Растрово-кодовый преобразователь угловых перемещений

 

Изобретение относится к аналого-цифровым преобразователям. Сущность: преобразователь угла содержит последовательно оптически связанные формирователь параллельного потока света, кодирующий диск, связанный с объектом, угловое перемещение которого измеряется, диафрагму в виде радиальной щели, последовательно оптически связанные измерительный радиальный растр, неподвижный радиальный растр и N/2-разрядное оптическое кодирующее устройство, где N-число разрядов преобразователя. 4 ил.

Изобретение относится к аналого-цифровым преобразователям (АЦП).

Известны преобразователи угловых перемещений, содержащие осветительную систему, кодирующий диск, диафрагму, приемники излучения и электронную схему выработки электрического кода. В таких преобразователях свет, проходя последовательно через светлые и темные участки кодирующего диска, расположенные в соответствии с двоичным кодом, и отверстия в диаграмме, засвечивает разрядные фотоприемники, с выходов которых снимаются электрические сигналы, обрабатываемые электронной схемой для получения стандартного по уровню электрического цифрового кода.

Недостатком таких преобразователей является ограниченная разрядность, а следовательно, и чувствительность. Для повышения чувствительности необходимо увеличение разрядности кодирующего диска, при этом размеры элементов младших разрядов становятся недопустимо (по технологическим ограничениям) малыми. Также при увеличении разрядности возникают проблемы с размерами фотоприемников. Другой путь увеличения разрядности таких преобразователей - введение механических редукторов. Это нежелательно, поскольку вносит дополнительные погрешности.

Цель изобретения - повышение чувствительности преобразователя за счет оптического усиления малых угловых перемещений.

Цель достигается тем, что растрово-кодовый преобразователь угла, содержащий последовательно оптически связанные формирователь параллельного потока света, кодирующий диск, связанный с объектом, угловое перемещение которого измеряется, и диафрагму в виде радиальной щели, снабжен последовательно оптически связанными измерительным радиальным растром, неподвижным радиальным растром и N/2-разрядным оптическим кодирующим устройством, где N - число разрядов преобразователя, при этом измерительный и неподвижный растры выполнены в виде непрозрачных дисков с прозрачными щелями, ширина которых менее половины меньшего шага растров, сами шаги соизмеримы и некратны друг другу, измерительный растр жестко связан с кодирующим диском преобразователя, содержащим N/2 разрядов, а оптическое кодирующее устройство выполнено в виде шайбы, имеющей 2^N/2 светопропускающих входов, N/2 прямых выходов, связанных с входами согласно прямому двоичному коду, и N/2 парафазных выходов, связанных с входами согласно обратному двоичному коду.

Снабжение преобразователя угловых перемещений дополнительно двумя оптически нониусно сопряженными растрами и оптическим кодирующим устройством, выполняющими функцию оптического усиления малых угловых перемещений в диапазоне 0...360^о/2^N/2, при том, что угловые перемещения в диапазоне 360/2^N/2. ..360^o одновременно преобразуются в код при помощи кодирующего диска, ранее было неизвестно и является новым техническим решением, позволяющим достичь цели.

Таким образом, заявленное устройство обладает существенными отличиями.

На фиг.1 приведена структурная схема преобразователя; на фиг.2 - кодирующий диск; на фиг.3 - неподвижный растр; на фиг.4 - волоконно-оптическое кодирующее устройство.

Растрово-кодовый преобразователь угловых перемещений содержит осветительную систему (на фиг.1 условно показан только световой поток I), кодирующий диск с измерительным растром 1, укрепленным на валу 2, жестко связанном с объектом, угловое перемещение которого измеряется, диафрагму с неподвижным растром 3 и оптическое кодирующее устройство 4.

Осветительная система представляет собой в простейшем случае источник излучения с коллиматором. Однако с энергетической точки зрения гораздо целесообразней использовать набор излучателей, устанавливаемых напротив отверстий в диафрагме и щелей неподвижного растра, либо один излучатель со световодной системой подвода излучения к этим местам.

Кодирующий диск с измерительным растром (фиг.2) представляет собой диск с нанесенными N/2 кодовыми дорожками, где N - разрядность преобразователя (на всех чертежах N = 6), и радиальным растром с шагом 360^o/(2^N/2 - 1) и угловой шириной прозрачных элементов 360^o/2^N) (51,4^o и 5,6^o соответственно для рассматриваемого примера). В общем случае прозрачные элементы могут иметь форму круга, треугольника и т.п.

Диафрагма (фиг. 3) выполнена в виде неподвижного диска, в центральной части которого имеются прозрачные отверстия, каждое из которых расположено по радиусу напротив соответствующих дорожек кодирующего диска. На чертеже показаны места подсоединения оптоволоконных выходных линий соответствующих разрядов D₀ ...D₂. На угловом расстоянии 360^o/2ⁿ (n - номер разряда) от выхода прямого разряда по направлению возрастания кода на каждой дорожке расположен выход парафазного разряда .... Растр, дополнительно наносимый по внешней окружности диафрагмы, по конструкции аналогичен кодирующему диску, но шаг этого растра 360^o/2^N/2 (45^o в рассматриваемом случае).

Оптическое кодирующее устройство в волоконно-оптическом варианте показано на фиг.4. Оно имеет 2^N/2 входов и N/2 выходов (8 и 3 для N = 6). Расположение световодов, соответствующее двоичному коду, показано на чертеже нумерацией торцов световодов. Световоды объединяются скруткой, сплавлением или иным способом. В общем случае ОКУ может быть голографическим, на зеркалах, в виде кодирующего диска и т.п.

Преобразователь работает следующим образом.

Получение кодов младших N/2 разрядов (для описываемого примера D_o...D₂ и ...) при вращении вала 2 (фиг.1) происходит аналогично прототипу. При этом минимально различимый квант перемещения равен 360^o/2^N/2 (45^o градусов для рассматриваемого примера). При угловых перемещениях в диапазоне 0... 360^o/2^N/2 (0...45^o) происходит совпадение не более двух прозрачных элементов измерительного и неподвижного растров. Свет поступает на две кодовые входные группы ОКУ, c выхода которого снимается прямой и парафазный код старших N/2 разрядов (D₃. ..D₅и ... для описываемого примера). Таким образом, при любом положении вала, а следовательно, и измерительного растра на выходе преобразователя имеется соответствующий N-разрядный прямой и обратный (снимаемый с парафазных выходов) код.

Обратный код используется для последующей выработки электрического кода. Сигналы с прямых и парафазных выходов могут подаваться на фотоприемники, подключаемые к компараторам, что позволяет повысить достоверность электрического кода по сравнению с традиционными методами сравнения с постоянным опорным сигналом.

Нулевая установка осуществляется смещением вала до получения на выходе нулевого кода.

Преобразователь снабжается выходным оптическим разъемом для связи с оптоволоконной линией.

Заявленное устройство обеспечивает высокую помехоустойчивость и может работать в условиях сильных электромагнитных помех благодаря оптической развязке входа от выхода и передаче выходной информации в виде оптического кода по оптоволоконной линии.

Разрешающая способность заявленного преобразователя ζ связана с выбранной разрядностью N следующим соотношением: ζ = 360^o/2^N .

Формула изобретения

РАСТРОВО-КОДОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащий последовательно связанные формирователь параллельного потока света, кодирующий диск, связанный с объектом, угловое перемещение которого измеряется, и диафрагму в виде радиальной щели, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности за счет оптического усиления малых перемещений, преобразователь снабжен последовательно оптически связанными измерительным радиальным растром, неподвижным радиальным растром и N/2-разрядным оптическим кодирующим устройством, где N-число разрядов преобразователя, при этом измерительный и неподвижный растры выполнены в виде непрозрачных дисков с прозрачными щелями, ширина которых меньше половины меньшего шага растров, сами шаги соизмеримы и не кратны друг другу, измерительный растр жестко связан с кодирующим устройством преобразователя, содержащим N/2 разрядов, а оптическое кодирующее устройство выполнено в виде шайбы, имеющей 2^N/2 светопропускающих входов, N/2 прямых выходов, связанных с входами согласно прямому двоичному коду, и N/2 парафазных выходов, связанных с входами согласно обратному двоичному коду.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4