ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
Предлагаемая полезная модель относится к области оптико-электронного приборостроения, а именно, к устройствам измерения углового положения и перемещения объектов.
Известно устройство - аналог для измерения угловых перемещений 1, содержащее подвижную систему, состоящую из вала с жестко закрепленным на нем кодовым лимбом. Лимб представляет собой стеклянное основание с нанесенными на него концентрическими кодовыми дорожками с прозрачными и непрозрачными сегментами. Система считывания информации включает облучающий блок, состоящий из источника излучения и конденсора. Воспринимающий блок - фотоприемное устройство изготовлен совместно со щелевой диафрагмой. В корпусе преобразователя смонтированы электронные схемы, содержащие усилители и дискриминаторы уровней сигналов.
Основным недостатком этого устройства является сложность изготовления кодовых лимбов и связанная с этим большая трудоемкость. Кроме того, недостатком известного устройства является невозможность определения углового положения объекта с высоким разрешением, а также невозможность восстанавливать информацию при каждом цикле опроса.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности является преобразователь угловых перемещений 2, содержащий подвижную систему, состоящую из жестко закрепленного на валу кодового лимба, систему считывания информации, состоящую из последовательно расположенных источника излучения, конденсора, фотоприемного устройства в виде многоэлементного приемника изображения линейного типа, светочувствительная поверхность которого расположена в плоскости, параллельной поверхности кодового лимба, и электронный блок, вход которого связан с выходом фотоприемного устройства. При этом кодовый лимб выполнен таким образом, что угловое расстояние между соседними штрихами определяется зависимостью: где Ф(п-1).п  Фо. 1 +Y«(n-l), фо, 1 - угловое расстояние между нулевым и первым штрихами; у - ностоянная угловая величина, превышающая погрешность определения угла между соседними штрихами; п  1, 2, 3...- порядковый номер нанесенных на лимбе штрихов, за исключением нулевого, при этом:
(Рй, + 9(.-мп    .п .
Основным недостатком прототипа является невозможность иметь постоянную информацию о величине перемещения объекта с достаточно высокой точностью при больших угловых скоростях поворота объекта (до десятков оборотов в секунду). Такие устройства трудно встроить в системы автоматического управления процессом измерения, они успешно работают в разомкнутых системах.
Кроме того, получение высокой точности (до единиц угловых секунд) также сопряжено с большими трудностями, т.к. необходимо проводить линейнокусочную аппроксимацию показаний, снимаемых с многоэлементного приемника линейного типа, обладающего существенной нелинейностью.
Основными задачами предлагаемой полезной модели является расширение функциональных возможностей, связанных с обеспечением надежной работы при больших угловых скоростях поворота объекта, и, как следствие, возможность работы в замкнутых системах автоматического управления процессом измерения, а также упрощение операции по аттестации многоэлементного приемника линейного типа.
Для решения данной задачи предлагается преобразователь угловых перемещений, который содержит подвижную систему, состоящую из жестко закрепленного на валу кодового лимба с неравномерно нанесенными на его диаметре штрихами, систему считывания информации, состоящую из последовательно расположенных источника излучения, конденсора, фотопрмемного устройства линейного типа, а также электронного блока.
Однако, в отличие от прототипа, на кодовом лимбе концентрично с первой нанесена вторая дорожка со штрихами, угловое расстояние между которыми постоянно. Эта дорожка расположена между неподвижным растром с нанесенными на нем четырьмя группами штрихов, сдвинутыми друг относительно друга на четверть углового расстояния между штрихами, и наклеенными на него четырьмя линзами, в фокусе каждой из которых установлен источник излучения, и приемной линзой, в фокусе которой установлен приемник излучения. Выходы фотоприемного устройства линейного типа и приемника излучения связаны с входами блока электронного блока, выходы которого связаны с входами блока сравнения.
Сущность полезной модели заключается в том, что благодаря наличию дополнительной дорожки и соответствующей системы считывания обеспечивается съем информации при больших угловых скоростях вращения лимба (до десятков оборотов в секунду), а блок сравнения, упрощая операцию аттестации приемника линейного типа, осуществляет правильный выбор единиц младшего разряда.
Принцип работы предлагаемого преобразователя угловых перемещений поясняется чертежами и приложением.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема преобразователя угловых перемещений, на фиг. 2 - вид А (на лимб) на фиг. 1, в приложении приведена таблица с примером нанесения штрихов на лимбе.
Преобразователь угловых перемещений (фиг. 1) содержит источник излучения 1, конденсор 2, кодовый лимб 3, фотоприемное устройство 4 линейного типа, источник излучения 5 (в количестве четырех), линзы 6 (в количестве четырех), растр 7, приемную линзу 8, приемник излучения 9 (обычно фотодиод), электронный блок 10 и блок сравнения 11. На фиг. 2 обозначения те же, что и на фиг. 1, кроме того показаны штрихи 12, нанесенные на дорожке 13 (Di), шаг между которыми неравномерен,.штрихи 14, нанесенные на дорожке 15 (D2), шаг между которыми постоянен, фоточувствительные элементы 16 фотоприемного устройства 4 линейного типа, а также фоточувствительный элемент 17, принятый за репер.
ccamu-i
Устройство работает следующим образом:
Источник излучения 1 (фиг. 1) с номощью конденсора 2 освещает щтрихи 12 (фиг. 2), нанесенные на поверхности кодового лимба 3 (дорожка диаметром DI). Их теневое изображение образуется на фоточувствительных элементах 16 многоэлементного приемника изображения 4 (фиг. 1), один из элементов которого, например, 17 приняли за репер. В фотоприемном устройстве 4 осуществляется преобразование пространственного расположения изображений щтрихов во временную последовательность амплитудно-модулированных видеоимпульсов, взаимное временное положение которых однозначно соответствует расстоянию между спроецированными на фоточувствительные элементы 16 штрихами. В электронном блоке осуществляется расчет угловых расстояний между щтрихами.
Пусть, например, на лимбе 3 (фиг. 2) угловые расстояния между соседними штрихами определяются зависимостью S(n.i), „ - So,-i + у  (n - 1), при этом угловое расстояние между нулевым и первым штрихами SQ, i  12, постоянная величина у  0,75 (45), а п  225 (нулевой и 225-й штрихи совпадают). Радиус, на котором нанесены штрихи, равен Di/2. Тогда в соответствии с выше указанной зависимостью можно составить таблицу 1 (см. Приложение ).
Пусть фоточувствительный элемент 17, принятый за репер, находится между штрихами №6 и №7. Вся таблица находится в запоминающем устройстве электронного блока 10 (фиг. 1). Так как временная последовательность амплитудномодулированных видеоимпульсов, формируемых в фотоприемном устройстве 4 линейного типа, однозначно соответствует линейному расстоянию между штрихами лимба, то легко вычисляются расстояние Ьб,р между центром штриха 6 (фиг. 2) и центром реперного фоточувствительного элемента 17 (р) и расстояние Ьб, между центрами штрихов 6 и 7.
По линейному расстоянию Ьб.у определяется угловое расстояние Sg.y между штрихами:
i(i€dma
По угловому расстоянию 8б,7 из памяти берется угловое расстояние So.6 между нулевым и шестым штрихами (табл. 1) и определяется угловое положение С объекта (см. фиг. 2):
С  So,6 + arctg(2. L6,p/Di)
Пусть, например, D  110м, а Ьб,р  0,135мм.
Тогда С  83,25 + arctg (2  0,135/110)  83,25 + 8,45  91,7  1° 31 42.
Одновременно с вышеописанным каналом получения информации об угловом положении объекта работает и другой канал, а именно: источники излучения -5, каждый из которых находится в фокусе своей линзы 6, облучают их модулированным с определенной частотой ю светом. При этом каждое облучение сдвинуто друг относительно друга на четверть периода. Из линз 6 выходят параллельные пучки света, облучающие растр 7, на котором против каждой линзы нанесены группы штрихов, имеюш,ие тот же шаг, что и штрихи, нанесенные на дорожке 15. Эти группы сдвинуты друг относительно друга на четверть углового шага. Приемная линза 8 собирает все параллельные пучки, прошедшие растр 7 и лимб 3 и фокусирует их на фоточувствительной поверхности приемника излучения 9. В результате сигнал, снимаемый с приемника излучения 9, будет иметь вид:
. J  Jo cos (cot - 9),
Где Jo - амплитуда переменного сигнала, величина которой зависит от ряда параметров конкретных оптической и электрической схем преобразователя.
9 - фаза сигнала, зависящая от взаимного положения подвижного лимба 3
относительно растра 7.
При повороте лимба 3 на один угловой шаг фаза 9 изменяется на 2тс. Например, если на дорожке 15 нанесено 21600 штрихов, то один шаг равен 1 угловой минуте (60). Таким образом, фаза сигнала будет изменяться на 2тс при повороте лимба 3 на угол, равный 60. При повороте лимба на одну угловую секунду (1) фаза сигнала изменится на шесть электрических градусов (6°). В  ь
зультате, по данному каналу легко может быть снята информация о повороте лимба 3 с дискретностью 1. При снятии и повторном включении питания информация о положении лимба в пределах одного шага будет сохраняться.
Итак, предположим, что мы сняли информацию о положении лимба с двух каналов. По первому из описанных каналов мы, например, получили 1° ЗГ 42, а по второму 48. Блок сравнения сравнит эти данные и выдаст окончательный результат: угол поворота лимба 3 равен 1° 3 Г 48.
Дело в том, что второй из описанных каналов, работает по большому количеству штрихов и является более точным. Если, например, по первому каналу мы получим результат 37° 15 3, а по второму 52, то окончательно блок сравнения выдаст результат 37° 14 52. Т.е. блок сравнения с учетом погрешности работы более грубого и более точного каналов будет к показаниям либо прибавлять Г, либо убавлять Г, либо сохранять значение минут, выданных по первому каналу. Значение секунд всегда будет браться по точному каналу.
Таким образом, предлагаемый преобразователь угловых перемещений, предназначенный для измерения углов поворота и углового положения объекта, в отличие от прототипа, позволяет работать с высоким разрешением на больших скоростях (десятки оборотов в секунду). Кроме того, исчезает необходимость в очень точной аттестации фотоприемного устройства линейного типа, что также является суш,ественным преимуш;еством предлагаемого устройства.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1.л.и. Преснухин и др.: «Фотоэлектрические преобразователи информации. М. Машиностроение. 1974г., с. 298-299 (аналог)
2.Патент № 2120105, приоритет от 11.06.96 г., опубликован 10.10.98 (прототип).
(:/6