устройство для измерения угла поворота объекта

Формула изобретения

Устройство для измерения угла поворота объекта, включающее оптически сопряженные осветитель, закрепленный на объекте отражатель с изменяющимся коэффициентом отражения и фотоприемник, а также схему обработки сигнала, отличающееся тем, что в него введен узел сканирования, состоящий из механически связанных привода сканирования, датчика угла сканирования и гибкого световода, входной торец гибкого световода радиально смещен относительно оси сканирования, его выходной торец оптически сопряжен с фотоприемником, а схема обработки сигнала содержит соединенный с выходом фотоприемника компаратор, первый, второй и третий одновибраторы, первый и второй счетчики, первый, второй и третий блоки памяти, блок индикации, блок суммирования и триггер, при этом выход компаратора соединен с входами первого и второго одновибраторов, первый выход дискретного датчика угла сканирования подключен к первому входу первого счетчика, второй выход дискретного датчика угла сканирования соединен с вторым входом первого счетчика и через триггер с вторым входом второго счетчика, выходы первого и второго счетчиков подключены соответственно через первый и второй блоки памяти к входам блока суммирования, выход блока суммирования соединен через третий блок памяти с блоком индикации, выход первого одновибратора соединен с первыми входами первого блока памяти и второго счетчика, выход второго одновибратора подключен к первому входу второго блока памяти и через третий одновибратор к первому входу третьего блока памяти, а отражатель выполнен в виде диска с нанесенным на него изображением в форме полукругов различной отражающей способности.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое устройство относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения углов поворота, например, роторов генераторов, подвижного элемента ротационных вискозиметров и т.д.

Известные устройства для измерения углов поворота (заявка N 3201163 ФРГ, опубл. 28.07.83; патент N 4352287 США, опубл. 05.10.82: патент N 57-5287 Япония, опубл. 29.01.82) отличаются значительной сложностью и ограниченной областью измеряемых углов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения угла поворота объекта (а.с. N 1185083 CCCР), содержащее оптически сопряженные источник излучения, отражающий элемент, фотоприемник и схему обработки сигналов. Отражающий элемент выполнен в виде цилиндра с линейноизменяющимся по периметру коэффициентом отражения. О величине угла поворота объекта в устройстве-прототипе судят по величине отраженного от отражателя светового потока.

Недостатками этого устройства, принятого за прототип, является: во-первых, снижение точности измерений при флуктуациях светового потока источника излучения: во-вторых, снижение точности измерений при смешении оси поворота объекта, т. к. в этом случае величина светового потока зависит не только от угла поворота, но и от величины смещения оси поворота объекта: в-третьих, значительная сложность, связанная с необходимостью реализации отражателя с переменным по периметру цилиндра коэффициентом отражения.

В предлагаемом устройстве для измерения угла поворота объекта, включающем оптически сопряженные осветитель, закрепленный на объекте отражатель с изменяющимся коэффициентом отражения и фотоприемник, а также схему обработки сигнала, введен узел сканирования, состоящий из механически связанных привода сканирования, гибкого световода и датчика угла сканирования, оптическое сопряжение отражателя с фотоприемником выполнено гибким световодом, схема обработки сигнала содержит соединенный с выходом фотоприемника компаратор, первый, второй и третий одновибраторы, первый и второй счетчики, первый, второй и третий блоки памяти, блок индикации, блок суммирования и триггер, при этом выход компаратора соединен с входами первого и второго одновибраторов, первый выход дискретного датчика угла сканирования подключен к первому входу первого счетчика, второй выход дискретного датчика угла сканирования соединен со вторым входом первого счетчика и через триггер со вторым входом второго счетчика, выходы первого и второго счетчиков подключены соответственно через первый и второй блоки памяти к входам блока суммирования, выход блока суммирования соединен через третий блок памяти с блоком индикации, выход первого одновибратора соединен с первыми входами первого блока памяти и второго счетчика, выход второго одновибратора подключен к первому входу второго блока памяти и через третий одновибратор к первому входу третьего блока памяти, а отражатель выполнен в виде диска с нанесенным на него изображением в форме полукругов различной отражающей способности.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать ввод о том, что заявляемое устройство для измерения угла поворота отличается наличием новых узлов и блоков: узла сканирования, содержащего привод сканирования, дискретный датчик угла сканирования и гибкий световод, а также реализацией схемы обработки сигнала и выполнением отражателя.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию "новизна".

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства; на фиг.2 отражатель с нанесенным на него изображением; на фиг.3 эпюры напряжений на выходах блоков; фиг.4 и фиг.5 поясняют работу устройства при смещении оси поворота объекта.

Устройство содержит (фиг.1): объект 1; закрепленный на объекте отражатель 2, выполненный в виде диска с нанесенным на него изображением в виде полукругов различной отражающей способности; осветитель 3; узел сканирования, состоящий из механически связанных привода сканирования 4, гибкого световода 5 и дискретного датчика 6 угла сканирования; фотоприемник 7; компаратор 8; первый одновибратор 9; второй одновибратор 10; третий одновибратор 11; первый счетчик 12; первый блок памяти 13; триггер 14; второй счетчик 15; второй блок памяти 16; блок суммирования 17; третий блок памяти 18 и блок индикации 19.

Входной торец гибкого световода 5 радиально смещен относительно оси сканирования, а его выходной торец оптически сопряжен с фотоприемником 7.

Выход фотоприемника 7 подключен через компаратор 8 к входам первого и второго одновибраторов 9 и 10. Первый выход дискретного датчика 6 угла сканирования соединен с первым ("обнуляющим") входом первого счетчика 12. Второй выход дискретного датчика 6 угла сканирования соединен со вторым (счетным) входом первого счетчика 12 и через триггер 14 со вторым (счетным) входом второго счетчика 15.

Выходы первого 12 и второго 15 счетчиков подключены через первый 13 и соответственно второй 16 блоки памяти к входам блока суммирования 17, а выход последнего соединен через третий блок памяти 18 с блоком индикации 19.

Выход первого одновибратора 9 соединен с первыми ("обнуляющим") входом второго счетчика 15 и первым входом (входом переписи) первого блока памяти 13.

Выход второго одновибратора 10 подключен к входу третьего одновибратора 11 и первому входу (входу переписи) второго блока памяти 16, а выход третьего одновибратора 11 соединен с первым входом (входом переписи) третьего блока памяти 18.

Устройство работает следующим образом. Изображение участка отражателя 2, диафрагмированное входным торцем гибкого световода 5, передается на фотоприемник 7. Входной торец гибкого световода 5 с помощью привода сканирования 4 вращается в плоскости, параллельной плоскости отражателя 2, и сканирует изображение диска 2 по траектории окружности (фиг.2). При этом на выходе фотоприемника 7 формируется сигнал, пропорциональный отраженному от отражателя 2 к световому потоку.

В начале цикла измерений с первого выхода дискретного датчика 6 угла сканирования на первый ("обнуляющий) вход первого счетчика 12 поступает "обнуляющий" импульс Uo (фиг.3). Этот импульс формируется дискретным датчиком 6 угла сканирования в угловом положении, принятом за начало отсчета (линия ОХ на фиг.2). На второй (счетный) вход первого счетчика 12 поступают импульсы Uд с дискретного датчика 6 угла сканирования, число которых пропорционально углу поворота датчика 6 и световода 5.

При переходе входным торцем гибкого световода 5 границы, разделяющей участки отражателя 2 с малой и большой отражающей способностью (переход с "темного" на "светлый" т. С на фиг.2), происходит интенсивное изменение выходного сигнала Uф фотоприемника 7, что приводит к срабатыванию компаратора 8. При этом на выходе первого одновибратора 9 формируется импульс U1, который поступает на первый вход (вход переписи) первого блока памяти 13 и на первый ("обнуляющий") вход второго счетчика 15. В результате с выхода первого счетчика 12 в первый блок памяти 13 переписывается код числа N1, пропорционального углу ₁ (фиг.1).

Кроме того, происходит "обнуление" второго счетчика 15. Поэтому накопление информации во втором счетчике 15, второй (счетный) вход которого соединен через триггер 14 с выходом дискретного датчика 6 угла сканирования, начинается с момента прохождения входным торцем световода 5 границы, разделяющей "темный" и "светлый" участки изображения на отражателе 2 (точка С на фиг.2).

Накопление информации во втором счетчике 15 продолжается до момента перехода входным торцем световода 5 границы, разделяющей "светлый" и "темный" участки изображения на отражателе 2 (точка D на фиг.2). В момент перехода происходит повторное переключение компаратора 8. При этом на выходе второго одновибратора 10 и третьего одновибратора 11 формируются последовательные во времени импульсы U2 и U3.

Импульс U2 поступает на первый (вход переписи) второго блока памяти 16. Благодаря тому, что второй (счетный) вход второго счетчика 15 подключен к дискретному датчику 6 угла сканирования через триггер 14, обеспечивающий деление частоты выходной импульсной последовательности дискретного датчика 6 угла сканирования на 2, на выходе второго счетчика 15, формируется код числа N/2.. Причем число N/2 пропорционально углу поворота /2..

Импульсом U2 код числа N/2 переписывается во второй блок памяти.

Таким образом, в момент появления импульса U2 на входы блока суммирования 17 поступает код числа N1 с выхода первого блока памяти 13 и код числа N/2 со второго блока памяти 16, а на выходе блока суммирования 17 в этот момент формируется код числа N=N1+N/2.

Импульсом U3, поступающим с выхода третьего одновибратора 11 на первый вход (вход переписи) третьего блока памяти 18, код числа N переписывается в третий блок памяти 18 и поступает с его выхода на блок индикации 19.

На этом цикл измерений заканчивается, а последующие циклы протекают аналогично.

Получаемое на каждом цикле измерений число N характеризует угол поворота отражателя 2, связанного с объектом 1. Покажем это.

Угол поворота отражателя 2 в предлагаемом устройстве оценивается по углу поворота вектора ОА (фиг.2), где А точка на траектории сканирования, соответствующая середине дуги CAD. Как следует из фиг. 2, a=₁+/2, где =₂-₁.

Поскольку число N1 пропорционально ₁, а число N пропорционально , получаем, что число N действительно пропорционально измеряемому углу a поворота объекта 1.

Предлагаемое устройство благодаря наличию в нем описанных блоков и связей, обеспечивает инвариантность результатов измерений к смещению оси поворота объекта и связанного с ним отражателя. Такое смещение характерно для датчиков ротационных вискозиметров, а также возникает при измерении углов поворота валов, имеющих эксцентриситет и т.п.

В известных устройствах несоосность системы отражатель оптическая система фотоприемник, вызванная смещением оси поворота объекта, приводит к погрешности в результатах измерений.

Работу предлагаемого устройства в этих условиях поясняют фиг.4 и фиг.5. Предположим, что отражатель 2, с нанесенным на него изображением, находится в угловом положении, показанном на фиг.4, и произошло смещение оси поворота объекта (т. О₁) относительно оси сканирования (т.О) вдоль оси ОХ. Как следует из фиг.4, такое смещение приведет как к изменению угла a₁ (этот угол отсчитывается от оси ОХ до линии О₁C, причем в точке С входной торец световода 5, двигаясь по траектории сканирования, переходит с "темного" участка изображения на "светлый"), так и к изменению угла (отсчет этого угла ведется от линии О₁С до линии О₁D, где точка D - соответствует переходу входного торца световода со "светлого" участка изображения на "темный"). Однако при этом результат измерений, вычисляемый по выражению a=₁+/2 остается тем же, что и в случае, когда т.О совпадает с т.О.

Инвариантность результатов измерений к смещению оси поворота объекта может быть показана и на основании более простых соображений. Как следует из описания, в предлагаемом устройстве об угле поворота объекта судят по угловому положению вектора ОА, начало которого лежит на оси сканирования, а конец на середине дуги CAD, отсекаемой на траектории сканирования границей, разделяющей "темный" и "светлый" участки изображения на отражателе. Из фиг.4 очевидно, что угловое положение вектора ОА инвариантно к смещению т.О вдоль оси ОХ. Аналогично из фиг.5 следует, что угловое положение вектора ОА инвариантно и к смещению оси поворота объекта (т.О₁) относительно оси сканирования (т.О) вдоль оси ОY.

Следовательно, в предлагаемом устройстве смещение оси поворота устройства не приводит к погрешностям в определении его угла поворота.

Кроме того, оно малочувствительно к изменению светового потока осветителя 3. Действительно, вариации светового потока осветителя 3 приводят лишь к изменению минимального и максимального значений сигналов на выходе фотоприемника 7. При этом моменты срабатывания компаратора 8 благодаря большой крутизне изменения напряжения Uф в моменты перехода входным торцем световода границы, разделяющей "светлый" и "темный" участки изображения на отражателе, остаются практически неизменными. Следовательно, неизменным остается и измеренное значение угла поворота.

В экспериментальном образце разработанного устройства в качестве привода сканирования применен двигатель постоянного тока, в качестве датчика угла сканирования инкрементальный датчик угла поворота. Входной торец гибкого световода закреплен на валу двигателя с радиальным смещением и сканирует в плоскости, параллельной плоскости отражателя. Выходной торец световода выведен через полый вал двигателя, размещен на оси сканирования и оптически сопряжен м фотоприемником, в качестве которого использован фотодиод. Используемые в устройстве триггер, компаратор, счетчики, блоки памяти, блок суммирования, одновибраторы, блок индикации выполнены по известным схемам, описанным, например, в работах: Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л. Энергоатомиздат, 1988. 304 с. Цифровые и аналоговые микросхемы: Справочник под ред. С. В. Якубовича. М. Радио и связь, 1990-496 с. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. М. Радио и связь, 1987-352 с.

В экспериментальном образце устройства с инкрементальным датчиком угла поворота с коэффициентом передачи 2048 импульсов на оборот погрешность в измерении угла поворота объекта не превышает 10 угловых минут.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить точность измерений угла поворота объекта.