Фотоэлектрический растровый датчик угловых перемещений

 

- 4 ОТОЭЛЕ1ГГРИ«ЕСКИЙ РАСТРОВНЙ ДАТЧИК УГЛОВЫХ П ЕРЕМЕ1 НИЙ, содержащий последовательно расположенные и оптически связанные осветитель, измерительный растр, индикатррАый растр, штриховая структура которого.выпЬл-. иена в виде многоэонных окон считыва , ния, и фотофиемники, установленные напротив окон считывания, штриховая структура одного из растров шйполнена .в виде рааношироких прозрачных и непрозрачных штрихов, о т я и ч а юц и и с я тем, что, с иелыо повышения точности измерений, прозрачные участки штриховой структу ш другого растра выгюлнёны в в1еде двухступенчатых симметричных фигур, уг/ювые размеры первой и вторсй ступеней которых равны соответственно 1/5 и 2/5 углового шага растра, а соотношение площадей первой .и второй сту .пеней равно 1:3,236. .

госудм ствянны коцита ссре

Ilo делАм изОБРетений и ОтнРь1тий

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ " -.: .,, К ABVOPCHCNNY СНИДЕТЕЛЬСТИУ

t .. (21) 342678:1/25-28 (22) 26.04:,82 (46) 07.08.83 ° Бел,: Н 29 (72) R.В. Титов и Д.Н. Петров

-. (53) 531.715.27(088.8)

; (56) 1. Авторское свидетельство СССР

11 395884, .кл. G 08 С 9/06,. 1970(прототия) . (54)(57) ФОтОЭЛЕктРИЧЕСкий РАстРОВ1й, ДАТЧИК УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержа- щий последовательно расположенные и оптически связанные осветитель, иэие-. рительный растр, индикаторйый растр, штриховая структура которого. выпол„SU„, 862 А

Э(я) 01 8 11 26 кена s виде иногоэонных окон считывания, и фотоприемники, установленные напротив окон считывания, атриховая структура одного иэ растров выполне. на .в виде равновироких прозрачных. и непрозрачных штрихов, о т л ич а ю шийся теи, что, с целью повышения точности измерений, прозрачные участки атриховой структуры другого растра выполнены в виде двухступенчатых сиииетричных фигур, yr= ловые разиеры первой и второй ступе- . .ней которых равны соответственно 1/5 и 2/5 углового шага растра, а соотношение площадей nepal .и второй сту.пеней равно 1:3,236.

1 10

Изобретение относится к измерительной технике и. может быть использовано в системах автоматического регулирования и управления.

Известен фотоэлектрический растровый датчик угловых перемещений, содержащий последовательно расположенные и оптически связанные осветитель, измерительный растр, индикаторный растр, штриховая структура которого выполнена в виде многозонных окон считывания, и фотоприемники,, установленные напротив окон считыва" ния, штриховая структура одного из растров выполнена в виде равношироких прозрачных и непрозрачных штрихов. В устройстве угловые размеры растровых штрихов удовлетворяют условиям: в индикаторном диске а-Ь

=и/14; в измерительном диске .а-Ь

=w/18; где а - ширина непрозрачного штриха; Ь - ширина прозрачного штриха; w - шаг растра ).

Недостатком известного устройства является невысокая точность измерений, обусловленная наличием в спектре выходных сигналов четных и нечет" ных гармоник седьмого и более высоких порядков, вносящих нелинейные искажения.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

Цель достигается тем, что в фотоэлектрическом раствором датчике угловых перемещений, содержащем после.довательно расположенные и оптически связанные осветитель, измерительный растр, индикаторный растр, штриховая структура которого выполнена в виде многозонных окон считвания, в виде многозонных окон считывания, и фотоприемники; установленные напротив окон считывания, штриховая структура одного из растров выполнена в виде равношироких прозрачных и непрозрачных штрихов, прозрачные участки ,штриховой структуры другого растра выполнены в виде двухступенчатых симметричных фигур, угловые размеры первой и второй ступени которых равны соответственно 1/5 и 2/5 углового шага растра, а соотношение площадей первой и второй ступеней равно

1:3,236, На фиг, 1 изображена схема фотоэлектрического растрового датчика угловых перемещений; на Фиг 2 " конфигурация прозрачного участка штриховой структуры индикаторного раст33862 2 ра; на фиг. 3 - функция пропускания, получающаяся при суммировайии двух трапецеидальных функций с коэффици" внтами о(.1 /5 и а(, 2л

g. Фиг. 4 - примеры возможных вариантов выполнения растрового сопряжения (а - двухступенчатые штрихи наносятся на индикаторный диск, б - на измерительный диск).

10 Датчик (фиг. 1) содержит осветитель 1, подвижный измерительный растр 2, неподвижный индикаторный растр 3 и Фотодиодный блок, представляющий собой диск 4 из неэлектропроводного материала, на котором с шагом 90 расположены четыре четырехэлементных матричных фотоприемника 5.

На индикаторном растре 3 с шагом 90 расположены четыре окна 6 считывания, 20 Каждое окно 6 считывания содержит четыре зоны 7 считывания. Взаимное расположение окон 6 считывания и фотоприемников 5 таково, что каждой зоне 7 окна 6 считывания соответствует

25 элемент 8 матричного четырехэлементного фотоприемника 5. Штриховая структура растра 2 выполнена в виде равношироких прозрачных и непрозрачных штрихов, а каждая зона 7 считывания в зависимости от величины шага растра 3 содержит один или несколько прозрачных штрихов (фиг. 2). Прозрачwe участки штриховой структуры растра 3 выполнены в виде двухступенча тых симметричных фигур 9, угловые размеры первой и второй ступеней которых равны соответственно 1/5 и 2/5 углового шага растра, а соотношение площадей первой и второй ступеней

40 равно 1:3,236.

Для получения четырехфазной характеристики в каждом окне 6 считывания зоны 7 считывания последовательно сдвинуты на 1/4 шага растра.

Датчик работает следующим образом.

Световой поток от осветителя 1 проходит через растровое сопряжение и попадает на фотоприемники 5. При вращении измерительного растра 2 происходит модуляция светового пото-"0 ка, которая воспроизводится элементами 8 фотоприемников 5 в виде четырех

° периодических синусоидальных сигналов, сдвинутых по фазе последовательно на Т/2. Фотоприемники 5 скоммути рованы таким образом, что одноименные элементы 8 каждого из четырех фотоприемников 5 соединены параллельно и синфазные сигналы, снимаемые с

1033862

2sin

7»

2Sin

3я

-К З,23ЬОЬ1ЕЕЬ, 1+3

ssin

3 них, суммируются. Съем информации с четырех диаметрально противоположных фотоприемников 5 позволяет скомпенсировать влияние эксцентриситета на точность измерений.

Измерительный и индикаторный радиальные центральные растры 2 и 3 . нанесены- на соответствующие диски с одинаковым шагом. Для обеспечения симметричности фукции пропускания угловые размеры прозрачных штрихов .измерительного растра равны половине шага растра.

Функция пропускания у растрового сопряжения представляет собой сумму двух трапецеидальных функций у1 и у (фиг. 3) ..

Разложение в ряд Фурье симметричной трапецеидальной функции имеет вид

4st I

3= Е ° s sin(2n-1(Ыsin(2n-3М гл „(2n-i(,ит э 9М oL sin Õ+ — sin 3d sin 3x+ — 51яИ . 1-В/ . 1 . 1

2(Мп5Х+, sin 1Ы яп Ix+.. где.п = 1, 2, 3,...;

В - амплитуда трапеции °

Если положить, что для функции у коэффициент о - = для функции

Л у коэффициент aL =, а амплитуды Функции у1 и у2 равны между собой, то при сложейии функций у и .

1 у получается результирующая функция, .в которой отсутствует пятая и ей кратные гармоники,. а амплитуды треt тьей и седьмой гармоник несколько ослаблены, так как коэффициенты при третьей и седьмой гармониках для функций у1 и у имеют противоположные знаки. Это позволяет, воспользовавшись равенством отношений амплитуд для 3 и 7 гармоник функций у.„и у устранить из спектра результирующей функции у третью и седьмую гармоники путем умножения функции у на коэффициент k. .2В результирующей функции у, у +

+у k равны нулю также и амплйтуды

Ч гармонических составляющих 13, 17, 23, 27-го и более высоких порядков.

Таким образом, при сложении двух трапецеидальных функций у. и у с коэффициентами а . -ф и Ф отношение амплитуд которых равно

1.:3,236067983, получается результирующая синусоидальная функция, в спектре которой отсутствуют гармонические составляющие следующих поряд" ков:

1о 5, 10, 15,...,(5n);

3, 13 > 23, ° ° °, (10п-7);

7 17. 27,..., (10п-3) гдеп 1, 2, 3, 4,...

Для практических целей достаточно обеспечить соотношение, равное

1:3,236. Относительная погрешность при этом не превышает 0,0023. В этих условиях коэффициент нелинейных искажений не превышает 1,63, а относи2О. тельная фазовая погрешность от несинусоидальности изменения переменных

1 составляющих пропусканий элементов растрового звена равна 3,5 ° 10 или

0,0353

Для реализации Функции пропускания растрового сопряжения, а, следовательно и сигналов фотоответа, снимаемых с Фотоприемников, с опи-, санными параметрами, в датчике используется сопряжение двух растров с одинаковыми угловыми шагами, у одного. из которых угловая ширина прозрач- ных.штрихов равна половине шага .растра, а у другого прозрачные участки выполнены в виде двухступенчатых симметричных фигур (Фиг. 2), причем угловые размеры первой Ь и- второй р ступеней равны соответственно 1/5 и 2/5 углового шага растра, а соотно- . шение их площадей, равное отношению амплитуд формируемых ими сигналов

Фотоответа, равно 1:3,236.

Лоскольку оба растра в сопряжении

° равноправны, то.нанесение растровой

45 решетки с двухступенчатыми штрихами на подвижныи или неподвижныи растровые диски не имеет принципиального характера.

В предлагаемой конструкции датчика двухступенчатые штрихи нанесены на индикаторный диск, так как з этом случае процесс контроля качества выполнения .растровой .решетки несколько проще.

Я, Использование фотоэлектрического датчика угловых перемещений обеспечивает высокую точность, поскольку .в его выходном информационном сигнав 1033862 Е ле отсутствуют гармоники 3, 5, 7, I3, тельную фазовую. погрешность преобра15, 17-го и более высоких порядков, зования более, чем в 2 раза., а также что уменьаает коэффициент нелинейных за счет компенсации влияния зксцентискажений выходного сигнала и относи- риситета растров..

1033862

Х

4Ьр Ф

Составитель С . Грачев

Ре актор Н. Бобкова Техре О. Не е Корректо A. Тяско

Заказ 5 0 /. 3 .Тираж 02 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и. открытий

13303 Иосква 3-35 Ра вская наб. . 4/5 филиал ППП Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,