Двухкоординатный датчик углового положения

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня смещений объекта относительно двух осей. Цель изобретения - повышение надежности за счет исключения дополнительных кинематических связей между рычагом, предназнченным для скрепления с объектом контроля, и контрольными элементами двух датчиков угла поворота. При повороте рычага вокруг одной оси происходит изменение величины светового потока, который частично экранируется контрольным элементом. Это приводит к изменению сигнала на выходе одного фотоприемного блока. Такой же результат получается при повороте рычага вокруг другой оси, при этом изменяется сигнал на выходе другого фотоприемного блока. Возможны разные варианты выполнения контрольного элемента, в том числе и в виде двух непрозрачных пластин, скрепленных между собой так, что они совпадают с двумя боковыми гранями четырехгранной равнобедренной пирамиды прямым углом между боковыми гранями. 3 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к устройствам для определения углового положения объекта относительно двух независимых осей с использованием оптических методов измерения. Данный датчик может, в частности, использоваться для создания систем ручного управления компьютерами и исполнительными механизмами.

Известен датчик линейного положения [1] , содержащий источник излучения, создающий параллельный пучок света, приемник излучения и непрозрачный контрольный элемент, перекрывающий частично или полностью поток излучения в зависимости от своего положения. По выходному сигналу приемника определяют величину линейного перемещения контрольного элемента относительно оси, перпендикулярной оптической оси датчика.

Указанный датчик, являясь одноканальным, способен определять только линейное положение объекта и не обеспечивает возможности определения углового положения объекта одновременно по двум координатам.

Известен двухкоординатный датчик углового положения [2] , принятый за прототип, содержащий корпус, рычаг, скрепленный с корпусом посредством шарнира с возможностью угловых смещений относительно двух взаимно перпендикулярных осей, два датчика угла поворота, установленные так, что их оптические оси взаимно перпендикулярны, каждый из датчиков угла поворота выполнен в виде последовательно установленных источника излучения, контрольного элемента, связанного с рычагом, и приемника излучения. Датчик содержит также две дуги, установленные в корпусе перпендикулярно друг другу на осях с возможностью поворота дуг в двух взаимно перпендикулярных направлениях. В дугах выполнены прорези, которые при указанном расположении дуг друг относительно друга образуют отверстие, через которое пропускается рычаг. На оси каждой дуги закреплен контрольный элемент, выполненный в виде полупрозрачного сектора с заданным распределением коэффициента пропускания излучения по дуге сектора. Коэффициент пропускания излучения монотонно возрастает от одного конца дуги полупрозрачного сектора к другому концу. При повороте управляющего рычага в шаровом шарнире в определенном направлении он поворачивает установленную в перпендикулярном направлении дугу, вместе с которой поворачивается скрепленный с ней полупрозрачный сектор. Последний в зависимости от угла поворота рычага изменяет поток излучения, падающий на приемник.

Недостатком этого датчика является наличие в нем механического узла в виде двух пересекающихся под прямым углом дуг, посредством которого поворот управляющего рычага передается контрольному элементу, то есть полупрозрачному сектору. Наличие такого механического узла в конструкции датчика может привносить в его показания дополнительную погрешность, обусловленную люфтом и трением в этом узле, что снижает надежность датчика. Выполнение контрольного элемента в виде полупрозрачного сектора с заданным распределением коэффициента пропускания излучения по дуге может снижать также надежность датчика, так как возникновение локальных загрязнений на поверхности полупрозрачного сектора может привести к резким скачкам выходного сигнала, а следовательно, к возникновению значительной ошибки в системе управления. Кроме того, наличие в конструкции датчика указанного механического узла, а также необходимость иметь в каждом датчике угла поворота отдельный контрольный элемент усложняют конструкцию датчика.

Целью изобретения является повышение надежности датчика за счет использования одного контрольного элемента, общего для обоих датчиков угла поворота и непосредственно скрепленного с рычагом без промежуточной трансмиссии.

Поставленная цель достигается тем, что в отличие от прототипа каждый датчик угла поворота снабжен диафрагмой с отверстием заданной конфигурации установленной между источником излучения и приемником излучения, датчики угла поворота установлены так, что их оптические оси перекрещиваются друг с другом, а контрольный элемент, общий для обоих датчиков угла поворота, скреплен с рычагом и установлен в зоне перекрещивания оптических осей датчика угла поворота. Свойства контрольного элемента, общего для обоих датчиков угла поворота - его форма и распределение коэффициента пропускания излучения могут быть выбраны весьма произвольно. При этом конфигурация отверстия диафрагм задается в соответствии с выбранными свойствами указанного контрольного элемента таким образом, чтобы получить нужную зависимость потока излучения на приемник от положения рычага.

Целесообразно также, что контрольный элемент, общий для обоих датчиков угла поворота, может быть выполнен в виде двух непрозрачных пластин, скрепленных между собой так, что они совпадают с двумя боковыми гранями четырехгранной равнобедренной пирамиды с углом между боковыми гранями, равным 90^о, ребро пирамиды совмещено с осью рычага, а вершина пирамиды совмещена с центром поворота рычага. Указанная форма контрольного элемента является простейшей.

Целесообразно также, чтобы отверстия в каждой из диафрагм было ограничено двумя отрезками прямых, проходящих через точку пересечения плоскости диафрагмы ось поворота рычага, параллельной оптической оси датчика угла поворота, и двумя кривыми, одна из них - дуга окружности радиусом ρ₀, а другая - кривая с переменным радиусом кривизны ρ(Ψ) с центрами в указанной точке пересечения плоскости диафрагмы ось поворота, ρ(Ψ) должно удовлетворять условию ρ(Ψ) > ρ₀ и определяется из решения уравнения R A (ρ²(Ψ)-ρ²₀)d= K·ϕ+a , где R - зависимость выходного сигнала приемника излучения от падающего потока излучения; ϕ- угол отклонения рычага; К и а - постоянные параметры; A - плотность потока излучения.

Указанная форма отверстия в диафрагмах позволяет получить линейную зависимость выходного сигнала двухкоорди- натного датчика от угла отклонения рычага при использовании приемника излучения с произвольной зависимостью выходного сигнала от потока падающего излучения.

Целесообразно также, что контрольный элемент, общий для обоих датчиков угла поворота, может быть выполнен в виде непрозрачного конуса, установленного так, что его вершина совмещена с центром поворота рычага, а ось совпадает с осью рычага. Указанная форма контрольного элемента позволяет определять угловое положение детали, закрепленной в двухкоординатном датчике и вращающейся вокруг своей оси симметрии.

На фиг. 1 изображена схема датчика с контрольным элементом, общим для обоих датчиков угла поворота, в форме равнобедренной пирамиды; на фиг. 2 - варианты формы диафрагмы в датчике угла поворота для случаев линейного и нелинейного приемников излучения.

Двухкоординатный датчик углового положения (фиг. 1) содержит два идентичных взаимно перпендикулярных датчика угла поворота с оптическими осями 1 и 2. Рычаг 3 закреплен на подвеске с возможностью поворота относительно взаимно перпендикулярных осей 4 и 5. В качестве такой подвески может использоваться ось вращения, закрепленная в двух подшипниках, установленных на корпусе (на фиг. 1 не показан). В середине этой оси, перпендикулярно к ней, закреплена вторая ось вращения, на которой закреплен рычаг. Рычаг 3 может поворачиваться вокруг второй оси и независимо, вместе со второй осью, вокруг первой оси. На рычаге 3 закреплен контрольный элемент 6, общий для обоих датчиков угла поворота. Среди множества возможных вариантов контрольного элемента 6 наиболее простым будут две непрозрачные пластины, скрепленные между собой под углом, меньшим или равным 90^о (фиг. 1).

Также в качестве подвески может использоваться шаровой шарнир с возможностью дополнительного рычага 3 вокруг своей оси. В этом случае контрольный элемент 6 должен быть телом вращения, чтобы его проекции на плоскости, перпендикулярные оптическим осям 1 и 2, не зависели от поворота рычага вокруг своей оси. Простейшим таким контрольным элементом 6 будет непрозрачный конус, ось которого совмещена с осью рычага 3, а вершина совпадает с центром поворота рычага 3.

Источники излучения состоят из светодиодов 7 и 8, расположенных в фокусе линз 9 и 10, формирующих два параллельных световых пучка. На линзах закреплены плоские диафрагмы 11 и 12, формирующие пучки заданной конфигурации. За контрольным элементом 6, общим для обоих датчиков угла поворота, установлены собирающие линзы 13, и 14, фокусирующие прошедшее излучение на приемники излучения 15 и 16. В качестве приемников излучения могут использоваться фотодиоды или фоторезисторы. Перед приемниками излучения возможна установка диффузных рассеивателей для ослабления требований к точности совмещения светового потока с чувствительной площадкой приемника излучения.

Положение рычага 3 определяет степень перекрывания световых пучков контрольным элементом 6, и выходные сигналы с приемников излучения однозначно определяют угловое положение рычага относительно каждой из двух взаимно перпен- дикулярных осей.

Пространственное распределение коэффициента пропускания излучения диафрагмами 11, 12 и контрольным элементом 6 может быть весьма разнообразным, но согласованным друг с другом для получения заданной выходной характеристики датчика углового положения. В частности, для указанных выше наиболее простых вариантов непрозрачного контрольного элемента 6 и приемника излучения 5 с линейной характеристикой отверстие в непрозрачной диафрагме 11 на фиг. 2 ограничено двумя отрезками прямых 17-19 и 18-20, проходящих через точку 21 пересечения плоскости диафрагмы 11 осью 5 поворота рычага, параллельной оптической оси 1 датчика угла поворота; и двумя кривыми 17-18 и 19-20, являющимися дугами окружности с центрами в точке 21.

Для приемника излучения 5 с нелинейной характеристикой (например, фоторезистора) отверстие в непрозрачной диафрагме 11 на фиг. 2 ограничено двумя отрезками прямых 22-25 и 23-26, проходящих через точку 24 пересечения плоскости диафрагмы 11 осью 5 поворота рычага, параллельной оптической оси 1 датчика угла поворота; и двумя кривыми 25-26 и 22-23, причем одна из них - дуга окружности радиусом ρ₀, а другая кривая с переменным радиусом кривизны ρ(Ψ) с центрами в точке 24. ρ(Ψ) определяется из решения уравнения ^{R A} , где R - зависимость выходного сигнала приемника излучения от падающего потока излучения; ϕ- угол отклонения рычага; К и a - постоянные параметры; A - плотность потока излучения.

Установка начальной рабочей точки приемника излучения осуществляется за счет дополнительной прозрачной области 27 на диафрагме 11, которая не перекрывается контрольным элементом 6 при всех положениях рычага 3.

Выходные электрические сигналы с приемником излучения далее используются в аналоговой форме или преобразуются в цифровой код в качестве результатов измерения углов отклонения рычага относительно двух независимых осей.

Использование одного контрольного элемента, общего для обоих датчиков угла поворота и непосредственно скрепленного с рычагом без промежуточной трансмиссии, устраняет трение и люфт в передаточных элементах, уменьшает число этих элементов и таким образом повышает надежность и упрощает конструкцию датчика. (56) 1. Воронцов Л. И. Фотоэлектрические системы контроля линейных величин. М. : Машиностроение, 1965, с. 48, фиг. 23.

2. Патент США N 4731530, кл. G 01 D 5/34, 1988.

Формула изобретения

ДВУХКООРДИНАТНЫЙ ДАТЧИК УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ, содержащий корпус, рычаг, скрепленный с корпусом посредством шарнира с возможностью угловых смещений относительно двух взаимно перпендикулярных осей, два датчика угла поворота, установленные так, что их оптические оси взаимно перпендикулярны, каждый из датчиков угла поворота выполнен в виде последовательно установленных источника излучения, скрепленного с корпусом, контрольного элемента, связанного с рычагом, и приемника излучения, скрепленного с корпусом, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, каждый датчик угла поворота снабжен диафрагмой с отверстием заданной конфигурации, установленной между источником излучения и приемником излучения, датчики угла поворота установлены так, что их оптические оси перекрещиваются друг с другом, а контрольный элемент, общий для обоих датчиков угла поворота, скреплен с рычагом и установлен в зоне перекрещивания оптических осей датчиков угла поворота.

2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что контрольный элемент, общий для обоих датчиков угла поворота, выполнен в виде двух непрозрачных пластин, скрепленных между собой так, что они совпадают с двумя боковыми гранями четырехгранной равнобедренной пирамиды с углом между боковыми гранями 90^oС, ребро пирамиды совмещено с осью рычага, а вершина пирамиды совмещена с центром поворота рачага.

3. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что отверстие в каждой из диафрагм ограничено двумя отрезками прямых, проходящих через точку пересечения плоскости диафрагмы осью поворота рычага, параллельной оптической оси датчика угла поворота, и двумя кривыми, одна из них - дуга окружности радиусом ρ₀, а другая - кривая с переменным радиусом кривизны ρ(Ψ) с центрами в точке пересечения плоскости диафрагмы осью поворота, ρ(Ψ) должно удовлетворить условию ρ(Ψ)>ρ₀ и определяется из уравнения RA (ρ²(Ψ)-ρ²₀)d= K·ϕ+a где R - зависимость выходного сигнала приемника излучения от падающего потока излучения;
ϕ - угол отклонения рычага;
K и a - постоянные параметры;
A - плотность потока излучения.

4. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что контрольный элемент, общий для обоих датчиков угла поворота, выполнен в виде непрозрачного конуса, установленного так, что его вершина совмещена с центром поворота рычага, а ось совпадает с осью рычага.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2