Фотоэлектрический преобразователь перемещения в фазовый сдвиг сигнала Советский патент 1983 года по МПК G08C9/06 

со о с |С

00

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и приборостроению и может быть использовано в системах автоматического управления.

Известен фотоэлектринеский преобразователь перемещений, который содержит источник излучения/ растровое сопряжение, линзы, пять фотоприемников,потенгщометры, пять усилителей, RC-цепочки, суммирующий трансформатор, выходной усилитель и сравнивающее устройство. Источник излучения запитывается синусоидальным напряжением частотой 400 Ш. Излучение происходит через растровое сопряжение к фотоприемникам через линзы, которые формируют световой поток.

Сигналы с фотоприемников поступа{ОТ на потенциометры , служащие для выравнивания чувствительности фотоприемников и далее на усилители. Сигналы с усилителей поступают на фазосдвигающую электрическую схему, состоящую из ряда параллельных RC-це почек. Сопротивление емкости этих. цепочек рассчитаны так, чтобы электрические сигналы от каждого усилители имели на выходе трансформатора Такое же фазовое смещение друг относительно друга, которое заложено в конструкции датчика между равномерно расположенными вдоль одной муаровой полосы точками съема информации.

Cy lмapный сигнал с выхода трансФорматора подается на выходной усилитель, а затем на сравнивающее уст,ройство, где происходит сравне1 ие фазы выходного сигнала с опорным l.

Недостатками этого преобразователя являются сложность конструктивного выполнения, низкая разрешающая способность и точность.

Известен также фотоэлектрический преобразователь, который содержит источник света, питаемый пульсирующим напряжением от генератора ortopной частоты, коллимационную линзу, подвижную и четыре неподвижные растровые решетки с одинаковым шагом растра, четыре фотоприемника, два дифференциальных усилителя и RC-це1ПОЧКУ.

Работает фотоэлектрический преоб1разователь слеДУющим образом.

Модулированный световой поток источника света коллимируется линэой и направляется на растровое сопряжение, образованное подвижной и четырьмя неподвижными растровыми решетками. --Лромодулированный вторично растровым сопряжением световой поток возбуждает на фотоприемниках фототоки. Так как растры неподвижных решеток сдвинуты последовательно на 1/4 шага растра относительно подвижной решетки, то огибанвдие выходных сигналов с фотоприемников также сдвинуты последовательно на 90 эл. град.

Сигналы с каждой.пары противофазно включенных фотоприемников подаются на входы дифференциальных усилителей. Сигналы с выходов дифференциальных усилителей подаются на RC-цепочку. Величина .С выбирается из условия для заданной частоты модуляции источника света. Фаза выходного сигнала снимается со средней точки НС-цепи и является точной мерой пространственной фазы муаровой полосы, которая изменяется на 360 эл град, при перемещении подвижного растра на один шаг C2j.

Недостатком известного преобразователя является низкая точность.

Наиболее близким к изС1бретению по техническому решению я:вляется фотоэлектрический преобразователь перемещения в фазовый СДЕИГ сигнала, содержащий растровый датчик, сигналы с которого поступают на первые входы двух модуляторов, на входы KOTojtJx подаются сигналы с генератора опорной частоты через фазорасщепитёль, а сигналы с модуляторов складываются в сумматоре.

В известном преобразователе фаза выходного сигнала является мерой пространственной фазы муаровой полосы, которая изменяется на 360 эл. град, при перемещении подвижного растра на один шаг. Изменение фазы выходного сигнала в дальнейшем с помощью интерполирующих устройств преобразуется в цифровой, код

Недостатком известного преобразователя является невысокая точность.

Цель изобретения - повьлшение точности фотоэлектрического преобразователя перемещения в фазовый сдвиг с игнала.

Поставленная цель достигается тем, что в фотоэлектрический преобразователь перемещения в фазовый сдвиг сигнала, содержащий растровый датчик, генератор опорной частоты, ,, выход которого.через фазорасщепитель соединен с первыми входами модуляторов, выходы модуляторов- соединены с входами основного сумматора, введены фильтрующие блоки, выходы которлх соединены с вторыми входа1 и модуляторов, а выходы растрового датчика соединены с входами фильт эующих блоков.

П ричем каждый фильтрующий блок содержит усилители, дополнительный сумматор и делитель напряжения, выходы которого через усилители соединены с входами дополнительного сумматора, выход которого соединен с выходом фильтрукядего блока, вход фильтрующего блока соединен с нходом делителя напряжения. На фиг, 1 представлена структурна схема фотоэлектрическоро преобразователя перемещения в фазовый сдвиг сигнала; на фиг. 2 - сигналы, поясняющие его работу. Преобразователь содержит растровый датчик 1, фильтрующие блоки 2 и 3, модуляторы 4 и 5, фазорасщепитель 6, сумматор 7, генератор 8 опорной частоты, при этом фильтрующие блоки содержат делители 9 и 10 напряжения, усилители 11-14 и сумматоры 15 и 16. П реобразователь работает следующи образом, . При перемещении подвижного растра датчика 1 на выходах датчика 1 формируются два квадратурных сигнала треугольной формы, которые поступеиот на входы фильтрующих блоков 2 и 3. С выходов делителей 9 и 10 напряжения сигналы треугольной формы, имеющие амплитуды, пропордаональные,коэф фициенту деления, поступают на входы усилителей 11-14, в которых форми руются сигналы трапецеидальной с требуемыми параметрами по амплитуда и длительности фронта. Сигналы с усилителей 11, 12 и 13, 14 далее поступают на входы сумматоров 15 и 16, на выходах KOTopsax формируются информационные сигналы синусоидально формы, с генератором 8 опорной часто ты через фазорасщепитель б на первые входы модуляторов 4 и 5 поступаю соответственно синусные и косинусные «игналы с угловой частотой ш, а на вторые входы подаются сигналы с сумматоров 15 и 16. В модуляторах 4 и. 5 формируются балансно-модулированные сигналы вида -U,o--Ug5ih(Wjjt5i«e; U UgCOSUjQ-tcose где в - угол поворота в пределах шага, растра. , П ри сложении балансно-модулированных сигналов и в сумматоре 7 на его выходе получается сигнал вида U Ucob(vMo-t-e; Таким образом, на выходе преобразователя формируется синусоидальн сигнал .несущей частоты и/о , фаза которого изменяется на 360° при перемещении растра датчика на один par.. .П оскольку измерение пространственного перемещения производится путем измерения фазы выходного сигна ла относительно сигнала опорной частоты, то точность этих измерений при прочих равных условиях с работой известного устройства определяется наличием в информационном сигнале датчика 1 высших гармонических составляющих. И ри формировании растровым датчиком 1 сигнала с помощью обтюрационного растрового .сопряжения, в кото- ром ширина прозрачных штрихов обоих растров равна 1/2 шагарастра, получается сигнал треугольной формы. Преимущество использования обтюрадаонного сопряжения с указанными параметрами в фотодатчиках заключается в том, что сигналы фотоответа в этом случае имеют максимально возможную амплитуду, что обеспечивает высокую помехозащищенность работы устройства. Недостатком же является то, что в треугольном сигнале содержатся все нечетные гармоники, что. приводит к снижению точности преобразования. В предлагаемом устройстве сигналы фотоответа треугольной формы, поступакицие. с растрового фотодатчика, преобразуются в инфррмационные сигналы, форма которых максимально приб лижена к синусоидальной за счет устранения из их спектра 3,5,7,13, 15,17,.. и т.д. гармоник. Рассмотрим ряд Фурье для симмет-: ричной трапецеидальной функции .4В Л -д|- Г (UV|-l)ct5i« (1и-1)Хз|- 5 А. SiwTt -V l-siM bcL Sin Зх - Sivt 5d 51И 5У sin «7о151И7У+...), () где n - 1, 2, 3, ..., В - амплитуда трапеции. П оложим, что для функции V коэфКициент . , для функции VJ KO21гэффициент -g- , т.е. oL 2а ,. а. амплитуды функций % и У равны меЛт у собой. . Тогда;. -b-|-sin sin Зх+ + -jf-sin sln 5х + ...) В (1,19 sin X + 0,214 sin Зх + О - 0,04sin7x - 0,014 sin 9х +...); () (-in-f sinx -fsin-fr pin Зх +-25 si к sin 5x + ...) B 0,961 sin X - 0,066 sin 3x + + 0 + 0,01 sin 7x - 0,011i. sin9x + + .-) . (5) Изфункций V и | видно, что в них равны нулю амплитуды пятой и ей кратных гармоник, а коэффициенты при 3 и 7 гармониках имеют противо-ч, положные знаки. При сложении функций i и Эй получается результирующая функция,в которой отсутствует тая и ей кратные гармоники и несколько ослаблены амплитуды 3 и 7 гармоник. Это позволяет, воспользовавшись равенством отношений амплитуд для 3 и 7 гармоник функций 2sin -г 2 sin . 3,236067983,;. (б) устранить из спектра результирующей функции VP третью и седьмую гар моники путем умножения функции на коэффициент К 00 on Г -1 . ,--v.KY-bi )- Cav,HH,si4 (1, ЩТ (аи-Ч}о1,91И С1ИИ}Х B(4,309:,,053sw9X- -0,035sinH-IX-..). Известно, что sin et sin ot + 2ri7 где ,2,3.... Следовательно, формулу (6 можно представить в виде Это означает, что в результирующ функции VP У + К y/j будут равны нулю также и амплитуд гармонических составляющих 13,17,23,27,33, 37 ... и т.д. порядков. Таким образом, при сложении двух трапецеидальных функций V иУц с / те . . 2V коэффициентами ct) 5 -ц- отношение амплитуд которых равно 1 3,236067983, получается результирую щая синусоидальная функция, в спект ре которой отсутствуют гармонически составляющие следующих порядков: 5, 10, 15 ..., (5п) ) , 3, 13, 23 ..., СЮп - 1) ; 7, 17, 27 ..., (10п - 3), где ,2,3... Для практических целей вьщерживать соотношение амплитуд суммируе мых трапецендальных функций с такой точностью (до 9-го знс1ка после запя той) неимеет смысла. Вполне достаточно обеспечить соотношение, равнов 1: 3,3236. Относительная погрешность при этом не превышает 0,002%. В этих условиях коэффициент нелинейных изкажений результирующей функции, определяемый как где В - амплитуда первой гармоники В - амплитуда i-й гармоники, не превышает 1,6%. В предлагаемом преобразователе информационный сигнал, разложение в ряд Фурье которого выражается формулой (7, формируется следующим образом. Сигналы треугольной формы растрового «датчика 1 поступают на входы усилителей 11, 12 и 13, 14 через делители 9, 10. Уровни ограничения входных сигналов усилителями 11, 12и 13, 14 выбираются пропорционально соотношению 1:3,236, а слб;довательно, амплитуды сформированных трапецеидальных сигналов будут соотноситься в тех же пропорциях. Рсггулировкой коэффициента усиления усилителей или подбором величин соот1 етствующих сопротивлений в делит€ лях 2,3 обеспечиваются требуемые параметЕ4ла5 трапецеидальных сигналов (1 , (j и U4 равные 2ТС и ии. оС, для сигналов 5 Т для сигналов ij и 0« «57 6 На фиг. 2 представлены сумг-шруемые трапецеидальные сигналы 0, (i и 2. 4 результирующий информационный сигнал Oc-i на выходах сумматоров 15 и 16. Характерной особенностью предлагаемого преобразователя является то, что фильтрация высших гармоник в информационном сигнале обеспечивается не растровым сопряжением, а с помощью простых дополнительных электронных устройств, что позволяет использовать растровое сопряжение обтюрационного типа с пропусканиями растров ,5и ,5, которое обеспечивает получение наибольшего сигнала с фотоприемника по сравнению С любыми другими типами растровых сопряжений. Кроме того, в предлагаемом устройстве обеспечивается фильтрация одного и того же состава гармоник в практически неограниченно динамическом диапазоне угловых частот, начиная от нулевых, что имеет значительные преимущества по сравнению с аналогичными устройствами, в которых используются электрические фильтры, сужающие динамический диапазон преобразования и вносящие существенные. )азовые погрешности. Таким образом, использование предлагаемого фотоэлектрического преобразователя имеет преимущества по сравнению с известным, так как он обладает более высокой точностью, поскольку в его выходном информацион- ном сигнале отсутствуют гармоники 3,5,7,13,15,17... и более высоких порядков, что уменьшает коэффициент нелинейных искажений выходного сигнала более, чем в 2 раза. Кроме того.

амплитуда вцходного сигнала фотоприемников в 1,5 раза больше, чем в известных устройствах, в которых устраняются лишь гармоники 3 и 5 по.рядков, тем самым обеспечивается более высокая помехозащищенность при передаче по линиям связи сигнала с датчика к электронному блоку, а следовательно, и более высокая надежность преобразователя.

Экономический эффект от иЬпользования изобретения обусловлен его техническими способностями, приведенными выше.

1.ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ В ФАЗОШЙ i СДВИ Г.СИГНАЛА, содержащий растровый датчикУ генератор опорной частоты, выход которого через фазовращатель соединен с первыми входами модуляторов, выходы модулйторов соединены с входами основного сумматора, о т личающийся тем, что, с целью повышения точности .преобразователя, в него введены фильтрующие блоки, выходы котоЕйлх соединены с вторыми входами модуляторов/ а выходы растрового датчика соединены с входами фильтрующих блоков. 2.. П реобразователь по п.1, о т ли ч а ющи и ся тем, что каждый фильтрующий блок содержит усилители, дополнительный сумматор и де- литель напряжения., выходы которого через усилители соединены с входами дополнительного сумматора, выход которого соединен с выходом фильтрующего блока, вход фильтрующего (Л блока соединен с входом делителя напгр11жения.