Фотоэлектрический растровый датчик угловых перемещений Советский патент 1983 года по МПК G01B11/26 

Изобретение относится к иэмерительной технике и может быть исполь зовано в системах автоматимеского регулирования и управления. Известен фотоэлектрический растровый датчик угловых перемацений, содержащий последовательно расположенные и оптически связанные осветитель, измерительный растру индикато ный растр, штриховая структура которого выполнена в виде многозонных окон считывания, и фотоприемники,, установленные напротив окон считывания, штриховая структура одного из растров выполнена в виде равношироких прозрачных и непрозрачных штрихов, В устройстве угловые размеры растровых штрихов удовлетворяют условиям: в индикаторном диске а-Ь в измерительном диске а-Ь w/l8; где а - ширина непрозрачного штриха; b - ширина прозрачного штриха; w - шаг растра Г1 3Недостатком известного устройства является невысокая точность измереНИИ, обусловленная наличием в спектре выходных сигналов четных и нечетных гармоник седьмого и более высоких порядков, .вносящих нелинейные искажения. Цель изобретения - повышение точности измерения. Цель достигается тем, что в фотоэлектрическом раствором датчике угло вых перемещений, содержащем последовательно расположенные и оптически связанные осветитель, измерительный растр, индикаторный растр, штриховая структура которог выполнена в виде многозонных окон считвания, в виде многозонных окон считывания, и фотоприемники; установленные напро тив окон считывания, штриховая струк тура одного из растров выполнена в виде равиошироких прозрачных и непро зрачных штрихов, прозрачные участки .штриховой структуры другого растра выполнены в виде двухступенчатых сим матричных фигур, угловые размеры пер вой и второй ступени которых равны соответственно 1/5 и 2/5 углового ша га растра, а соотношение площадей первой и второй ступеней равно 1:3,236. На фиг. 1 изображена схема фотоэлектрического растрового датчика угловых перемещений; на фиг.- 2 - кон фигурация прозрачного участка штриховой структуры индикаторного растpa; на фиг. 3 Функция пропускания, получающаяся при суммировании двух трапецеидальных функций с коэффициентами и фиг. - примеры возможных вариантов выполнения растрового сопряжения (а - двухступенчатые штрихи наносятся на индикаторный диск, б - на измерительный диск). Датчик (фиг. 1) содержит осветитель 1, подвижный измерительный растр 2, неподвижный индикаторный растр 3 и фотодиодный блок, представляющий собой диск 4 из неэлектропроводного материала, на котором с шагом расположены четыре четырехэлементных матричных фотоприемника 5На индикаторном растре 3 с шагом 90 расположены четыре окна 6 считывания. Каждое окно 6 считывания содержит четыре зоны 7 считывания. Взаимное расположение окон 6 считывания и фотоприемников 5 таково, что каждой зоне 7 окна 6 считывания соответствует элемент 8 матричного четырехэлементного фотоприемника 5- Штриховая структура растра 2 выполнена в виде равношироких прозрачных и непрозрачных штрихов, а каждая зона 7 считывания в зависимости от величины шага растра 3 содержит один или несколько прозрачных штрихов (фиг. 2). Прозрачные участки штриховой структуры растра 3 выполнены в виде двухступенчатых симметричных фигур 9 угловые размеры первой и второй ступеней которых равны соответственно 1/5 и 2/5 углового шага растра, а соотношение площадей первой и второй ступеней равно 1:3,236. . Для получения четырехфазной характеристики в каждом окне 6 считывания зоны 7 считывания последовательно сдвинуты на I/ шага растра. Датчик работает следующим образом. Световой поток от осветителя 1 проходит через растровое сопряжение и попадает на фотоприемники 5. При вращении измерительного растра 2 происходит МОДУЛЯЦИЯ светового потока, которая воспроизводится элементами 8 фотоприемнйков 5 в виде четырех периодических синусоидальных сигналрв, сдвинутых по фазе последовательно на 7Г/2. Фотоприемники 5 скоммутированы таким образом, что одноименные элементы 8 каждого из четырех фотоприемников 5 соединены параллельно и синфазные сигналы, снимаемые с них, суммируются. Съем информации с четырех диаметрально противоположны фотоприемников 5 позволяет скомпенсировать влияние эксцентриситета на точность измерений. Измерительный и индикаторный радиальные центральные растры 2 и 3 нанесены, на соответствующие диски с одинаковым шагом. Для обеспечения симметричности фукции пропускания угловые размеры прозрачных штрихов измерительного растра равны половине шага растра. функция пропускания у растровог сопряжения представляет собой сумму двух трапецеидальных функций у и у (фиг. 3). Разложение в ряд фурье симметрич ной трапецеидальной функции имеет вид . со . 4Б Г ± Sin{2n-l}c isin{2n-i)x (smc)Sinx -s-s 3 Stn3x : 5 n Э2o Kein5x+7 s1n 7otsfn Ix + .-.y , ГДe n 1, 2, 3,...; В - амплитуда трапеции. ЕСЛИ положить, функции у. коэффициент cii-t -J--, для функци у коэффициент oi2 g а амплитуды функций у и У2 равны между собой, то при сложении функций у- и у У получается результирующая функци в которой отсутствует пятая и ей кратные гармоники, а амплитуды третьей и седьмой гармоник несколько ослаблены, так как коэффициенты при третьей и седьмой гармониках для функций у и у2 имеют противоположные знаки. Это позволяет, воспользо вавшись равенством отношений амплитуд для 3 и 7 гармоник функций У ,2360 4.7983 устранить из спектра результирующей функции ур третью и седьмую гармоники путём умножения функции у- на коэффициент k. В результирующей функции у, у k равны нулю также и амплитуды гармонических составляющих 13 17 23, 27то и, более высоких порядков. Таким образом, при сложении двух трапецеидальных функций у. и у2 Cjкоэффициентами oi-| - и . с отношение амплитуд которых ,равно 1:3,236067983. получается результирующая синусоидальная функция, в спектре которой отсутствуют гармонические составляющие следующих порядков:5, 10, 15,...,(5п); 3, 13 23,...,(10п-7); 7, 17. 27,...,(10п-3), где п 1, 2, 3, ,... Для практических целей достаточно обеспечить соотношение, равное . Относительная погрешность при этом не превышает 0,002. В этих условиях коэффициент нелинейных искажений не превышает 1,6%, а относительная фазовая погрешность от несинусоидальности изменения переменных составляющих пропусканий элементов растрового звена равна 3,510 или 0,035%. Для реализации функции пропускания растрового сопряжения, а, следовательно и сигналов фотоответа, снимаемых с фотог иемников, с описанными параметрами, в датчике используется сопряжение двух растров с одинаковыми угловыми шагами, у одного из котсфых угловая ширина прозрачных, штрихов равна половине шага-раст ра, а у другого гчэозрачные участки выполнены в виде двухступенчатых симметричных фигур (фиг. 2), причем угловые размеры первой /ь и второй . ступеней равт соответственно 1/5 и 2/5 углового шага растра, а соотношение их площадей, равное от-ношению амплитуд формируемых ими сигналов фотоответа, равно t:3i236. Поскольку оба растра в сопряжении равноправны, то нанесение растровой решетки с двухступенчатыми штрихами на подвижный или неподвижный растровые диски не принципиального характера. В предлагаемой конструкции датчика двухступенчатые штрихи нанесены на индикаторный диск, так как в этом случае процесс контроля качества выпол(ения растровой -решетки несколько . Использование фотоэлектрического датчика угловых перемещений обеспечивает высокую точность, поскольку в его выходном информационном сигнаS 0338626

ne отсутствует гармоники 3, 5, 7, 13,тельную фазовую погрешность преобра15, 17-го и более высоких порядков,зования более, чем в 2 раза, а также

что уменьшает коэффициент нелинейныхза счет компенсации влияния эксцентискажений вы)«:одного сигнала и относи-риситета растров.

- 4 ОТОЭЛЕ1ГГРИ«ЕСКИЙ РАСТРОВНЙ ДАТЧИК УГЛОВЫХ П ЕРЕМЕ1 НИЙ, содержащий последовательно расположенные и оптически связанные осветитель, измерительный растр, индикатррАый растр, штриховая структура которого.выпЬл-. иена в виде многоэонных окон считыва , ния, и фотофиемники, установленные напротив окон считывания, штриховая структура одного из растров шйполнена .в виде рааношироких прозрачных и непрозрачных штрихов, о т я и ч а юц и и с я тем, что, с иелыо повышения точности измерений, прозрачные участки штриховой структу ш другого растра выгюлнёны в в1еде двухступенчатых симметричных фигур, уг/ювые размеры первой и вторсй ступеней которых равны соответственно 1/5 и 2/5 углового шага растра, а соотношение площадей первой .и второй сту.пеней равно 1:3,236. .