Следящее устройство для бесконтактного измерения параметров углового движения объекта

 

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности и быстродействия измерений за счет устранения погрешностей, связанных с динамической ошибкой слежения за перемещением объекта и изменением параметров элементов оптико-электронного преобразователя. Следящее устройство содержит оптический датчик 1 угла, сигналы с первого выхода которого поступают в блок 8 измерения рассогласования, где определяется величина рассогласования по координатам Х и У. Цифровые коды сигналов рассогласования с выходов блока 8 поступают на входы сумматоров 16 и 17, где складываются с значением координат, поступающих соответственно от блоков 3 и 6 измерения координат Х и У. На выходах сумматоров 16 и 17 формируются коды точного значения углов по координатам Х и У, которые фиксируются потом в регистре 15 точного отсчета. В регистре 13 грубого отсчета фиксируются коды координат Х и У, поступающие непосредственно от блоков 3 и 6, без учета величины рассогласования положения оптического датчика 1 и нормали к зеркалу 20. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

ÄÄSUÄÄ 562702

А1 (51)5 С 01 В 21/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР (21) 4411909/24-28 (22) 18.04.88 (46) 07,05.90. Бюл. У 17 (72) А.А.Александров, С.А.Новоселов и M.Â.Èàõìàòîâ (53) 531.7 (088 ° 8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 1037070, кл. G 01 В 21/00, 1983.

2 (54) СЛЕДЯЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ УГЛОВОГО ДВИЖЕНИЯ ОБЪЕКТА (57) Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности и быстро- действия измерений за счет устранения

1562702 погрешностей, связанньг< с динамической ошибкой слежения за перемещением объекта и изменением параметров элементов оптико-электронного преобразо5 вателя, Следящее устройство содержит оптический датчик 1 угла, сигналы с первого выхода которого поступают в блок 8 измеренная рассогласования, где определяется величина рассогласования 10

;по координатам Х и Y. Цифровые коды

1, сигналов рассогласования с выхоцов !, блока 8 поступают на входы сумматоров 16 и 17, где складываются с знаИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля параметров углового перемещения объектов.

Целью изобретения является повышение точности и быстродействия измерений за счет устранения погрешнос- 25 тей, связанных с динамической ошибкой слежения за перемещением объекта и с изменением параметров элементов оптико-электронного преобразователя.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства, на фиг.2 — структурная схема оптического датчика угла, на фиг.3 - структурная схема блока стабилизации подсвета.

Устройство содержит оптический .датчик 1 угла, привод 2 координаты

Х, блок 3 измерения координаты Х, поворотную раму 4, жестко связанную с приводом 2 и блоком 3, привод 5 координаты У, блок 6 измерения координаты У, привод 2 и блок 3 механически связаны с оптическим датчиком 1. угла, привод 5 и блок 6 механически связаны с поворотной рамой 4, блок 7 стабилизации подсвета, выход -которого 45 соединен с входом датчика 1, второй вход соединен с вторым выходом датчика 1, блок 8 измерения рассогласова-ния, первый вход которого соединен с первым выходом датчика 1, системный регистр 9, первый и второй выходы которого соединены соответственно с вторыми входами приводов 2 и 5, четвертый выход соединен с вторым входом блока 8, блок 10 смещения, первый вход которого соединен с первым выхо- дом блока 8, третий. вход соединен с третьим выходом регистра 9, первый

1 выход соединен с первым входам привочением координат, поступающих соответственно от блоков 3 и 6 измерения координат Х и Y. На выходах сумматоров 16 и 17 формируются коды точного значения углов по координатам Х и У, которые фиксируются потом в регистре

15 точного отсчета. В регистре 13 грубого отсчета фиксируются коды координат Х и Y поступающие непосредственно от блоков 3 и 6, без учета величины рассогласования положения оптического датчика 1 и нормали к зеркалу 20. 3 ил. да 2, второй выход соединен с первым входом привода 5, генератор 11, блок

12 управления и вычислений, регистр

13 грубого отсчета, первый, второй, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с третьим, четвертым, пятым и шестым входами блока 12, седьмой вход которого соединен с третьим выходом блока 3 и вторым входом регистра 9, восьмой вход соединен с третьим выходом блока 6 и третьим входом регистра 9, второй выход соединен с четвертым входом регистра 9, четвертый выход соединен с четвертым входом блока 8, тре ий и четвертый входы регистра 13 соединены соответственно с вторыми выходами блоков 3 и 6, синхронизатор

14, второй вход которого соединен с четвертым выходом блока 8, третий вход соединен с первым выходом блока

12, четвертый вход соединен с выходом генератора 11 и вторым входом блока

10, первый выход соединен с третьим входом блока 8, второй выход соединен с девятым входом блока 12, третий выход соединен с пятым входом регистра 13, пятый выход соединен с первым входом блока 7, регистр 15 точного отсчета, первый и второй выходы которого .соединены соответственно с пер-. вым и вторым входами блока 12, третий вход соединен с четвертым выходом синхронизатора 14, первый и второй сумматоры 16 и. 17, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами регистра 15, первые входы соединены соответственно с вторым и третьим выходами блока 8, второй вход первого сумматора 16 соединен с первым выходом блока 3 и первым

5 156 входом регистра 13, второй вход второго сумматора 17 соединен с первым выходом блока 6 и вторым входом ре-. гистра 13, блок 18 управления калибровкой устройства для измерения параметров углового движения объекта 19 ,с зеркалом 20, первый и второй выхо-. ды которого соединены соответственно с третьими входами приводов 2 и

5, второй вход соединен с третьим выходом блока 12 и вторыми входами блоков 3 и 6, пятый выход или шина данных блока 12 соединен с первыми входами блоков 3, 6 и 18, регистра 9 и синхронизатора, 14.

Оптический датчик 1 угла (фиг.2) выполнен в виде оптически связанных источника 21 света, линз 22и 23,светоде-. лителя 24, первого фотоприемника 25, второго квадрантного фотоприемника

26, линзы 27 и плоскопараллельной пластины 28, предназначенной для калибровки устройства, выход второго фотоприемника 26 является первым вы-. ходом датчика 1, выход первого фотоприемника 25 — вторым выходом датчика 1, вход источника 21 света — входом датчика 1.

Блок 7 стабилизации выполнен. в виде последовательно соединенных усилителя 29, вход которого является вторым входом блока 7, детектора 30, интегратора 31, инвертирующего усилителя 32 и ключа 33, синхронизирующие входы детектора 30 и ключа 33 объединены и являются первым входом блока 7.

Устройство работает следующим образом.

Импульсы подсвета поступают на светодиод 21 (фиг.2) от блока 7 стабилизации подсвета. Часть энергии световых импульсов проходит через светоделитель 24, а часть попадает на фотоприемник 25 (фиг.3), сигнал с которого пропорционален мощности излучения светодиода 21 и поступает на вход блока 7 стабилизации подсвета.

Сигнал с фотоприемника 25 усиливается усилителем 29, его амплитудное значе- 5 ние выделяется пиковым детектором

30, сигнал интегрируется корректирующим звеном 31 и поступает на вход инвертирующего усилителя 32, складываясь с постоянным напряжением смещения -Е,„. 5

Коммутация тока светодиода 21 осуществляется с помощью ключа 33 (фиг.3), управляемого синхронизатором 14, ко2702

6 торый управляет также пиковым детектором 30. Напряжение на выходе усилителя 32, являющееся питающим напря5 жением для светодиода 21 увеличиваЭ ется при уменьшении сигнала с фотоприемника 25 °

Световой импульс, прошедший через светоделитель 24, отражаясь от зеркала 20, закрепленного на объекте 19, попадает на квадрантный фотоприемник

26 (фиг.2). При расположении оптического датчика 1 по нормали к зеркалу

20 световое пятно попадает в центр фотоприемника 26 и сигналы со всех сторон четырех квадрантов одинаковы.. ,Смещение пятна и, следовательно, перераспределение сигналов на выходах фотоприемника 26 свидетельствует об отклонении датчика 1 от нормали к зеркалу 20. Величина рассогласования по координатам Х и У, пропорциональная указанному отклонению, формируется блоком 8 измерения рассогласования по суммарно-разностному алгоритму.

Цифровые коды сигналов рассогласования Х и Y поступают через преобразователи кодов блока 8 на входы

30 сумматоров 16 и 17 соответственна, где складываются со значениями координат, поступающих соответственно от блоков 3 и 6 измерения координат

Х и Y. На выходе сумматоров 16 и 17

35 таким образом формируются коды точного значения углов по координатам

Х и Y которые фиксируются затем в регистре 15 точного отсчета. В регистре 13 грубого отсчета фиксируются

40 коды координат Х и У, поступающих непосредственно от блоков 3 и 6 измерения координат Х и Y (т.е. без учета величины рассогласования положения огтическаго датчика 1 и нормали к

45 р лу 20).

Назначение преобразователей кодов блока 8 измерения рассогласования состоит в компенсации нелинейности градуировочной характеристики датчи-0 ка 1 и блоков 8 измерения рассогласования. Преобразователи кодов блока

8 выполнены на основе ОЗУ. Вход управления мультиплексором адреса, второй вход мультиплексора, информационный вход ОЗУ и входы стробирования записи образуют четвертый вход блока

8 и подключены к четвертому выходу блока 12 (выход параллельного интерфейса). Это обеспечивает возможность

1562702 программной загрузки в преобразователи кодов блока 8 таблицы преобразо вания.

Сигналы рассогласования по координатам Х и Y (аналоговые) поступают в блок 10 слежения, который выполнен по схеме широтно-импульсного модулятора (ШИМ). В блоке 10 сравнивают на- 10 .пряжения рассогласования по каналам Х и 1 с "треугольным" напряжением на выходе внутреннего генератора блока

10, частота которого задается генератором 11 прямоугольных импульсов, При поступлении сигнала логического нуля на вход разрешения слежения (третий вход блока 10) двчгатели блоков

2 и 5 выключаются. При малом сигнале рассогласования, поступающим с блока

8 измерения рассогласования, например, по каналу Х, на вход двигателя блока 2 подаются равные по длительности импульсы прямой или обратной полярности, длительность которых близ- 25

1ка к нулю. При изменений рассогласо\ вания длительность и полярность импульсов, питающих двигатель блока

2, изменяются в соответствии со знаком и величиной рассогласования, при 30. этом меняется вращающий момент, а оптический датчик 1 угла разворачивается так, чтобы рассогласование уменьшилось. Таким образом, оптический датчик 1 осуществляется слежение за угловым перемещением обьекта 19, причем измеряется как угловое положение самого датчика 1 (при помощи блоков

3 и б), так и одьовременно ошибка слежения (величина рассогласования). 4О

Точное значение углового положения объекта 19 получается затем путем сложения в сумматорах 16 и 17 угловых координат датчика 1 и ошибки слежения. 45

Слежение ключей приводов 2 и 5, разрешение слежения для блока 10 слежения, значение коэффициента усиле.,ния усилителей блока 8 определяются сигналами системного регистра 9, информация в который заносится по шине данных блока 12. При этом внутренний . регистр регистра 9 сбрасывается при отклонении оптического датчика 1 угла на максимальный угол по команде блока 8. По сбросу внутреннего регистра 9 отключаются приводы 2 и 5 и блокируют перемещение оптического датчика 1 угла вплоть до момента перезаписи системного регистра 9.

Синхронизатор 14 обеспечивает временную привязку команд, генерирует импульсы "измерительного" подсвета (светодиод 21), также позволяет поддерживать слежение в паузах между измерениями, генерируя импульсы "подсвета слежения". Тактовая частота работы синхронизатора 14 задается генератором 11. Режим работы синхронизатора 14 определяется информацией, записанной блоком 12 в регистр управляющего слова синхронизатора 14„ первый выходной разряд которого.разрешает работу таймера синхронизатора

14, второй разряд разрешает прохождение импульсов измерительного подсвета, третий разряд переводит регистр

13 грубого отсчета в режим прямой передачи информации с входа на выход.

Калибровка блоков измерения координат Х и Y. Перед, началом измерений выполняется калибровка блоков 3 и б измерения координат Х и Y. Плоскопараллельная пластина 28 (фиг.2) вручную вводится в зазор между линзой 27 и фотоприемником 26. В ОЗУ преобразователей кодов блока 8 измерения рассогласования заносится таблица тож- дественного преобразования (что на входе, то и на выходе), при этом ноль градуировочной кривой (дискриминационной характеристики) датчика 1 (ну левой код на выходе блока 8) соответствует некоторому фиксированному относительно его оси направлению. В системный регистр 9 записывается управляющее слово, по которому приводы

2 и 5 подключаются к блоку 18, усилители блока 8 включаются на максимальный коэффициент усиления, отключается блок 10 и в регистре синхронизатора 14 записываются слова, соответствующие измерительному режиму работы, обеспечивая подсвет и запись измерительной информации в регистры

13 и 15.

Затем выполняются команды обращения блока 12 к блоку 18 управления калибровкой, и шаговые двигатели приводов 2 и 5 перемещают датчик 1 до установки его по нормали к зеркалу

20 при сброшенных счетчиках блоков

3 и 6 (нулевой код на выходах блоков

Э и 6), о чем свидетельствует появление нулевого кода на информационных выходах регистра 15 точного отсчета

Зятем счетчики блоков 3 и б переводятся в режим счета импульсов. На поверхность зеркала 20 накладывается тарировянный зеркальный оптический клин и восстанавливается положение оси чувствительности датчика I по нормали к его (клина) поверхности, как это описано. После этого число, содержащееся в регистре 13 грубого отсчета, соответствует известному угловому размеру клина, что может быть использовано для пересчета кодов в градусную меру с учетом любых возможных "уходов" в блоках 3 и 6.

Сопряжение каналов измерений. После калибровки блоков 3 и 6 выполняется согласование оптического канала измерения угла (датчик 1) и блоков

3 и 6 измерения координат Х и Y. Для этого датчик 1 устанавливается по нормали к зафиксированному зеркалу

20. Пластина 28 выдвигается, в системный регистр 9 записывается новое управляющее слово, отличающееся от предыдущего битом выбора коэффициента усиления усилителей блока 8, который устанавливается номинальным. Далее производится измерение величины рассогласования (регистр 15 минум ре-гистр 13) по каналам Х и Y в зависимости от углового перемещения датчика 1 (регистр 13), задаваемого блоком

18 управления калибровкой. Информация из регистров 13 и 15 заносится в па- мять блока 12. Полученная в результате этого таблица заносится в преобразователи кодов блока 8 измерения рассогласования (по каждой координате отдельно). Таким образом, устанавливается точное соответствие между величиной на выходах блока 8 (т.е. амплитудами импульсов с выходов фотЬприемника 26(и фактической величиной углового рассогласования оси чувствительности датчика 1 и нормали к зеркалу 20 (погрешности слежения). На выходе блока 8 теперь будет присутствовать цифровой код углового рассогласования.

Формула и з обретения

Следящее устройство для бесконтактного измерения параметров углового движения объекта, содержащее оптический датчик угла, блок измерения координаты Х, привод координаты Х, поворотную раму, жестко связанную с блоком измерения координаты Х и при.водом координаты Х, блок стабилиза62702

JO ции подсвета, генератор, блок измер»ния рассогласования, блок слежения, первый выход оптического датчика yr— ла соединен с первым входом блока измерения рассогласования, первый выход которого соединен с первым входом блока слежения, первый выход которого соединен с первым входом привода координаты Х, второй вход соединен с выходом генератора, выход привода координаты Х механически связан с оптическим датчиком угла, второй выход которого соединен с входом блока измерения координаты Х, о т л и.ч аю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и быстродействия измерений, оно снабжено блоком измерения координаты Y и приводом координа20 ты Y жестко связанными с поворотной рамой, первый вход привода координаты Y соединен с вторым выходом блока слежения, блоком управления калибровкой, сумматорами Х и Y регистрами

25 грубого и точного отсчетов, синхронизагором, системным регистром, блоком счета и управления, первые входы блока управления калибровкой, синхронизатора, системного регистра, бло30 ков измерения координат Х и У подключены к шине данных блока счета и управления, втброй и третий выходы блока измерения рассогласования соединены соответственно с первыми входами сумматоров Х и У, вторые входы которых соответственно соединены с первыми выходами блоков измерения координат Х и Y а также соответственно с первым и вторым входами регистра грубого отсчета, выходы сумматоров Х и

Y подключены соответственно к первому и второму входам регистра точного отсчета, первый и второй выходы которого соответственно соединены с пер45 вым и вторым. входами блока счета и Управления, третий, четвертый, пятый и шестой входы которого подключены соответственно к первому и второму, третьему и четвертому выходам регистра грубого отсчета, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с вторыми выходами блоков измерения координат Х и Y третьи выходы которых подключены соответственно к седьмому и восьмому входам блока счета и управленИя, а также к второму и третьему входам системного регистра, первый — четвертый выходы которого соединены соот11 1562702 12 ветственно с вторым Входом привода вым входом блока стабилизации, выход

Х, вторым входом привода 7, третьим . и второй вход которого подключены совходом блока слежения и вторым вхо- ответственно к входу и второму выходом блока измерения рассогласования, ду оптического датчика угла, второй четвертый выход и третии вход которо- выход блока счета и управления соеди5

ro соответственно соединены с вторым нен с четвертым входом системного ревходом и первым выходом синхрониза- гистра, а третий выход блока счета тора, третий и четвертый входы кото- и управления подключен к вторым вхоРого подключены соответственно к пеР- 10 дам блоков измерения координат Х и Y. ному выходу блока счета и управления и второму входу блока управления каи выходу генератора, а второй — пя- либровкой, первый и второй выходы тЬ!й выходы синхронизатора соединены которого соединены соответственно с соответственно с девятым входом бло- третьими входами приводов Х и Y четка счета и управления, пятым входом 1 вертый выход блока счета и управления регистра грубого отсчета, третьим соединен с четвертым входом блока входом регистра точного отсчета и !!eÐ измерения рассогласования.

9п ачгаи джщвф ! ! ! ! ! ! ! !

Фиг.8

Составитель С.Конюхов

Техред M. Ходанич Корректор Т.Малец

Редактор С.Пекарь

Заказ 1055

Подписное

Тираж 482

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101