Преобразователь перемещения в код Советский патент 1987 года по МПК H03M1/24 

11

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано для преобразования линейных или угловых перемещений различных объектов в цифровой код,

Цель изобретения - повышение разрешающей способности преобразователя ,

На фиг,1 приведена структурная схема преобразователя; на фиг.2 - схемы блока N фотоприемников, блока сравнения, дешифратора и их соединения в схеме преобразователя; на фиг,3 - кодовый элемент.

Преобразователь перемещения в код содержит источник 1 излучения, оптические системы 2 и 3, кодовый элемент 4 со светомодулирующими дорожками 5, блок 6 фотоприемников, блок 7 сравнения, дешифратор 8, блок 6 фотоприемников содержит опорный фотоприемник 9 и информационные фотоприемники 10, блок 7 сравнения со

держит усилители 11 и аналого-цифро

вые преобразователи (АЦП) 12, дешифратор 8 содержит постоянные запомй- наюш,ие устройства (ПЗУ) 13,

Фотоприемники блока 6 расположены на линии, лежащей в плоскости, перпендикулярной направлению перемещения элемента 4, и каждый фотоприемник блок 6 оптически сопряжен с источником 1 через оптические системы 2 и 3 и по меньшей мере одну дорожку 5. Каждая дорожка 5 через оптическую систему 3 сопряжена по меньшей мере с двумя фотоприемниками блока 6 и состоит из группы светоотклоняющих элементов, которые могут быть выполнены либо, преломляющими (рефракционными), либо дифракционными. Их работа возможна как на пропускание света, так и его отражение, Технологически проще в изготовлении и точнее дифракционные элементы, обеспечивающие к тому же более резкое разграничение смежных элементов,

При согласованных величинах мощности потока светового излучения и чувствительности АИД 12 (фиг,2) усилители 1 в схеме преобразователя могут не использоваться.

Оптическая система 2 (или 3) выполнена в данном случае в виде цилиндрического рефлектора, а оптическая система 3 - в виде цилиндрической линзы. Она отличается относитель

5

5

0

5

30

-35

45

50

55

812

ной простотой и обеспечивает требуемую фокусировку света.

Кодовый элемент 4 представляет собой носитель шкалы, состоящий из группы ориентированных в направлении перемещения дорожек 5 (t, t, ,,., t). Они разделены на участки, выполненные в виде фокусирующих дифракционных решеток 0,1,2,,,, и т.д, типов, имеющих на рабочей длине волны }( в плоскости, перпендикулярной направлению перемещения, неперекры- ваюБщеся между собой каустические кривые (области фокусировки). Па фиг,3 представлен начальный участок кодового элемента 4, Он, в частности, состоит из четырех дорожек tj, t,5 t, t, включающих фокусирующие дифракцио-нные решетки пяти типов: 0,1,2,3,4, На чертеже количество штрихов решеток условно уменьшено.

Соответствующее шкале символическое отображение типов дифракционных решеток показано в табл,1,

В плоскости, перпендикулярной направлению перемещения элемента 4, решетка каждого типа оптически соединена с отдельной прострак.стг енной областью, в которой размещаю гея соответствующие фотоприемники блока 6.

В табл,2 символически представлены сигналы, регистрируемые в оптически сопряженных с дорожками 5, областях РО , Р, , Р, Р , Р для случая, когда сигналы от разных дорожек 5 имеют одинаковую интенсивность единичного уровня. Индекс области соответствует номеру соответствующего типа дифракционной решетки.

Сигналы, регистрируемые в областях Р , Р J, Р , P,j , используются для кодирования положения элемента 4. Уровень сигнала в области Р дополняет до четырех сумму уровней сигналов в областях Р, , Р.,, , Р , Р . При необходимости указанный сигнал может быть использован для повышения помехоустойчивости кодирования путем проверки постоянства, суммы сигналов, регистрируемых во всех областях. Такой метод подобен использованию корректирующих кодов типа Хемминга.

Очевидно, что доролжи 5 состоят из нескольких типов информационных участков, следовательно, они несут больше информации на том же участке шкалы по сравнению с известными преобразователями. Кроме того, они обладают повышенной световой эффек31

тивностью, что позволяет обеспечить требуемые точности преобразования. Их дифракционная эффективность может достигать порядка 100%.

Повышение разрешающей способности (или информационной емкости) возможно, если дифракционные решетки одного типа выполнить в виде группы решеток, дифракционная эффективность которых равна I/q, где q 1,,2,3,,.. ... - порядковый номер решетки в группе, I - дифракционная эффективность решетки с первым номером. Такое вьшолнение решеток ведет к увеличению числа кодовых комбинаций за счет того, что световой сигнал от дорожек 5 является многоуровневым. Получение требуемой дифракционной эффективности решеток наиболее просто достигается подбором ширины четны или нечетных штрихов дорожек 5.

Для обеспечения заданной точности преобразователя и деления светового потока дорожками 5 последние выполняются распределенными по ширине всей шкалы (фиг.З). При этом каждая дорожка 5 делится на зоны шириной д/п1, последовательно чередующиеся с шагом i/1, где Д - суммарная ширина всех зон (ширина шкалы кодового элемента 4), п, 1 - соответственно число дорожек 5 на шкале и число зон на которое разделена каждая дорожка 5. В табл.3 в качестве примера показано условное отображение расп- ределения дорожек 5 для трех зон.

При большом числе зон в плоскости, перпендикулярной направлению переме- ш;ения, шкала элемента 4 действует как многофокусная дифракционная линза, имеющая в зависимости от кодовой комбинации от одного до N областей фокусировки света (здесь N равно количеству областей, оптически сопря женных с дорожками 5).

Если одна из пространственных областей (например, Р не используется для формирования выходного кода, то соответствующие этой области диф- ракционные решетки могут быть заменены на пассивные участки, перекрывающие световые потоки от источника 1. Для обеспечения оптической связи с пространственными областями Р, Р(,... соответствующие им фокусирующие дифракционные рещетки должны иметь определенные пространственные распределения образующих их штрихов.

814

При освещении решетки от источника границы штрихов должны располагаться таким образом, чтобы оптическая разность хода между лучом, распространяющимся по линии, соединяюшей между собой источник 1 и фотоприемник блока 6, и лучом, проходягаим через Гранину k-ro штриха, составлял бы 0,5 k A, где k 1,2,... - индекс штриха, Л - длина световой волны источника 1 .

Преобразователь работает следующим образом.

Свет от источника 1 проходит оптическую систему 2 и фокусируется на поверхности элемента 4 в узкую линию, ориентированную перпендикулярно направлению его перемещения. В плоскости, проходящей через эту линию и линию, по которой ориентированы фотоприемники блока 6, элемент дорожек 5 отклоняют свет в направлении соответствующих фотоприемников. Последующая фокусировка света в направлении, перпендикулярном названной плоскости, осуществляется оптической системой 3. В зависимости от кодовой комбинации на элементе

4происходит перераспределение светового потока между фотоприемниками блока 6. Причем на кодовых дорожках

5могут присутствовать элементы, отклоняющие свет за пределы блока 6. Помимо прямых оптических связей могут использоваться здесь и перекрестные связи, которые приводят к по- вьш1ению разрешающей способности преобразователя.

В частном случае при равномерной засветке дорожек 5, числе дорожек 5,равном п, числе фотоприемников блока 6, равном N, и при условии, что каждая дорожка 5 имеет одинаковую ширину и состоит из N+1 типов отклоняющих элементов, из которых обеспечивают оптическую связь с соответствующими фотоприемниками блока 6, на элементе 4 можно нанести

и

F| различных комбинаций, число которых равно

п (N + п).

Пройдя элемент 4, световые потоки поступают на фотоприемники 9 и 10 блока 6. При освещении опорного фотоприемника 9 через него протекает

ток 1ц, преобразуемый усилителем 11 в опорное напряжение UQ, пропорциональное освещенности фотоприемника 9, Это напряжение используется для задания режима работы АЦП 12. Сигналы с информационных фотоприемников 10 блока 6 усиливаются усилителями 11 и подаются на соответствующие входы АЦП 12. В зависимости от состояния фотоприемников 10 на выходах соответствующих АЦП 12 устанавливаются четыре возможные комбинации :00, 01, 10 и 11. Дешифратор 8 преобразует код на выходах АЦП 12 в двоичный код, при этом он, как правило, должен строиться с учетом числа разрешенных комбинаций, которых всегда меньше комбинаций, формируемых на выходах блока 7.

Формула изобретения

1. Преобразователь перемещения в код, содержащий источник излучения, кодовый элемент с п светомодулирую- щими дорожками, против которых расположен блок N фотоприемников, выходы ко торого соединены с входами блока сравнения, выходы которого соединены с входами дешифратора, выходы которого являются выходами преобразователя, отличаю- : и и с я тем, что, с целью повы- игения разрешающей способности преобразователя, в него введены две оптические системы, выполненные в виде цилиндрических оптических элементов продольные оси которых перпендикулярны направлению перемеш.ения кодового элемента, который выполнен в ви де дифракционной решетки со штрихами переменной ширины, ориентированными по направлению перемещения кодового элемента, границы штрихов, параллельные направлению перемещения кодово1 О элемента, в плоскости, пер

Дорожка

Таблица Тип дифракционной решетки

пегодикулярнои направлению перемещения кодового элемента, определяются выражением

4(Уо+У; + (Хо+х;)+ 0,5 k; -Jy(Xo+x,;f + у +(х-х,; f.

где X

о

Уд -, координаты источника из55

0

5

0

0

5

5

X k лучения в данной плоск зс- ти;

У - координаты фотоприемника, оптически соединенного с данньи участком светомодулирующей дорожки;

А - рабочая длина волны источника излучения; натуральное число, определяющее индекс границы очередного штриха участка светомодулирующей дорожки;

х - координата границы k -го штриха относительно начала отсчета штрихов,

одна, оптическая система расположена на оптической оси между источником излучения и кодовым элементом, а другая - между КОДОВЬЕ- элементом и блоком N фотоприемников.

2. Преобразователь по п., о т- л и ч а ю щ и и с я тем, что блок сравнения содержит N усилителей и N-1 аналого-цифровых преобразователей, информационные входы усилителей являются входами блока, выход первого усилителя соединен с опорными входами аналого-цифровых преобразователей, выходы остальных усилителей соединены с информационными входами соответствующих остальных аналого- цифровых преобразователей, выходы аналого-цифровых преобразователей являются выходами блока.

Таблица 2

Фаг.1

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники и может быть использовано в цифровых устройствах контроля и преобразования угловых или линейных перемещений в код. Целью изобретения является повышение разрешающей способности преобразователя. Для этого в преобразователь, содержащий излучатель, кодовый элемент, блок фотоприемников, блок сравнения и дешифратор, введены две оптические системы в виде цилиндрических рефлекторов, а кодовьй элемент вьшолнен с п светомодулирующими дорожками, которые выполнены в виде дифракционных решеток со штрихами переменной ширины, ориентированными по направлению, перемещения кодового элемента. При перемещении кодового элемента свет от источника излучения, в качестве которого может быть применен когерентный излучатель, проходит через кодовый элемент и попадает на соответствующие фотоприемники блока, С гналы с выхода блока фотоприемников поступают на вход блока сравнения, где они сравниваются с опорными сигналами, а затем дешифрируются в дешифраторе в двоичный позиционный код, Светомодулирующие дорожки кодового элемента выполнены либо рефракционными, либо дифракционными. Последние являются более технологичными. Такое выполнение дорожек позволяет сочетать в кодовом элементе свойства кодирования информации и сканирования ее на входе блока фотоприемников , Дорожки позволяют обеспечить как непосредственные связи между дорожками и соответствз ющими им фотоприемниками, так и перекрестные связи. При этом световому воздействию подвергаются те фотоприемники, которые располагаются внутри каустической кривой, сформированной принятым в преобразователе сочетанием дорожек кодового элемента, В преобразователе кодовый элемент имеет четыре дорожки, которые включают дифракционные решетки пяти типов, отличающиеся шириной штрихов, При девяти фотоприемниках блока и четырех дорожках на выходе преобразователя формируется восемнадцатиразрядный код, что свидетельствует об увеличении разрешающей способности пре- обра-зователя, 1 з,п, ф-лы, 3 ил,, 3 табл. ГО ;о IN 00

Редактор С. Пекарь

0WSj

Составитель Ю. КОТОЕ Техред И.Попович Корректо) М. ;1емчик

Заказ 286/58Тираж 902Подписное

ВНГОШИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4