Фотоэлектрический преобразователь угла поворота вала в код Советский патент 1979 года по МПК G08C9/06 

(54) ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛА ПОВОРОТА ВАЛА.В КОД

1

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано в качестве высокоточного угломерного устройства с цифровым выходом.

Известен прецизионный указывающий интерферометр с модифицированной призмой Кёстерса, содержащий источник света, призму Кёстерса, две стеклянные пластинки на пути между призмой и отражающим ълемептом (вторая стеклянная пластина делится на две части, прилегающие друг к другу, одна из которых вращается вокруг иерпепдикулярной плоскости световых лучей оси, для смещения фазы интерференционных но.юс), и чувствительное устройство из двух рас11о,1ожен11ых на расстоянии фото датчиков. Недостатками :)того преобразователя являются зависимость надежности определения величины и полярности углов в статическом и динамическом режимах от временной и температурной нестабильности параметров двух фотодатчиков, а также малый диапазон измеряемых углов (единицы минут), обусловленный интерференционной оптической схемой устройства 1.

Известен также фотоэлектрический преобразователь, содержащий осветитель, .isyxплечевой интерферометр со светоделительным устройством в виде призмы Кёстерса, разделяющим световой поток на два параллельных и равных между собой пучка, двухлинзовую оптическую систему для согласования падающих на плоские отражатели пучков лучей, датчик линейных перемещений с одним из плоских отражателей интерферометра и механическим модулятором светового нотока, датчик угловых перемеп1ений с другим плоским отражателем, щелевую диафрагму, два фотонриемника, электронную схему с суммарно-разностной обработкой сигнала, источник компенсационною воздействия 1 отсчетный прибор 2.

Ме.хостатком утого иреобрпзоваге.чя является ма. диапазон измеряемых уг.чов (минуты), а также влияние томнературной и временной нестабильност параметров двух неидентичных фотопрпомников, аналоговых схем вычитания и схммирования (дрейф нуля) и механического модулятора на правильность определения вслнчины и полярности углов в статическом и динамическом режимах. Наиболее близким техническим решением к изобретению является фотоэлектрический преобразователь угла поворота вала в код, содержащий оптический блок сосветоделительным элементом в виде физмы Кёстерса, соединенный с источником напряжения и блоком обработки сигнала 3J. Недостатком этого преобразо&ателя является низкая точность за счет того, что знак малых углов определяется счетчиком, в котором могут возникнуть сбои из-за действия различных причин, например недостаточной помехоустойчивости счетчика. Целью изобретения является повышение точности работы преобразователя за счет введения информации о знаке угла непосредственно в световой сигнал. Поставленная цель достигается тем, что в предложенный преобразователь введены амплитудный селектор и блок полярности угла, а в одну из ветвей светоделительного элемента введен фильтр. Выход оптического блока через амплитудный селектор соединен с одними из входов блока определения полярности угла, другой вход которого соединен с выходом блока обработки сигнала. На фиг. 1 представлена функциональная схема фотоэлектрического преобразователя угла поворота вала в код; на фиг. 2 - развернутая структурная схема электронной части преобразователя; на фиг. 3 - временные диаграммы напряжений в характерных точках схемы. Преобразователь угла поворота вала в код содержит осветительную часть 1 с излучателем и диафрагмой, светоделительный элемент в виде призмы Кёстерса 2, на одной половине основания которой нанесено покрытие, например, в виде нейтрального фильтра 3, ослабляющего световой поток, зеркало 4, фотоприемную часть, состоящую из объектива 5 и сканистора б со светочувствительной полоской 7. Эти элементы образуют оптический блок -8. Преобразователь содержит также блок обработки сигнала 9 и блок определения полярности угла 10, вход которого подключен через амплитудный селектор 11 к нагрузочному резистору 12 сканистора 6. Блок обработки сигнала 9 содержит формирователи 13 и 14, счетчик 15 и генератор развертки 16. Блок определения полярности угла содержит элемент запрета 17, триггеры 18- 20 и элемент И 21. Преобразователь работает следующим образом. Параллельный пучок лучей, сформированный в осветительной части 1 направляется на внутреннюю светоделительную поверхность «а призмы Кёстерса 2, где разделяется на два пучка, проходящих по следующим путям. Первый путь: после отражения от поверхности «а на боковую грань «в и отразившись от боковой грани «в, световой пучок попадает на зеркало 4, отразившись от которого, пучок падает на грань «в и, отразившись от грани «в, проходит через поверхность «а и через объектив 5 проекцируется в виде изображения штриха на сканистор 6. Второй путь: после прохождения поверхности «а световой пучок отражается от боковой грани «с, затем отражаясь от зеркала 4 и дважды пересекая грань «d с фильтром 3, ослабляющи.м световой поток, отражается от грани «с и от поверхности «а, и проходит через объектив 5 на сканистор 6. При этом, если зер.кало 4 параллельно основанию призмы Кёстерса 2, (грань «d)j70 световой пучок не раздваивается и проектируется в центр светочувствительной полоски в виде одного штриха. Если зеркало 4 поворачивается относительно оси «О, например, вправо на угол Дф, то световой пучок на выходе призмы раздваивается, и более яркий световой штрих, проходящий на сканистор по первому пути, перемещается по светочувствительной полоске вправо на угол 2Лф (относительно нулевого положения штриха), и другой, менее яркий световой штрих, перемещается влево на угол 2 Д ср. В результате этого расстояние между двум световыми щтрихами. спроектированными на сканисторе, пропорционально 4Дф, что существенно повыщает точность отсчета угла. Формирователь представляет собой логическое устройство, на выходе которого образуются импульсы, используемые для запуска и остановки счетчика 15 только при наличии на его входе двух последовательных импульсов за один период развертки сканистора. В том случае когда измеряемый угол равен нулю и оба световых щтриха на слое сканистора 6 сличаются в один, на вход формирователя 13 с нагрузки (резистора 12) сканистора поступает за период развертки один импульс, на выходе формирователя импульсы отсутствуют, и счетчик 15 не запускается. Исходное состояние устройства при «нулевом угле характеризуется следующими режимами основных его блоков. Исходное состояние устройства при «нулевом угле характеризуется следующими режимами основных его блоков. На сканистор подается линейно-ступенчатое напряжение развертки с генератора 16. Одновременно это напряжение поступает на вход формирователя 14, на выходе которого в результате дифференцирования линейно-ступенчатого напряжения образуются импульсы, подаваемые на счетный вход счетчика 15, управляемого по входу запуска и остановки счета формирователем 13. В этом состоянии счетчик не запускается. Триггеры 18 и 19 в это время находятся в таком состоянии, что на их выходах «d и «f - «нулевые уровни. Элемент И 21 закрыт, и на выходе «g триггера 20 также «нулевой уровень, обозначающий, например, знак «- измеряемого угла, соответствуюш,ий углу, предшествующему данному нулевому состоянию устройства. Поскольку сканистор засвечивается в этом состоянии одним слитным световым штрихом, с нагрузки сканистора снимается один импульс, амплитуда которого превышает второй пороговый уровень селектора. В ре зультате возникают одновременно импульсы на обоих выходах «в и «с селектора (фиг. 2) Импульс, действующий на выходе «в, переводит триггер 18 в состояние «единичного уровня на выходе «d. Однако наличие импульсов одновременно на обоих входах элемента запрета 17 не дает импульса на его выходе, и триггер 18 остается в исходном состоянии. Состояние выходного триггера 20 также остается исходным. При повороте зеркала, например, влево (присвоим этому направлению положительный знак угла), на резисторе 12 образуются два последовательных за период развертки импульса. При этом первым следует импульс с большей амплитудой (фиг. 2 а, в, С...Д). Действие первого во времени импульса большей амплитуды, поступившего на вход селектора 11, аналогично. При действии на входе селектора 11 второго импульса - меньшей амплитуды возникает импульс только на выходе «с селектора. Этот импульс проходит через элемент запрета 17 и переводит триггер 19 в состояние «единичного уровня на выходе «е. Этим уровнем знаковый триггер 20 переводится в состояние «единичного уровня на его выходе «g, что соответствует знаку « + измеряемого угла. Одновременно импульс, поступивший с выхода элемента запрета 17, переводит триггер 18 в состояние «единичного уровня на его выходе «f. Однако на выходе., элемента И 21 импульс не возникает, поскольку на другом его входе действует «нулевой уровень с выхода «d триггера 19. По окончании каждого цикла развертки триггер 19 устанавливается в «нулевое положение задним фронтом импульса генератора 16. При повороте зеркала вправо первым следует импульс меньшей амплитуды (фиг. 2 а в , с-.-д). При этом возникает на выходе «с селектора, который проходит алемент запрета 17 и снова устанавливает триггер в состояние «единичного уровня на его выходе «f. Импульс большей амплитуды. Cv eдyющий вторым, вызывает появление импульсов на выходах «в и «с селектора. При этом импульс с выхода «в переводит триггер 19 в состояние «единичного уровня на выходе «d, а триггер 18 остается в «единичном состоянии. В результате на выходе элемента И 21 возникает «единичный уровень, который устанавливает триггер 20 в состояние «нуля на его выходе, что соответствует знаку «- измеряемого угла. Одновременно счетчик 15 запускается первым н останавливается вторым импульсами, выдавая на выход число, пропорцнональное новому значению измеряемого угла. Точность определения знака, измеряемого с помощью предложенного преобразователя угла, не зависит от количества считываемых импульсов, а определяется только быстродействием элементов амплитудного селектора и блока полярности угла, время срабатывания которых должно быть меньше интервала следования двух импульсов, образуюшихся в сканисторе при. минимальном расстоянии между двумя световыми штрихами. Применение соответствующих высокочасотных элементов обеспечивает необходимое ыстродействие. Таким образом, введение ослабителя светового потока .в одну из ветвей светоделительного устройства и подключение блока полярности угла через амплитудный селектор к выходу сканистора исключает зависимость точности определения знака угла от объема счетчика импульсов угла и тем самым позволяет повысить надежность определения полярности угла в статическом и динамическом режимах. Формула изобретения Фотоэлектрический преобразователь угла поворота вала в код, содержащий оптический блок со светоделительным элементом, в виде призмы Кестера, соединенный с блоком обработки сигнала, отличающийся тем, что, с целью пЬвыщения точности работы преобразователя, в него введены амплитудный селектор и блок определения полярности угла, а в одну из ветвей светоделительного элемента введен фильтр, выход оптического блока через амплитудный селектор соединен с одним из входов блока полярности угла, другой вход которого соединен с выходом блока обработки сигнала. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент США № 3285124, кл. 88-14, 1966. 2.Авторское свидетельство СССР № 347561, кл. G 01 В 1/02, 1973. 3.Авторское свидетельство СССР № 494760, кл..а 08 С 9/06, 1974.

Г

КД| /

// /y///7/y/Z /7/A

Фиг.1

I.

JC

L.

19

IS

20

Ю

Ус/71,, О

J