ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛА

Полезная модель относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использована для аналого-цифрового преобразования углового положения вала в цифровой код для получения цифровой информации от управляемых объектов и ввода ее в цифровые управляющие и вычислительные машины.
Основными элементами фотоэлектрических преобразователей угла (ФПУ) являются модулирующий или кодирующий диск и фотоэлектрическая считывающая система. Она состоит из передающей и приемной частей. Передающая часть содержит источник излучения и оптическую систему, служащую для формирования параллельного потока, а приемная - индексную (считывающую) диафрагму и приемники излучения (А.А.Ахмеджанов. Фотоэлектрические преобразователи угла. М. Энергоатомиздат, 1986 г, с.78-83, 98) /1/. Модулирующий диск и индексная диафрагма представляют собой диски из оптического стекла, расположенные соосно и параллельно, на обращенных друг к другу поверхностях которых печатным способом нанесены маски с соответствующими рисунками. Дорожка подвижного диска и окно диафрагмы или неподвижного диска имеют переменную вдоль окружности их среднего радиуса прозрачность, что достигается за счет непрерывного или, что чаще, ступенчатого изменения оптической плотности покрытия маски. При вращении диска меняется ослабление лучей потока, вырезанного окном диафрагмы, за счет различной прозрачности участков дорожки, стоящей на их пути, что приводит к изменению функции угла потока, поступающего от источника света через коллиматор и сопряжение подвижного и неподвижного дисков на чувствительную площадку фотоприемника, а, следовательно, и сигнала на его выходе. Прозрачные и непрозрачные участки дисков и диафрагм выполняются в виде системы прозрачных (непрозрачных) прямоугольных окон или щелей, расположенных по окружности с переменным шагом, то есть в виде растра или растровой решетки.
В этом случае величина светового потока определяется площадью перекрытия прозрачных участков.
Описанная выше схема лежит в основе известных конструкций ФПУ (RU 2263395 С1, 7Н03М 1/28, Н03М 1/24, дата публикации 2005.10.27) /2/, (RU 2212099 С1, 7Н03М 1/24, 1/28, дата публикации 2003.09.10) /3/, RU 2243625 С1 7 Н03М 1/24, дата публикации 2004.12.27) /4/, (RU 2263396, 7Н03М 1/28, 1/24, дата публикации 2005.10.27) /5/, (RU 2213414 С1, 7Н03М 1/24, 1/28, дата публикации 2003.09.27) /6/.
Общими конструктивными элементами для всех упомянутых выше ФПУ являются корпус, кодируемый вал, установленный в шарикоподшипниках, кодированный подвижный, жестко связанный с валом, и считывающий неподвижный диски, держатели для излучателей, фотоприемников и считывающего диска. В ФПУ /2/ обеспечивается безлюфтовое закрепление преобразователя в осевом и радиальном направлениях на подвижной части объекта с возможностью регулировки усилия при креплении. ФПУ /3/ для юстировки растрового сопряжения в процессе его угловых перемещений содержит регулировочный механизм и дополнительный корректирующий подшипник, установленный на кодируемом валу. В ФПУ /4/ для увеличения жесткости элементов между считывающим диском и держателями излучателей и фотоприемников установлены дистанционные кольца и для упрощения конструкции считывающий диск совмещен с его держателем. В ФПУ /5/ для повышения надежности стыковки преобразователя с объектом за счет осевой фиксации соосно с кодируемым валом установлена муфта с компенсирующим упругим элементом, имеющая сквозное отверстие, расположенное соосно с указателем нулевого положения измерительной шкалы и соединенная с корпусом одним концом, а другим с неподвижной частью объекта.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является ФПУ /6/, принимаемый за прототип, который содержит корпус, состоящий из основания и кожуха, кодируемый вал, установленный в шарикоподшипниковом узле, кодированный диск, жестко закрепленный с валом, считывающий
диск, закрепленный в держателе, излучатели, фотоприемники и держатели фотоприемников и излучателей. На поверхность кодированного диска нанесена кодовая маска в виде кольцевых дорожек, состоящих из прозрачных и непрозрачных участков. В корпусе имеются отверстия, в которых диаметрально противоположно друг к другу выполнены два направляющих цилиндра, с которыми сопряжены базовые отверстия всех держателей. Угловое перемещение кодируемого вала приводит к повороту кодированного диска, при этом световой поток от излучателей, прошедший через коллимирующую оптическую систему, проходит через кодированный и считывающий диски и поступает на фотоприемники, фотоплощадки которых не перекрыты диском. Таким образом, каждому углу поворота кодируемого вала с кодированным диском присуща своя комбинация электрических сигналов, идущих с фотоприемников, необходимых для формирования цифрового кода преобразователя. За счет сопряжения держателей излучателей, фотоприемников, и считывающего диска с направляющими цилиндрами не происходит смещений и воздействий держателей с образованием резонансов в конструкции устройства при воздействии вибрации.
Однако, в устройстве-прототипе, как и в других известных аналогах ФПУ в связи с тем, что использована известная оптикомеханическая схема /1/, включающая систему излучателей, кодированный и считывающий диски и систему фотоприемников, как отдельных конструктивных элементов, не решена задача миниатюризации ФПУ, предъявляемая техническим заданием при построении современных цифровых систем управления объектами.
Задачей настоящей полезной модели является разработка ФПУ, имеющего габариты 40×40×11 мм и массу 50 г, что достигается получением нового технического результата, который заключается в совмещении функции считывающего диска и фотоприемника в одном элементе при использовании одного излучателя вместо системы излучателей.
Технический результат достигается тем, что в известном фотоэлектрическом преобразователе угла, содержащем корпус, кодируемый вал, установленный
в шарикоподшипниковом узле, кодированный диск с кодовой маской в виде концентрических дорожек, состоящих из прозрачных и непрозрачных участков, жестко закрепленный на кодируемом валу, излучатель с коллимирующими световой поток элементами, закрепленный на основании, фотоприемную считывающую систему, включающую фотоэлектрические преобразователи, согласно полезной модели, фотоприемная считывающая система выполнена в виде печатной платы с расположенной на ней фотоприемной микросхемой, которая содержит N фоточувствительных площадок и N усилителей-ограничителей, выходы которых посредством проводников печатной платы соединены с выходным ленточным кабелем.
В частном случае выполнения ФПУ фотоприемная микросхема содержит 14 фоточувствительных площадок и 14 усилителей-ограничителей. В качестве излучателя может быть использован светодиод или лазерный источник оптического излучения.
Конструкция устройства поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен ФПУ в разрезе, на фиг.2 - функциональная схема ФПУ.
ФПУ (фиг.1) содержит основание 1 с кожухом 2, кодируемый вал 3, установленный в шарикоподшипниковом узле 4, кодированный диск 5, жестко закрепленный на валу 3, на поверхность кодированного диска 5 нанесена кодовая маска в виде концентрических дорожек, состоящих из прозрачных и непрозрачных участков, излучатель 6 с коллимирующими световой поток элементами, печатную плату 7 с расположенной на ней фотоприемной микросхемой 8, которая содержит N фоточувствительных площадок 10 и N усилителей-ограничителей 11, выходы которых посредством проводников печатной платы 7 соединены с выходным ленточным кабелем 9. (фиг.2). Излучатель 6 оптического излучения выполнен на одном светодиоде. В качестве излучателя может быть использован лазерный светодиод.
При вращении кодируемого вала 3 и механически связанного с ним кодированного диска 5 коллимированный световой поток от одиночного излучателя 6 проходит через кодовую маску кодированного диска 5 и тем самым модулируется
в соответствии с геометрическим рисунком каждой концентрической дорожки кодовой маски кодированного диска 5. Модулированный световой поток фоточувствительными площадками 10 фотоприемной микросхемы 8 преобразуется в электрический сигнал (фиг.2) и усилителями-ограничителями 11 микросхемы 8 усиливается до величины, достаточной для дальнейшей обработки, в частности, для преобразования полученного сигнала в коде Грея в двоичный код. Таким образом, каждому значению угла поворота кодируемого вала 3 ФПУ соответствует конкретное значение кода выходных сигналов фотоприемной микросхемы 8, необходимых для формирования двоичного кода, соответствующего данному углу поворота вала 3. В конкретном примере выполнения фотоприемная микросхема 8 содержит 14 фоточувствительных площадок и 14 усилителей-ограничителей и в качестве излучателя использован один светодиод или может быть использован лазерный светодиод.
Разработанный и изготовленный ФПУ имеет габариты 40×40×11 мм при массе порядка 50 г, что более чем в 2 раза меньше чем у известных аналогов ФПУ, диаметр которых составляет 100 мм и высота 90 мм /2/, с 98, использующих классические оптикомеханические схемы ФПУ.
Источники информации:
1. А.А.Ахмеджанов. Фотоэлектрические преобразователи угла. М. Энергоатомиздат, 1986, с.78-83, 98
2. RU 2263395 C1, 7Н03М 1/28, Н03М 1/24, дата публикации 2005.10.27
3. RU 2212099 C1, 7Н03М 1/24, 1/28, дата публикации 2003.09.10
4. RU 2243625 C1, 7Н03М 1/24, дата публикации 2004.12.27
5. RU 2263396, 7Н03М 1/28, 1/24, дата публикации 2005.10.27
6. RU 2213414 C1, 7Н03М 1/24, 1/28, дата публикации 2003.09.27 - прототип.