УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА ПОВОРОТА ВАЛА Российский патент 1994 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного измерения угла поворота вала в пределах одного оборота. Предлагаемое устройство является циклическим время-импульсным преобразователем угол-код с временной разверткой аналоговой величины.

Известно устройство для измерения угла поворота вала [1], содержащее корпус, модулятор с приводом, два импульсных датчика, последовательно соединенные амплитудный дискриминатор, вычислитель, блок усреднения и регистратор, второй вход которого соединен с вычислителем. Причем модулятор в устройстве выполнен в виде периодической штриховой меры.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для измерения угла поворота вала [2]. Оно содержит корпус, установленный в нем с возможностью вращения вокруг своей оси модулятор с n-периодической мерой с одним маркированным штрихом и одноштриховым растром с коммутирующим штрихом, четыре импульсных датчика (ИД), первый из которых укреплен на поворотной втулке, размещенной соосно с модулятором и предназначенной для связи с контролируемым валом, второй, третий и четвертый ИД укреплены на корпусе, при этом первый, второй и третий ИД оптически связаны с n-периодической мерой, а четвертый ИД - с коммутирующим штрихом; третий ИД смещен относительно второго в измерительном направлении на расстояние, не кратное периоду штриховой меры.

Устройство содержит также коммутатор, входы которого подключены к второму и третьему ИД, амплитудный дискриминатор, один вход которого соединен с первым ИД, а второй - с выходом коммутатора, переключатель режима, входы которого подключены к выходам второго и четвертого ИД, а выход - к управляющему входу коммутатора и первому входу блока вычисления, который выполнен четырехвходовым; блок измерения временных интервалов подключен входами к выходам амплитудного дискриминатора, первый выход блока измерения временных интервалов подключен к второму входу блока вычисления, а второй выход - к входу блока усреднения, выход которого подключен к третьему входу блока вычисления; блок управления включен между выходом маркированных импульсов амплитудного дискриминатора и четвертым входом блока вычисления.

Привод вращает модулятор с постоянной скоростью, при этом на выходах первого, второго и третьего ИД возбуждаются импульсы тока. Импульсы от всех штрихов одинаковы, кроме тех, которые возбуждаются маркированным штрихом, они отличаются от остальных по амплитуде. Коммутирующий штрих возбуждает в четвертом ИД-импульс, который на временной оси располагается симметрично импульсу, возбуждаемому маркированным штрихом на выходе второго ИД и имеет большую длительность.

В амплитудном дискриминаторе импульсы с первого и второго ИД разделяются на два канала: по одному следуют все импульсы без исключения, а по другому - только маркированные.

Блок измерения временных интервалов ti между двумя соседними импульсами, поочередно поступающими со второго и первого ИД, выполняет также подсчет числа m импульсов на интервале между двумя последовательными маркированными импульсами (число единиц грубого отсчета угла).

Блок усреднения определяет среднее арифметическое из полученных за один оборот модулятора n временных интервалов t_i, соответствующее величине точного отсчета угла.

В блоке вычисления величина измеряемого угла определяется по формуле
α=α_o˙m+К˙t_i, (1) где α_o - угол, соответствующий периоду штриховой меры,
К - коэффициент преобразования.

Когда измеряемый угол попадает в окрестность значений, кратных периоду штриховой меры, и возникает опасность сбоя, устройство автоматически переходит на дополнительный режим работы. Сигналом на переход является появление импульса с первого ИД во время действия импульса от четвертого ИД. В этом случае коммутатор подключает на вход дискриминатора вместо второго ИД третий ИД, а блок вычисления переходит на вычисление угла по формуле
α= α_o˙m+K˙t_i±C, (2) где С - угловое смещение третьего ИД относительно второго ИД.

Знак "+" берется в случае, если третий ИД смещен в направлении вращения модулятора, а знак "-" - в случае смещения против направления вращения модулятора.

В результате известное устройство обеспечивает исключение сбоев и значительных погрешностей при измерении углов поворота вала в критических точках диапазона измерения.

Недостаток известного устройства состоит в некоторой сложности собственно измерительного преобразователя, устанавливаемого на контролируемом валу или сочленяемого с ним. Измерительный преобразователь включает в себя корпус, модулятор, его привод (электродвигатель) и четыре импульсных датчика.

Усложненность его конструкции связана с необходимостью изготовления (формирования) на модуляторе коммутирующего штриха рядом с периодической мерой и введения четвертого ИД. Если процесс изготовления (нанесения) периодической штриховой меры с помощью делительной машины хорошо отработан и автоматизирован, то изготовление коммутирующего штриха вызывает значительные трудности, связанные с необходимостью разработки специального инструмента и технологии изготовления этого штриха с учетом его симметричности относительно маркированного штриха и в 10...20 раз большей шириной, чем штрихи периодической меры.

Другой недостаток известного решения состоит в том, что четвертый ИД и коммутирующий штрих на модуляторе привели к известному увеличению размера преобразователя в осевом направлении, что в ряде случаев применения устройства оказывается существенным.

Целью изобретения является упрощение конструкции устройства, именно, путем упрощения конструкции измерительного преобразователя, а также снижение его габаритов.

Поставленная цель достигается тем, что устройство снабжено формирователем строб-импульса, вход которого соединен с третьим выходом амплитудного дискриминатора, а выход - с входом переключателя режима, при этом второй вход переключателя режима соединен с выходом рядовых импульсов амплитудного дискриминатора.

На фиг.1 представлена принципиальная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - диаграммы импульсов.

Устройство состоит из измерительного преобразователя и вычислительной части.

Измерительный преобразователь содержит корпус 1, размещенные в нем модулятор 2 с приводом 3 и импульсные датчики (ИД) 8,9,10. На модулятор нанесена периодическая штриховая мера (растр), все штрихи которой, например 4, идентичны, кроме одного маркированного штриха 5. На фиг.1 показано, что штрих 5 имеет большую длину, чем рядовые штрихи 4. ИД сопряжены со штриховой мерой, причем ИД 9 и ИД 10 укреплены на корпусе, а ИД 8 - на поворотной втулке (поводке) 6, закрепленной на контролируемом валу 7 соосно с ним. ИД 10 смещен относительно ИД 9 в измерительном направлении, причем величина смещения не кратна периоду штриховой меры. На фиг.1 ИД 9 и ИД 10 для наглядности разнесены.

Для определенности будем полагать, что ИД выполнены в виде оптопары и связь их со штриховой мерой оптическая.

Вычислительная часть устройства содержит формирователь строб-импульса 11, коммутатор 12, амплитудный дискриминатор 13, блок 14 измерения временных интервалов, блок 15 усреднения, блок 16 вычисления, регистратор 17, переключатель 18 режимов и блок 19 управления.

Выходы ИД 9 и ИД 10 подключены к входам коммутатора 12, выход которого, а также выход ИД 8 соединены с амплитудным дискриминатором 13, первый и второй выходы которого подключены к блоку 14 измерения. Первый выход блока 14 через блок 15 усреднения соединен с первым входом блока 16 вычисления, а второй выход блока 14 - с вторым входом блока 16, выход которого подключен к регистратору 17.

Блок управления 19 входом соединен с вторым выходом амплитудного дискриминатора 13, по которому следуют маркированные импульсы, а выходом подключен к третьему входу блока 16.

Переключатель 18 режимов первым входом соединен с третьим выходом дискриминатора 13, по которому следуют маркированные импульсы, вторым входом - с выходом формирователя 11, а выходом - с управляющим входом коммутатора 12 и четвертым входом блока 16 вычисления.

Коммутатор 12 предназначен для подключения к входу амплитудного дискриминатора 13 ИД 9, или при наличии сигнала управления с переключателем 18 режимов - ИД 10.

Амплитудный дискриминатор 13 предназначен для выделения из потока импульсов, следующих с ИД 9 и ИД 10 тех импульсов, которые возбуждены маркированным штрихом 5. В амплитудном дискриминаторе формируются два информационных канала: по одному следуют все импульсы без исключения, а по второму - только маркированные. При этом по первому и второму входам обеспечивается усиление и формирование отсчетных импульсов (приведение их к нормированному виду по амплитуде и длительности фронтов). Каждый информационный канал состоит из двух линий: по одной следуют импульсы с неподвижного ИД 9, а по другой - с подвижного ИД 8. На третий выход дискриминатора 13 поступает реальный маркированный импульс с ИД 9.

Формирователь 11 служит для формирования строб-импульса из реального импульса, поступающего с ИД 9, что необходимо для обеспечения перехода от основного режима работы устройства к дополнительному.

Блок 14 измерения временных интервалов содержит два канала измерения. Первый канал (точного отсчета) предназначен для измерения временных интервалов между соседними импульсами, поступающими с ИД 9 (10) и ИД 8, а второй канал (грубого отсчета) - для определения целого числа m рядовых импульсов, укладывающихся между двумя последовательными маркированными с ИД 9 (10) и ИД 8, т.е. числа m единиц грубого отсчета.

Блок 15 усреднения служит для определения среднего арифметического t_i из n последовательных временных интервалов ti за полный оборот модулятора, соответствующего точному отсчету угла.

Блок 16 вычисления обеспечивает определение результата измерения угла по формуле (1) либо по формуле (2) - при работе в дополнительном режиме. Блок 16 содержит блок хранения констант, в который записываются величины α_o ,K и С (см.формулы (1) и (2)).

Переключатель 18 режима служит для того, чтобы при появлении опасности сбоя в особых точках диапазона измеряемых углов переключить работу устройства с основного режима измерения, использующего ИД 9, на дополнительный режим - с использованием ИД 10.

Блок управления 19 обеспечивает сброс блока 16 вычисления в нулевое состояние перед началом каждого цикла измерения, время индикации результата измерения и другие вспомогательные операции.

Устройство работает следующим образом.

Контролируемый вал 7 жестко соединяют с поворотной втулкой (поводком) 6, привод 3 вращает модулятор 2 с постоянной скоростью, штрихи периодической меры возбуждают в ИД 8,9,10 импульсы тока. Импульсы от всех штрихов одинаковы по своим параметрам за исключением тех, которые возбуждены маркированным штрихом 5, они отличаются от остальных по амплитуде.

Основной режим работы.

Импульсы с ИД 8 непосредственно, а с ИД 9 через коммутатор 12 поступают на амплитудный дискриминатор 13, где разделяются на два канала: по одному следуют все импульсы без исключения, а по другому - только маркированные.

На фиг. 2 представлены временные диаграммы импульсов на первом выходе дискриминатора 13, по которому следуют все импульсы без исключения после их приведения к нормированному виду: на диаграмме а - импульсы с ИД 9, а на диаграмме б - импульсы с ИД 8.

Обозначения здесь следующие:
Т - период оборота модулятора;
t_o - временной интервал между двумя соседними импульсами, поступающими с одноименного датчика;
t₁, t₂. . .t_n - временные интервалы между импульсами, поочередно поступающими с ИД 9 и ИД 8;
Т_* - временной интервал между двумя маркированными импульсами, соответствующий действительному измеряемому углу;
t_с - временной интервал, соответствующий пространственному (угловому) смещению ИД 10 относительно ИД 9;
_* - обозначение маркированного импульса.

В блоке 14 измерения временных интервалов выполняется измерение временных интервалов t_i между двумя соседними импульсами, поочередно поступающими с ИД 9 и ИД 8, а также определение числа m единиц грубого отсчета путем подсчета числа импульсов, поступающих с одного из датчиков (ИД 8 или ИД 9) на интервале времени Т_* между двумя последовательными маркированными импульсами. На фиг.2 для примера показан случай измерения угла, когда m = 2.

Блок 15 усреднения выполняет операцию по формуле (1) и выдает результат на первый вход блока 16 вычисления, на второй вход которого с блока 14 поступает сигнал, соответствующий числу m.

В блоке 16 вычисления результат измерения контролируемого угла α определяется по формуле (1) также, как и в известном устройстве. Результат измерения отображается регистратором 17.

Когда величина измеряемого угла попадает в окрестность значений, кратных величине периода меры, и возникает возможность сбоя, устройство автоматически переходит на дополнительный режим работы, который реализуется следующим образом. С третьего выхода амплитудного дискриминатора 13 на формирователь 11 поступает реальный маркированный импульс тока с ИД 9. Диаграмма такого импульса приведена на фиг.2в. Как видно, он имеет колоколообразную форму и значительную протяженность во времени, что обусловлено характером изменения освещенности принимающего фотодиода при движении штриха периодической меры мимо неподвижного ИД.

Соответствующий отсчетный импульс, полученный из данного реального (на выходе первого канала амплитудного дискриминатора), имеет намного меньшую длительность - на порядок и более. При этом на временной оси отсчетный импульс располагается по оси симметрии диаграммы импульса на выходе ИД 9.

Именно это соотношение между длительностями реального и сформированного из него отсчетного импульса используется в устройстве для исключения сбоя путем перехода на дополнительный режим работы.

Формирователь 11 обеспечивает на своем выходе строб-импульс, управляемый обоими фронтами реального маркированного импульса с ИД 9. Диаграмма такого строб-импульса длительностью τ приведена на фиг.2,г. Временной интервал τ , симметричный относительно маркированного импульса, отображает малую окрестность значений угла, кратных периоду меры, при измерении которых возникает опасность сбоя и больших погрешностей в устройстве.

Сигналом к переходу на дополнительный режим является появление импульса с ИД 8 во время действия указанного строб-импульса. Если это произошло, то в переключателе режима 18 срабатывает схема совпадения, и он выдает управляющий сигнал (импульс) на коммутатор 12 и четвертый вход блока 16 вычисления. В результате коммутатор 12 подключает на вход амплитудного дискриминатора 13 ИД 10 (вместо ИД 9), а блок 16 вычисления переходит на вычисление измеряемого угла по формуле (2).

На фиг.2д показана диаграмма импульсов на выходе ИД 10 - нового нуль-пункта отсчета углов. Из сравнения временных интервалов t_i и t_i' видно, что они существенно различаются между собой, поэтому величина точного отсчета угла и угла в целом оказывается выведенной из опасной зоны, определяемой временным окном τ.

Из сравнения диаграмм на фиг.2 ясно, что измеряемый угол α , отображаемый в основном режиме временным интервалом Т_*, а в дополнительном режиме интервалом Т_*¹+t_с, остается одним и тем же: T_* = T_*¹+t_c.

Работа в дополнительном режиме продолжается до тех пор, пока ИД 10 (вместе с контролируемым валом) не покинет окрестность значений, кратных периоду меры. В этом случае во время действия строб-импульса сигнал с ИД 8 не поступает, схема совпадения в переключателе режима 18 не срабатывает, на выходе этого переключателя пропадет управляющий сигнал и устройство вернется в основной режим работы. Таким образом, устройство автоматически определяет режим работы в каждом цикле измерения и сохраняет его до конца данного цикла.

Заявляемое устройство отличается от базового, по существу, техническим решением, обеспечивающим выдачу сигнала управления на переключение работы устройства с основного режима на дополнительный при измерении углов в некоторых точках диапазона измерения. В известном устройстве для этого служат: в измерительном преобразователе - четвертый ИД и коммутирующий штрих специальной формы и специального расположения относительно маркированного штриха периодической меры; в вычислительной части - коммутатор и переключатель, входами соединенный с первым и четвертым ИД, а выходом - с коммутатором и четвертым входом блока вычисления.

В заявляемом устройстве для этого служат: в измерительном преобразователе - отличительные признаки отсутствуют, в вычислительной части - те же коммутатор и переключатель режима, а также формирователь строб-импульса, вход которого соединен с третьим выходом амплитудного дискриминатора, а выход - с входом переключателя режима, при этом второй вход переключателя режима соединен с выходом рядовых импульсов амплитудного дискриминатора.

Отсюда видно, что измерительный преобразователь в устройстве более прост по конструкции; в нем исключены четвертый ИД и коммутирующий штрих. Кроме того, при этом достигается и снижение габаритов измерительного преобразователя в осевом направлении.

Таким образом, устройство позволяет полностью исключить сбои и значительные погрешности при измерении угла поворота вала в некоторых критических точках диапазона контролируемых углов. Но при этом заявляемое устройство отличается более простой конструкцией и меньшими габаритами своего измерительного преобразователя. Во многих случаях применения такой положительный эффект имеет важное значение.

Устройство может найти применение в высокоточных наклонно-поворотных устройствах и оборудовании различного назначения.

Использование: изобретение относится к измерительной технике и представляет собой циклический время-импульсные преобразователь угол-код с временной разверткой угла. Сущность: устройство содержит корпус 1, модулятор 2 с приводом 3, на котором нанесена периодическая штриховая мера, все штрихи 4 которой идентичным за исключением одного маркированного, три импульсных датчика 8,9,10, сопряженные с мерой, первый ИД 8 установлен на поворотной втулке 6, соосной с модулятором 2 и предназначенной для связи с контролируемым валом; второй и третий ИД 9,10 укреплены на корпусе 1, причем третий ИД 10 смещен относительно второго в измерительном направлении на расстоянии, некратное периоду меры. Устройство содержит также коммутатор 12, амплитудный дисккриминатор 13, переключатель 18 режима, формирователь 11 строб импульса, блок измерения временных интервалов, блок усреднения, блок 19 управления, блок 16 вычисления и регистратор 17. Измеряемый угол рассчитывается в вычислителе по известной формуле на основе определенных в устройстве значений грубого и точного отсчетов угла. При измерении углов из малой окрестности значений, кратных периоду меры, и появлении опасности сбоя срабатывает переключатель режима и выдает управляющий сигнал на коммутатор 12, который переключает работу устройства со второго ИД 9 на третий 10, и блок 16 вычисления, который изменяет алгоритм расчета угла с учетом смещения нуль-пункта отсчета. Сигналом к переходу на дополнительный режим работы является появление импульса с первого ИД 8 во время действия строб импульса, сформированного по фронтам реального маркированного импульса, поступающего со второго ИД 9. Исключение сбоев достигнуто при более простой конструкции измерительного преобразователя устройства. 2 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА ПОВОРОТА ВАЛА, содержащее корпус, установленный в корпусе с возможностью вращения вокруг своей оси модулятор с нанесенной на нем периодической мерой с одним маркированным штрихом, оптически связанные со штриховой мерой первый, второй и третий импульсные датчики, размещенную соосно с модулятором поворотную втулку, предназначенную для связи с контролируемым валом и на которой укреплен первый импульсный датчик, второй и третий импульсные датчики укреплены на корпусе, третий импульсный датчик смещен относительно второго в измерительном направлении на расстояние, не кратное периоду штриховой меры, коммутатор, первый и второй входы которого подключены к второму и третьему импульсным датчикам, амплитудный дискриминатор, первый вход которого соединен с первым импульсным датчиком, второй вход - с выходом коммутатора, последовательно соединенные блок измерения временных интервалов, блок усреднения, блок вычисления и регистратор, блок управления и переключатель режимов, первый и второй входы блока измерения временных интервалов соединены соответственно с первым и вторым выходами амплитудного дискриминатора, второй выход - с вторым входом блока вычислений, с третьим входом которого соединен выход блока управления, вход которого соединен с вторым выходом амплитудного дискриминатора, блок коммутации, отличающееся тем, что, с целью упрощения конструкции, блок коммутации выполнен в виде формирователя строб-импульса, вход которого соединен с третьим выходом амплитудного дискриминатора, выход - с первым входом переключателя режимов, с вторым входом которого соединен первый выход амплитудного дискриминатора, выход переключателя режимов соединен с четвертым входом блока вычислений и третьим входом коммутатора.