Абсолютный энкодер с нониусом Российский патент 2021 года по МПК G01B21/00 G01D5/249 H03M1/24 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к измерительной технике для измерения величин с помощью абсолютного энкодера и предназначено для увеличения точности измерения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Абсолютные энкодеры в настоящее время широко используются в науке и техние. Описываемое в изобретение устройство имеет отношение к измерительным приборам. Это изобретение связано с энкодером и предполагает повышение точности, сравнительно с традиционными энкодерами с помощью принципа, предложенного еще в XVI веке Педро Нунешем (Нониусом на латинском языке). Этот принцип реализован, например, шкалой нониуса в штангенциркуле.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1) Предлагаемый абсолютный энкодер, как и любой энкодер, содержит прямолинейный или круглый растр. В отличие от традиционного энкодера предлагаемый энкодер содержит не одно считывающее устройство, а целый блок считывающих устройств, каждое из которых имеет фиксированное положение относительно других считывающих устройств.

2) Растр состоит из последовательности прилегающих друг к другу одинаковых по размеру h участков, которые далее будем называть шагами кодирования, которые содержат записи уникального для каждого шага кодирования двоичного кода, доступного для считывания считывающими устройствами. Растр и блок считывающих устройств могут двигаться друг относительно друга. Если считывающее устройство считывает код с любого участка одного и того же шага кодирования, то результат получается один и тот же. Если же считывающее устройство расположено вблизи границы смежных шагов кодирования, то считываемый код может быть смесью кодов обоих шагов кодирования. Чтобы при этом результат получался равным либо коду одного шага кодирования, либо соседнего, для кодирования последовательных шагов кодирования еще в прошлом веке было предложено использовать код Грея, каждое значения которого содержит одинаковое число битов, причем следующие друг за другом значения различаются ровно одним битом. Это свойство обеспечивает в случае положения устройства считывания вблизи границы смежных шагов кодирования считывание кода либо предыдущего шага кодирования, либо следующего за ним. Таким образом, если перенумеровать шаги кодирования индексом i=0, 1, 2, … то записанные в них коды Грея g₀, g₁, g₂, … будут обладать указанным свойством. Количество битов в используемом коде Грея определяется требуемым для энкодера количества шагов кодирования, причем коды Грея различных шагов кодирования уникальны. Есть взаимнооднозначное соответствие между номером шага кодирования и содержащегося в нем кода.

Если использовать только одно считывающее устройство с номером 0, то для считанного им кода g_i соответствующая измеренная им величина будет равна произведению hi.

Если растр прямолинейный, то это может быть прямолинейное перемещение некоторой точки, а если растр круглый, то это будет перемещение точки по окружности.

Получаемая точность в данном случае будет равна размеру шага кодирования h.

3) Для повышения точности в n раз предлагается использовать блок из n считывающих устройств, расположенных друг относительно друга определенным образом.

Перенумеруем считывающие устройства индексом k=0, 1, …, n-1. Пусть x_k - расстояние от нулевого считывающего устройства до k-го. Расположим считывающие устройства так, что

где m_k - целые значения. Пусть считывающие устройства с номерами k=0, …, n-1 одновременно прочитали коды шагов кодирования g_k, соответствующие номерам в порядке следования на растре шагов кодирования p_k. Будем называть границы каждого шага кодирования левой (смежный шаг кодирования предыдущий) и правой (смежный шаг кодирования следующий). Если нулевое считывающее устройство смещено относительно левой границы шага кодирования номер р₀ на некоторое rh, гда h - размер каждого шага кодирования, а r имеет значение большее или равное 0 и меньшее 1, например,

где t может принимать значение от 0 до n-1. Тогда значения номеров шагов кодирования при k≤t получим по формуле

а при k>t получим

Это следует из определения положения считывающих устройств, заданных соотношением (1), значения величины r, заданного соотношением (2).

Пусть считывающие устройства передают полученные коды шагов кодирования в логическое устройство и после преобразования их в номера шагов кодирования производится описанные далее действия. Для каждого k=0, …, n-1 сравнивается значение номера шага кодирования с формулами (3) и (4). Последнее k, для которого выполняется соотношение (3), принимается в качестве t. Уточненная измеренная нулевым считывающим устройство величина принимается равной

Ошибка измерения при этом будет не более h/n.

В идеальном случае, когда суммарная длина всех шагов кодирования достаточная для получения значения с каждого считывающего устройства, а считывающие устройства бесконечно тонкие, не возникает ограничений на величину n (число считывающих устройств и фактор повышения точности энкодера). В реальных условиях, даже предполагая достаточную суммарную длину шагов кодирования и соблюдение абсолютного равенства размеров шагов кодирования, есть ограничение, связанное с длиной участка, с которого считывающее устройство считывает код с растра. В реальных условиях оно не бесконечно малое. Величина n не может быть больше отношения длины шага кодирования к этому параметру (это отношение равно числу примыкающих друг к другу положений считывающего устройства на одном шаге кодирования, при которых считываемые участки шага кодирования примыкают друг к другу, но не перекрываются).

4) Изложенное в предыдущих пунктах означает, что предлагаемый в данном изобретении энкодер содержит еще один компонент, логическое устройство, которое получает со всех считывающих устройств одновременно коды Грея g_i, определяется для них номера соответствующих шагов кодирования p_i и проверяет последовательно для i=0, 1, …, n-1 выполнение соотношения (3). Если последний индекс, для которого соотношение (3) выполнено, равен t, то более точное значение измеряемой величины задается соотношением (5).

Все приведенные соотношения справедливы как для прямолинейного растра, в котором все упомянутые длины определяются вдоль прямолинейного растра, так и для круглого растра, если длины измеряются вдоль круглого растра (длины соответствующих дуг).

Изобретение относится к области измерительной техники и касается энкодера. Энкодер содержит растр с последовательностью примыкающих друг к другу участков размера h, называемых шагами кодирования и содержащих доступные для считывания устройствами считывания коды Грея, блок считывающих устройств с номерами 0, …1, …, n-1, имеющих фиксированное относительно других считывающих устройств положение и логическое устройство. Считывающие устройства отстоят от нулевого устройства на длину x_i=h(m_i+i/n), где m₀=0, а при i=1, …, n-1 все m_i - целые числа. Логическое устройство получает одновременно с каждого i-го считывающего устройства считанные коды Грея g_i, определяет по ним номера соответствующих шагов кодирования p_i и в результате перебора номеров считывающих устройств от 0 до n-1 определяет последний номер t, для которого выполняется соотношение p_t=р₀+m_t, и формирует результат в виде h(p₀+t/n). Технический результат заключается в повышении точности измерений.

Энкодер, содержащий прямолинейный или круглый растр с последовательностью примыкающих друг к другу участков размера h (измеряемого вдоль растра), называемых далее шагами кодирования, содержащими доступные для считывания устройствами считывания коды Грея, блок считывающих устройств с номерами 0, …1, …, n-1, имеющих фиксированное относительно других считывающих устройств положение, а также логическое устройство, формирующее по показаниям считывающих устройств измеряемое значение повышенной точности, оцениваемой величиной h/n, отличающийся тем, что

считывающие устройства отстоят от нулевого устройства на длину x_i=h(m_i+i/n), где m₀=0, а при i=1, …, n-1 все m_i - целые числа;

указанные расстояния отсчитываются вдоль прямолинейного или круглого растра;

если p_i - номера в порядке следования на растре шагов кодирования, коды которых g_i считывают с растра считывающие устройства с номерами i=0, 1, …, n-1, то в качестве уточненного значения показания нулевого считывающего устройства принимается величина h (р₀+t/n), где t - последний номер i при переборе i от 0 до n-1, для которого выполняется соотношение p_i=p₀+m_i;

логическое устройство одновременно с каждого i-го считывающего устройства получает считанные коды Грея g_i, определяет по ним номера соответствующих шагов кодирования p_i и в результате перебора номеров считывающих устройств от 0 до n-1 определяет последний номер t, для которого выполняется соотношение p_t=р₀+m_t, и формирует результат в виде h(p₀+t/n).