АБСОЛЮТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛА (ВАРИАНТЫ)
ABSOLUTE ANGLE TRANSDUCER (VERSIONS)

Предлагаемое устройство относится к области измерительной техники и может быть использовано в автоматике, станкостроении, приборостроении, робототехнике, системах слежения и других областях техники.
Известны многочисленные прецизионные преобразователи угла, описанные, например, в кн.: Бабушкин С.Г. и др. «Оптико-механические приборы», 1963 г. Наиболее совершенными из них являются электромеханические приборы типа вращающегося трансформатора и оптические гониометры.
3
В оптических гониометрах использован коллимационный принцип измерений угла поворота вала, на котором жестко закреплены многогранные зеркальные призмы. Отечественные гониометры типа ГС-10, ГС-5 и ГС-2 имеют точность 10", 5" и 2" соответственно, в неограниченном диапазоне углов. Однако габариты этих приборов очень велики (более 0,5×0,5×0,5 м).
Основными недостатками этих приборов, принятых за аналоги, являются:
- большие габариты и масса устройств;
- ограниченные точности измерений из-за влияния люфтов, зазоров, осей вращений и узлов сопряжения с осью вращения объекта;
- высокая стоимость приборов, которая для современных преобразователей класса точности 1÷3 угловых секунд достигает 3000 $ и более.
Известны также фотоэлектрические кодовые датчики вал-код (см., например, кн.: Мелькин Н.В. «Фотоэлектрические преобразователи угловой величины в цифровой код» // Судпромгиз, 1966 г.) и самые прецизионные из них - приборы с интерполяцией в последнем разряде (Вульбет Дж. Датчики в цифровых системах // М.: Энергоиздат, 1981 г., стр.201). Современные отечественные приборы, производимые СКБИС (г.Санкт-Петербург), обладают третьим классом погрешности измерений до 3,5 угл. сек, например, прибор ЛИР-ДА 190 (http://www.skbs.ru) при габаритах: диаметр 90 мм × 60 мм и массе 0,7 кг.
3
Известны устройства по патенту США №5018853 (28.05.1991), авт.св. СССР №1805287 (30.03.1993). Однако в этих устройствах применена ПЗС-линейка, а не двумерная ПЗС-матрица, что является принципиальным отличием заявленного устройства. Действительно, функционирование ПЗС-линейки с одной сигнальной щелью принципиально невозможно для построения полноценного преобразователя угла с диапазоном измерений 0÷360°. Поэтому устройство по патенту США №5018853 работоспособно только в диапазоне 0÷90° (описание к патенту США №5018853, Summary of the invention, столбец 2, строка 20). Для измерения угла в необходимом диапазоне 0÷360° требуется иметь две взаимно перпендикулярные щели со сложной системой волоконно-оптической связи между объектом и измерителем для переключения подсветки этих щелей (см., например, устройство по авт. св. СССР №1805287). Кроме того, за счет того, что число пикселов ПЗС-матрицы примерно в 10 раз превышает число пикселов ПЗС-линейки, имеется возможность построения осесимметричных измерительных схем измерения угла, что приводит к повышению точности измерений в 100 и более раз, по сравнению со схемами аналогов. Таким образом, устройства, описанные в этих патентах, решают узкие задачи с низкой точностью.
Известны также устройства, описанные в заявках DE 102007023993 (27.11.2008), JP 2069641 (08.03.1990). Эти устройства, наоборот, содержат приемную ПЗС-матрицу и не содержат сигнальную щель, необходимую для прецизионных измерений угла. В них производится грубое измерение угла совместно с измерением других линейных величин (Δх, Δу и т.п.). Поэтому размеры изображений сигнальных структур в плоскости приемных ПЗС-матриц вынужденно намного меньше размеров самих матриц, что приводит к резкому уменьшению точности определения измеряемых параметров (в том числе и угла разворота объекта).
Ближайшим аналогом (прототипом) выбирается устройство, описанное в кн.: Вульбет Дж. Датчики в цифровых системах // Москва, Энергоиздат, 1981, стр.201.
Схема прибора - аналога содержит механическую муфту связи контролируемого объекта с осью ротора преобразователя. На оси ротора жестко закреплен стеклянный диск с круговыми кадровыми дорожками (закодированными в коде Грея), а статор прибора содержит систему освещающих диодов и фотодетекторов, число которых равно числу кодовых дорожек.
В цепи приемных фотодетекторов формируются двухуровневые сигналы (0 и 1) двоичного кода Грея, преображающиеся приемной схемой прибора в двоичный код измеряемого угла поворота вала ротора.
Физическим ограничением точности этого преобразователя является линейный размер периода младшего разряда кода, который не может быть меньше длины волны света λ (≈0,5 мкм) из-за дифракции света.
Отсюда следуют основные недостатки прототипа:
большие габариты и массы прибора;
сложные механические узлы, обеспечивающие повороты кодового диска и сопряжения его с осью вращения объекта;
высокая стоимость прибора.
Предлагаемое изобретение направлено на решение следующих задач:
повышение точностных и эксплуатационных характеристик;
уменьшение габаритов и масс преобразователей;
уменьшение стоимости приборов.
Поставленные задачи решаются тем, что, во-первых, в преобразователях применен новый для этого типа приборов фотодетектор - многоэлементные устройства, ПЗС-матрицы, на которых возможно измерение линейных перемещений 0,01 мкм и выше, что, соответственно, приводит к снижению габаритов примерно в 10 раз по сравнению с прототипом. Кроме того, стоимость серийных образцов ПЗС-матриц составляет 100÷250 $, что и определяет низкую стоимость самого прибора.
Во-вторых, оптические схемы (как на просвет, так и на отражение) и контрольные элементы, устанавливаемые на измеряемом объекте, очень просты и дешевы, что также приводит к снижению стоимости преобразователя.
В-третьих, оптическая связь между прибором и объектом измерения (вместо механической связи в приборе-прототипе) приводит к тому, что конструкция преобразователя вообще не содержит подвижных элементов, а расстояние между прибором и объектом может принимать различные значения. Это приводит, в свою очередь, к увеличению реальной точности измерений и расширению функциональных возможностей преобразователя.
В-четвертых, в схеме прибора используется контроллер (ПК), осуществляющий программное обеспечение работы преобразователя и хранящий в памяти результаты метрологической калибровки, что также приводит к повышению точности измерений.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, 2, 3.
На фиг.1 приведена принципиальная схема преобразователя с активным по энергии контрольным элементом.
На фиг.2 приведено сигнальное оптическое изображение и его электрический эквивалент.
На фиг.3 приведена схема прибора с пассивным по энергии контрольным элементом.
На фиг.1 изображен контрольный элемент КЭ, жестко закрепленный на поворотном валу, и измерительный блок ИБ.
Контрольный элемент КЭ содержит светодиод 1, точечную диафрагму 2, конденсор 3, сигнальную маску 4, расположенную в фокальной плоскости объектива 5. Приемный узел содержит объектив 6 и приемную ПЗС - (КМОП) матрицу 7, сигнал с которой по USB-2.0 - порту поступает на персональный компьютер ПК или специализированный контроллер.
Устройство работает следующим образом.
Осветитель контрольного элемента (светодиод 1, точечная диафрагма 2 и конденсор 3) формирует равномерный параллельный световой поток, который освещает сигнальную маску 4. Сигнальная маска представляет собой прозрачную узкую щель на непрозрачной подложке (фиг.1б). Маска 4 может быть выполнена на стеклянной дисковой детали или в виде металлических ножей. Объектив 5, в фокальной плоскости которого расположена сигнальная маска 4, образует коллимационное изображение световой щели сигнальной маски 4, которое развернуто на измеряемый угол φ относительно измерительного блока.
Объектив 6 приемного узла строит в своей фокальной плоскости изображение светящейся маски 4 КЭ. Эта плоскость совмещена с приемной плоскостью приемной матрицы 7, которая и детектирует это изображение светящейся маски 4.
На фиг.2 представлено изображение светлого штриха маски 4 в плоскости приемной матрицы 7, а на фиг.2б приведен график электрического сигнала по отдельной строке матрицы.
С помощью приемной матрицы 7 оптическое изображение преобразуется в электронно-цифровой эквивалент и поступает на персональный компьютер ПК.
oj
С помощью специализированных алгоритмов обработки информации в ПК производится вычисление по каждой строке j приемной матрицы координаты x энергетического центра точек изображения сигнального штриха (фиг.2а).
j
Угол φ определяется из очевидного соотношения
п
п
где Δу - размер пикселя матрицы 7 (Δу=3÷5 мкм),
j - номер строки матрицы 7.
При значениях φ>45° строки и столбцы транспонируются с заменой j→i, и вычисления производятся по каждому столбцу i матрицы 7.
Таким образом, производится определение измеряемого угла φ в диапазоне 0÷360°.
Вычисленный алгоритм угла φ равен
3
где М - число строк (столбцов) приемной матрицы (М=10).
Поэтому случайная погрешность δφ измерений
oj
п
п
п
п
Экспериментально измеренное значение координаты x энергетического центра изображения штриха равно 0,03 Δx (Δу), где Δx (Δу) - х и у - размеры пикселя приемной матрицы 7.
Следовательно, по формулам (2) и (3) получаем
Все систематические ошибки прибора могут быть выявлены и исключены на этапе калибровки (с точностью используемого эталонного устройства). Поэтому реальная точность измерений прибора определяется величиной δφ.
На настоящий момент изготовлен и испытан макет устройства по схеме фиг.1. В макете использована ПЗС-матрица с разрядностью 640×480 пикселей. Случайная погрешность на макете составила δφ=0,3 угл. сек для всех углов в диапазоне 360°.
2
Световые диаметры прибора определяются размерами приемной матрицы и равны 6×6 мм. Однако размеры платы обвязки матрицы равны ≈30×30 мм, что и определяет реальные габариты прибора, которые намного меньше габаритов фотоэлектрических кодовых датчиков сравнимой точности измерений.
Себестоимость прибора по схеме на фиг.1 определяется, в основном, стоимостью матрицы 7 вместе с объективом 6, которая равна 200÷250 $.
Общая себестоимость прибора не превышает 400÷500 $, что намного меньше цены современных приборов класса точности 0,2-0,3 угловых секунд.
Схема фиг.1 обладает также очень важным достоинством, которое заключается в том, что расстояние между КЭ и приемным модулем может быть переменным в достаточно широких пределах. Это объясняется тем, что схема прибора является коллимационной.
Кроме того, поскольку между КЭ и приемным модулем осуществляется оптическая связь, то в приборе отсутствуют подвижные части и любые переходные элементы (муфты) между КЭ и приемным узлом.
На фиг.3 приведена авторефлекторная модификация схемы преобразователя. Приемный узел этой схемы содержит осветительный узел (светодиод 1, диафрагму 2, конденсор 3, светоделительную пластину 8) и приемный узел (объектив 6 и матрицу 7). Контрольный элемент представлен маской 4 с узким зеркальным штрихом вместо прозрачной щели в схеме на фиг.1.
Изображение этого штриха, подсвеченное осветителем, строится объективом 6 в приемной плоскости матрицы 7.
Это изображение, его детектирование и алгоритмы обработки информации аналогичны тем, что были приведены при описании работы схемы на фиг.1.
Единственным существенным отличием схемы на фиг.2 от схемы на фиг.1 состоит в том, что расстояние между КЭ (п.4) и приемным модулем является постоянным, поскольку эта схема прибора не является (авто) коллимационной.