ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ОТСЧЕТНОГО КРУГА УГЛОМЕРНОГО ИНСТРУМЕНТА Российский патент 1997 года по МПК G01B21/22 

Изобретение относится к области прецизионной измерительной техники, используемой в таких приборах, как теодолиты, крутильные весы для автоматизации измерений.

Известно оптико-электронное устройство для автоматического отсчета соштриховой меры (фотопленки), используемое в теодолите [1] В устройстве грубый отсчет штрихов осуществляется при движении фотопленки, и точный отсчет после ее остановки. Оптико-электронная схема точных измерений содержит источник света, щелевую диафрагму, объектив, призму, сканатор в виде вращающейся плоскопараллельной пластины, фотопленку с прозрачными штрихами, а под пленкой призмы, объектив и два фотодиода. На одной оси со сканатором расположены диск с двумя щелями на периферии и оптопарой для образования опорных импульсов, и диск с большим числом штрихов и оптопарой для выработки счетных импульсов заполнения при измерениях временных интервалов. При вращении сканатора в фотодиодах под пленкой возникают измерительные импульсы, образующие вместе с опорными сигнал с время импульсной модуляцией. Электронная счетная схема, соединенная с фотодиодами, вырабатывает выходной сигнал о положении штриха пленки относительно центра сканирования.

К недостаткам данного устройства следует отнести сложность конструкции, которая связана с преобразованием кругового вращения инструмента в линейное движение фотопленки, а также невысокую точность измерений (~ 10^-3), обусловленную, в Частности, недостаточно высокой частотой импульсов заполнения при изменении интервалов времени. Необходимо также соблюдать такие условия эксплуатации, при которых фотопленка не подвергалась бы деформациям.

Технологическим результатом является повышение точности и упрощения конструкции.

Результат достигается тем, что в оптико-электронном устройстве измерения положения отсчетного круга угломерного инструмента, содержащем в оптическом тракте источники света, диафрагму, сканнер с установленным на его оси вращения диском с двумя радиальными щелями на его периферии, оптронную пару с источником света и фотодиодом, установленными соосно по разные стороны этого диска, отсчетный круг, два фотодиода, электронные блоки преобразования сигналов с фотодиодов, отсчетный круг выполнен в виде непрозрачного диска с радиальными щелями или прозрачными штрихами на его периферии, сканер изготовлен в виде оптического двухгранного клина, установленного на оси двигателя, между отсчетным кругом и сканером установлен объектив, вдоль оптической оси которого со стороны двигателя сканера расположен осветитель с двумя светодиодами и диафрагмой с двумя "точечными" отверстиями, причем оптическая ось объектива, оси вращения сканера и отсчетного круга параллельны и лежат в одной плоскости, а линия, соединяющая центры отверстий в диафрагме, перпендикулярна к этой плоскости, объектив установлен таким образом, что оптические изображения отверстий в диафрагме сфокусированы на периферии отсчетного круга, причем расстояние между ними равно нечетному числу половин расстояний между его щелями, против изображений отверстий диафрагмы на периферии отсчетного круга располагаются входные окна двух фотодиодов, соответственно, эти фотодиоды соединены с первыми входами каналов электронной схемы, выполненной двухканальной, а фотодиод оптронной пары соединен со вторыми входами этих каналов, каждый канал схемы содержит входной блок, состоящий из последовательно соединенных усилителя и формирователя импульсов с фотодиодов и измерителя интервалов времени между ними, оба входных блока соединены с генератором высокочастотных импульсов заполнения, а выходы этих блоков соединены с микрокомпьютерами, выходы компьютеров подключены к блоку выделения и сравнения модулей значений угловых смещений и индикации показаний.

На фиг. 1 представлена оптико-механическая схема, а на фиг. 2 - электронная схема устройства.

Оптическая схема содержит отсчетный круг (диск) 1 в виде непрозрачного диска с прозрачными щелями на периферии. Под диском 1 проходит один из клиньев сканатора, выполненного в виде двухгранного клина 2, установленного на оси вращения двигателя 3. На этой оси укреплен также диск 4 опорных импульсов с двумя щелями по диаметру, расположенному параллельно ребру клина 2. На этой же линии по обе стороны диска 4 размещены фотодиод 5 и сканатор 6. Между отсчетным кругом 1 и сканатором 2 расположен объектив 7, а под ним осветитель, состоящий из двух светодиодов 8 и 9 и диафрагмы с двумя "точечными" отверстиями, изображения которых на диске 1 оптически сопряжены с помощью объектива 7. Если сканатор 2 не перекрывает световой поток от осветителя, то два "точечных" изображения отверстий диафрагмы появится на периферии диска вне полоски со штрихами (ближе к центру диска). Это положение не указано на фиг. 1. Если же, как это показано на фиг. 1, одна "плечо" сканатора проходит под объективом 7, то эти изображения, вследствие преломления лучей клином, переместятся по направлению к оси сканатора и окажутся в точках 11 и 12. Из-за вращения клина они будут двигаться по небольшим отрезкам дуговых траекторий в одну сторону и движение их будет дважды повторяться с каждым оборотом клина. Центром этих двух траекторий будут две неподвижные точки на диске, упомянутые выше и не указанные на фиг. 1. Геометрия оптической системы подобрана таким образом, что расстояние между точками 11 и 12 равно в точности нечетному числу половин угловых расстояний между штрихами, равному α_o диска 1. Для точной выставки в конструкции оптической системы предусмотрена возможность небольших перемещений объектива 7 и осветителя с деталями 10, 8, 9, и должна соблюдаться параллельность осей вращения диска 1, сканатора 2 и оптической оси объектива 7. Над диском 1, против точек 11 и 12 устанавливаются фотодиоды 13 и 14 измерительных импульсов, с входными окнами с размером немного меньшим, чем расстояние между щелями l=Rα_o где R радиус диска 1. Оптопара 5, 6 и щели в диске 4 располагаются таким образом, чтобы опорные импульсы возникали в момент касательного расположения боковых граней клина 2 относительно диска 1. Двухканальная электронная схема преобразования информации (фиг. 2) имеет в каждом из каналов блоки 15 и 10 усиления и формирования импульсов, соединенные с микрокомпьютерами 17 и 18, подключенными к блоку 19 сравнения модулей угловых отклонений, переключения и индикации; к первым входам блоков 15, 16 подключены фотодиоды 13 и 14; ко вторым входам фотодиод 5. К блокам 15 и 16 подключены также выход генератора 20 высокочастотного заполнения.

Устройство функционирует следующим образом.

Пусть, как это показано на фиг. 1, "точка" 11, т.е. центр отрезка дуги сканирования, совпадает с центром одной из щелей круга 1, а точка 12 находится точно в середине между щелями. В результате вращения сканатора и сканирования точки 11 по диску 1 в фотодиоде 13 возникнут измерительные импульсы в моменты прохождения точки 11 через щель диска, т.е. два раза за один оборот сканатора, с периодом повторения Т. Вместе со сканатором 2 вращается и диск 4 и за один его оборот возникают два импульса со сдвигом во времени по отношению к измерительным импульсам, равным Т/2, что достигается соответствующей выставкой оптопары 5, 6 относительно диска 4. 0если двухгранный клин 2 не был бы срезан как на фиг. 1, а имел квадратное основание, т.е. лучи от осветлителя все время проходили бы через него, то траектория точки имела бы вид полуокружности и опорные импульсы возникали бы в начале и конце траектории сканирования. На фиг. 1 траектория точек 11 и 12 имеют небольшую протяженность, что не влияет на механизм возникновения импульсов, и интервалы времени между измерительными импульсами и опорами равны. Формула для нахождения отклонения положения щели от центра сканирования имеет вид:

где: C размерный коэффициент, зависящий от радиуса дуги сканирования;
τ интервал времени между опорным и измерительным импульсами.

Из (1) видно, что для точки 11 В положении сканатара по фиг. 1 в фотодиоде 13 измерительные импульсы не возникают.

При некотором отклонении штриха шкалы 1 от центра сканирования 11 появляются измерительные импульсы и от второго фотодиода 14 и второй канал начинает вычислять по формуле (1) значение отклонения α₂ в то время как в первом канале вычисляются значения α₁. Схема, позволяющая проводить эти измерения и дальнейшую обработку результатов, приведена на фиг. 2. Ее входные блоки 15 и 16 усиливают и формируют импульсы и образуют сигнал с время-импульсной модуляцией, что показано условно на фиг. 2 внутри прямоугольников блоков 15 и 16. В этих блоках содержатся также измерители интервалов времени τ и Т с помощью счета импульсов высокочастотного заполнения от генератора 20. Иными словами, блоки 15 и 16 представляют собой двухканальные измерители периодов повторения и интервалов между импульсами. В блоках 17 и 18 происходит вычисление отклонений a₁ и α₂ штриха от точек (центров) 11 и 12 сканирования (фиг. 1). В какой-то момент, по мере смещения диска 1, Показания микрокомпьютеров сравниваются по модулям в блоке 19 и в момент их равенства происходит переключение индикации показаний с одного канала измерений на другой. Таким образом, при перемещении штрихов отсчетов круга достигается непрерывная индикация показаний по точной шкале, а сигнал переключения используется для счета импульсов прохождений штрихов, т.е. для реализации грубой шкалы.

Обратимся теперь к вопросу о линейности шкалы точных измерений: угол, по формуле (1) отсчитывается по дуге окружности сканирования с радиусом R_ск и в принципе не равен углу поворота диска со штрихом с радиусом R > P_ск. Однако, на деле можно показать с помощью расчетов, что различие при малых значениях угла между штрихами и при шкале, работающей в пределах оказывает незначительное влияние на линейность шкалы, отступлением от которой можно пренебречь, или занести малые отключения от линейности в память компьютеров 17 и 18, и учитывать их с помощью постоянной программы.

Рассмотрим конкретный пример.

Пусть R 60 мм, а угол между штрихами α_o 4^o (90 штрихов по всей окружности диска 1). Тогда полезная часть амплитуды сканирования 1^o в линейных величинах составляет 1 мм. При такой длине дуги несовпадение между дугами с радиусом R и R_ск 5 мм можно пренебречь.

Погрешность измерений можно оценить на основе работы со сканирующим датчиком угла по авторскому свидетельству СССР N 1073572, в котором R_ск 5 мм погрешность измерений составляет ± 0,1''. Ввиду сходства принципов работы (время-импульсный метод), можно считать достижение этой цифры для точной шкалы вполне реальным, т.е. относительную точность измерений можно оценить 3•10^-5.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено в таких приборах как теодолиты, крутильные весы для автоматизации измерений. Техническим результатом является повышение точности и расширение области применения. Устройство содержит объектив, источники света, диафрагму, сканатор, диск с двумя щелями на его периферии, фотодиоды, штриховую меру и электронную схему преобразования информации. Новым является выполнение штриховой меры в виде непрозрачного диска с прозрачными щелями, а сканатор выполнен в виде двухгранного оптического клина. Источник света содержит два светодиода и диафрагму с двумя "точечными" отверстиями, лежащими на линии, перпендикулярной плоскости, образованной осями вращения отсчетного диска, сканатора и оптической оси объектива. Расстояние между изображениями отверстий в диафрагме на периферии диска, образованными объективом, должны находиться на расстоянии равным нечетному числу половин расстояний между штрихами. Два фотодиода, установленные над этими изображениями, соединены с первыми входами блоков двухканальной электронной схемы. Вторые входы этих блоков, содержащих усилители, формирователи импульсов и измерители интервалов времени между импульсами, соединены с фотодиодом, установленным над диском с двумя щелями. Входные блоки подключены также к генератору импульсов высокочастотного заполнения, а их выходы - к микрокомпьютеру для вычисления угловых отклонений. Выходы последних соединены с блоком выделения и сравнения модулей, переключений и индикации результатов. 2 ил.

Оптико-электронное устройство измерения положения отсчетного круга угломерного инструмента, содержащее в оптическом тракте источники света, диафрагму, сканер с установленным на его оси вращения диском с двумя радиальными щелями на его периферии, оптронную пару с источником света и фотодиодом, установленными соосно по разные стороны этого диска, отсчетный круг, два фотодиода, электронная схема преобразования сигналов с фотодиодов, отличающееся тем, что отсчетный круг выполнен в виде непрозрачного диска с радиальными щелями или прозрачными штрихами на его периферии, сканер изготовлен в виде оптического двухгранного клина, устновленного на оси двигателя, между отсчетным кругом и сканером установлен объектив, вдоль оптической оси которого со стороны двигателя сканера расположен осветитель с двумя светодиодами и диафрагмой с двумя "точечными" отверстиями, причем оптическая ось объектива, оси вращения сканера и отсчетного круга параллельны и лежат в одной плоскости, а линия, соединяющая центры отверстий в диафрагме, перпендикулярна к этой плоскости, объектив установлен таким образом, что оптические изображения отверстий в диафрагме сфокусированы на периферии отсчетного круга, причем расстояние между ними равно нечетному числу половин расстояний между его щелями, против изображения отверстий диафрагмы на периферии отсчетного круга располагаются входные окна двух фотодиодов соответственно, фотодиоды соединены с первыми входами каналов электронный схемы, выполненной двухканальной, а фотодиод оптронной пары соединен с вторыми входами этих каналов, каждый канал схемы содержит входной блок, состоящий из последовательно соединенных усилителя и формирователя импульсов с фотодиодов и измерителя интервалов времени между ними, оба входых блока соединены с генератором высокочастотных импульсов заполнения, а выходы этих блоков соединены с компьютерами, выходы компьютеров подключены к блоку выделения и сравнения модулей значений угловых смещений и индикации показаний.