Устройство для автоматизированного измерения малых угловых перемещений

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточных измерений малых угловых перемещении. Технической задачей изобретения является упрощение устройства. В устройство, содержащее лазер, предназначенный для скрепления с объектом, зеркальный блок, выполненный в виде полупрозрачного зеркала, расположенного по ходу излучения от лазера, и расположенного по ходу отраженного от полупрозрачного зеркала излучения глухого зеркала на расстоянии, зависящем от требуемой точности измерений, оптически связанный с зеркальным блоком фоточувствительный прибор, выполненный в виде линейного фоточувствительного прибора с зарядовой связью (ЛФПЗС), блок индикации, синхрогенератор, усилитель, компаратор, генератор, счетчик, первый триггер, второй триггер, элемент ИЛИ, введены второй усилитель, второй компаратор, первый элемент И, второй элемент И, третий элемент И, четвертый элемент И, элемент ИЛИ-НЕ. В плоскости анализа возникает интерференционная картина, проецируемая на фоточувствительную область ЛФПЗС, вызывая появление видеосигналов на выходах ЛФПЗС, однозначно соответствующих проецируемой интерференционной картине, причем сигнал на одном выходе ЛФПЗС задержан относительно другого на время вывода одной строки ЛФПЗС. Видеосигналы преобразуются в последовательный цифровой код. Вычисление измеряемой величины производится аппаратно, результат измерения выводится на индикацию. 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточных измерений малых угловых перемещении в специальных геодезических работах, в точных геофизических измерениях и при производстве крупногабаритных изделий в качестве контрольно-измерительной аппаратуры Известно устройство для измерения перемещений, подвижная часть которого, содержащая жестко связанные осветитель, объектив, линейный фоточувствительный прибор с зарядовой связью (ЛФПЗС), перемещается вдоль зубчатой рейки, причем прорези рейки проецируются на фоточувствительную область ЛФПЗС (Скрибанов Е.В., Гришин М.П., Братенков А.А. Устройство для измерения линейных перемещений // Измерительная техника - 1983. - N 11. - С. 13-15).

Недостатком этого устройства является невысокая точность измерения.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство (RU, 95112933 A, 27.07.97, G 01 B 11/26), содержащее зеркальный блок, выполненный в виде зеркала, расположенного по ходу излучения от лазера, и расположенное по ходу отраженного от полупрозрачного зеркала излучения глухого зеркала, лазер, закрепленный на контролируемом объекте, оптически связанный с зеркальным блоком фоточувствительный прибор, выполненный в виде линейного фоточувствительного прибора с зарядовой связью (ЛФПЗС), синхрогенератор, усилитель, компаратор, генератор, первый и второй счетчики, первый, второй и третий триггеры, линию задержки, первый и второй регистры, элемент ИЛИ, вычислительный блок и блок индикации. Изучение от лазерного источника образует волновой фронт, из которого в плоскости приема зеркало выделяет опорный участок волнового фронта. Глухое зеркало, развернутое на угол 10'' относительно зеркала, направляет на это зеркало второй участок фронта, который после отражения от зеркала встречается с прошедшим сквозь него под углом сходимости равным 10''. В плоскости анализа возникает интерференционная картина, проецируемая на фоточувствительную область ЛФПЗС. На выходе ЛФПЗС будет получен аналоговый сигнал, который усиливается усилителем и поступает на первый вход компаратора, на второй вход которого подается опорное напряжение. На выходе компаратора получим последовательный цифровой сигнал, однозначно соответствующий проецируемой на ЛФПЗС интерференционной картине, причем каждый импульс, полученный на выходе компаратора, имеет одну только ему соответствующую координату на линии сканирования относительно начальной координаты линии сканирования ЛФПЗС при неподвижном состоянии объекта и постоянную длительность, соответствующую половине ширины интерференционной полосы С выхода компаратора последовательный цифровой сигнал поступает на информационный вход первого регистра. По поступлении на счетный вход первого регистра импульса от генератора и при наличии разрешающего сигнала на входе разрешения первого регистра сигнал со входа первого регистра записывается на его выход младшего разряда, причем по поступлении следующего импульса от генератора сигналы на выходах первого регистра сдвигаются на один разряд в сторону стершего разряда, а на выход младшего разряда записывается сигнал со входа первого регистра Разрядность N первого регистра выбирается, исходя из требуемого быстродействия и точности. Генератор формирует импульсы, примем частота следования импульсов выбирается такой, что за время, соответствующее одному периоду импульсов, получаемых с выхода компаратора, формируется N импульсов генератора. Длительность сигнала разрешения равна длительности периода импульсов с выхода компаратора. Сигнал разрешения формируется следующим образом. С выхода синхрогенератора на счетный вход первого триггера поступает импульс, длительность которого равна половине длительности времени накопления ЛФПЗС, а передний фронт соответствует координате середины линии сканирования ЛФПЗС. Этот импульс переключает первый триггер, с выхода которого логическая единица поступает на вход разрешения первого регистра. По истечении N импульсов генератора первый счетчик сформирует сигнал сброса, поступающий через линию задержки на входы сброса первого счетчика и первого триггера и вход записи второго регистра, разрешая запись в него цифрового кода с выхода первого регистра, причем время задержки равно длительности одного импульса, формируемого генератором. В результате на выходе второго регистра получим параллельный цифровой код. При следующем считывании, через время равное периоду накопления ЛФПЗС, этот код изменится, если произошло перемещение лазерного источника.

Недостатками данного устройства являются избыточная сложность устройства, наличие вычислительного блока и необходимость его программирования.

Технической задачей изобретения является упрощение устройства.

Техническая задача решается тем, что устройство, содержащее лазер, предназначенный для скрепления с объектом, зеркальный блок, выполненный в виде полупрозрачного зеркала, расположенного по ходу излучения от лазера, и расположенного по ходу отраженного от полупрозрачного зеркала излучения глухого зеркала, оптически связанный с зеркальным блоком фоточувствительный прибор, выполненный в виде линейного фоточувствительного прибора с зарядовой связью (ЛФПЗС), блок индикации, синхрогенератор, усилитель, компаратор, генератор, счетчик, первый триггер, второй триггер, элемент ИЛИ, причем входы ЛФПЗС соединены с управляющими выходами синхрогенератора, первый выход ЛФПЗС соединен со входом первого усилителя, чей выход подключен к первому входу первого компаратора, второй вход которого выполнен с возможностью подачи на него опорного напряжения, выход генератора соединен со счетным входом счетчика, содержит второй усилитель, второй компаратор, первый, второй, третий и четвертый элементы И элемент ИЛИ-НЕ, причем первый выход ЛФПЗС соединен со вторым информационным входом ЛФПЗС, второй выход ЛФПЗС соединен со входом второго усилителя; чей выход подключен к первому входу второго компаратора, второй вход которого выполнен с возможностью подачи на него опорного напряжения, вход сброса счетчика выполнен с возможностью подачи на него внешнего сигнала "Начало счета", информационные выходы счетчика соединены с информационными входами блока индикации, а выход старшего разряда счетчика - с установочным входом блока индикации; выход первого компаратора соединен со входом "Направление счета" счетчика, первым входом второго элемента И, первым входом третьего элемента И, первым входом элемента ИЛИ-НЕ; выход второго компаратора соединен со вторым входом второго элемента И, вторым входом четвертого элемента И, третьим входом элемента ИЛИ-НЕ; выход второго элемента И соединен со входом сброса первого триггера и первым входом первого элемента И, выход элемента ИЛИ-НЕ соединен со входом установки первого триггера, выход которого соединен со вторым входом первого элемента И, вторым входом третьего элемента И и первым входом четвертого элемента И, выход первого элемента И соединен со входом сброса второго триггера, счетный вход которого соединен с другим выходом синхрогенератора, на информационный вход второго триггера подано напряжешь логической единицы, инверсный выход второго триггера соединен со вторым входом элемента ИЛИ-НЕ; выход третьего элемента И и выход четвертого элемента И соединены соответственно с первым и вторым входами элемента ИЛИ выход которого соединен со входом разрешения счетчика.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена схема устройства для автоматизированного измерения угловых величин; на фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4 изображены диаграммы, поясняющие работу устройства для автоматизированного измерения угловых величин.

Устройство для автоматизированного измерения угловых величин содержит лазер (на фиг. 1 не показан), предназначенный для скрепления с объектом, зеркальный блок, выполненный в виде полупрозрачного зеркала 1, расположенного по ходу излучения от лазера, и расположенного по ходу отраженного от полупрозрачного зеркала 1 излучения глухого зеркала 2, на расстоянии, зависящем от требуемой точности измерений, оптически связанный с зеркальным блоком фоточувствительный прибор, выполненный в виде линейного фоточувствительного прибора с зарядовой связью 3, блок индикации 18, синхрогенератор 4, усилитель 5, компаратор 6, генератор 7, счетчик 8, первый триггер 9, второй триггер 13, элемент ИЛИ 15, а также введенные второй усилитель 10, второй компаратор 11, первый элемент И 12, второй элемент И 14, третий элемент И 16, четвертый элемент И 17, элемент ИЛИ-НЕ 19.

Входы ЛФПЗС 3 соединены с управляющими выходами синхрогенератора 4, а первый выход ЛФПЗС 3 - со входом первого усилителя 5 и со вторым информационным входом ЛФПЗС 3, второй выход ЛФПЗС 3 соединен со входом второго усилителя 10; выход первого усилителя 5 подключен к первому входу первого компаратора 6, а выход второго усилителя 10 - к первому входу второго компаратора 11, вторые входы компараторов 6 и 11 выполнены с возможностью подачи на них опорного напряжения, выход генератора 7 соединен со счетным входом счетчика 8, вход сброса R которого выполнен с возможностью подачи на него внешнего сигнала "Начало счета", информационные выходы счетчика 8 соединены с информационными входами блока индикации 18, а выход старшего разряда счетчика 8 - с установочным входом блока индикации 18, выход первого компаратора 6 соединен со входом 1 - "Направление счета" счетчика 8, первым входом второго элемента И 14, первым входом третьего элемента И 16, первым входом элемента ИЛИ-НЕ 19; выход второго компаратора 11 соединен со вторым входом второго элемента И 14, вторым входом четвертого элемента И 17, третьим входом элемента ИЛИ-НЕ 19; выход второго элемента И 14 соединен со входом сброса R первого триггера 9 и первым входом первого элемента И 12; выход элемента ИЛИ-НЕ 19 соединен со входом установки S первого триггера 9, выход которого соединен со вторым входом первого элемента И 12, вторым входом третьего элемента И 16 и первым входом четвертого элемента И 17; выход первого элемента И 12 соединен со входом сброса R второго триггера 13, счетный вход которого соединен с другим выходом синхрогенератора 4, на информационный вход второго триггера 13 подано напряжение логической единицы, инверсный выход второго триггера 13 соединен со вторым входом элемента ИЛИ-НЕ 19; выход третьего элемента И 16 и выход четвертого элемента И 17 соединены соответственно с первым и вторым входами элемента ИЛИ 15, выход которого соединен со входом разрешения E счетчика 8.

Устройство для автоматизированного измерения угловых величин работает следующим образом. Излучение от лазерного источника образует волновой фронт, из которого в плоскости приема полупрозрачное зеркало 1 выделяет опорный участок волнового фронта. Глухое зеркало 2, развернутое на угол 10'' относительно полупрозрачного зеркала 1, направляет на это зеркало 1 второй участок волнового фронта, который после отражения от полупрозрачного зеркала 1 встречается с прошедшим сквозь него под углом сходимости, равным 10''. В плоскости анализа возникает интерференционная картина, проецируемая на фоточувствительную область ЛФПЗС 3. В качестве ЛФПЗС предлагается использовать микросхему К1200ЦЛ2 представляющую собой комбинацию на одном кристалле области накопления с фотодиодной светочувствительной структурой и двух сдвиговых транспортных ПЗС-регистров, каждый из которых отделен от нее разрешающим затвором и имеет свое собственное входное и выходное устройство, что позволяет использовать один из двух сдвиговых транспортных ПЗС-регистров в качестве аналоговой линии задержки, а другой - по своему прямому назначению, т.е. для вывода зарядов, накопленных в области накопления с фотодиодной светочувствительной структурой. Следовательно, на первом выходе ЛФПЗС 3 будет получен аналоговый сигнал (фиг. 2а), соответствующий проецируемой на фоточувствительную область ЛФПЗС 3 картине, на втором выходе ЛФПЗС 3 также будет получен аналоговый сигнал (фиг. 2б), но задержанный на время вывода одной строки t_str. (фиг. 2в). Сигнал с первого выхода ЛФПЗС 3 усиливается первым усилителем 5 и поступает на первый вход первого компаратора 6, на второй вход которого подается опорное напряжение. Аналогично, сигнал со второго выхода ЛФПЗС 3 усиливается вторым усилителем 10 и поступает на первый вход второго компаратора 11, на второй вход которого также подается опорное напряжение. На выходе компараторов 6 и 11 получим последовательные цифровые сигналы, однозначно соответствующие проецируемой на ЛФПЗС 3 интерференционной картине, причем сигнал с выхода второго компаратора 11 будет задержан относительно сигнала с выхода первого компаратора 6 на время вывода одной строки (фиг. 2г, д). При неподвижном состоянии объекта сигналы на входе первого компаратора 6 и второго компаратора 11 будут полностью идентичны, причем каждый импульс, полученный на выходе компараторов 6 и 11, имеет одну только ему соответствующую координату на линии сканирования относительно начальной координаты линии сканирования ЛФПЗС 3 и постоянную длительность, соответствующую половине ширины интерференционной полосы Таким образом, определение смещения объекта осуществляется определением длительности интервала между приходом импульсов с выхода первого компаратора 6 и второго компаратора 11.

С выхода синхрогенератора 4, на счетный вход второго триггера 9 поступает импульс (фиг. 2е), длительность которого равна половине длительности времени накопления ЛФПЗС 3 (фиг. 2д), а передний фронт соответствует координате середины линии сканирования ЛФПЗС 3. Этот импульс переключает второй триггер 13 (фиг. 2л), с инверсного выхода которого логический ноль поступает на второй вход элемента ИЛИ-НЕ 19, разрешая тем самым дальнейшее функционирование устройства. При поступлении логических нулей с выхода компаратора 6 и компаратора 11 (фиг. 2в,г) на первый и третий вход элемента ИЛИ-НЕ 19, логическая единица с выхода этого элемента поступит на вход установки S первого триггера 9, переводя тем самым его в состояние логической единицы (фиг. 2к). Следует отметить, что появление логических нулей на всех трех входах элемента ИЛИ-НЕ 19 является обязательным условием измерения длительности интервала между приходом импульсов с выходов компараторов 6 и 11.

При появлении первой логической единицы на выходе первого компаратора 6 (фиг. 2в) логическая единица появится на входе "1" счетчика 8, определяя тем самым направление счета (на увеличение) и на первом входе третьего элемента И 16, и, следовательно, на выходе элемента ИЛИ 15. Логическая единица с выхода элемента ИЛИ 15 поступает на вход разрешения счета E счетчика 8 (фиг. 2и), разрешая тем самым подсчет импульсов с выхода генератора 7 (фиг. 2м). При появлении логической единицы на выходе второго компаратора 11 логическая единица появится на выходе первого элемента И 12, сбрасывая тем самым второй триггер 13 и запрещая появление второго импульса разрешения на текущей строке, а также на выходе второго элемента И 14, сбрасывая первый триггер 9 и запрещая тем самым подсчет счетчику 8 импульсов с выхода генератора 7.

При появлении первой логической единицы на выходе второго компаратора 11 (фиг. 3а) логическая единица появится на втором входе четвертого элемента И 17 и, следовательно, на выходе элемента ИЛИ 15. Логический ноль на выходе первого компаратора 6 определяет направление счета счетчику 8 (на уменьшение, фиг. 3в). Логическая единица с выхода элемента ИЛИ 15 поступает на вход разрешения счета E счетчика 8 (фиг. 3г), разрешая тем самым подсчет импульсов с выхода генератора 7 (фиг. 3д). При появлении логической единицы на выходе первого компаратора 6 (фиг. 3б) логическая единица появится на выходе первого элемента И 12, сбрасывая тем самым второй триггер 13 и запрещая появление второго импульса разрешения на текущей строке, а также на выходе второго элемента И 14, сбрасывая первый триггер 9 и запрещая тем самым подсчет счетчику 8 импульсов с выхода генератора 7.

При одновременном появлении логических единиц на выходе первого компаратора 6 и второго компаратора 1 (фиг. 4а,б) логическая единица появится на выходе первого элемента И 12, сбрасывая тем самым второй триггер 13 и запрещая появление второго импульса разрешения на текущей строке, а также на выходе второго элемента И 14, сбрасывая первый триггер 9 (фиг. 4г), запрещая тем самым появление логической единицы на входе разрешения счета E счетчика 8 и, следовательно, запрещая подсчет импульсов с генератора 7 (фиг. 2д).

Внешний сигнал "Начало счета" предназначен для сброса счетчика 8 в нулевое состояние и начала нового цикла измерения.

Разрядность N счетчика 8 выбирается исходя из требуемых пределов измерения так, чтобы для предельных измеряемых значений L_max выполнялось неравенство; L_max < 2^N - 1; Старший разряд счетчика 8 используется в качестве знакового, а блок индикации 18 выполняется с возможностью по сигналу на старшем разряде счетчика 8 определения знака результата измерения и преобразования результата измерения, получаемого со счетчика 8 в обратном коде в индицируемое число в прямом коде со знаком (в случае появления на выходе счетчика 8 результата измерения в прямом коде преобразование не производится).

Частота следования импульсов с выхода генератора 7 выбирается такой, чтобы при смещении интерференционной картины на счетный вход счетчика 8 поступало число импульсов, соответствующее угловому смещению объекта в единицах измерения узловых величин.

Таким образом, предложенное решение позволяет значительно повысить удобство считывания результатов измерения угловых перемещений с помощью интерференционного угломера за счет того, что результат измерения выводится на индикацию в единицах измерения угловых величин, а также значительно упростить схему устройства за счет использования внутренних регистров ЛФПЗС и устранения вычислительного блока.

Формула изобретения

Устройство для автоматизированного измерения малых угловых перемещений, содержащее лазер, предназначенный для скрепления с объектом, зеркальный блок, выполненный в виде полупрозрачного зеркала, расположенного по ходу излучения от лазера, и расположенного по ходу отраженного от полупрозрачного зеркала излучения глухого зеркала, оптически связанный с зеркальным блоком фоточувствительный прибор, выполненный в виде линейного фоточувствительного прибора с зарядовой связью (ЛФПВС), блок индикации, синхрогенератор, усилитель, компаратор, генератор, счетчик, первый триггер, второй триггер, элемент ИЛИ, причем входы ЛФПЗС соединены с управляющими выходами синхрогенератора, первый выход ЛФПЗС соединен со входом первого усилителя, чей выход подключен к первому входу первого компаратора, второй вход которого выполнен с возможностью подачи на него опорного напряжения, выход генератора соединен со счетным входом счетчика, отличающееся тем, что устройство снабжено вторым усилителем, вторым компаратором, первым, вторым, третьим и четвертым элементами И, элементом ИЛИ-НЕ, причем первый выход ЛФПЗС соединен со вторым информационным входом ЛФПЗС, второй выход ЛФПЗС соединен со входом второго усилителя, чей выход подключен к первому входу второго компаратора, второй вход которого выполнен с возможностью подачи на него опорного напряжения, вход сброса счетчика выполнен с возможностью подачи на него внешнего сигнала "Начало счета", информационные выходы счетчика соединены с информационными входами блока индикации, а выход старшего разряда счетчика - с установочным входом блока индикации, выход первого компаратора соединен со входом "Направление света" счетчика, первым входом второго элемента И, первым входом третьего элемента И, первым входом элемента ИЛИ-НЕ, выход второго компаратора соединен со вторым входом второго элемента И, вторым входом четвертого элемента И, третьим входом элемента ИЛИ-НЕ, выход второго элемента И соединен со входом сброса первого триггера и первым входом первого элемента И, выход элемента ИЛИ-НЕ соединен со входом установки первого триггера, выход которого соединен со вторым входом первого элемента И, вторым входом третьего элемента И и первым входом четвертого элемента И, выход первого элемента И соединен со входом сброса второго триггера, счетный вход которого соединен с другим выходом синхрогенератора, на информационный вход второго триггера подано напряжение логической единицы, инверсный выход второго триггера соединен со вторым входом элемента ИЛИ-НЕ, выход третьего элемента И и выход четвертого элемента И соединены соответственно с первым и вторым входами элемента ИЛИ, выход которого соединен со входом разрешения счетчика.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4