ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ НАКАПЛИВАЮЩЕГО ТИПА

Полезная модель относится к области автоматики и вычислительной техники, она предназначена для преобразования угла поворота в пропорциональное ему число электрических импульсов и может быть использована, например, в оптико-механических приборах.
Известен фотоэлектрический датчик перемещения накапливающего типа (см. авт.свидетельство №378789, G02f 7/00, публ. 18.04.1973), содержащий осветитель, фотоприемник, расположенную между ними неподвижную диафрагму, выполненную в виде диска со штрихами оптически несимметричными относительно оси, перпендикулярной направлению перемещения, и модулирующий плоский диск с вырезами, а также блок обработки сигнала с фотоприемного устройства. На прозрачную щель диафрагмы нанесено оптическое покрытие с переменной оптической плотностью, которая меняется от «нуля» до бесконечности, при этом угловой сигнал на протяжении углового периода изменяется линейно, а уточнение углового положения происходит на величину приращения измеряемой величины за счет рисунка маски. Однако, технологически выполнить маску с необходимой точностью весьма проблематично, в связи с тем, что нанести маску неравномерной плотности с очень малыми интервалами практически невозможно, поэтому коррекция углового положения может производиться только на больших интервалах, что не позволяет создавать высокоточные устройства.
Вопрос технологичности решен в растровом накапливающем преобразователе, который описан в книге «Высокоточные угловые измерения», авторы Аникст Д.А. и др., издательства Москва «Машиностроение», 1987 г. стр.268-274 и выбранном в качестве прототипа. Данное техническое решение состоит из двух излучателей с коллиматорами, модулирующего диска с секторными растровыми дорожками, закрепленного на валу и вращающегося в подшипниках, неподвижного диска с маской в виде штриховой растровой дорожки, установленного соосно с небольшим зазором относительно модулирующего диска, двух фотоприемных устройств (ФПУ), формирующих при равномерном вращении периодические сигналы, сдвинутые относительно друг друга на % часть периода и блока формирования сигнала и обработки информации. Блок обрабатывает сигналы с соответствующего ФПУ и формирует инверсные сигналы, а при установке четырех ФПУ с двух из них формируются инверсные сигналы, а с двух сигналы ФПУ. Модулирующий диск представляет собой стеклянный лимб, на котором нанесена дорожка радиальных штрихов с постоянным шагом и нулевая риска. Неподвижный растровый диск выполнен также в виде лимба со штрихами в двух или четырех зонах, в зависимости от количества ФПУ со штриховой дорожкой модулирующего диска. Штрихи каждой последующей зоны сдвинуты относительно штрихов предыдущей зоны на ¼ периода нанесения штриховой дорожки. При этом за каждой растровой или щелевой (маской) расположены фотоприемники.
Недостатком данного технического решения является низкая точность датчика угла данного типа, из-за невозможности корректировки снимаемого угла поворота вала в силу нелинейности характеристики в пределах четверти периода.
Задачей полезной модели является создание преобразователя угловых перемещений для высокоточных угломерных приборов.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в повышении точности снимаемого угла поворота вала в процессе работы.
Указанный результат предлагаемого технического решения достигается тем, что в известный фотоэлектрический датчик перемещения накапливающего типа, содержащий два излучателя с коллиматорами, модулирующий диск с секторной растровой дорожкой, неподвижный диск, с двумя масками, представляющими собой секторную часть соответствующего модулирующего диска, установленными перед соответствующим фотоприемным устройством, и блок формирования сигнала и обработки информации, дополнительно введены излучатель с коллиматором, маска, размещенная на неподвижном диске, и фотоприемное устройство, при этом каждая последующая маска сдвинута относительно начала предыдущей на целое число нанесения растровой дорожки модулирующего диска плюс 1/6 часть этого периода.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков и достигаемым результатом заключается в том, что растровые дорожки масок, смещенные на 1/6 часть углового периода поворота вала, и наличие трех пар излучатель - ФПУ, позволяют получать линейные участки с ФПУ с 1 по 6 части периода, благодаря чему производится корректировка угла поворота вала датчика введением поправки в пределах линейной зоны, повышая тем самым точность датчика угла.
Изложенная сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами, где
на фиг.1 - представлен общий вид фотоэлектрического преобразователя угловых перемещений накапливающего типа;
фиг.2 - изображен модулирующий диск;
фиг.3 - показан неподвижный диск;
фиг.4 - дан график сигналов на выходе каждого из трех ФПУ;
фиг.5 - дан график знаков сигналов с трех ФПУ.
В таблице 1 - показаны комбинации знаковых сигналов, возникающие при вращении вала датчика и связанного с ним модулирующего диска в соответствии с периодом Т изменения сигнала.
На фиг.1 - схематически изображена конструкция заявляемого устройства. В корпусе 1 вмонтирован крепежный фланец 2, в котором жестко закреплены фотодиоды 3, 4, 5, и крепежный фланец 6 с установленными в нем светодиодами 7, 8, 9, образующими с фотодиодами 3, 4, 5 соответствующие оптопары. На валу датчика 10 закреплен модулирующий диск 11 с секторной растровой дорожкой 12, между модулирующим диском 11 и фотодиодами 3, 4, 5 расположен неподвижный диск 13, закрепленный в корпусе 1, выполненный с нанесенными на него масками М1, М2, М3.
На фиг.2 показан модулирующий диск 11 с растровой дорожкой 12 и щелевой диафрагмой 14 - начала отсчета, радиус R которого равен радиусу R неподвижного диска 13, показанного на фиг.3. Кроме того, на фиг.3 показаны дополнительные риски 15-15', определяющие рабочую зону отсчета ±30°, которые находятся на радиусе r. На фиг.3 показаны границы параллельного потока 16 засветок масок М.
Д1
Д2
Д3
Д1
Д2
Д3
На фиг.4 показана форма сигналов на выходе трех фотодиодов 3, 4, 5 U, U, U относительно их средних значений в зависимости от угла α поворота вала датчика 10. Угол α указан в относительных единицах 0-1 (60°), 1-2 (60°) и т.д., каждая пара из которых равна 1/6 периода сигнала. Линейные зоны сигналов U, U, U обозначены уровнем ограничения ±Uл по знакам соответствующих сигналов , , . В течение периода определяется номер датчика, сигнал с которого остается линейным в пределах указанной линейной зоны, и производится корректировка угла поворота вала датчика.
На фиг.5 и таблице 1 показано изменение относительно угла поворота вала датчика равное α*=α/60°, где Т период сигнала, а α-угол поворота вала датчика. Из таблицы видно, что каждая комбинация сигналов , ,  в пределах периода не повторяется, что позволяет выбирать нужную линейную зону.
Д1
Д2
Д3
Д1
Д2
Д3
Предлагаемое техническое решение работает следующим образом. Коллимированный поток с излучателей 7, 8, 9 (светодиодов) проходит через растровую дорожку 13 модулирующего диска 11 и маски M1, M2, M3 неподвижного диска, фокусируется и попадает на фотодиоды 3, 4, 5. При вращении модулирующего диска 11 формируются три сигнала U, U, U с фотодиодов 3, 4, 5. Наряду с этими сигналами формируются сигналы границы рабочей зоны при строчной развертке +30° и -30°. По переднему фронту этих сигналов запоминаются соответствующие значения углов +30° и -30°. В моменты переключения знаковых сигналов углов измеряются дискретные значения углов поворота вала датчика 10. При этом вышеуказанные сигналы U, U, U с фотодиодов 3, 4, 5 обрабатываются схемой выделения переднего и заднего фронтов импульсов. Для определения направления вращения датчика используется схема выделения знака. В зависимости от направления вращения, полученная последовательность импульсов поступает на прямой или реверсивный вход счетчика, входящего в блок обработки сигнала. На выходе счетчика получается значение угла в цифре. Корректировка дискретных угловых значений, с целью повышения точности измерения, происходит за счет введения поправки на значение угла поворота путем учета линейной зоны изменения угла по одному из трех фотодиодов, сигналы, с которых поступают так, что каждый последующий сдвинут относительно предыдущего на угол π/3, в результате чего формируется шесть линейных зон в пределах периода сигнала. При такой конструкции линейность характеристик в пределах одной линейной зоны достигается линейным изменением площади перекрытия светового потока, поэтому поправка выходного сигнала датчика в пределах одной линейной зоны обеспечивается выбором одного из трех фотодиодов на каждом интервале соответствующем 1/6 части периода нанесения растра.
При реализации заявляемого фотоэлектрического преобразователя угловых перемещений накапливающего типа со стороны модулирующего диска располагают светодиод типа 3Л139АМ с коллимирующим оптическим устройством, которое создает параллельный световой поток. Со стороны неподвижного диска располагают фотодиод типа ФД-21КП с линзой, собирающей световой поток на фоточувствительной площадке фоточувствительного элемента. При этом указанные диски изготавливают из оптического стекла. На непрозрачные диски нанесены растровые риски с прозрачными и темными участками. Такое конструктивное решение позволяет повысить точность измерения угла поворота вала датчика до 10 угловых секунд.
Таблица 1
α*
<img file="00000002.tif" he="5" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000003.tif" he="5" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000005.tif" he="5" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" />
-6
0
0
0
-5
1
0
0
-4
1
1
0
-3
1
1
1
-2
0
1
1
-1
0
0
1
0
0
0
0
1
1
0
0
2
1
1
0
3
1
1
1
4
0
1
1
5
0
0
1
6
0
0
0
7
1
0
0
8
1
1
0
9
1
1
1
10
0
1
1
11
0
0
1
12
0
0
0
13
1
0
0
14
1
1
0
15
1
1
1