SU1479829A1 - Оптико-электронное устройство дл измерени линейных перемещений - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике. Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерений за счет исключени  вли ни  на результаты измерений изменени  ширины интерференционных полос относительно друг друга при изменении интенсивности опорной или объектной волн. Оптико-электронное устройство дл  измерени  линейных перемещений содержит оптически св занные оптическую систему 1 дл  формировани  интерференционных или муаровых полос и дискретный фотопреобразователь 2, светочувствительный слой которого выполнен в виде системы параллельных, электрически изолированных фотоприемников, число которых равно заданному пор дку дроблени  периода следовани  интерференционных или муаровых полос и на которые проецируютс  две полосы - темна  и светла . Фиксиру  номер опрашиваемого столбца фотопреобразовател  2, на котором находитс  граница раздела интерференционных полос, можно однозначно определить величину перемещени  объекта. Блок 4 управлени  вырабатывает импульсы опроса дискретного фотопреобразовател  2, пор док которых зависит от движени  интерференционных полос. Блок 3 формирователей формирует импульс, который соответствует моменту времени, при котором происходит переход от темной к светлой полосе и наоборот. Блок 5 счета подсчитывает и фиксирует число опрошенных столбцов дискретного фотопреобразовател  2 до прихода импульса заноса с выхода блока 3 формирователей, которое поступает на индикаторы младших разр дов блока 6 индикации, определ ет знак и число полос, прошедших по указанному фотопреобразователю 2, которое поступает на индикаторы старших разр дов блока 6 индикации. 1 ил.

Description

1

Изобретение относитс  к измери- тельной технике и может быть использовано дл  измерени  линейных перемещений ,

Цель изобретени  - повышение точности измерений за счет исключени  вли ни  на результаты измерений изменени  ширины интерференционных полос друг относительно друга при изменении интенсивности опорной или объектной волны.

На фиг, 1 изображена блок-схема устройства; на фиг. 2 - временные диафрагмы работы устройства.

Оптико-электронное устройство дл  измерени  линейных перемещений содержит оптически св занные оптическую систему 1 дл  формировани  интерференционных или муаровых полос и дискретный фотопреобразователь 2,све- точувствительный слой которого выполнен в виде системы параллельных электрически изолированных фотоприемников , число которых равно заданному пор дку дроблени  периода следовани  интерференционных или муаровых полос , блок 3 формирователей, основной вход которого соединен с выходом дискретного фотопреобразовател  2, блок 4 управлени , основные выходы которого соединены с управл ющими входами дискретного фотопреобразовател  2, блок 5 счета, блок 6 индикации с индикаторами младших и стар- ших разр дов, входы индикаторов старших и младших разр дов блока 6 индикации соединены соответственно с первой и второй группами основных выходов блока 5 счета, выход блока 3 формирователей соединен с первым входом блока 5 счета, первый дополнительный вход - с первым входом блока 4 управлени  и первым дополни с

jQ 15

20 25 30 35 798292

тора 9, схемы 10 формировани , первый , второй и третий входы которой  вл ютс  первым, вторым и третьим дополнительными входами блока 3 формирователей соответственно, четвертый и п тый входы соединены с первым и вторым выходами дифференциатора 9, выход  вл етс  выходом блока 3 формирователей .

(

Блок 4 управлени  выполнен в виде схемы 11 согласовани , выходы которой  вл ютс  основными выходами блока 4 управлени , схемы 12 инверсии кода, выходы которой соединены с основными входами схемы 11 согласо0 5 0 5

0

вани , первого одновибратора 13, дешифратора 14, выходы которого соединены с основными входами схемы 12 инверсии кода, первый и второй дополнительный входы которой  вп ютс  первыми и вторыми входами блока 4 управлени , схемы 15 счета, число счетчиков в которой зависит от числа фотоприемников дискретного фотопреобразовател  2, второго одновибратора 16, вход которого соединен с дополнительным входом- схемы 11 согласовани  и выходом первого одновибратора 13, который  вл етс  первым дополнительным выходом блока 4 управлени , генератора 17 тактовых импульсов, управл ющий вход которого соединен с выходом второго одновибратора 16 и дополнительным входом схемы 15 счета, а выход -  вл етс  вторым дополнительным выходом блока 4 управлени  и соединен с основным входом схемы 15 счета , выходы которой соединены с входами дешифратора 14, последний выход которого соединен с входом первого одновибратора 13.

Блок 5 счета выполнен в виде первой схемы 18 счета (число счетчиков

тельным выходом блока 5 счета, второй в ней зависит от числа фотоприемнидополнительныи вход - с вторым входом блока 4 управлени  и вторым дополнительным выходом блока 5 счета, третий дополнительный вход - с первым дополнительным выходом блока 4 управлени  и третьим входом блока 5 счета, второй дополнительный выход блока 4 управлени  соединен с вторым входом блока 5 счета.

Блок 3 формирователей выполнен в виде последовательно соединенных усилител  7, вход которого  вл етс  основным входом блока 3 формирователей , компаратора 8 и дифференциа0

5

ков дискретного фотопреобразовател  2}, основной вход которой  вл етс  вторым входом блока 5 счета, а дополнительный вход - третьим входом блока 5 счета, схемы 19 фиксации (количество триггеров в ней зависит от числа фотоприемников дискретного фотопреобразовател  2), управл ющий вход которой  вл етс  первым входом блока 5 счета, основные входы соединены с выходами первой схемы 18 счета, а выходы  вл ютс  второй группой основных выходов блока 5 счета, второй схемы 29 счета, число реверсив

ных счетчиков в которой зависит от - требуемого диапазона измерений, первой схемы 21 формировани , входы которой соединены с выходами схемы 19 фиксации, а первый и второй выходы - с первым и вторым входами второй схемы 20 счета соответственно, триггера 22 знака, первый и второй выходы которого  вл ютс  первым и вторым дополнительными выходами блока 5 счета второй схемы 23 формировани , основные входы которой соединены с выходами второй схемы 20 счета, которые  вл ютс  первой группой основных выходов блока 5 счета, дополнительный вход соединен с третьим выходом первой схемы 21 формировани , выход соединен с входом триггера 22 знака.

Устройство работает следующим образом .

Из интерференционной картины, сформированной блоком 1 формировани  интерференционных или муаровых полос выдел ютс  две полосы: темна  и свет ла , которые проецируютс  на дискрет ный фотопреобразователь 2, на выход которого формируютс  сигналы, пропорциональные распределению освещенности вдоль выделенного участка. Рассто ние между крайними фотоприемниками дискретного фотопреобразовател  2 равно периоду интерференционной или муаровой полосы, а количеств фотоприемников, приход щихс  на ширину обеих полос, не одинаково, т.е. устройство может работать с оптической системой, формирующей полосы не равной ширины.

При линейных перемещени х контролируемого объекта происходит перемещение границы раздела интерференционных полос по фотоприемникам дискретного фотопреобразовател  2, в результате чего на его выходе форми- руетс  электрический сигнал (фиг.2а) амплитуда которого пропорциональна величине перемещени , а фаза св зана с пространственным положением фотоприемников в дискретном фотопреобразователе 2. С целью повышени  чувствительности устройства выходы дискретного фотопреобразовател  2 объединены на общую нагрузку, а фотоприемное окно дискретного фотопреобразовател  2 повернуто так к интерференционной картине, что опрашиваемые столбцы фотопреобраэовател  расположены параллельно границе раздела

10

15

798294

интерференционных полос. Ширина ин- , - терференционных полос (темной и светлой) выбираетс  равной линейным размерам светочувствительной поверхности дискретного фотопреобразовател  2. В этом случае в период следовани  интерференционных полос укладываетс  определенное количество столбцов дискретного фотопреобразовател  2,

Фиксиру  номер опрашиваемого столбца фотопреобразовател  2, на ко- котором находитс  граница раздела интерференционных полос, можно однозначно определить величину пере20

5 .

,

0

5

0

мещени  1 объекта из выражени :

т А , м

1 2п

где Д - длина волны зондирующего излучени ;

п - количество столбцов дискретного фотопреобразовател  2, приход щихс  на ширину двух соседних интерференционных полос;

N - номер опрашиваемого столбца дискретного фотопреобразова- тел  2.

Суммарный сигнал, снимаемый со всех элементов столбца дискретного фотопреобразовател  2,- усиливаетс  усилием 7 (фиг. 2а) и поступает на вход компаратора 8. Усилитель 7 имеет автоматическую регулировку усилени , что позвол ет исключить погрешности флюктуации амплитуды информационного сигнала, вызванные, например, изменением интенсивности излучател , температурным дрейфом фотоприемников и т.д. Определив диапазон изменений амплитуды информационного сигнала с выхода усилител  7 при возможных пе- ремещени х контролируемого объекта, выбирают порог срабатывани  компаратора (фиг. 2а) из выражени :

U,

H&SJiSJiy.ili .

где имс1кси U MUH- соответственно максимальное и-минимальное значени  амплитуды информационного сигнала.

С выхода компаратора 8 снимаютс  пр моугольные импульсы (фиг. 26), причем на период следовани  интерференционных полос (промежуток времени от 14 до t,j, фиг. 2а) приходитс  один импульс, а его фронты соответствуют моменту времени, при котором происходит переход от темной полосы к светлой, и наоборот. Пр моугольные импульсы с выхода компаратора 8 поступают на вход дифференциатора 9, с выходов которого снимаютс  короткие импульсы (фиг. 2в, г), фаза которых прив зана к переднему и заднему фронтам импульса с выхода компаратора 8. Дифференциатор 9, кроме схемы дифференцировани , содержит два встречно включенных диода, к одному из которых (пропускающему отрицательный импульс) подключен инвертор . Таким образом, диаграмма на фиг. 2в соответствует прохождению через диод положительного импульса с выходов схемы дифференцировани , а диаграмма на фиг. 2г - проинвертиро- ванному отрицательному импульсу. С выходов дифференциатора 9 импульсы поступают на четвертьй и п тый входы схемы 10 формировани , на первый, второй и третий входы которой подаютс  сигналы с выходов триггера 22 знака и одновибратора 13. Схема 10 формировани  в зависимости от состо ни  триггера 22 знака пропускает импульсы, соответствующие переднему фронту сигнала с выхода компаратора 8, или импульсы, соответствующие заднему фронту сигнала, а также пропускает импульс с выхода одно- вибратора 13, если за врем  опроса столбцов дискретного фотопреобразовател  2 не поступил импульс с выходов дифференциатора 9. По заднему фронту импульса с выхода одновибратора 13 происходит занос в D-триггер схемы 19 фиксации нулей с выходов счетчиков первой схемы 18 счета и обнуление в блоке 6 индикации. Схема 10 формировани  содержит D-триггер, одновибратор и п ть элементов И-НЕ.

Генератор 17 тактовых импульсов вырабатывает пр моугольные импульсы (фиг. 2д), которые через счетчики схемы 15 счета и дешифратор 14 поступают на входы схемы 12 инверсии кода выполненной на элементах 2И-ИЛИ-НЕ. Схема 12 инверсии кода позвол ет в зависимости от состо ни  триггера 22 знака инвертировать пор док опроса столбцов дискретного фотопреобразовател  2 так, что если происходит движение интерференционных полос справа налево, то так же опрашиваютс  и

5 0 5 о

5

0

5

0

столбцы дискретного фотопреобразовател  2, т.е. первым импульсом опрашиваетс  столбец фотопреобразовател  2, наход щийс  первым справа, вторым импульсом - следующий столбец за . первым и т.д. Если движение интерференционных полос идет в обратном направлении , то первым опрашиваетс  последний столбец фотопреобразовател  2, вторым - предпоследний и т.д. Таким образом, схема построена так, что в зависимости от смещени  интерференционных полос от исходного состо ни , происходит инверси  кода импульсов опроса столбцов дискретного фотопреобразовател  2, при этом в индикаторах старшего разр да блока 6 индикации измен етс  только знак.

В предлагаемом устройстве в качестве дискретного фотопреобразовател  2 используют матрицу фотоприемников МФ-14 емкостью . Число опрашиваемых столбцов 32, поэтому последним с выхода дешифратора 14  вл етс  импульс 32, (фиг. 2е). На вход усилител  7 подают сигналы, снимаемые с элементов столбцов дискретного фотопреобразовател  2. Схема 11 согласовани  представл ет собой р д импульсных усилителей, позвол ющих получить импульсы с амплитудой (-12 В),

После окончани  опроса столбцов дискретного фотопреобразовател  2 последний опрашиваемый импульс с выхода дешифратора 14 поступает на вход одновибратора 13, который по заднему фронту входного импульса фор мирует короткий импульс стирани  (фиг. 2ж). Этот импульс через схему 11 согласовани  поступает на дискретный фотопреобразователь 2 и в момент С(фиг. 2а, ж) происходит стирание информации с фотопреобразо- вэтел  2, Далее импульс с выхода одновибратора 13 поступает на вход одновибратора ,6, который также формирует пр моугольный импульс, и в момент сэ- Lф (фиг. Јз) происходит запирание генератора 17 тактовых импульсов и счетчиков схемы 15 счета. В этот промежуток времени происходит запись оптической информации в дискретный фотопреобразователь 2. С момента t ф происходит следующий цикл опроса дискретного фотопреобразовател  2. После окончани  каждого цикла

опроса столбцов дискретного фотопреобразовател  2 пр моугольный импульс с выхода одновибратора 13 сбрасывает показани  счетчиков первой схемы 18 счета.

В исходном состо нии, когда объек не движетс , и на приемную часть дискретного фотопреобразовател  2 спроецированы две полосы (с максимальной и минимальной освещенностью) интерференционной картины, на вход управлени  схемы 19 фиксации приходит импульс с выхода схемы 10 формировани  в момент, когда счетчики пер- вой схемы 18 счета уже обнулены импульсом с выхода одновибратора 13. Таким образом, в исходном состо нии показани  блока 6 индикации нулевые. При смещении объекта происходит дви- жение полос интерференционной картины , направление которого определ ет знак, а число полос, прошедших по дискретному фотопреобразователю 2, - его величину. При движении полос, например , слева направо последовательно засвечиваютс  столбцы дискретного фотопреобразовател  2 от -1-го до n-го и, соответственно, последовательно по вл ютс  импульсы заноса с выхода схемы 10 формировани . Число импульсов, поступивших с выхода генератора 17 тактовых импульсов на вход первой схемы 18 счета, соответствует числу опрошенных стобцов фотопреобразовател . Это число с приходом импульса заноса передаетс  в схему 19 фиксации и далее в блок 6 индикации. Число, занесенное с выходов счетчиков первой схемы 18 счета в D-три- гер схемы 19 фиксации, соответствует номеру опрашиваемого столбца дискретного фотопреобразовател  2, на котором находитс  граница раздела интерференционных полос. Так, если грани- ца интерференционной полосы переместилась по приемной части фотопреобразовател  2 от своего исходного состо ни  на один столбец (фиг. 2б), то с по влением второго импульса с выхода генератора 17 схема 1U фор мировани  формирует импульс заноса (фиг. 2к), по которому происходит занос в блок 6 индикации числа с выходов счетчиков первой схемы 18 счета (фиг. 2л) . Это число отображает- . с  на индикаторах младшего разр да (ИМР) блока 6 индикации и соответствует смещению дробной части интер

,-

0 ,, - 2Q 25 35 30

40

50

ференционной полосы. Схема блока 5 счета построена так, что обеспечивает увеличение показаний индикаторов старших разр дов (ИСР) в блоке 6 индикации независимо от знака смещени  при по влении цифры 00 после цифры 31 на выходе ИМР и исключает увеличение показаний ИСР при возникновении цифры 00 вслед за цифрой 01. Схема позвол ет также уменьшить показани  ИСР на единицу при по влении на выходе ИМР цифры 31 после цифры 00 при исходном показании ИСР, не равном 0. В случае показани  ИСР, равного 0, и уменьшении показаний ИМР после 00 в ИМР с выходов первой схемы 21 формировани  по вл етс  импульс , который поступает на один из входов второй схемы 23 формировани , с выхода которой по вл етс  перепад из 1 в О, что приведет к срабатыванию триггера 22 знака, который выполн ет инверсию кода и изменение знака, и на выходе ИМР по вл етс  1. При этом в показани х ИСР измен етс  только знак. ИСР предназначены дл  отображени  на цифровых сегментах в блоке-6 индикации результатов измерений смещений целой части интерференционной полосы. В соответствии с поступающими сигналами с выходов D-триггеров схемы 19 фиксации перва  схема 21 формировани  управл ет работой реверсивных счетчиков второй схемы 20 счета, которые могут работать в пр мом или инверсном коде. Результат с выходов реверсивных счетчиков второй схемы 20 счета отображаетс  в ИСР блока 6 индикации.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Оптико-электронное устройство дл  измерени  линейных перемещений, содержащее оптически св занные оптическую систему дл  формировани  интерференционных или муаровых полос и дискретный фотопреобразователь, светочувствительный слой которого выполнен в виде системы параллельных электрически изолированных фотоприемников , последовательно соединенные блок формирователей, основной вход которого соединен с выходом дискретного фотопреобразовател , и блок счета, блок индикации, содержащий индикаторы младших и старших разр дов, входы индикаторов старших разр дов

   которого соединены с первой группой основных выходов блока счета, о т- личающеес  тем, что, с целью повышени  точности измерени , оно снабжено блоком управлени , дискретный фотопреобразователь выполнен с одним выходом и группой управл ющи входов, число которых равно числу фотоприемников дискретного фотопреобра зовател , блок формирователей выпол- нен в виде последовательно соединенных усилител , вход которого  вл етс  основным входом блока формирователей , компаратора и дифференциатора , и первой схемы формировани , выход которой  вл етс  выходом блока формирователей, первый, второй и третий входы  вл ютс  соответственно первым, вторым и третьим дополнительными входами блока формирователей , четвертый и п тый входы соединены соответственно с первым и вторым выходами дифференциатора, блок управлени  выполнен в виде последовательно соединенных управл емого генератора тактовых импульсов, выход которого  вл етс  первым дополнительным выходом блока управлени , первой схемы счета и дешифратора, число последовательных выходов которого равно количеству фотоприемников дискретного фотопреобразовател , последовательно соединенных схемы инверсий кода, основные входы которой соединены с выходами дешифратора, первый и второй дополнительные входы  вл ютс  соответственно первым и вторым входами блока управлени , и схемы согласовани , выходы которой  вл ютс  основными выходами блока управлени  и соединены с управл ющими входами дискретного фотопреобразовател , первого одновибратора, вход которого соединен с последним выходом дешифратора, выход соединен с дополнительным входом схемы согласовани  и  вл етс  вторым дополнительным выходом блока управлени , второго одновибратора , вход которого соединен

   с выходом первого одновибратора, вы5

   0

   ход соединен с управл ющим входом управл емого генератора тактовых импульсов и дополнительным входом первой схемы счета, блок счета выполнен в виде последовательно соединенных второй схемы счета, основной вход которой  вл етс  вторым входом блока счета и соединен с первым дополни- .тельным выходом блока управлени , дополнительный вход  вл етс  третьим входом блока счета и соединен с вторым дополнительным выходом блока управлени  и третьим дополнительным входом блока формирователей, и схемы фиксации, управл ющий вход которой  вл етс  первым входом блока счета, выходы  вл ютс  второй группой основных выходов блока счета и соединены с входами индикаторов младших разр дов блока индикации, второй схемы формировани , входы которой соединены с выходами схемы фиксации, третьей схемы счета, первый и второй

   5 входы которой соединены соответственно с первым и.вторым выходами второй схемы формировани , выходы  вл ютс  первой группой основных выходов блока счета, третьей схемы формировани , основные входы КОТОРОЙ соединены с выходами третьей схемы счета, дополнительный вход соединен с третьим выходом второй схемы формировани , триггера знака, вход которого соединен с выходом третьей схемы формировани , первый и второй выходы  вл ютс  соответственно первым и вторым дополнительными выходами блока счета и соединены соответственно с

   0 первым входом блока управлени  и первым дополнительным входом блока формирователей, вторым входом блока управлени  и вторым дополнительным входом блока формирователей, число

   5 фотоприемников дискретного фотопре- образоватеп  равно заданному пор дку дроблени  периода следовани  интерференционных или муаровых полос, ширина дискретного фотопреобразова0 тел  равна суммарной ширине темной и светлой полос.

   0

   5

   Г Г ,f

   А А А- Ачм А4-

   d -,

   f

   О

   3 in c 4.