SU1401273A1 - Измеритель линейных перемещений - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике. Целью изобретени   вл етс  повышение быстродействи  измерени . Перед началом измерительного цикла в течение времени экспозиции на поверхность фотодиодной матрицы (ФДМ) 1 проецируетс  один период решетки из.мерительного растра 9. По окончании экспозиции под управление.м блока 8 выполн етс  сканирование ФДМ 1 сначала апертурой в форме строки, а затем апертурой в форме столбца. Абсолютное положение полос измерительного растра 2 . при сканировании во взаимно перпендикул рных направлени х фиксируетс  в счетчике 16 и сравниваетс  в блоке 23 с хран щимис  в регистрах 20 и 21 координатами предыдущего положени . Полученна  в дополнительном коде величина смещени  объекта переписываетс  в счетчик 17, а затем его содержимое доводитс  до нул  тактовыми импульсами, число которых равно величине смещени  и которые одновременно подсчитываютс  блоками 31 и 32. Направление счета зависит от знака и величины смещени  и задаетс  старшим незнаковым разр дом, отображающим величину смещени  двоич- числа. 3 ил., 1 табл. 2 (Л

Description

22

ю

ОО

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  измерени  линейных перемещений в различных автоматизированных системах.

Цель изобретени  - повышение быстродействи  измерени  за счет двухкоординат- ных измерений перемещени  объекта.

На фиг. 1 изображена функциональна  схема устройства; на фиг. 2 - функциональна  схема блока управлени ; на фиг. 3 - временные диаграммы сигналов, по сн ющие работу устройства.

Измеритель линейных перемещений содержит источник 1 света, с электрическим управлением, последовательно расположенные по ходу светового потока измерительный эастр 2, выполненный в виде непрозрачных взаимно ортогональных полос, объектив 3 и фотоприемник, выполненный в виде фотодиодной матрицы (ФДМ) 4, усилитель 5 считывани , представл ющий собой преоб- эазователь тока в напр жение, подключенный к выходу усилител  5 компаратор б, генератор 7 тактовых импульсов с пр мым и инверсным выходами, блок 8 управлени , регистр 9 опроса столбцов, регистр 10 опроса строк, первый-третий триггеры 11 - 13, элементы И 14 и 15, счетчик 16 положени  растра, счетчик 17 смещени  растра, счетчики 18 и 19 положени  объекта, регистры 20 и 21 пам ти, мультиплексор 22, блок 23 вычитани , инвертор 24, элемент ИЛИ 25, электронные коммутаторы 26-28, индикаторы 29 и 30.

Измерительный растр 2 расположен меж- |ду источником 1 света и объективом 3 и соединен с контролируемым объектом. Пара- метры оптической системы подобраны так, чтобы на ФДМ 4 проецировалс  один период измерительного растра. При этом число m ДМ 4 равно числу столбцов ш и выбира- тс  равным 2, где р - целое положитель- ое число, а отнощение периода растра к ирине образующих его полос равно числу Элементов с строке (столбце) ФДМ 4, чис- |ло разр дов в регистрах 9 и 10 равно числу Ьтрок (столбцов) ФДМ 4, число разр дов В регистрах 20 и 21, мультиплексоре 22, счетчике 16 положени  растра и счетчике 17 Смещени  растра и число входов элемента Или 25 равно р, а число разр дов в счетчиках 18 и 19 положени  объекта выбираетс  исход  из диапазона контролируемых Перемещений. Число разр дов в блоке 23 вы- (итани  также равно р, поскольку знаковый разр д не используетс . Принципиально возможно использование ФДМ 4 с произвольными значени ми m и п. В этом случае ис-  ользуемый рабочий участок фоточувстви- Сельной поверхности представл ет собой квадрат со стороной, равной 2 элементов, |где р - максимально возможное дл  данной ФДМ целое положительное число. Если эле0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

ментарные  чейки ФДМ 4 не квадратные, то отнощение периодов растра по одной и по другой стороне выбираетс  равным отношению соответствующих периодов расположени  элементарных  чеек ФДМ 4. Счетчики 18 и 19, индикаторы 29 и 30 и электронные коммутаторы 27 и 28 образуют два идентичных блока 31 и 32 индикации положени  объекта. В каждом блоке выходы счетчика 18 (19) нодключены к входам индикатора 29 (30), а к входам пр мого и реверсивного счета счетчика 18 (19) подсоединен электронный коммутатор 27 (28). Счетные входы блоков 31 и 32 (сигнальные входы электронных коммутаторов 27, 28) объединены с выходами электронного коммутатора 26, а входы сброса блоков 31 и 32 (входы сброса триггеров 18 и 19) подключены к щи- не внешнего сброса. Выходы электронного коммутатора 26 соединены также с счетными входами счетчика 17, причем выход электронного коммутатора 26, объединенный с входами пр .мого счета блоков 31 и 32, соедин етс  со входом реверсивного счета счетчиков 17, а выход, объединенный с входами реверсивного счета блоков 31 и 32 соедин етс  с входом пр мого счета счетчика 17. Выходы счетчика 17 через элемент ИЛИ 25 подключены к входу сброса (с инверсным управлением) триггера 12, а входы предустановки счетчика 17 соединены с выходами блока 23. При этом выход старшего (незнакового ) разр да блока 23 соединен также с информационным входом триггера 13, к выходу которого подключен вход управлени  электронного коммутатора 26. Если на этом входе высокий потенциал, то коммутатор 26 подает входной сигнал на верхний (по схеме ) выход, подключенный к входу пр мого счета счетчика 17 и входам реверсивного счета блоков 31 и 32. Пр мой выход генератора 7 подключен к входу блока 8 и входам синхронизации регистров 9 и 10, а инверсный выход генератора 7 соединен через элемент И 14 с входом синхронизации счетчика 15 и через элемент И 15 - с входо.м электронного коммутатора 26. К другому входу элемента И 14 подключен выход триггера II, а к другому входу элемента И 15 подключен выход триггера 12. Выходы регистра 9 подключены к щинам столбцов ФДМ 4. Выходы регистра 10 - к строчным шинам ФДМ 4, а выход компаратора 6 - к входу сброса триггера 11. Выходы счетчика 16 соединены с информационными входами регистров 20   21 а первой группы входов блока 23 вычитани , втора  группа входов которого подключена к выходам мультиплексора 22. Информационные входы мультиплексора 22 соединены с выходами соответствующих регист ров 20 и 21. Первый выход блока 8 (сигнал Г) соединен с информационны.м входом первого триггера регистра 9, который также как и регистр 10 представл ет собой регистр

сдвига с числом разр дов, равным числу стобцов (дл  регистра 10 - числу строк) ФДМ 4. При этом в регистре 10 с шиной сброса соединены входы сброса всех вход щих в него триггеров, а в регистре 9 вход сброса у триггера младшего разр да регистра отсутствует (т. е. сигнал сброса обнул ет выходы всех разр дов регистра 9, кроме первого). Второй выход блока 8 (сигнал Д) подключен к информационным входам первого триггера регистра 10. Третий и четвертый выходы блока 8 (сигналы Е, Ж) соединены с входами сброса соответственно регистров 9 и 10. П тый выход блока 8 (сигнал Б) подключен к входу включени  источника 2 света, а шестой выход (сигнал В) - к входу стирани  ФДМ 4. Седьмой выход блока 8 (сигнал К) соединен с входами синхронизации триггеров 12 и 13 и входом записи предустановки счетчика 17, восьмой выход (сигнал И) - с входом управлени  электронного коммутатора 27, входом разрешени  записи регистра 20, входом управлени  мультиплексора 22, и через инвертор 24 с входом разрешени  записи регистра 21 и

входом управлени  электронного коммутатора 27. Последний дев тый выход блока 8 соединен с входом синхронизации триггера 11, входом сброса счетчика 16 и входами записи регистров 20 и 21.

Блок 8 управлени  содержит двоичный счетчик 33, подключенный через посто нное запоминающее устройство (ПЗУ) 34 к входам блока 35 буферных усилителей и формировател м 36 и 37 импульсов по положительному фронту сигналов (фиг. 2). Выход формировател  36 подключен также к входу блока 35, а выход формировател  37 соединен с входом формировател  38 импульсов по отрицательному фронту сигналов. Длительность вырабатываемых формировател ми 36-38 импульсов много меньше периода следовани  тактовых импульсов на выходе генератора 7. Вход сброса счетчика

33 подключен к выходу ПЗУ 34. Выходами блока 8  вл ютс  выходы блока 35, формирователей 37 и 38 и один из выходов ПЗУ 34. Прошивка ПЗУ 34 выполн етс  в соответствии с таблицей.

Продолжение таблицы

k+m+1 k+m+2

О1О1101О

01011000

Примечание. , если , иначе .

Устройство работает следующим образом .

Измерительный растр 2 освещаетс  импульсным параллельным пучком от источни- ЗО ка света 1 и с помощью объектива 3 проецируетс  на ФДМ 4 так, чтобы на ее фоточув- ствительную поверхность (дл  неквадратной матрицы - на рабочий участок) попадал только один период измерительного растра. Очевидно, что с учетом приведенных соот- 35 ношений щирина проецируемых полос измерительного растра равна щагу дискретизации изображени  вдоль соответствующей координаты. Процесс измерени  координа- ты выполн етс  циклически с фиксирован- 40 ным периодом, состо щи.м из трех циклов. В начале первого цикла импульсо.м на щес- том выходе блока 8 (фиг. Зв) производитс  стирание информации в ФДМ 4.

Одновременно импульс на п том выходе блока 8 (фиг. 36) включает источник 1 сне- 5 та, и начинаетс  экспозици  ФДМ 4.

В процессе экспозиции на информационные входы регистров 9 и 10 поступает высокий потенциал (фиг. Зг, д), который под действием вырабатываемых генератором 7 cj, тактовых импульсов (фиг. За) распростран етс  на выходы всех разр дов регистров 9 и 10 (дл  этого число синхроимпульсов за врем  экспозиции должно быть как минимум равно числу строк (столбцов) ФДМ 4. В последнем такте экспозиции на информа- 55 ционном входе регистра 10 сигнал обнул етс  (фиг. Зд), поэтому с приходом очередного синхроимпульса (первым после окончани 

экспозиции) на выходе первого разр да регистра 10 низкий потенциал. Таким образом, к концу экспозиции на щинах всех столбцов ФДМ 4 и на всех строчных шинах, кроме первой , высокий потенциал.

В течение второго цик.па под действием вырабатываемых генератором 7 тактовых импульсов , число которых равно числу используемых в ФДМ 4 строк, низкий потенциал последовательно перемещаетс  к старшим разр дам регистра 1, осуществл   последовательный опрос ФДЛ 4 апертурой, имеющей форму строки (фиг. 3 и-о). Если сканируема  строка ФДМ 4 освещена, сигналы на выходе усилител  5 и компаратора 6 равны нулю. Если же сканируема  строка затенена полосой измерительного растра, то по вл ютс  сигналы на выходе усилител  5 и компаратора 6. Таким образом, во втором цикле происходит сканирование ФДМ 4 строкой , а сигнал на выходе ко.мпаратора 6 в инверсном виде повтор ет распределение освещенности вдоль соответствуюилей координаты ФДМ 4.

В начале третьего цикла на информационном входе регистра 9 устанавливаетс  низкий потенциал,.на его вход приходит сигнал сброса (фиг. 4е), устанавливающий на всех выходах регистра 9, кро.ме первого (триггер которого не соединен с шиной сброса ), низкий потенциал, а сигналом с четвертого выхода блока 8 (фиг. Зж) сбрасываютс  в нуль выходы всех разр дов регистра 10.

Под действием вырабатываемых генератором 7 тактовых импульсов выбранный столбец смещаетс  вдоль ФДМ 4 (фиг. 3л - м), т. е. в третьем цикле происходит опрос ФДМ 4 апертурой в форме столбца. Абсолютное положение измерительного растра в диапазоне его одного периода находитс  с помощью триггера II, элемента И 14 и счетчика 16. В начале каждого опроса, т. е. в начале второго и третьего цикла счетчик 16 сбрасываетс , а триггер 11 устанавливаетс  сигналом с дев того выхода блока 8 (фиг. Зз) и .разрещает прохождение синхроимпульсов через элемент И 14 на вход счетчика 16. При по влении на выходе ФДМ 4 сигнала от полосы измерительного растра срабатывает компаратор 6, и сбрасывает триггер 1. В результате в счетчике 16 во второ.м цикле зафиксируетс  номер строки, содержащей полосу измерительного растра 2 вдоль одной координаты (Y), а в третьем цикле - номер строки, определ ющей вторую координату (X) измерительного растра 2 (счет - с нул ). Перемещени  измерительного растра 2 во всем контролируемом диапазоне, а не в пределах одного пространственного периода фиксируютс  в блоках 31, 32, на которые перед началом измерений подаетс  сигнал сброса. Принцип измерений основан на том, что в каждом периоде определ етс  разность абсолютного смещени  измерительного растра 2 .между двум  смежпы.ми опросами , оцениваетс  знак и величина смещени  и в соответствии с полученным результатом в блоки 31 и 32 поступает равное величине смещени  число импульсов, которые суммируютс , либо вычитаютс  из текущего показани  содержащихс  в блоках 31 и 32 счетчиков 18 и 19. Дл  исключени  неоднозначности оценки предполагаетс , что скорость движени  контролируемого объекта не должна превыщать величины, при которой он может сместитьс  между двум  соседними опросами более, чем на половину пространственного периода измерительного растра 2. Фиксаци  предыдущих положений измерительного растра 2 осуществл етс  в регистрах 20 и 21, величина смещени  объекта между двум  опросами находитс  в блоке 23, а число импульсов, равное величине смещени , фор.мируетс  элемента.ми 12, 13, 15, 26 , 17 и 25. Направление счета задаетс  старщим разр дом выходного сигнала блока 23. Рассмотрим более подробно процесс определени , например, координаты X. Абсолютное положение измерительного растра 2 по этой координате определ етс  в третьем цикле и сохран етс  в счетчике 16 до начала следующего второго цикла. Поскольку к началу этого цикла к входу блока 23 вычитани  (вход В) подключен через мультиплексор 22 сигнал с выхода регистра 20, хран щего предыдущее значение абсолютной координаты измерительного растра 2 сигнал на выходе блока 23 равен величине смещени  объекта между двум  последовательными опросами ФДМ 4 по этой координате . По импульсу, вырабатываемому в па- чале второго цикла седьмым выходом блока 8 (фиг. Зк), величина смещени  в двоич- ном дополнительном коде перепип1етс  в счетчик 17. а значение предпоследнего (стар- щего незнакового) разр да зафиксируетс  в триггере 13. Одновре.менно установитс  триггер 12, разреща  прохождение синхроQ импульсов через элемент И 15 и электронный коммутатор 26 на счетные входы счетчика 17 и блоков 31 (блок 32 в этот момент не работает, так как его коммутатор 28 выключен низким потенциалом на управл ющем входе). Следующий за импульсом с

5 седьмого выхода блока 8 (сигнал К) импульс с дев того выхода блока 8 (сигнал 3. фиг. Зз) перепищет информацию в регистре 20, так как только на его входе разрешени  записи - высокий уровень и подготовит

Q содержимое регистра 20 к следующему циклу . С приходом очередных синхроимпульсов с генератора 7 содержимое счетчика 17 начнет измен тьс  и. как только оно станет равным нулю, на выходе элемента ИЛИ 25 по витс  низкий потенциал, который сбро5 сит триггер 12 и запретит дальнейщее прохождение счетных импульсов в блоки 31 и 32 до новой перезаписи информации в счетчике 17. Очевидно, число прощедщих импульсов зависит как от содержимого счет ,. чика 17, так и от направлени  счета. Если величина записанно1 о в счетчике 17 смещени  положите,льна  и не превыщает половины общего числа элементов в строке (сголбце) ФДА 4. то на выходе триггера 13 н},зкий потенциал. Поскольку подсчитывае5 1ые синхроимпульсы в этом случае проход т на вход реверсивного счета счетчика 17, то он обнулитс  через чис,то импульсов, равное величине смеп1ени . Столько же и.мнуль- сов добавитс  и к содержимому блока 31, так как к нему онп поступают на вход пр мого счета. Если же смещение отрицательное и также не превышает половины общего числа элементов в строке (столбце), сигна, на выходе триггера 13 высокий, и счетные импульсы суммируютс  с содержимым счет5 чика 17 и вычитаютс  из содержимого счетчика 18 блока 31. Число таких импульсов, необходимых дл  обнулени  счетчика 17, также равно величине смещени . Если в процессе опроса контролируемый объект сместитс  так, что на ФДМ 4 проецируетс  сле0 дующа  полоса измерительного растра, значение смещени  на выходе блока 23 превысит но величине половину общего числа элементов в строке (столбце). Однако в этом случае при положительном с.мещении счет чик 17 ведет счет в пр .мом направлении, а при отрицательном - в обратном, поэтому число приход щих в блок 31 импульсов и направление их счета снова будет правильным .

0

Aнav oгичным образом производитс  определение другой координаты измерительного растра 2. Предустановка счетчика 17 импульсов с седьмого выхода блока 8 (фиг. Зк) и перезапись содержимого растра 2 импуль- сом с дев того выхода блока 8 (фиг. Зз) выполн етс  при этом в начале третьего цикла опроса, а подсчет импульсов, равных величине смещени , выполн етс  блоком 32 в течение третьего цикла при низком уров- не сигнала на восьмом выходе блока 8 (фиг. 4и).

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Измеритель линейных перемеш,ений, со- держащий источник света, установленные по ходу светового потока измерительный растр, св зываемый с объектом из.мерений, объектив и фотоприемник, генератор, два счетчика положени  объекта, элемент ИЛИ, триг- гер, компаратор и усилитель считывани , вход которого подключен к выходу фотоприемника , отличающийс  тем, что, с целью повыщени  быстродействи , он снабжен последовательно соединенными блоком управлени  и регистром опроса,столбцов, после- довательно соединенными первым элементом И и счетчиком положени  растра, последовательно соединенными первым регистром пам ти и мультиплексором, последовательно

   соединенными блоком вычитани  и реверсив

   ным счетчиком смещени  растра, последовательно соединенными вторым триггером, вторым элементом И и электронным коммутатором , первым и вторым блоками индикации , каждый из которых состоит из электронного коммутатора, выход которого сое- динен с входом счетчика положени  объекта, индикатора, вход которого соединен с выходом счетчика положени  объекта, регистром пам ти, третьим триггером, инвертором и регистром опроса строк, первый выход генератора соединен с входом блока управ- лени  и со счетными входами регистра опроса строк и регистра опроса столбцов, второй выход генератора соединен ,с вторым входом второго элемента И и с первым входом первого элемента И, второй вход первого эле- мента И соединен с выходом первого триггера , второй выход блока управлени  сое Q

   5 п 5

   0

   5 5

   динен с входом источника света, третий выход блока управлени  соединен с R-входом регистра опроса столбца, четвертый и п тый выходы - с D- и R-входами регистра опроса строк соответственно, шестой выход - со счетным входом первого триггера, с R- входом счетчика положени  растра и W-BXO- дами первого и второго регистра пам ти, седьмой выход - с управл ющим входом электронного коммутатора первого блока индикации, с входом инвертора, с WE-вхо- дом первого регистра пам ти и с S-входом мультиплексора, восьмой выход - со счетными входами второго и третьего триггеров соответственно, и с W-входом счетчика смещени  растра, выходы которого соединены с входами схемы ИЛИ, выход которой соединен с R-входом второго триггера, выход компаратора соединен с-R-входом первого триггера , группа информационных выходов счетчика положени  растра соединена с группами информационных входов первого и второго регистров пам ти соответственно и с группой входов А блока вычитани , группа выходов второго регистра пам ти соединена с группой входов В мультиплексора, группа выходов которого соединена с группой вхо- до. В блока вычитаний, выход старщего разр да блока вычитаний подсоединен к информационному входу третьего триггера, выход которого соединен с управл ющим входом электронного ком.мутатора, первый и второй выходы, которого соединены с первыми и вторыми входами электронных ко.м.му- таторов первого и второго блоков индикации соответственно и с реверсивны.ми входами счетчика смещени  растра, выход инвертора соединен с управл ющим входом электронного коммутатора второго блока индикации и WE-входом второго регистра пам ти , R-входы счетчиков положени  объекта первого и второго блоков индикации соединены с щиной «Внещний сброс, выход усилител  считывани  соединен с входом компаратора , фотоприе.мник выполнен в виде фотодиодной матрицы, с первой группой входов которой соединена группа выходов регистра опроса столбцов, с второй группой входов - группа выходов регистра опроса строк, а Обнул ющий вход матрицы - с дев тым выходом блока управлени .

   Г

   Ж

   (рмг. 2