ДАТЧИК ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ УГЛОВОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ
SENSOR TO MEASURE PARAMETERS OF ANGULAR SHIFT

Изобретение относится к технике измерения перемещения, а именно к датчикам, предназначенным для измерения параметров углового перемещения объектов.
В литературе описаны устройства, предназначенные для измерения углового перемещения объектов различного назначения.
Так, например, оптический датчик угла гироскопа [1] включает источник света, фотодиоды и экран, закрепленный на оси вращения карданной рамы гироскопа и установленный между источником света и фотодиодами. Экран представляет собой полупрозрачный диск с двумя концентрическими дорожками в виде полуокружностей, расположенных по разные стороны от плоскости симметрии клинообразного диска. Датчик предназначен для формирования аналогового электрического сигнала при повороте оси вращения карданной рамы гироскопа.
Датчик угла, входящий в состав компенсационного акселерометра [2], содержит источник света и дифференциальный приемник света, расположенные друг против друга с размещением экранирующего элемента между ними, при этом настройка нулевого сигнала датчика угла акселерометра выполнена электрическим способом.
Недостатком рассмотренных оптических датчиков угла является возможность измерения с их помощью только величины углового перемещения контролируемого объекта, а также невысокая точность измерения.
Наиболее близким по технической сущности являются оптические датчики угла поворота (энкодеры) марки Signum RESM, REXM и RESR [3]. Они включают светодиод, создающий световой поток, падающий на шкалу, нанесенную на линейку в виде узкой пластины из инвара с низким коэффициентом расширения и имеющую оптическую нулевую отметку для автоматической синхронизации, оптическую систему и фотодетектор, считывающий информацию.
Линейка со шкалой крепится на внешнюю поверхность кольца из нержавеющей стали, которое устанавливается на оси вращения контролируемого объекта.
Отраженный световой поток от шкалы линейки проходит через оптическое устройство, формирующее луч считывания, и попадает в считывающую головку SR, реализующую оптическую фильтрацию сигнала, который далее передается по интерфейсу Si в устройство контроля (управления) в виде цифрового сигнала, соответствующего угловому перемещению кольца со шкалой относительно считывающей головки SR.
Энкодер обеспечивает при наименьшем возможном диаметре кольца около 50 мм точность определения угла около 6 угл. сек. с высокой стабильностью в различных внешних температурных условиях.
При необходимости увеличения точности определения угла в n раз требуется увеличить диаметр кольца со шкалой также в n раз, что сказывается на габаритах, массе и моменте инерции конструкции.
Требование к прецизионному изготовлению измерительной шкалы, нанесенной на линейку в виде узкой пластины из инвара, значительно удорожает конструкцию и усложняет технологию ее изготовления, что ограничивает ее широкое использование в системах специального назначения. Кроме того, энкодер обеспечивает измерение только значения углового перемещения контролируемого объекта. Измерительная шкала энкодера не защищена от воздействия пыли, влаги, грязи, поэтому такой датчик не может использоваться в образцах техники, функционирующих в таких условиях.
Задачей настоящего изобретения является:
- расширение функциональных задач датчика за счет определения, кроме углового перемещения, скорости, ускорения и направления вращения контролируемого объекта при сохранении высокой точности измерения угловых перемещений;
- удешевление датчика за счет использования простой, доступной и недорогой конструкции;
- расширение области применения датчика путем его защиты от воздействия пыли, грязи, влаги.
Сущность изобретения заключается в том, что датчик измерения параметров углового перемещения, включающий измерительную шкалу с нулевой отметкой, механически связанную с осью вращения контролируемого объекта, источник светового потока, устройство считывания и устройство преобразования информации, дополнительно снабжен двойным датчиком Холла с постоянным магнитом, установленным на механической связи между измерительной шкалой и контролируемым объектом и обеспечивающим определение направления его перемещения, измерительная шкала выполнена в виде оптического дискового носителя информации (см., например, системы хранения информации в вычислительной технике на CD ROM [4]), источник светового потока и устройство считывания выполнены в виде системы «лазерный излучатель - приемник», а весь датчик заключен в герметичный корпус.
На фигуре представлена функциональная схема датчика измерения параметров углового перемещения.
Датчик измерения параметров углового перемещения, например башни относительно корпуса объекта вооружения и военной техники (ВВТ), включает в себя корпус 1, оптический дисковый носитель записи 2, систему «лазерный излучатель - приемник» 3, постоянный магнит 4, двойной датчик Холла 5 и устройство преобразования информации 6. Устройство преобразования информации 6 по первому входу соединено с выходом системы «лазерный излучатель - приемник» 3, по второму входу - с выходом двойного датчика Холла 5, по выходу - с потребителем информации.
Ось вращения оптического дискового носителя 2 с использованием механической связи соединена с контролируемым объектом (башней).
Система «лазерный излучатель - приемник» 3 прикреплена к корпусу датчика 1, который, в свою очередь, прикреплен к корпусу объекта.
На дисковый носитель 2 по периметру его окружности записана последовательность 0 и 1 (питов и лендов), играющих роль измерительной шкалы, а также оптическая нулевая отметка, например, в виде последовательности нескольких 1.
При повороте башни на некоторый угол относительно корпуса объекта на этот же угол поворачивается дисковый носитель 2 и система 3 отсчитывает количество 0 и 1 относительно нулевой отметки.
Зная угловой размер питов и лендов можно определить угол поворота диска 2 и, соответственно, башни относительно корпуса объекта, а измеряя одновременно текущее время поворота можно определить скорость и ускорение поворота соответственно.
Установленный двойной датчик Холла 5 (типа TLE4966V) с интегрированными пластинами Холла [5] и постоянный кольцевой магнит 4 с магнитными полюсами на механической связи объекта с оптическим диском позволяет определять направление вращения контролируемого объекта.
Считанные сигналы из системы 3 и датчика 5 поступают на входы устройства преобразования информации 6, которое обрабатывает поступившие сигналы и определяет:
- угол, на который повернулась башня;
- скорость и угловое ускорение вращения башни;
- направление вращения башни.
Далее выходная информация в цифровом виде о параметрах углового перемещения может использоваться системой управления контролируемым объектом.
Процесс считывания информации с дискового носителя 2 подробно рассмотрен в работе [4].
Отсутствие механического контакта между дисковым носителем 2 и системой 3 значительно повышает надежность и долговечность датчика, в связи с чем он может быть использован в системах измерения с большими скоростями взаимного перемещения и там, где необходимо обеспечить минимальные механические потери на трение (например, в гироскопах). Герметичность датчика обеспечивает возможность его применения в сложных внешних условиях (воздействие пыли, влаги, грязи).
В объектах ВВТ рассмотренный датчик измерения параметров углового перемещения может найти применение в перспективных цифровых системах стабилизации вооружения, прицельных комплексах, системах разрешения выстрела, системах измерения и передачи угла, наведения, целеуказания и т.п., где требуется высокая точность, долговечность, быстродействие и многозадачность.
Точность измерения параметров углового перемещения контролируемого объекта зависит от параметров питов и лендов и диаметра дорожки записи на диске.
Для оценки точности измерения параметров углового перемещения сделаем следующие допущения:
- размер в тангенциальном направлении вращения диска одного пита (ленда) зависит от длины волны лазера, используемого для считывания информации, и в типичном случае для дисков типа CD и DVD составляет около w=500 нм;
- размер одного пита (ленда) определяет наименьший возможный измеряемый угол перемещения;
- информация на диске диаметром D записана на радиальной дорожке, расположенной на максимальном расстоянии от центра вращения диска.
С учетом этого точность измерения углового перемещения А можно найти по выражению
где  - количество питов и лендов на окружности диска диаметром D.
Преобразуя выражение (1), получим
Из выражения (2) следует, что больший диаметр диска обеспечивает более высокую точность измерения углового перемещения. Так, при диаметре диска, равном 50 мм, точность измерения углового перемещения составит около 4 угл. сек при принятых допущениях, что сравнимо с точностью датчика [3].
Применение оптических дисковых систем в качестве датчиков измерения параметров угловых перемещений имеет следующие преимущества перед известными устройствами:
- датчик построен на основе известной и отработанной конструкции оптической дисковой системы и датчика Холла;
- варьируя параметрами диска и информацией, записанной на него, можно получить требуемую точность измерения параметров угловых перемещений;
- информацию о параметрах углового перемещения (направлении, значении угла, угловой скорости и ускорении) выдается в реальном масштабе времени в цифровой форме;
- датчик обладает высокой надежностью и долговечностью за счет отсутствия механического контакта между носителем информации и считывающим устройством, а также наличием защиты от пыли, грязи, влаги;
- используя существующую технологию производства оптических дисковых систем, можно с минимальными материальными затратами разработать семейство принципиально новых датчиков различного назначения и точности, которые могут быть использованы в объектах ВВТ и народном хозяйстве.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Воронин Г.М., Сливков Б.В., Гуляев Ю.А. Оптический датчик угла гироскопа. Описание изобретения к авторскому свидетельству. Заявка: 4271585/22, 22.06.1987. Опубликовано: 27.08.2005.
2. Баталин А.С., Новиченко А.В. и др. Компенсационный акселерометр с оптическим датчиком угла. Патент на полезную модель. Заявка: 2012111754/28, 26.03.2012. Опубликовано: 10.09.2012.
3. Бесконтактные энкодеры. Renishaw pic (russia@renishaw.com), 2008.
4. Орлов С.А. Организация ЭВМ и систем. Издательский дом «Питер», 2011. - 686 с.
5. Материалы RUTRONIK Elektronische Bauelemente GmbH: "Hall-Effect Index Counting Switch with Direction Detection". Перевод с английского, 2012 г.