ИЗМЕРИТЕЛЬ УГЛА ПОВОРОТА

Предлагаемый измеритель угла поворота относится к областям измерительной техники и оптического приборостроения, где требуется высокая точность измерения угла поворота и угловой скорости, и может найти применение в метрологии, в измерительных системах и системах управления различными объектами.
Известна техническая реализация измерителя на основе оптического преобразователя «угол поворота - код», названного авторами угловым преобразователем, по [1] патенту РФ №2433413 «Способ повышения точности измерения угла поворота». Патент на это изобретение был выдан авторам предлагаемой полезной модели, приоритет от 15.07.2010 г., раздел МПК G01P 3/36. Техническим результатом от использования указанного изобретения является радикальное повышение точности измерений угла поворота при одновременном снижении сложности углового преобразователя, стоимости преобразователя за счет снижения требований к точности изготовления подшипникового узла и снижения эксплуатационных расходов, т.к. не требуется периодических переаттестаций файла коррекции преобразователя, вследствие того, что в преобразователе предусмотрено с целью коррекции результатов измерений непрерывное отслеживание величины радиальных биений подшипников.
Указанный преобразователь содержит радиальный растр, считывающую головку, сопряженную с упомянутым радиальным растром, котировочную окружность, нанесенную на общий с радиальным растром материальный носитель (заготовка из стекла), устанавливаемый на торец вращающегося вала, измерительную головку, сопряженную с юстировочной окружностью, блок оцифровки и масштабирования, блок формирования текущей координаты, блок памяти и блок коррекции результата измерения.
В этом преобразователе процесс измерения угла поворота состоит из двух одновременно выполняемых подопераций: измерения угла поворота растра и измерения линейного смещения оси вращения растра в радиальном направлении. При этом измерение угла поворота выполняет считывающая головка, сопряженная с радиальным растром, а измерение величины смещения оси вращения выполняет измерительная головка, сопряженная с юстировочной окружностью и смещенная по образующей растра на 90° относительно позиции считывающей головки. Позиционно-чувствительный элемент измерительной головки собран на базе трехщелевого приемника. При этом измерение угла поворота реализуется по известным алгоритмам с использованием т.н. квадратурных сигналов. В этом случае считывающая головка содержит, например, четыре индексных растра, которые нанесены со сдвигом на ¼ периода радиального растра относительно друг друга и с которыми сопряжены четыре фотоприемника, формирующие выходные электрические сигналы:
1
0
m
U=U+Usinθ
2
0
m
U=U+Usin(θ+180°)
3
0
m
U=U+Ucosθ
4
0
m
U=U+Ucos(θ+180°),
где θ - фаза выходного сигнала фотоприемников
d - период радиального растра, ΔL=R·Δφ - смещение радиального растра по дуге радиусом R в пределах углового сектора Δφ поворота вала, R - средний радиус радиального растра, е(Ф) - смещение центра симметрии растра, вызванное эксцентриситетом е установки растра на вал и биением подшипников вала в пределах угла поворота вала Ф, а δ - угловая погрешность формирования радиального растра.
Для формирования квадратурных сигналов в считывающей головке производят попарное вычитание выходных сигналов фотоприемников следующим образом:
1
2
0
m
0
m
m
U-U=U+Usinθ-U-Usin(θ+180°)=2Usinθ
3
4
0
m
0
m
m
U-U=U+Ucosθ-U-Ucos(θ+180°)=2Ucosθ
Из аналоговых квадратурных сигналов формируются логические сигналы для управления реверсивным счетом целого числа оборотов или четвертей оборота. Для получения информации о смещении растра в пределах одного периода радиального растра используются различные алгоритмы интерполяции. В последнее время наибольшее распространение получил т.н. арктангенсный алгоритм
i
i
i
Для интервала (-45°<θ<45°) значение функции tgθ не превышает ±1. В этом интервале текущее значение θ определяется с наибольшей точностью.
i
i
Однако, как следует из (1), измеренное значение θ отличается от истинного углового смещения Δφ на величину . Величину  получают в результате выполнения второй подоперации - измерения смещения центра симметрии растра, которую получают в блоке оцифровки и масштабирования по сигналам измерительной головки, а вторую (δ) - с помощью специальной углоизмерительной установки при поверке изготовленного радиального растра, при этом файл данных о погрешности изготовления радиального растра заносят предварительно в блок памяти, из которого эти данные считываются в соответствии с текущей угловой координатой, сформированной в блоке формирования текущей координаты и передают в блок коррекции результата измерения для получения истинного значения угла поворота.
Для выполнения второй подоперации с помощью позиционно-чувствительного элемента, собранного на базе трехщелевого приемника, формируют выходной сигнал измерительной головки. В этом приемнике каждая щель смещена относительно соседней в радиальном направлении на половину собственной ширины.
Сделанные в описании к патенту оценки возможности коррекции биений растра диаметром 160 мм показали, что при чувствительности измерительной головки 6…8 нм угловое положение штрихов растра определяется с погрешностью не хуже 0,015″. Однако данные показатели (чувствительность измерительной головки и погрешность измерения угла) достигаются при условии применения специальных фотоприемных устройств типа фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), которые обеспечивают высокое качество детектирования границ штрихов при низком уровне освещенности, определяемой выбранной шириной щели приемника. Сами по себе ФЭУ имеют значительные габариты, являются сложными и дорогостоящими устройствами. Поэтому измерители угла поворота с подобными фотоприемными устройствами целесообразно использовать при лабораторных исследованиях, в измерительных головках стационарных установок типа компараторов или коодинатно-измерительных машин. В считывающих головках угловых преобразователей широкого применения, как правило, используются малогабаритные кремниевые фотодиоды или интегральные матрицы, используемые всегда совместно с последующим электронным усилителем. В таких случаях не удается получить указанные выше величины чувствительности измерительной головки и погрешности измерения угла поворота из-за низкого соотношения «сигнал-шум» на выходе электронного усилителя. Улучшить отношение «сигнал-шум» на выходе данной измерительной головки удается, если увеличить световой поток, проходящий на светочувствительную поверхность фотодиода через щелевую диафрагму. В результате этого амплитуда сигнала на выходе фотоприемника увеличится и потребуется меньшее значение коэффициента усиления в последующем усилителе. Соответственно уменьшится вклад шумов первых каскадов усилителя и возрастет отношение «сигнал-шум» в выходном сигнале. Однако простое увеличение ширины окон трехщелевого приемника приводит к пропорциональному уменьшению чувствительности измерительной головки к смещениям растра.
В предлагаемом решении достигается высокая чувствительность измерительной головки при использовании в качестве фоточувствительных элементов указанных выше, недорогих, малогабаритных, кремниевых фотодиодов.
Для этого в измеритель угла поворота содержащий радиальный растр, считывающую головку, сопряженную с упомянутым радиальным растром, измерительную головку, контролирующую радиальные биения растра, обусловленные эксцентриситетом вклейки растра на вал и биениями подшипников вала, блок оцифровки и масштабирования, блок формирования текущей угловой координаты, блок памяти и блок коррекции результата измерения, дополнительно включен кольцевой растр, сопрягаемый с упомянутой измерительной головкой, и наносимый соосно с радиальным растром в одном технологическом цикле на общий материальный носитель (например, подложка из стекла).
Технический результат повышения чувствительности измерительной головки при использовании малогабаритных фотоприемников (например, кремниевых фотодиодов и фотоматриц) в предлагаемом решении достигается путем замены юстировочной окружности, используемой в прототипе, на кольцевой растр. При этом вместо трехщелевого приемника используется система на основе четырех индексных растров, имеющих одинаковые с кольцевым растром периоды следования концентрических дуг и которые смещены относительно друг друга на четверть периода следования дуг, как показано на фиг.1.
2
2
Предлагаемый угловой преобразователь (фиг.2) содержит радиальный растр 1, считывающую головку 2, сопряженную с упомянутым радиальным растром, кольцевой растр 3 и сопряженную с ним измерительную головку 4, контролирующую радиальные биения растра 1, обусловленные эксцентриситетом вклейки растра на вал и биениями подшипников вала, блок оцифровки и масштабирования 5, блок формирования текущей угловой координаты 6, блок памяти 7 и блок коррекции результата измерения 8. При этом истинное значение угла поворота получают на выходе блока 8, на основании данных поданных на его входы с выходов блоков 5, 6 и 7, соответственно. В блок памяти 7 через шину 9 записывается файл данных о погрешностях используемого радиального растра, который получают на специальной углоизмерительной установке. Если в кольцевом растре предлагаемого измерителя период следования концентрических окружностей выбран, например, 10 мкм, то при скважности заполнения периода k=2 ширина окон индексных растров будет равна ширине окон трехщелевого приемника. При габаритах кремниевых фотодиодов 1×1 мм в каждом индексном растре может быть размещено до 10 отрезков дуг. Это приведет к тому, что при так называемом обтюрационном сопряжении (См., например, [2]. Преснухин Л.Н., Майоров С.Ф., Меськин И.В., Шаньгин В.Ф. Фотоэлектрические преобразователи информации / Под редакцией д.т.н. Преснухина Л.Н., М.: Машиностроение 1974. 376 с.) растров амплитуда выходного сигнала измерительной головки может в идеальном случае возрасти практически на два десятичных порядка. Однако обтюрационное сопряжение позволяет формировать сигнал, близкий к треугольному, который из-за значительных нелинейностей вблизи экстремумов трудно подвергать глубокой интерполяции. Поэтому в измерительных головках растровых преобразователей (линейных и угловых) чаще всего используют т.н. муаровое сопряжение растров (См. в [2]), которое позволяет формировать почти синусоидальный сигнал. Но в муаровых сопряжениях контраст полос не превышает 70…75% от максимума. При оценке качества улучшения отношения «сигнал-шум» на выходе измерительной головки необходимо учитывать также и то, что с индексными растрами сопрягаются фотоприемники соответственно увеличенных размеров и, по этой причине, отношение «сигнал-шум» на выходе самих фотоприемников сохраняется приблизительно одинаковым, как и в случае с трехщелевым приемником. Выигрыш в соотношении «сигнал-шум» на выходе усилителя достигается за счет уменьшения необходимого усиления и соответствующего снижения вклада шумов от первых каскадов усилителя. В результате в выходном сигнале измерительной головки, использующей индексные растры и традиционные кремниевые фотоприемники, отношение «сигнал - шум» улучшится не менее, чем в 15…20 раз, по сравнению с ситуацией, когда взамен ФЭУ используется трехщелевой приемник на основе кремниевых фотоприемников, соответствующих размеров.
Покажем на примере, что замена юстировочной окружности на кольцевой растр, сопрягаемый с четырьмя индексными растрами, имеющими одинаковые периоды следования дуг, улучшает метрологические качества измерительной головки.
10
Пусть период следования концентрических окружностей в кольцевом растре, как упоминалось выше, составит 10 мкм. Растры с таким периодом следования штрихов относятся к мелким растрам. В этой ситуации выходные сигналы считывающих головок, индикаторные растры которых сопрягаются с упомянутым растром по принципу муаровых сопряжении, имеют незначительные нелинейные искажения формы выходных сигналов и позволяют реализовывать коэффициенты интерполяции до 2. При периоде следования окружностей в кольцевом растре, равном 10 мкм, это соответствует чувствительности измерительной головки на уровне 10 нм. Т.е. при использовании муаровых растровых сопряжении и стандартных кремниевых фотодиодов удается сохранить ту чувствительность, которая была получена в трехщелевом приемнике с использованием специальных ФЭУ.
Если же вместо юстировочной окружности использовать кольцевой растр на основе круговой дифракционной решетки, у которой период следования окружностей будет составлять, например, 1,2 мкм, то можно резко увеличить чувствительность измерительной головки к радиальным смещениям растра.
12
Пусть круговая дифракционная решетка освещается излучением иттербиевого волоконного лазера (длина волны λ=1,048 мкм). В этой ситуации результат взаимодействия излучения со структурой, период которой равен 1,2 мкм, даст только три направления дифракции излучения: нулевой и ±1 порядки дифракции, расходящиеся под углом ≈60°. Если эти порядки привести к интерференции, то результат взаимодействия будет представлять собой практически идеальный гармонический сигнал с удвоенной по сравнению с периодом структуры частотой. Известно, что в дифракционных интерферометрах достигнуты коэффициенты интерполяции порядка 2 (т.е.=4096). Следовательно, чувствительность измерительной головки, реализующей в своей основе дифракционный интерферометр, будет достигать 0,12 нм. Это создает предпосылки для измерения углов с высокой точностью не только в преобразователях с радиальными растрами большого диаметра, но впервые создаст условия для повышения точности измерений в преобразователях с растрами малого диаметра.