двухкоординатный лазерный преобразователь перемещения в код

Формула изобретения

ДВУХКООРДИНАТНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ В КОД, содержащий излучатель, оптически связанный с четырехквадратным фотодетектором, первый и второй интеграторы, выходы которых соединены с информационными входами соответственно первого и второго устройства выборки-хранения, выходы которых соединены с информационными входами соответственно первого и второго преобразователей напряжение-интервал времени, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами блока вычисления кодов, выходы которого являются выходами преобразователя, и с управляющими входами соответственно первого и второго ключей, информационные входы которых объединены, а выходы соединены с первыми входами соответственно первого и второго интеграторов, управляющие входы устройства выборки-хранения, входы запуска преобразователей напряжение-интервал времени и третий вход блока вычисления кодов объединены, отличающийся тем, что, с целью повышения точности преобразователя, в него введены четыре преобразователя ток-напряжение, четыре детектора, формирователь импульсов, счетчик и модулятор, расположенный между излучателем и четырехквадратным фотодетектором, выходы первого и второго квадрантов которого соединены с входами соответственно первого и второго преобразователей ток-напряжение, выход третьего квадранта четырехквадрантного фотодетектора соединен с шиной общего потенциала, а общая точка всех квадрантов четырехквадрантного фотодетектора соединена с входом третьего преобразователя ток-напряжение, выход четвертого квадранта четырехквадрантного фотодетектора соединен с входом четвертого преобразователя ток-напряжение, выходы преобразователей ток-напряжение соединены с входами одноименных детекторов, выход первого детектора соединен с вторыми входами первого и второго интеграторов, выходы второго и четвертого детекторов соединены с третьими входами соответственно первого и второго интеграторов, выход третьего детектора соединен с информационным входом первого ключа, выход третьего преобразователя ток-напряжение соединен с входом формирователя импульсов, выход которого соединен со счетным входом счетчика, выход которого соединен с третьим входом блока вычисления кодов, а установочные входы счетчика являются управляющими входами преобразователя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к информационно-измерительной и вычислительной технике и может быть использовано, в частности, в сварочном производстве при оперативном контроле сварочных перемещений и деформаций широкого класса изделий в процессе сварки.

Известно устройство для измерения двух координат контролируемой точки объекта относительно реперной оси, которая задается лучом лазера [1]. Это устройство содержит также четырехквадрантный фотодетектор и блок аналоговой обработки сигналов. Четырехквадрантный фотодетектор состоит из разделительной призмы и установленных за ней четырех фотодиодов. Луч лазера, задающий реперную ось, разделяется призмой на четыре световых потока, падающие на соответствующие фотодиоды. Ориентация разделительной призмы задается прямоугольной системой координат. В блоке аналоговой обработки сигналов осуществляется выделение информационных сигналов координат и суммарного сигнала от фотодиодов четырех квадрантов.

Недостатком известного устройства является сложность конструкции блока аналоговой обработки сигналов, использование аналогового делителя сигналов и, как следствие, низкая точность измерения перемещений.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является двухкоординатный преобразователь перемещения в код, содержащий излучатель, в качестве которого используется лазер, четырехквадрантный фотодетектор и аналоговый итерационный преобразователь, состоящий из сумматора, двух интеграторов, двух схем выборки-хранения, двух преобразователей напряжение-интервал времени, охваченных обратной связью через два ключа, а также блок вычисления кодов N_x и N_y, пропорциональных координатам X и Y контролируемой точки объекта относительно опорного луча излучателя [2]. Цикл преобразования в известном преобразователе задается генератором.

Луч лазера, задающий реперную (опорную) ось, попадает на четырехквадрантный фотодетектор. Ориентация разделительных зон между квадрантами совпадает с направлением осей координат X и Y.

В блоке вычисления кодов осуществляется преобразование интервалов времени T_x, T_y и T_ц в коды N_x и N_y, пропорциональные координатам X и Y контролируемой точки объекта относительно луча излучателя.

К достоинствам известного преобразователя следует отнести бесконтактность метода измерения, простоту чувствительного элемента, связанную с отсутствием механических частей, высокую чувствительность перемещениям. Недостатками известного устройства являются малая величина отношения сигнал-шум на выходах чувствительных элементов четырехквадрантного фотодетектора из-за отсутствия режима короткого замыкания, большая погрешность суммирования сигналов фотодиодов аналоговым сумматором, сильное влияние фоновой засветки и температурных дрейфов темновых токов фотодетектора, сложность в настройке.

Целью настоящего изобретения является повышение точности преобразователя.

Поставленная цель достигается тем, что в двухкоординатном преобразователе перемещения в код, содержащем излучатель, оптически связанный с четырехквадрантным фотодетектором, первый и второй интеграторы, выходы которых соединены с информационными входами соответственно первого и второго устройства выборки-хранения, выходы которых соединены с информационными входами соответственно первого и второго преобразователей напряжение-интервал времени, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами блока вычисления кодов, выходы которого являются выходами преобразователя, и с управляющими входами соответственно первого и второго ключей, информационные входы которых объединены с первыми входами соответственно первого и второго интеграторов, управляющие входы устройства выборки-хранения, входы запуска преобразователей напряжение-интервал времени и третий вход блока вычисления кодов объединены, согласно изобретению, введены четыре преобразователя ток-напряжение, четыре детектора, формирователь импульсов, счетчик и модулятор, расположенный между излучателем и четырехквадрантным фотодетектором, выходы первого и второго квадрантов которого соединены со входами соответственно первого и второго преобразователей ток-напряжение, выход третьего квадранта четырехквадрантного фотодетектора соединен с шиной общего потенциала, а общая точка всех квадрантов четырехквадрантного фотодетектора соединена со входом третьего преобразователя ток-напряжение, выход четвертого квадранта четырехквадрантного фотодетектора соединен со входом четвертого преобразователя ток-напряжение, выходы преобразователей ток-напряжение соединены со входами одноименных детекторов, выходы первого детектора соединены со вторыми входами первого и второго интеграторов, выходы второго и четвертого детекторов соединены с третьими входами соответственно первого и второго интеграторов, выход третьего детектора соединен с информационным входом ключей, выход третьего преобразователя ток-напряжение соединен со входом формирователя импульсов, выход которого соединен со счетным входом счетчика, выход которого соединен с третьим входом блока вычисления кодов, а установочные входы счетчика являются управляющими входами преобразователя.

На чертеже представлена функциональная схема двухкоординатного преобразователя перемещения в код, а также схематическое изображение ориентации квадрантов относительно осей координат.

Двухкоординатный преобразователь перемещения в код содержит излучатель 1, четырехквадрантный фотодетектор 2, первый и второй интеграторы 3 и 4 соответственно, первое и второе устройство выборки-хранения 5 и 6 соответственно, первый и второй преобразователи напряжение-интервал времени 7 и 8 соответственно, первый и второй ключи 9 и 10 соответственно, блок вычисления кодов 11, первый, второй, третий и четвертый преобразователи 12, 13, 14, 15 соответственно, первый, второй, третий и четвертый детекторы 16, 17, 18 и 19 соответственно, формирователь импульсов 20, счетчик 21 и модулятор 22.

Излучатель 1 устанавливается на неподвижной базовой оснастке и используется для задания реперной оси. Четырехквадрантный фотодетектор 2 оптически связан с излучателем 1 и устанавливается в контролируемой точке объекта. Выходы интеграторов 3 и 4 соединены с информационными входами устройств выборки-хранения 5 и 6 соответственно. Выходы устройств выборки-хранения 5 и 6 соединены с информационными входами соответственно первого и второго преобразователей напряжение-интервал времени 7 и 8, выходы последних соединены с управляющими входами ключей 9 и 10 и первым и вторым входами блока вычисления кодов 11, соответственно. При этом выход ключей 9 и 10 соединен с первым входом интеграторов 3 и 4. Управляющие входы устройств выборки-хранения 5 и 6, входы запуска преобразователей напряжение-интервал времени 7 и 8 и третий вход блока вычисления кодов 11 объединены. Выходы N_x и N_y блока вычисления кодов 11 являются выходами устройства. Входы преобразователей ток-напряжение 12-15 подключены к трем выходам четырехквадрантного фотодетектора 2 и к его общей точке, а выходы подключены ко входам детекторов 16 - 19, соответственно. При этом входы первого и второго квадрантов четырехквадрантного фотодетектора 2 соединены со входами первого и второго преобразователей ток-напряжение 12 и 13, соответственно. Выход третьего квадранта фотодетектора 2 соединен с шиной общего потенциала, а общая точка всех квадрантов соединена со входом третьего преобразователя ток-напряжение 14. Выход четвертого квадранта фотодетектора 2 соединен со входом четвертого преобразователя ток-напряжение 15.

Выходы преобразователей 12, 13, 14 и 15 подключены ко входам одноименных детекторов 16, 17, 18 и 19. При этом выход первого детектора 16 соединен со вторыми входами интеграторов 3 и 4. Выходы второго и четвертого детекторов 17 и 19 соответственно подключены к третьим входам интеграторов 3 и 4, а выход третьего детектора 18 - к общему входу ключей 9 и 10.

Выход формирователя импульсов 20 подключен к счетному входу счетчика 21, выход которого, в свою очередь, соединен с третьим входом блока 11. Установочные входы счетчика 21 являются управляющими входами преобразователя. Модулятор 22 располагается на пути светового потока от излучателя 1 к фотодетектору 2.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. С помощью модулятора 22 световой поток излучателя 1, попадающий на четырехквадрантный фотодетектор 2, модулируется с частотой f_м. Преобразователи 12-15 подключаются к соответствующим выходам фотодетектора 2 по определенному правилу. Это правило определяется взаимным расположением квадрантов (на чертеже квадранты обозначены римскими цифрами I, II, III и IV) и их ориентацией относительно координатных осей X и Y. При прохождении координатных осей X и Y через центр фотодетектора 2 первому квадранту (1) соответствует положительное направление осей X и Y, а остальные нумеруются последовательно против часовой стрелки, начиная с квадранта I.

Напряжение на выходах преобразователей ток-напряжение 12-15 повторяют закон изменения светового потока. При этом фаза напряжения на выходе преобразователя ток-напряжение 14 сдвинута на половину периода по сравнению с фазой напряжения на выходах преобразователей ток-напряжение 12, 13 и 15. Амплитуды напряжений на выходах этих преобразователей прямо пропрямопорциональны световому потоку, попадающему на соответствующий элемент четырехквадрантного фотодетектора 2, а амплитуда напряжения на выходе блока 14 прямопропорциональна суммарному световому потоку, попадающему на все четыре квадранта фотодетектора 2 (это происходит вследствие подключения входа преобразователя 14 к общей точке четырехквадрантного фотодетектора 2). Знак напряжения на выходе детектора 18 противоположен знаку напряжения на выходах детекторов 16, 17 и 19.

Координаты центра светового потока относительно центра четырехквадрантного фотодетектора 2 определяются следующими выражениями:

x = kU_x= k = k

(1)

y = kU_y= k = k

(2) где К - коэффициент передачи преобразователя, U = U₁ + U₂ + U₃ + U₄;

U₁, U₂, U₃, U₄ - напряжения на выходах соответствующих детекторов.

Обозначая U"_x = U₁ + U₄; U"_y = U₁ + U₂, получим следующие выражения:

x= K² ; y= K

(3)

В составе предлагаемого преобразователя можно выделить два идентичных канала преобразования: канал преобразования координаты X (интегратор 4, устройство 6, преобразователь 8, ключ 10) и канал преобразования координаты Y (интегратор 3, устройство 5, преобразователь 7 и ключ 9), являющихся итерационными преобразователями отношения напряжений в интервал времени. В установившемся режиме интервалы времени T"_x и T"_y определяются выражениями:

T = T_ц; T= T_ц (4) При этом интервал времени T_ц формируется при помощи формирователя 20 и счетчика 21 и определяется выражением

T_ц= (5) где N - значение кода, задаваемого на входе преобразователя в зависимости от необходимого интервала усреднения. Подставляя (4) в (3) можно получить

x = K - 1; y = K- 1 (6)

Последние выражения можно переписать в виде

T_x= X = 2T- T_ц;

T_y = 2T"_y - T_ц . (7) Таким образом, предлагаемый преобразователь обеспечивает более высокую точность преобразования, обусловленную рядом причин:

- обеспечением режима короткого замыкания для квадрантного фотодетектора 2 за счет подключения всех его выходов к входам преобразователей ток-напряжение, находящихся под потенциалом общей точки преобразователя, что позволяет получить низкий уровень шумов на выходах фотодетектора 2;

- отсутствием в схеме сумматора, точность коэффициента преобразования которого в прототипе задавалась пятью резисторами;

- устранением влияния фоновой засветки, температурных дрейфов фототоков четырехквадрантного фотодетектора и аддитивных погрешностей на входе устройства путем введения модуляции светового потока и обеспечения работы устройства на переменном токе.

Кроме того, важным преимуществом предлагаемого двухкоординатного преобразователя перемещений в код является простота его настройки, обусловленная отсутствием сумматора и использованием меньшего количества подстроечных резисторов.