Фотоэлектрический преобразователь перемещения в фазовый сдвиг сигнала

 

1.ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ В ФАЗОШЙ i СДВИ Г.СИГНАЛА, содержащий растровый датчикУ генератор опорной частоты, выход которого через фазовращатель соединен с первыми входами модуляторов , выходы модулйторов соединены с входами основного сумматора, о т личающийся тем, что, с целью повышения точности .преобразователя , в него введены фильтрующие блоки, выходы котоЕйлх соединены с вторыми входами модуляторов/ а выходы растрового датчика соединены с входами фильтрующих блоков. 2.. П реобразователь по п.1, о т ли ч а ющи и ся тем, что каждый фильтрующий блок содержит усилители , дополнительный сумматор и делитель напряжения., выходы которого через усилители соединены с входами дополнительного сумматора, выход которого соединен с выходом фильтрующего блока, вход фильтрующего (Л блока соединен с входом делителя напгр11жения .

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУбЛИК

gI5P G 08 С 9/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ н двтогскомм свидетельств ч «

"Ъ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 342 97 29/18-24 (22}. 26.04.82

:(46) 23 07.83. Бюл. Р 27 (72) В.В. Титов и Д.Н. Петров (53) 681.325(088.8) (56) 1. Патент ФРГ Р 1698280, кл. 42 D 1/15, опублик. 1970.

2 ° II атент ФРГ В 2163040, кл. 42 D 1/15, опублик. 1971.

3, Авторское свидетельство СССР

:Ф .830475, кл. G 08 С. 9/06, 1979 (прототип). (54)(57) 1. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕOBPASOBATFJIb ПЕРЕМЕЩЕНИЯ В ФАЗОВЫЙ

СДВИГ.СИГНИЖ, содержащий растровый датчик, генератор опорной частоты, выход которого через фазовращатель соединен с первыми входами модуля„„SU„„1030828 А торов, выходы модуляторов соединены с входами основного сумматора, о т . л и ч а ю шийся тем, что, с em þ повышения точности .преобразователя, в него введены фильтрующие .блоки, выходы которых соединены с вторыми входами модуляторов, а выходы растрового датчика соединены с входами фильтрующих блоков.

2. П реобразователь по п.1, о тл и ч а ю шийся тем, что каждый фильтрующий блок содержит усилители, дополнительный сумматор и де- i литель напряжения., выходы которого через усилители соединены с входами дополнительного сумматора, выход которого соединен с выходом фнльт- Е

Ф рукщего блока, вход фильтрующего блока соединен с входом делителя нап.,-ряжения.

1030828

Изобретение относится к контроль-. но-измерительной технике и приборостроению и может быть использовано в системах автоматического управления.

Известен фотоэлектрический преобразователь перемещений, который содержит источник излучения, растровое сопряжение, линзы, пять фотоприемников,потенциометры, пять усилителей, RC-цепочки, суммирующий трансформа- 10 тор, выходной усилитель и сравнивающее устройство. Источник излучения эапитывается синусоицальным напряжением частотой 400 Гц. Излучение .происходит через растровое сопряже- 15 ние к фотоприемникам через линзы, которые формируют световой поток.

Сигналы с фотоприемников поступа>>т на потенциометры, служащие для выравнивания чувствительности фотоприемников и далее на усилители.

Сигналы с усилителей поступают на фазосдвигающую электрическую схему, состоящую из ряда параллельных RC-це почек. СопротивленHB емкости цепочек рассчитаны так, чтобы электрические сигналы от каждого усилителя имели на выходе трансформатора такое же фазовое смещение друг относительно друга, которое заложено в конструкции датчика между равномерно располо>кенными вдоль одной муаровой полосы точками съема информации.

Суммарный сигнал с выхода трансформатора подается на выходной усилитель, а затем на сравнивающее уст,ройство, где происходит сравнение фазы выходного сигнала с опорным f1(Недостатками этого преобразователя являются сложность конструктив- 40 ного выполнения, низкая разрешающая способность и точность.

Известен также фотоэлектрический преобразователь, который содержит источник света, питаемый пульсирую- 45 щим напряжением от генератора опорной частоты, коллимационную линзу, подвижную и четыре неподвижные растровые решетки с одинаковым шагом растра, четыре фотоприемника, два 5О дифференциальных усилителя и RC-це почку.

Работает фотоэлектрический преоб разователь следующим образом.

Модулированный световой поток источника света коллимируется линзой и направляется на растровое сопряжение, образованное подвижной и четырьмя неподвижными растровыми решетками.;Промодулированный вторично растровым сопряжением световой ® поток возбуждает на фотоприемниках фототоки. Так как растры неподвижных решеток сдвинуты последовательно на 1 /4 шага растра относительно подвижной решетки, то огибающие выход- 65 ных сигналов с фотоприемников также сдвинуты последовательно на 90 эл. град э

Сигналы с каждой. пары противофазно включенных фотоприемников подаются на входы дифференциальных усилителей. Сигналы с выходов дифференциальных усилителей подаются íà RC-цепочку. Величина С выбирается из условия ХС=Н для заданной частоты модуляции источника света. Фаза выходного сигнала снимается сс> средней точки RC-цепи и является точной мерой пространственной фазы муаровой полосы, которая изменяется на ЗбО эл. град. при перемещении подвижного растра на один шаг 21.

Недостатком известного преобразователя является низкая тсчность.

Наиболее блиэкж к изсбретению по техническому решению является

4>отоэлектрический преобразователь перемещения в фазовый сдвиг сигнала, содержащий растровый датчик, сигналы с которого поступают на первые входы двух модуляторов, на вторые входы которых подаются сигналы с генератора опорной частоты через фазорасщепитель, а сигналы с модуляторов складываются в сумматоре.

В известном преобразователе фаза выходного сигнала является мерой пространственной фазы муаровой полосы, которая изменяется на ЗбО эл. град. при перемещении подвижного растра на один шаг. Изменение фазы выходного сигнала в дальнейшем с помощью интерполирующих устройств преобразуется в цифровой код 3 .

Недостатком известного преобразователя является невысокая точность.

Цель изобретения - повышение точности фотоэлектрического преобразователя перемещения в фазовый сдвиг с.игнала .

Поставленная цель достигается тем, что в фотоэлектрический преоб-. разователь перемещения в Фазовый сдвиг сигнала, содержащий растровый датчик, генератор опорной частоты, выход которого через фазорасщепитель соединен с первыми входами модулято- . ров, выходы модуляторов соединены с входами основного сумматора, введены фильтрующие блоки, выходы которых соединены с вторыми входами модуляторов, а выходы растрового датчика соединены с входами фильтрующих бло ков.

fl ричем каждый фильтрующий блок. содержит усилители, дополнительный сумматор и делитель напряжения, выхо. ды которого через усилители соединены с входами дополнительного сумматора, выход которого соединен с выходом фильтрующего блока, вход Фильтрующего блока соединен с входом делителя напряжения.

1030828

На фиг, 1 представлена структурная схема фотоэлектрического преобразователя перемещения в фазовый сдвиг сигнала; на фиг. 2 - сигналы, поясняющие его работу.

П реобразователь содержит растровый датчик 1, фильтрующие блоки 2 и

3, модуляторы 4 и 5, фазорасщепитель

6, сумматор 7, генератор 8 опорной частоты, при этом фильтрующие блоки содержат делители 9 и 10 напряжения, усилители 11-14 и сумматоры 15 и 16.

l1 реобразователь работает следующим образом.

При перемещении подвижного растра датчика 1 на выходах датчика 1 фор- 15 мируются два квадратурных сигнала треугольной формы, которые поступают на входы фильтрующих блоков 2 и 3.

С выходов делителей 9 и 10 напряжения сигналы треугольной формы, имею- 2О щие амплитуды, пропорциональные,коэффициенту деления, поступают на входы усилителей 11-14, в которых формируются сигналы трапецендальной Формы с требуемыми параметрами по амплитуде и длительности фронта. Сигналы с усилителей 11, 12 и 13, 14 далее поступают на входы сумматоров 15 и

16, на выходах которых формируются информационные сигналы синусоидальной формы. С .генератором 8 опорной частоты через фазорасщепитель 6 на первые входы модуляторов 4 и 5 поступают соответственно синусные и косинусные сигналы с угловой частотой ыа, а на вторие входы подаются сигналы с сум- маторов 15 и 16. В модуляторах 4 и

5 формируются балансно-.модулированные сигналы вида

-Uц=U Миа уир; 49 4» 09еОЬ" ОЕсоэ9 где 8 — угол поворота в пределах uiara растра.

П ри сложении баяансно-модулиро- 45 ванных сигналов и в сумматоре 7 на

его выходе получается сигнал вида

08ъх 0Со (Фо+ Q) (2)

Таким образом, на выходе преоб- 5р разователя формируется синусоидальнйй, сигнал .несущей частоты и06 фаза которого изменяется на 360О при пе-: ремещении растра датчика на один

par. 55

П оскольку измерение пространственного перемещения производится путем измерения фазывыходного сигнала относительно сигнала опорной. частоты, то точность этих измерений щ при прочих равных условиях с работой известного устройства определяется наличием в информационном сигнале датчика 1 высших гармонических составляющих. 65

П ри формировании растровым датчиком 1 сигнала с помощью обтюрационного растрового сопряжения, в котором ширина прозрачных штрихов обоих растров равна 1/2 шага растра, полу-. чается сигнал треугольной формы.

Преимущество использования обтюрационного сопряжения с указанныии параметрами в фотодатчиках заключается в том, что сигналы фотоответа в этом случае имеют максимально возможную амплитуду, что обеспечивает высокую помехозащищенность работы устройства. Недостатком же является то, что в треугольном сигнале содержатся все нечетные гармоники, что приводит к снижению точности преобразования.

В предлагаемом устройстве сигналы фотоответа треугольной формы, посту-. пающие. с растрового фотодатчика, преобразуются в информационные сигналы, форма которых максимально приб лижена к синусоидальной за счет устранения из их спектра 3:,5,7,13, 15,17. ° . и т.д. гармоник.

Рассмотрим ряд фурье для симмет- . ричной трапецеидальной функции

У у Š— ) Фи(Чп-e)<Ми (Чи-1))((s< w

45 . . 45

1 ьМ+ -"-sin se Ъх+ — Ми В4 Sin Fx+ — Qn "

9.6 49 . <7d. Ми7М+.-.), (Ы где п - 1, 2, 3,  — амплитуда трапеции.

Положим, что для функции М„ коэфЖ фициент с = —5,,для функции У<коэффициент (= 5 т е 4;; — 2 4

2Ж а, амплитуды Функций 3„и У равны меж-.

:.ду собой.

Тогда: 4= — sin — . sinx + — sin я1п Зх+

20В,w 1 3 а K+ 5 9 5

+ — sin sin 5х+ ..) = В (1 19

1 5Ф

25 5

sin х + 0,214 sin Зх + 0 - 0,04sin7x

0,014 sin 9х + .-. ° ) у Л)

Мд.=

10В Ж 1 6 К 5 (sin — - з1п x + — sin —:

9 5

pin Зх + sin sin 5х + ...)

1 10Х

В 0,96i. sin х - 0,066 sin Зх +

+ 0 + 0,012 sin 7х - 0,011 з1п9х +

+ ) (5) из функций, и У видно, что в них равны нулю амплитуды пятой и ей кратных гармоник, а. коэффициенты при 3 и 7 гармониках имеют противо-положные знаки. llри сложении функций 9» и У полУчается результирующая функция,в которой отсутствует пя

1030828 тая и ей кратные гармоники и несколько ослаблены амплитуды 3 и 7 гармоник ° Это позволяет, воспользовавшись равенством отношений амплитуд для 3 и 7 гармоник функций 11

ИМд

2 sin

7/с

2е1п

Т4ЬК

s=n

3,236067983, М 10 устранить из спектра результирующей функции Ур третью и седьмую гармоники путем умножения функции 3 на коэффициент К

20Г Л

3 "-3 +КЗ =И вЂ” <69t(ON-1)((1М

Р 1 2. И=Л 1С (аМ-1) 1 (" и-и9к)ь ф(,, ь(и (Ь-ь9 ььи(и (ки-ь)кj=

=Ь(4,309 19 Х-005ЭМи 9Х+0036В1и 1ЛХ- "). (() 20

Известно, что sin аС = sin oC + 2HZ где и = 1, 2, 3 ... °

Следовательно, формулу (6)можно представить в виде 25 .1иЯ ЬаГ)

-т тду — - -К-Ь,КЬЬОЬ7993, 51И вЂ” 4. Ь9((.) s

261И (— 2) 7i

3Г

Ми — ЪТГ

Это означает, что в результирующей функции У(9 = УЛ + K У будут равны нулю также н амплитудй гармоничес» ких составляющих 13,17,23,27,33, 37 ... и т.д. порядков. 35

Таким образом, при сложении двух трапецеидальных функций У1 и У с в . 2X коэффициентами 1 = и К я» 5 9

5 отношение амплитуд которых равно 1: 40 3,236067983, получается результирующая синусоидальная функция, в спектре которой отсутствуют гармонические составляющие следующих порядков:

5, 10, 15 ..., (5n) ; 45

3, 13, 23 ..., (10п - 7);

7, 17, 27 ..., (10n - 3), где n = 1,2,3...

Для практических целей выдерживать соотношение .амплитуд суммируе- 50 мых трапецеидальицх функций с такой точностью (до 9-ro знака после запятой) не имеет смысла. Вполне достаточно обеспечить соотношение, рав-ное 1: 3,3236. Относительная погрешность при этом не превышает

0,002%. В этих условиях коэффициент нелинейных искажений результирующей функции, определяемый как

Я 82 .60

-ЗЛ 1= Ь. где В, - амплитуда первой гармоникир

В; - амплитуда i-й гармоники, не превышает 1,6%. 65

В предлагаемом преобразователе информационный сигнал, разложение в ряд Фурье которого выражается формулой (7), формируется следующим образом.

Сигналы треугольной Формы растрового датчика 1 поступают На входы усилителей 11, 12 и 13, 14 через делители 9, 10. Уровни ограничения входных сигналов усилителями 11, 12 и 13, 14 выбираются пропорционально соотношению 1:3,236, а следовательно, амплитуды сформированных ими трапецеидальных сигналов будут соотноситься в тех же пропорциях. Регулировкой коэффициента усиления усилителей или подбором величин соответствующих сопротивлений в делителях 2,3 обеспечиваются требуемые параметры( трапецеидальных сигналов Ц„, () и (ь,, равные

fl

2Ж

aL4 = 5 для сигнало 01 "U т

H U4 7 6

На фиг. 2. представлены суммируемые трапецеидальные сигналы Ц,, 0> и

О, U4 и результирующий информационный сигнал 0 на выходах сумматоров 15 и 16.

Характерной особенностью предлагаемого преобразователя является то, что фильтрация высших гармоник в информационном сигнале сбеспечивается не растровым сопряжением, а с помощью простых дополнительных электронных устройств, чтс позволяет использовать растровое сопряжение обтюрационного типа с пропусканиями растров П„= 0,5 и П = 0,5, которое обеспечивает получение наибольшего сигнала с фотоприемника по сравнению любыми другими типами растровых опряжений.

Кроме того, в предлагаемом устройстве обеспечивается фильтрация одного и того же состава гармоник в практически неограниченном динамичес ком диапазоне угловых частот, начиная от нулевых, что имеет значительные преимущества по сравнению с аналогичными устройствами, в которых используются электрические фильтры, сужающие динамический диапазон преобразования и вносящие существенные. азовые погрешности.

Таким образом, использование предлагаемого фотоэлектрического преобразователя имеет преимущества по сравнению с известным, так как он обладает более высокой точностью, поскольку в его выходном информацион ном сигнале отсутствуют гармоники

3,5,7,13,15,17... и более высоких порядков, что уменьшает коэффициент нелинейных искажений выходного сигнала более, чем в 2 раза. Кроме того, 1030828

Составитель Б. Барбараш

Редактор Н. Джуган Техред N,òåïåð Корректор A.Ïoâõ

Заказ 5216/50 Тираж 618 П одписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. ужгород, ул. Проектная, 4 амплитуда выходного сигнала фотоприемников в 1,5 раза больше, чем в известных устройствах, в которых устраняются лишь гармоники 3 и 5 порядков, тем самым обеспечивается более высокая помехозащищенность при передаче по линиям связи сигнала с датчика к электронному блоку, а следовательно, и более высокая надежность преобразователя.

Экономический эффект от использования изобретения обусловлен его техническими способностями, приведенными выше.