Устройство определения угла поворота Российский патент 2023 года по МПК G01B7/30 G01C19/58 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для измерения угла поворота и может быть использовано для измерения угловых перемещений движущихся объектов, например, валов двигателей и манипуляторов роботов, где больше интересен поворот отдельных элементов.

Известен бесконтактный способ определения положения вала механических узлов (патент RU2651637C1). В данном патенте абсолютный оптический однооборотный угловой энкодер содержит n оптических пар (где n - разрядность энкодера), которые распределены равномерно с угловым шагом 360/n, растровый диск с одной кодирующей дорожкой в виде чередующихся прозрачных и непрозрачных секторов, причем прозрачные и непрозрачные сектора формируются путем комбинации точной и грубой шкал.

На кодирующей дорожке, представляющей собой чередующиеся прозрачные и непрозрачные сектора, размещают точную и грубую шкалы. При этом грубая шкала представляет собой непрозрачный сектор с угловым размером 720/n градусов и прозрачный сектора с угловым размером 360/n градусов, который примыкает к непрозрачному при движении почасовой стрелке. Точная шкала с угловым размером 360(1-3/n) градусов содержит n-3 части с угловым размером 360/n градусов. Каждую часть формируют по последовательности значений соответствующего разряда модифицированного n-3-разрядного кода. При этом при этом старшему разряду ставят в соответствие часть, расположенную рядом с прозрачным сектором основной шкалы, младшему - часть, расположенную рядом с непрозрачным сектором основной шкалы; нулю ставят в соответствие прозрачный сектор с угловым размером а, где, а - разрешающая способность энкодера, единице - непрозрачный.

Недостатком такого способа определения угла поворота является ограниченная точность определения угла поворота, определяемая числом оптопар в энкодере. Для количества оптопар n=8 разрешающая способность ограничивается 1,8°. Кроме того, устройство, работающее согласно этому способу, может иметь паразитную чувствительность в результате поперечного смещения шкалы относительно падающего источника сигнала, что приводит к дополнительной ошибке в значении угла поворота.

Известно наиболее близкое устройство определения угла поворота с бесконтактным детектированием электромагнитного сигнала (патент US 9157789 B2). Изобретение относится к детекторам электромагнитного излучения и масс детекторов электромагнитных волн на основе метаповерхности с использованием одного или нескольких слоёв графена в качестве фотоприемного слоя. Такое устройство также предлагает возможность детектирования электромагнитных волн, который позволяет улавливать падающее излучение путем преобразования падающего излучения в электрический сигнал. Детектор угла включает в себя плоский металлический слой, сформированный на подложке. Подложка, промежуточный слой, образованный на металлическом слое, изолированные металлы, периодически образующиеся на промежуточном слое, электроды, расположенные противоположно по обеим сторонам изолированного металлов, а на промежуточном слое формируется слой графена, чтобы покрыть изолированные металлы и электроды. Данное изобретение предлагается не только как высокочувствительное устройство фото детектирования электромагнитных волн, но и как устройство для определения угла, под которым ориентированы источник электромагнитного излучения и устройство, по смещению резонанса структуры для фиксированной длины волны источника падающего излучения.

Из наиболее выраженных недостатков данного устройства является его низкая точность из-за ограниченности диапазона измерения углов. Предлагаемым устройством принципиально нельзя измерять углы больше +90 или -90 градусов.

Задачей изобретения является разработка устройства, обеспечивающего улучшение точности определения угла поворота.

Поставленная задача решается за счет того, что устройство определения угла поворота содержит оптический источник линейно поляризованного излучения, фотоприемник и шкалу, представляющую собой метаповерхность. Устройство дополнительно содержит жидкокристаллический вращатель. При этом вращатель и шкала, представляющая собой метаповерхность, размещены последовательно между источником и фотоприемником соосно с ними, причем метаповерхность имеет резонансную частоту, которая зависит от параметров структуры, подобранных к частоте излучения источника, и выполнена с возможностью вращения вокруг указанной оси. Так же устройство содержит блок сравнения, генератор линейно изменяющегося напряжения и блок формирования выходного сигнала. При этом выход фотоприемника соединен со входом блока сравнения. Выход блока сравнения соединен с первым информационным входом генератора линейно изменяющегося напряжения, первый выход которого соединен с входом вращателя поляризации, а второй выход - с входом блока формирования выходного сигнала. Причем первый выход блока формирования выходного сигнала соединен со вторым входом генератора линейно изменяющегося напряжения, а второй и третий выходы блока формирования выходного сигнала являются выходами устройства для возможности определения результирующего угла поворота и подсчета количества оборотов соответственно.

Устройство позволяет добиться высокой точности в определении величины углового смещения, превышающее предел в наиболее близком устройстве с точностью до полного числа оборотов за счет реализации системы обратной связи между фотодетектором прошедшего сигнала и вращателем поляризации, в качестве которого может использоваться, например, жидкокристаллический (ЖК) вращатель поляризации. Данное устройство позволит снять ограничение в определении величины угла поворота, который может быть определен.

Достигаемым техническим результатом является возможность определения угла поворота с минимизацией предельной чувствительности, которая может составлять доли сотые доли градуса. Технический результат достигается за счет использования ЖК вращателя поляризации и отсутствие необходимости в отслеживании смещений резонанса структуры в широком диапазоне длин волн при изменении угла падения источника на шкалу. Благодаря описанной связи между генератором, блоком формирования выходного сигнала и вращателем появляется возможность скорректировать угол поворота поляризации, на который произошел поворот устройства по разности между углом, который соответствует изначальному положению устройства, и углом, на который дополнительно произошел поворот плоскости поляризации в результате поворота устройства (шкалы), что и позволит определять угол поворота контролируемого устройства с более высокой точностью до целого числа оборотов. Дополнительным преимуществом описанного устройства определения угла поворота является его простота реализации.

Изобретение поясняется чертежами, где:

Фигура 1 - Блок-схема устройства и связь основных элементов.

Фигура 2 - Шкала устройства для измерения угла поворота;

Фигура 3 – График нормированного напряжения, пропорционального функции пропускания коэффициенту пропускания при изменении угла θ;

Фигура 4 – Возможная схема блока сравнения (БС).

Фигура 5 – Возможная схема блока формирования выходного сигнала (БФВС).

Устройство (фиг.1) состоит из источника излучения 1 (И), шкалы 2 (Ш), фотоприемника 3 (Ф), ЖК вращатель 4 (В), блока сравнения (БС) 5, генератора линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН) 6 и блока формирования выходного сигнала (БФВС) 7. ЖК вращатель 4 необходим для изменения угла поворота поляризации для случаев, когда угол поворота превышает 90 градусов, что позволяет находится в диапазоне максимальной чувствительности датчика. Шкала 2 (фиг.2) представляет собой метаповерхность - диэлектрическую одномерную прямоугольную субволновую решетку с фиксированной шириной штрихов (w) и периодом их следования (Λx) вдоль оси 0x.

Источник 1, шкала 2, фотоприемник 3 и вращатель 4 размещены соосно. Выход фотоприемника 3 соединен с входом блока сравнения 5, выход которого соединен с первым входом генератора 6. Первый выход генератора 6 соединен со входом блока формирования выходного сигнала 7, второй выход подсоединен ко второму входу вращателя 4. Блок 7 имеет первый выход на обратную связь с блоком 6, второй выход для определения угла поворота, третий выход для подсчета количества полного числа оборота оборотов.

Устройство работает следующим образом.

Источник 1 испускает монохроматическое линейно-поляризованное электромагнитное излучение оптического диапазона. При включении устройства угол поворота плоскости поляризации излучения относительно ориентации штрихов шкалы 2 принимается за нуль отсчета угла поворота (фиг. 3), таким образом в процессе работы устройство отсчитывает угол поворота от . Излучение проходит через проходит через ЖК вращатель 4, проходит на шкалу 2, причем частота излучения источника 1 соответствует резонансной частоте метаповерхности. В устройстве может использоваться любой тип метаповерхности имеющий резонанс в спектре пропускания на частоте излучения, используемого источника света, например, диэлектрическая одномерная прямоугольная субволновая решетка. После прохождения через метаповерхность 2 оптический сигнал несет информацию о её угле поворота и фиксируется фотоприемником 3. Известно, что мощность оптического сигнала, проходящего через описанную метаповерхность, будет связана с углом поворота согласно выражению:

(1)

где – мощность, соответствующая максимальному прохождению через шкалу

 Фотоприемник 3 работает в фотодиодном режиме и напряжение на его выходе определяется в соответствии с выражением (2). В соответствии с выражением (1), мощность на выходе фотоприемника 3 будет зависеть от угла поворота (см. рис. 3). Нулю отсчета будет соответствовать напряжение причем из условия режима работы фотоприемника 3, напряжение на нагрузке фотоприемника 3 в фотодиодном режиме описывается следующим выражением (Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Андреев А.Л., Польщиков Г.В. Источники и приемники излучения. - 6084 изд. - СПб: Политехника, 1991. С. 115-116) :

(2)

где – фототок на нагрузке фотоприемника - токовая чувствительность фотоприемника, - темновой ток, возникающий в фотоприемнике через p-n переход, который можно принять равным нулю в силу его малости, а при достаточно большом напряжении экспоненциальный член выражения пренебрежимо мал.

После этого фотоприемник 3, работающий в фотодиодном режиме, фиксирует это значение напряжения , которому соответствует некоторое значение мощности излучения пройденного через метаповерхность 2 с известной функцией пропускания (фиг. 3), т.е. углу поворота который зависит от взаимного расположения плоскости поляризации и поворота плоскости метаповерхности по отношению к нулю отсчета.

После этого, регистрируемый сигнал попадает на блок сравнения 5 для сравнения сигнала, приходящего с фотоприемника, с сигналом, который получается с помощью калибровки и служит для корректного определения угла поворота (фиг.4). Блок сравнения 5 может состоять из источника постоянного напряжения (ИПН) 8 и компаратора (К) 9, который сравнивает сигнал источника постоянного напряжения 8 с сигналом с фотодетектора 3. Источник напряжения 8 в блоке сравнения 5 может выдавать некоторое рабочее напряжение например, где - напряжение, соответствующее максимальной мощности, выходной характеристики шкалы 2 и эта мощность пропорциональна коэффициенту её пропускания. Положительный канал компаратора 9 подключается к источнику 8, а отрицательный канал принимает напряжение с фотодетектора 3, где результат сравнения двух сигналов от источника 8 и фотодетектора 3 подается на генератор линейно-изменяющегося напряжения 6. На генераторе 6, в зависимости от результата сравнения, генерируется линейно-растущее, при что соответствует логической «1» или линейно-убывающее напряжение при при логическом «0» на компараторе 8. Генерируемый таким образом пилообразный сигнал с ГЛИН 6 передается на ЖК вращатель 4 и на блок формирования выходного сигнала 7, который усредняет сигнал , несущий информацию о величине угла поворота и полного числа оборотов контролируемого устройства по получаемому сигналу с ГЛИН 6. Причем величина получаемого напряжения пропорциональна углу поворота шкалы. Блок 7 (фиг.5) может состоять из блока усреднения сигнала (БУ) 10, сравнителя (С) 11 и счетчика (СЧ) 12. Блок усреднения 10 вычисляет среднее значение сигнала с генератора 6, определяя среднее между максимумом и минимумом получаемого пилообразного сигнала, которое будет соответствовать углу поворота для этого усредненного напряжения :

(3)

где - угол без целого числа оборотов . Причем получаемый сигнал с блока 10 подается на блок 11 и на первый выход БФВС 7 одновременно.

Для определения же полного числа оборотов сравнитель 11 производит сверку усредненного значения напряжения и напряжения , соответствующее целому количеству оборотов шкалы 2 вокруг оси. Счётчик числа оборотов 12 прибавляет +1 в случае, если или прибавляет -1, если в зависимости от направления вращения и сразу же позволяет понизить или повысить сигнал на генераторе линейно-изменяющегося напряжения 6 на соответствующую величину (т.е. на ) (фиг.5). Если полученное усредненное значение на сравнителе 11 оказывается больше полнооборотного электрического напряжения , то формируется положительный счетный импульс, если усредненное значение меньше отрицательного значения полнооборотного электрического напряжения , то формируется отрицательный счетный импульс, который передается на счетное устройство 12. Далее блок сравнения 5 передает все счетные импульсы на свой тактовый выход 2, а реверсивно подсчитанное с момента включения количество N счетных импульсов в виде двоичного кода на свой информационный выход 3.

Полученная таким образом информация об угле поворота контролируемого устройства будет иметь на выходе устройства следующий вид:

(4)

где N - целое число оборотов, - угол поворота без целого числа оборотов (фиг.5).

Благодаря описанной связи между генератором 6, формирователем 7 и вращателем 4, появляется возможность скорректировать угол поворота поляризации, на который произошел поворот устройства по разности между углом, который соответствует изначальному положению устройства и углом, на который дополнительно произошел поворот плоскости поляризации в результате поворота устройства (шкалы), что и позволяет определять угол поворота контролируемого устройства с более высокой точностью до целого числа оборотов.

Таким образом, описание устройства поясняет достижение технического результата - возможность определения угла поворота с минимизацией предельной чувствительности до целого числа оборотов, которая может составлять доли сотые доли градуса за счет использования ЖК вращателя 4, фотодетектора с блоками 6,7 и отсутствие необходимости в отслеживании смещений резонанса структуры в широком диапазоне длин волн при изменении угла падения источника на шкалу.

Пример реализации. В качестве источника излучения можно использовать полупроводниковый лазер, генерирующий на длине волны 532 нм, излучение которого падает на пропускающий ЖК вращатель LCR1-532, а шкала на основе метаповерхности из диэлектрика, которая может быть изготовлена из диэлектрика, например, с помощью технологии нанолитографии. Компактная возможность настройки полосы пропускания метаповерхности продемонстрирована в работе Qian L, Zhang D, Dai B, Wang Q, Huang Y, Zhuang S. Optical notch filter with tunable bandwidth based on guided-mode resonant polarization-sensitive spectral feature. Opt Express. 2015 Jul 13;23(14):18300-9. doi: 10.1364/OE.23.018300. и реализуется за счет использования эффекта чувствительности спектра к поляризации и использования жидкокристаллического поляризационного вращателя для точного и простого управления поляризацией. В качестве фотодетектора можно использовать волоконный фотоприемник оптического диапазона, выход которого подключается к программируемому оконному компаратору напряжений для сравнения двух сигналов, один из которых генерируется простейшим источником напряжения с подобранной величиной, определяемой при калибровке сигнала. В качестве генератора линейно изменяющегося напряжения может быть использована микросхема TL494 или её аналог. Блок формирования выходного сигнала может быть выполнен из электронных компонентом по схеме согласно фигуре 5 и состоять их электрической схемы сравнения трех напряжений и счетчика импульсов с цифровым дисплеем.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для измерения угла поворота и может быть использовано для измерения угловых перемещений валов двигателей и манипуляторов роботов. Заявленное устройство определения угла поворота содержит оптический источник линейно поляризованного излучения, фотоприемник и шкалу в виде метаповерхности. Также дополнительно введён жидкокристаллический вращатель, при этом вращатель и шкала в виде метаповерхности размещены последовательно между источником и фотоприемником соосно с ними. Метаповерхность имеет резонансную частоту, зависящую от параметров структуры, подобранных к частоте излучения источника, и выполнена с возможностью вращения вокруг указанной оси. Кроме того, устройство содержит блок сравнения, генератор линейно изменяющегося напряжения и блок формирования выходного сигнала. При этом выход фотоприемника соединен с входом блока сравнения, выход блока сравнения соединен с первым информационным входом генератора линейно изменяющегося напряжения, первый выход которого соединен с входом вращателя поляризации, а второй выход - с входом блока формирования выходного сигнала. Первый выход блока формирования выходного сигнала соединен со вторым входом генератора линейно изменяющегося напряжения. Второй и третий выходы блока формирования выходного сигнала являются выходами устройства для возможности определения результирующего угла поворота и подсчета количества оборотов соответственно. Техническим результатом, достигаемым при осуществлении предлагаемого устройства, является минимизация предельной чувствительности и, как следствие, увеличение точности определения угла поворота. 5 ил.

Устройство определения угла поворота, содержащее оптический источник линейно поляризованного излучения, фотоприемник и шкалу, представляющую собой метаповерхность, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит жидкокристаллический вращатель, при этом вращатель и шкала, представляющая собой метаповерхность, размещены последовательно между источником и фотоприемником соосно с ними, причем метаповерхность имеет резонансную частоту, которая зависит от параметров структуры, подобранных к частоте излучения источника, и выполнена с возможностью вращения вокруг указанной оси, а также устройство содержит блок сравнения, генератор линейно изменяющегося напряжения и блок формирования выходного сигнала, при этом выход фотоприемника соединен с входом блока сравнения, выход блока сравнения соединен с первым информационным входом генератора линейно изменяющегося напряжения, первый выход которого соединен с входом вращателя поляризации, а второй выход с входом блока формирования выходного сигнала, причем первый выход блока формирования выходного сигнала соединен со вторым входом генератора линейно изменяющегося напряжения, а второй и третий выходы блока формирования выходного сигнала являются выходами устройства для возможности определения результирующего угла поворота и подсчета количества оборотов соответственно.