of the inputs of the amplifiers in block 4 drivers, the second inputs of which are supplied with information signals from the main outputs of block 3 AGC and when the information signal exceeds the value of the reference voltages, from the outputs of amplifiers B block 4 drivers are fed rectangular pulses that are counted by the display unit 5. The number of pulses is proportional to the magnitude of the displacement.

00

5 5 5 5 5 5

о about

5 0 50

5five

00

Claims

1. An optoelectronic device for measuring linear displacements, containing an interference or moire fringing system, a line of photodetectors associated with it, an amplifier unit with amplifiers and a display unit, the outputs of the photodetector line are connected via the driver unit to the inputs of the display unit, distinguished by that, in order to increase accuracy and expand the dynamic range of measurements, it is equipped with an automatic gain control unit, whose inputs are connected to a line of photodetectors, and the main outputs are connected to the inputs of the block of formers; in the block of formers, the amplifiers are equipped with additional inputs that are connected to the additional outputs of the block of automatic gain control.

2. The device according to claim 1, wherein the automatic gain control unit is designed as an amplifier unit, a control unit, a comparison circuit, a reference voltage source, an adder and a differential amplifier unit, the main inputs of the amplifier unit are the inputs of the automatic gain control unit , the outputs of the amplifier unit are connected to the inputs of the adder and to the inputs of the node of differential amplifiers, the outputs of which are the main outputs of the automatic gain control unit, the output of the adder is connected to the first The second input of the comparison circuit and its second input is with one of the outputs of the reference voltage source, the other outputs of which are additional outputs of the automatic gain control unit, and the output of the comparison circuit is connected to the control input of the amplifier node via a control node.