Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ИЗМЕРИТЕЛЬ АБСОЛЮТНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
ИЗМЕРИТЕЛЬ АБСОЛЮТНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

ИЗМЕРИТЕЛЬ АБСОЛЮТНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: контрольно-измерительная техника. Сущность изобретения: измеритель абсолютных перемещений содержит осветитель 3, измерительный растр 1 и расположенный в непосредственной близости от него параллельный ему индикаторный растр 2 и фотоприемник 4, оптически связанные между собой, блок индикации перемещения 7, а также аналогоцифровой преобразователь 5, выход которого связан с входом блока целочисленной обработки 6, выход которого соединен с входом блока индикации перемещений 7, вход аналогоцифрового преобразователя 5 связан с выходом фотоприемника 4. 1 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

   С помощью Яндекс:  

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2097685
Класс(ы) патента: G01B11/00
Номер заявки: 96109642/28
Дата подачи заявки: 13.05.1996
Дата публикации: 27.11.1997
Заявитель(и): Новосибирский государственный технический университет
Автор(ы): Гужов В.И.; Нечаев В.Г.
Патентообладатель(и): Новосибирский государственный технический университет
Описание изобретения: Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных размеров, величины перемещений, углов поворота изделий.
Известно устройство измерения перемещения объекта, содержащее лазерный интерферометр, состоящий из зеркала, связанного с перемещаемым объектом, и неподвижного зеркала. Выход интерферометра оптически связан с входом фотоприемника, выход которого электрически связан со счетчиком импульсов, отображающим число пробежавших через плоскость фотоприемника интерференционных полос. Величина перемещения определяется по формуле
X = nλ/2 (1)
где n число пробежавших полос;
λ - длина волны излучения лазера.
Недостатком данного устройства является невозможность определения абсолютных значений перемещений объектов [1]
Известно устройство для измерения линейных или угловых величин [2] содержащее несколько измерительных линеек с различной ценой деления, а также считывающее устройство с соответствующим числом устройств считывания, равным числу линеек. На базе сигналов от считывающего устройства образуется кодовая таблица выходных сигналов, соответствующих абсолютному перемещению объекта. Устройство отличается тем, что длина первой линейки равна P1T1, а обратные величины Tn других линеек, за исключением обратной величины 1/P1 образуют конечный геометрический ряд вплоть до n 1 членов для N линеек.
Недостатком устройства является сложность конструкции.
Кроме того, известно устройство измерителя перемещений, являющееся прототипом предлагаемого изобретения и содержащее измерительный растр и параллельный ему расположенный в непосредственной близости индикаторный растр, блок осветителя, оптически последовательно связанный с индикаторным и измерительным растром и блоком фотоприемника, выход которого соединен с блоком синусно-косинусного преобразователя, выход которого соединен с входом индикатора перемещения объекта [4] Точность измерения перемещения определяется точностью изготовления растра и количеством самих растров. Так, для определения с точностью 1 мкм расстояния в 1 м необходимо применение как минимум 20 растровых шкал, изготовленных с точностью 0,5 мкм. Недостатком данного измерителя является большое количество растров и сложность конструкции.
Анализ приведенного уровня техники свидетельствует о том, что задачей изобретения является создание измерителя абсолютных перемещений с более простой конструкцией за счет уменьшения количества растровых шкал.
Это достигается тем, что в известное устройство измерителя абсолютных перемещений, содержащее осветитель, измерительный растр и расположенный в непосредственной близости от него параллельный ему индикаторный растр и фотоприемник, последовательно оптически связанные между собой, блок индикации перемещения, введен аналогово-цифровой преобразователь, выход которого связан с входом блока целочисленной обработки, выход которого соединен с входом блока индикации перемещений, вход цифро-аналогового преобразователя связан с выходом фотоприемника.
На чертеже представлена схема предлагаемого измерителя перемещений.
Измеритель содержит: 1 измерительный растр, 2 индикаторный растр, 3 - осветитель, 4 фотоприемник, 5 аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 6 - блок целочисленной обработки, 7 блок индикации.
Осветитель 3 оптически последовательно связан с измерительным 1 и индикаторным 2 растром и фотоприемником 4. Выход фотоприемника 4 электрически связан с входом АЦП 5, а его выход соединен с входом блока целочисленной обработки 6, выход которого соединен с входом блока индикации 7.
Устройство работает следующим образом.
Свет, излучаемый осветителем 3, проходит через измерительный 1 и индикаторный 2 растры, расположенные в непосредственной близости. Модулированный по амплитуде световой поток поступает на фотоприемник 4, который вырабатывает пропорциональный по освещенности фототок. Фототок поступает на вход АЦП 5, где преобразуется в цифровой код, который поступает в блок целочисленной обработки 6, где производится расчет перемещения и выдача результатов в блок индикации 7.
При перемещении измерительного растра 1 относительно индикаторного растра 2 происходит модуляция амплитуды светового потока за счет перекрытия прозрачных и непрозрачных участков. Выбором соответствующей геометрии и размера растров можно добиться синусоидальной формы сигналов, снимаемых с фотоприемника. Для устранения неоднозначности в определении направления перемещения блок фотоприемника выполняют таким образом, чтобы выдавать сигналы, амплитуды которых равны J1(x) AsinФ(x) и J2(x) AcosФ(x), где фаза Ф(x) определяется величиной перемещения. Значение фазы определяется как
Ф(x) arctan{J1(x)/J2(x)} (2)
Измеряя амплитуды J1(x) и J2(x) с выхода фотоприемника и вычисляя arctan выражения (2), можно определять величину перемещения в пределах одного периода растра. Таким образом можно измерить перемещение с точностью до сотой доли растра [1]
Предлагается использовать метод целочисленного определения абсолютной фазы [3] позволяющий при сохранении высокой точности значительно расширить динамический диапазон. Это позволит при том же динамическом диапазоне измерения абсолютных перемещений, что и у прототипа, значительно сократить число используемых растровых шкал.
Сигнал с фотоприемника 4 поступает на вход АЦП 5. Выходной сигнал с блока АЦП представляет квантованный сигнал синусоидальной и косинусоидальной формы, период которого равен используемому растру, а число квантов определяется максимальной точностью устройства.
В блоке целочисленной обработки 6 определяется фаза, соответствующая перемещению измерительного растра по формуле (2). Фаза представляет собой линейную периодическую функцию, изменяющуюся пропорционально перемещению. Период этой функции соответствует размеру растра. При измерении фазы с несколькими различными растрами, размеры которых связаны определенными соотношениями, наборы этих значений не повторяются в некотором диапазоне [3] Использование растров с периодами, в соответствии которым поставлены взаимно простые числа, позволяет достичь диапазона, равного произведению этих чисел. В соответствии с периодом ставится целое число точек квантования, определяемых в пределах периода.
Можно составить таблицу решений, просчитав все возможные сочетания, но более удобно найти аналитическое решение. Это можно сделать, воспользовавшись теоремой об остатках, известной в теории целых чисел [4]
Ищется решение целочисленной системы сравнений.

где знак (≡) обозначает сравнение, OPDi остатки от деления значений искомого перемещения на соответствующую величину периода;
mi целые значения, соответствующие каждому из растров. Решить систему (3), т. е. найти все решения, ей удовлетворяющие, можно, применяя следующую теорию (Гл. 4) [4]).
Пусть числа MS и определены из условий:

и пусть

Тогда совокупность значений X, удовлетворяющая системе сравнений (3), определяется сравнением
X ≡ Xo(modm1m2...mn). (7)
Допустим, что используется два растра. Первый растр имеет величину периода 5, второй 3. Область, в которой решение единственно, определяется произведением этих чисел, и решение имеет вид
OPD ≡ 6OPD1+ 10OPD2(mod 15) (4)
В пределах 15 квантованных значений перемещение будет определяться однозначно.
Если использовать три шкалы с периодом растра порядка 100 мкм и при этом в пределах периода измерять не менее 100 точек, то возможно измерение абсолютных перемещений порядка 1 м. При этом точность измерения составит 1 мкм. Точное значение периодов определяются из условий взаимной простоты и технологии изготовления растровых шкал.
При использовании четырех шкал размер растра должен быть порядка 30-40 мкм для измерения абсолютного перемещения в пределах 1 м. В качестве примера можно выбрать шкалы с размерами растров 29, 31, 37, 41. При этом точность измерения перемещений должна составить не менее 1 мкм. Диапазон измерения абсолютных перемещений составит 1,363 м.
Из вышеизложенного следует, что предлагаемое устройство позволяет в несколько раз снизить количество прецизионных измерительных растровых шкал по сравнению с прототипом при одинаковой точности и динамическом диапазоне измерений абсолютных перемещений.
Формула изобретения: Измеритель абсолютных перемещений, содержащий осветитель, измерительный растр и расположенный в непосредственной близости от него параллельный ему индикаторный растр и фотоприемник, последовательно оптически связанные между собой, блок индикации перемещения, отличающийся тем, что в него введен аналого-цифровой преобразователь, выход которого связан с входом блока целочисленной обработки, выход которого соединен с входом блока индикации перемещений, вход цифроаналогового преобразователя связан с выходом фотоприемника.