КОДОВАЯ ШКАЛА
CODE SCALE

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к аналого-цифровому преобразованию, а именно к кодовым шкалам преобразователей угловых перемещений в код.
В настоящее время и в перспективе одной из актуальных и технически сложных задач является цифровое измерение угловых перемещений подвижных органов многочисленных систем автоматического управления различными объектами. Эту функцию выполняют цифровые преобразователи угла (ЦПУ).
Развитие ЦПУ - поставщиков первичной информации в значительной степени обусловлено повсеместным использованием управляющих микро-ЭВМ и различных вычислительных устройств на основе микропроцессорных и других больших и сверхбольших интегральных схем.
В целом к этому классу изделий, отличающемуся большим разнообразием, предъявляется совокупность самых различных и, как правило, высоких технических требований.
Анализ литературных источников позволяет отметить у преобразователей с непосредственным преобразованием перемещения в код, основанных на считывании с использованием пространственного кодирования, следующие достоинства: возможность использования различных физических методов считывания информации, высокое быстродействие, для преобразователей углового перемещения высокая скорость вращения кодируемого вала (100…150 об/мин), высокая разрешающая способность (до 20 и более двоичных разрядов), устойчивость к воздействию внешних дестабилизирующих факторов, возможность удовлетворения различным условиям применения, возможность функционального преобразования перемещения в код и другие. Основным элементом таких преобразователей, определяющим их наиболее важные характеристики, является кодовая шкала (КШ).
Элементарный участок (квант) кодовой дорожки (КД) шкалы представляется, как правило, одним двоичным символом, где единичным символам соответствуют активные участки шкалы, а нулевым - пассивные.
Учитывая, что ЦПУ, построенные по методу считывания, могут быть реализованы на различных физических способах считывания информации, под активными и пассивными элементарными участками КД шкалы понимают соответственно токопроводящие и нетокопроводящие участки шкалы при контактном методе съема информации, прозрачные и непрозрачные участки шкалы при фотоэлектрическом методе съема информации, наличие металлической обкладки и изоляции на участках шкалы при емкостном методе съема информации, наличие и отсутствие магнитного материала на участках шкалы при электромагнитном методе съема информации и т.д.
Известно [1, 2], что фотоэлектрический метод считывания информации обеспечивает наивысшую разрешающую способность преобразования, большое быстродействие, дает возможность реализовать в ЦПУ многие высокие эксплуатационные характеристики и надежность.
Современные малогабаритные высоко разрядные фотоэлектрические ЦПУ (ФЦПУ) содержат подвижный растр (кодовую шкалу с регулярным рисунком кодовых дорожек) и систему считывания, состоящую из излучающей (передающей) и приемной частей. Излучающая система содержит источник излучения, а приемная - неподвижный растр и считывающие элементы (СЭ) - фотоприемники (ФП). Растры представляют собой диски из оптически прозрачного материала, расположенные соосно и параллельно, на обращенных друг к другу поверхностях которых методом фотолитографии нанесены маски с соответствующим рисунком КШ.
В настоящее время технологические комплексы для формирования рисунка КД позволяют создавать линейные размеры щелей в единицы микрометров с погрешностью в десятые доли микрометров. Для считывания информации с КД ширина щели χ неподвижного растра должна обеспечивать прохождение достаточной мощности излучения. Поэтому на младших дорожках, где ширины считывающих щелей недостаточно, обычно в пределах размеров чувствительной площадки ФП формируют группу щелей с шагом, равным периоду подвижного растра. Для этого линейная величина периода растра должна быть меньше размера ФП. В этом случае при оценке энергии, проходящей через такую группу, удобно пользоваться понятием эквивалентной щели, ширина которой при известном количестве щелей группы k составит kχ. Известно, что при проектировании КШ ФЦПУ для формирования надежного сигнала с ФП нужно обеспечивать ширину эквивалентной щели не менее 60 мкм, а ширину одной градации - не менее 4 мкм при высоте 400 мкм.
Известны кодовые шкалы, используемые в шкально-матричных ЦПУ [1]. Такие КШ в отличие от классического варианта шкальных ЦПУ с числом кодовых дорожек, примерно равным разрядности n ЦПУ, содержат лишь несколько КД. При этом каждая КД имеет рисунок, соответствующий не одному разряду, а нескольким разрядам, каждый из которых соответствует ее определенному участку.
Недостатком кодовых шкал, используемых в шкально-матричных ЦПУ, является нерегулярность рисунка младших КД, что накладывает ограничения на габариты и массу КШ, ухудшая их технологичность. Особенно этот недостаток проявляется в ФЦПУ.
Таким образом, КШ с любым не регулярным рисунком КД, в отличие от регулярных, не позволяют создавать группы щелей в пределах одного СЭ в целях увеличения площади засветки ФП. Это накладывает существенное ограничение на минимальное значение ширины щели неподвижного растра, а значит на габариты и массу КШ и, как следствие, на массогабаритные показатели ЦПУ в целом.
Наиболее близкой по техническому решению и выбранной авторами за прототип, является кодовая шкала для ЦПУ, маска которой выполнена в обычном двоичном коде [2] - стр.25-27. Такая КШ имеет регулярный рисунок всех КД, и может быть реализована практически с использованием всех известных физических способов считывания информации. Особенно преимущества кодовой шкалы, маска которой выполнена в обычном двоичном коде, проявляются при использовании ее в составе ФЦПУ.
Недостатки прототипа.
Низкая технологичность КШ, маска которой выполнена в обычном двоичном коде, объясняется тем, что в классическом варианте построения таких шкал число кодовых дорожек равно ее разрядности. Поэтому масса и габариты КШ в основном определяются диаметром шкалы и с увеличением разрядности также возрастают. При этом, как следствие, ухудшается технологичность такой шкалы.
В предлагаемом изобретении решается задача повышения технологичности кодовой шкалы за счет уменьшения ее массогабаритных показателей.
(i-1)
i
i
i
i
m
Для достижения технического результата в кодовой шкале, содержащей m информационных кодовых дорожек и n=2m считывающих элементов, все информационные кодовые дорожки выполнены в соответствии с символами двоичной последовательности 0011 длиной 4, причем i-я информационная кодовая дорожка (i=1, 2, …, m) выполнена в соответствии с символами N=4 периодов двоичной последовательности, вдоль каждой из информационных кодовых дорожек размещены по два считывающих элемента с угловым шагом, кратным δ=360°/4, за исключением кратности 4δ, где δ величина кванта i-ой информационной кодовой дорожки, а δ одновременно величина разрешающей способности кодовой шкалы, выходы n считывающих элементов определяют выходную разрядность кодовой шкалы.
Новым в предлагаемом изобретении является:
(i-1)
- совместное выполнение маски кодовой шкалы в виде т информационных кодовых дорожек: все информационные кодовые дорожки выполнены в соответствии с символами двоичной последовательности 0011 длиной 4, причем i-я информационная кодовая дорожка (i=1, 2, …, m) выполнена в соответствии с символами N=4 периодов двоичной последовательности, где единичным символам последовательности соответствуют активные участки шкалы, а нулевым - пассивные;
i
i
i
i
i
- размещение на кодовой шкале n=2m считывающих элементов, причем вдоль каждой из информационных кодовых дорожек размещаются по два считывающих элемента с угловым шагом, кратным δ=360°/4, за исключением кратности 4δ, где δ величина кванта i-й информационной кодовой дорожки (исключение из вариантов размещения СЭ с кратностью 4δ обусловлено невозможностью получения с КД, при таком размещении, различимых кодовых комбинаций);
m
m
- обеспечение разрешающей способности кодовой шкалы δ=360°/4, являющейся одновременно величиной кванта m-й информационной кодовой дорожки.
Совокупность существенных признаков в предлагаемом изобретении позволила:
повысить технологичность кодовой шкалы, выражающуюся в двойном уменьшении ее габаритов и, как следствие, уменьшении массы шкалы, за счет совместного соответствующего выполнения кодовой маски шкалы в виде m информационных кодовых дорожек, а также соответствующего размещения на них n=2m считывающих элементов.
В результате этого можно сделать вывод о том, что предлагаемое изобретение обладает изобретательским уровнем и позволяет получить технический результат.
Изобретение является новым, так как из уровня техники по доступным источникам информации не выявлено аналогов с подобной совокупностью признаков.
Изобретение является промышленно применимым, так как может быть использовано во всех областях, где требуется высокоточное позиционное определение углового положения объекта с использованием ЦПУ на основе заявляемых кодовых шкал. Особенно перспективным представляется применение заявляемых кодовых шкал в ФЦПУ.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, где показана линейная развертка шестиразрядной кодовой шкалы.
Заявляемая кодовая шкала содержит информационную кодовую дорожку 1, вторую информационную кодовую дорожку 2, третью информационную кодовую дорожку 3, считывающие элементы 4-9 (n=6).
Поясним вариант построения информационных кодовых дорожек шкалы, приведенной на чертеже.
1
1
В примере информационная кодовая дорожка 1 шкалы построена в соответствии с символами двоичной последовательности 0011 длиной 4. Последовательность должна быть нанесена на шкалу в виде пассивных (нули последовательности) и активных (единицы последовательности) участков (квантов) информационной кодовой дорожки 1, например, по ходу часовой стрелки, причем на информационную кодовую дорожку 1 шкалы наносится только один период последовательности. Последовательность с длиной 4 определяет число квантов информационной кодовой дорожки 1 шкалы, которое в данном примере равно 4. Отсюда величина кванта δ=360°/4=90°. В примере размещение СЭ 4 и 5 вдоль информационной кодовой дорожки 1 осуществляется с шагом, равным величине одного кванта информационной кодовой дорожки δ, по ходу часовой стрелки.
2
2
На чертеже вторая информационная кодовая дорожка 2 шкалы построена в соответствии с символами той же двоичной последовательности, что и первая. При этом, последовательность должна быть нанесена на КШ в виде пассивных (нули последовательности) и активных (единицы последовательности) участков (квантов) информационной кодовой дорожки 2, например, по ходу часовой стрелки, причем на информационную кодовую дорожку 2 шкалы наносятся N=4 периода последовательности. Четыре периода двоичной последовательности длиной 4 определяют число квантов второй информационной кодовой дорожки 2 шкалы, которое в данном примере равно 16. Отсюда величина кванта второй информационной кодовой дорожки 2 δ=360°/16=22,5°. В примере размещение СЭ 6 и 7 вдоль информационной кодовой дорожки 2 осуществляется с шагом, равным 5δ, по ходу часовой стрелки.
3
3
На чертеже третья информационная кодовая дорожка 3 шкалы построена в соответствии с символами той же двоичной последовательности, что первая и вторая. При этом, последовательность должна быть нанесена на КШ в виде пассивных (нули последовательности) и активных (единицы последовательности) участков (квантов) информационной кодовой дорожки 3, например, по ходу часовой стрелки, причем на информационную кодовую дорожку 3 шкалы наносятся N=16 периодов последовательности. Шестнадцать периодов двоичной последовательности длиной 4 определяют число квантов третьей информационной кодовой дорожки 3 шкалы, которое в данном примере равно 64. Отсюда величина кванта информационной кодовой дорожки 3, а также одновременно величина разрешающей способности кодовой шкалы δ=360°/64=5,625°. В примере размещение СЭ 8 и 9 вдоль информационной кодовой дорожки 3 осуществляется с шагом, равным 5δ, по ходу часовой стрелки.
В нашем примере суммарная разрядность, обеспечиваемая первой 1, второй 2 и третьей 3 информационными кодовыми дорожками при рассмотренном выше размещении СЭ, будет равна 6.
3
Фиксируя считывающими элементами 4-9 последовательно кодовую комбинацию, при перемещении КШ циклически на один элементарный участок (квант) δ третьей информационной кодовой дорожки 3, например, против хода часовой стрелки, получаем 64 различные шестиразрядные кодовые комбинации, которые соответствуют 64 угловым положениям шкалы. Эти кодовые комбинации приведены в таблице.
Таблица
№ пол. КШ
Двоич. код
Дес. экв.
№ пол. КШ
Двоич. код
Дес.экв
№ пол. КШ
Двоич. код
Дес. экв
№ пол. КШ
Двоич. код
Дес. экв
1
000000
0
17
010000
16
33
110000
48
49
100000
32
2
000001
1
18
010001
17
34
110001
49
50
100001
33
3
000011
3
19
010011
19
35
110011
51
51
100011
35
4
000010
2
20
010010
18
36
110010
50
52
100010
34
5
000100
4
21
010100
20
37
110100
52
53
100100
36
6
000101
5
22
010101
21
38
110101
53
54
100101
37
7
000111
7
23
010111
23
39
110111
55
55
100111
39
8
000110
6
24
010110
22
40
110110
54
56
100110
38
9
001100
12
25
011100
28
41
111100
60
57
101100
44
10
001101
13
26
011101
29
42
111101
61
58
101101
45
11
001111
15
27
011111
31
43
111111
63
59
101111
49
12
001110
14
28
011110
30
44
111110
62
60
101110
48
13
001000
8
29
011000
24
45
111000
56
61
101000
40
14
001001
9
30
011001
25
46
111001
57
62
101001
41
15
001011
11
31
011011
27
47
111011
59
63
101011
43
16
001010
10
32
011010
26
48
111010
58
64
101010
42
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить технологичность кодовой шкалы, за счет двукратного уменьшения ее габаритов и, как следствие, уменьшения массы шкалы. При этом в заявляемой кодовой шкале сохраняются все преимущества, присущие исключительно кодовым шкалам с регулярным рисунком кодовых дорожек.
Литература
1. Домрачев В.Г., Мейко Б.С. Цифровые преобразователи угла: принципы построения, теория точности, методы контроля. - М.: Энергоатомиздат, 1984, 328 с.
2. Фотоэлектрические преобразователи информации / Л.Н. Преснухин, С.А. Майоров, И.В. Меськин, В.Ф. Шаньгин. Под ред. Л.Н. Преснухина. - М.: Машиностроение, 1974, 375 с. (прототип - стр.25-27).