Устройство для измерения угла или угловой скорости

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА ИЛИ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ,.содержащее подв1€жньй цилиндрический растр с эксцентрично расположенным грузом непрдвижный растр, источники света 1и фотоэлементы, отличающе - е с я тем, что, с целью определения относительного направления перемещения , неподвижный растр выполнен в виде двух экранов, на одном из которых нанесено меньшее, а на дру:гом - большее число делений на единицу длины, чем на подвижном растреI

СОЮЗ СОВЕТСНИХ №,И №»

РЯСПУБЛИН з(Я) G-Oi Р 3/48

ГОС)ЩМРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ .СССР № МВ№О В№ Й №

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ . (21) 2536801/18-10 (22) 14.10.77 (31) 7611510-4 (32) 15 ° 10.76 (33) Швеция (46) 07.08.83. Вюл. В 29 (75) Ларс A.Вергквнст (Швеция) (53) 531.77(088,8) (56) 1.Агейкин Д.И.и др. Датчики контроля и регулирования.М.,1965,с.456-483.

2..ТуричиИ A.Í. Электрические измерения неэлектрических величин.

М.-Л.р 1966 с. 614-615.

„.SU() A (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

УГЛА ИЛИ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ,.содержащее подвижный цилиндрический растр с эксцентрично расположенным грузом, неподвижный растр, источники света и фотоэлементы, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью определения относительного направления пере« мещения, неподвижный растр выполнен в виде двух экранов, на одном из которых нанесено меньшее, а на дру» гом — большее число делений на единицу длины, чем на подвижном растре

1034619

Изобретение относится к технике измерения и может быть использовано для измерения угла или угловой скорости.

В устройствах для измерения углов или угловых скоростей электронным способом часто используется металлическое колесо с прорезями по его окружности, в котором электрические иМпульсы генерируют посредством электромагнитного элемента, или 1О колесо, на окружности которого имеются немагнитные участки, равномерно распределенные по этой окружности и отделенные друг от друга ненамагниченными промежутками, где в 15 электромагнитном приспособлении при вращении колеса генерируются электрические импульсы.

Известно устройство, в котором разделение окружности колеса на намагниченные и ненамагниченные участки или прорези, в случае использования колеса с прорезями по окружности, при вращении которого импульсы генерируются оптическим способом, что позволяет получать точные данные об угловом положении колеса (1).

Наиболее близким: к предлагаемому па технической сущности является ,измеритель инфранизкочастотных перемещений; содержащий подвижный маятни- ковый рычаг, подвижный и неподвижный растры, источники света и Фото» элементы 21.

Йзвестные устройства не позволяют, определять относительное направле ние перемещения °

Цель изобретения — определение относительного направления перемещения.

Поставленная цель достигается 40 тем, что в устройстве, содержащем . подвижный цилиндрический растр с эксцентрично расположенным грузом, неподвижный растр, источники света и фотоэлементы, неподвижный растр 45 выполнен в виде двух экранов, на одном из которых нанесено меньшее, а на другом — большее число делений на единицу длины, чем на подвижном растре. 50

На фиг. 1 схематически изображено устройство в положении, параллельном оси колеса; на фиг. 2 и 3 то же,в положении> перпендикулярном оси колеса; на Фиг. 4 - устройство, включающее считывающее приспособление; на фиг. 5 — основная схема соединений в соответствии с одним из вариантов изобретения; на фиг. 6 устройство, предназначенное для контролирования. гловой.скоростиу на фиг. 7 — устройство, предназначенное для измерения углов °

Устройство содержит колесо 1 с осью 2. Окружность 3 колеса имеет форму цилиндра, к одной из кромок 65 которого прикреплен -колесный центр колеса 1. На внешней. поверхности окружнбсти 3 колеса 1 расположена первая часть узла датчика, состоящая из экранов 4 и 5. Параллельно окружности 3 колеса 1 и за ее пределами расположена вторая часть узла датчика, состоящая из одного или нескольких экранов. Устройство содержит .также считывающее устройство, которое состоит из одного или нескольких светоизлучающих диодов б, предназначенных для освещения экранов 4 и 5, и из одного или нескольких фототранзисторон 7 для регистрирования интерференционных картин, возникающих в то время, когда колесо 1, а вместе с ним и экран 4 первой части перемещаются относительно экрана 5 второй части. Эти две части, на которых имеются экраны 4 и

5, а также окружность 3 колеса 1 изготавливаются преимущественно из прозрачной пластмассы. Когда два экрана, состоящие из непрозрачных линий 8, разделенных прозрачными промежутками, перемещаются относительно друг друга, то при визуальном наблюдении первого экрана через второй появляются интерференционные картины, или, так называемые, муаровые картины. В зависимости от конструкции двуХ экранов можно вызывать появление муаровых картин различных типов. Непрозрачные линии 8, связанные с экраном 4 первой части, расположены параллельно направлению движения окружности 3 колеса 1, а непрозрачные линии 8, связанные с экраном 5 второй части, расположены параллельно линиям 8 экрана первой части. Когда колесо 1, а вместе с ним и первый экран 4, поворачивается или вращается и, тем самым, пере» мещаясь перпендикулярно экранным линиям 8 на втором экране 5, то при визуальном наблюдении первого экрана

4 через второй экран 5 возникает интерференционная картина, состоящая их перемещающихся широких темных полос 9 (фиг. 2).

Экраны выполнены таким образом, что экран 4 первой части имеет число делений непрозрачных линий 8 на единицу длины, перпендикулярных линиям 8, которое отлично от числа делений экрана 5 второй части.

Это различие в разделении достигается преимущественно тем, что непрозрачные экранные линии 8 на двух частях имеют одинаковую ширину, и тем, что ширина светлых или прозрачных линий на экране 4 первой части отлична от ширины линий на экране во второй части. Ширина непрозрачных линий 8, а также ширина светлых или прозрачных линий на экране 4

1034619 первой части отлична от ширины линий экрана 5 второй части.

Кроме того, экраны 4 и 5 выполиены таким образом, что для каждого экрана светлые или прозрачные линии имеют меньшую ширину, чем непрозрачные линии. В результате этого возникают отчетливые интерференционные картины. Если светлые или прозрачные линии имеют одинаковую ширину с непрозрачными линиями или шире этих непрозрачных линий, то возникает сравнительно нерезкая интерференциониая картина, что делает оптическое считывание менее точньм.

Направление перемещения широких 35 полос 9 зависит от того, какой из двух экранов 4 и 5 имеет более плотное разделение. На фиг. 2 показан в виде примера вариант, s котором экран 5 второй части может 20 иметь большее число непрозрачных линий на .единицу длины,.перпендикулярных линиям 8, чем экран 4 первой части. В результате этого широкие полосы 9 перемещаются в направлении, 25 указанном стрелкой 10, .когда колесо поворачивается в направлении, указанном стрелками 11 и 12.

Когда экраны 4 и 5 первой и вто". рой частей имеют различное разделение, широкие полосы 9 будут перемещаться на расстояние большее, чем то расстояние, на которое переместилась окружность 3 колеса 1.

Таким образом, получают соотношение между расстоянием, на которое переместилась окружность 3 колеса 1, и расстоянием перемещения полос 9.

Следовательно, перемещение окружности 3 колеса 1 можно считывать более точно с помощью перемещения по- 40 лос 9, чем считывая его непосредственно с окружности 3 колеса 1.

Для того, чтобы получить более высокое соотношение, т.е. когда для определенного перемещения окружнос- 45 ти колеса 1 через точку на экране

5 проходит большое число широких полос 9, различие в разделейии на полосы между экранами 4 и 5 двух частей должно быть небольшим. Ког- 50 да, например, непрозрачные линии 8 на экранах 4 и 5 двух частей имеют одинаковую ширину, например 0,6 мм, а промежуточные светлые или прозрач ные линии имеют на одном экране ширину 0,5 мм, а на втором экране

0,3 мм, получают соотношение величин порядка 10, т.е. широкие полосы, перемещаются по экранам 4 и 5 на расстояние, которое в 10 раз длиннее того расстояния, на которое передвинулась окружность 3. Этот пример доказывает, что с помощью устройства можно получить значительно большую точность при измерении движения окружности 3 колеса 1, чем 65 тогда, когда измерение производится непосредственно по окружности колеса. . Как уже отмечалось, интерференционная картина считывается с помощью одного или более светоизлучающих диодов 6 и фототранзистора 7.

В случае, когда первая и вторая части состоят только иэ одного экрана, используются один светоизлучающий диод 6 и один фототранзистор 7.

В соответствиии с первым вариан том изобретения на экране 4 первой части датчика, установленной на окружности 3 колеса 1, прозрачные линни располагаются между непрозрачными линиями 8. Окружность 3 колеса $ выполнена из непрозрачного материала.

В данном случае светоизлучающий диод 6 или светоиэлучающие диоды, если на одной или на обеих частях

4 и 5 узла датчика имеется несколько экранов, устанавливаются между окружностью 3 колеса 1 и его осью (фиг. 1). Фототранэистор 7 или фототранзисторы, если на одной или на обеих частях 4 и 5 узла дат- чика имеется несколько экранов, устанавливаются на той же стороне экрана 5 второй части, которая обращена наружу от колеса 1 (фиг.1) .

Светонзлучающий диод или светоизлучающие диоды могут быть установлены там, где находится фототранзистор 7 или фототранзисторы, в соответствии с вышеизложенными, и наоборот. Как видно из фиг. 1 экран 5 второй части перекрывает экран 4 первой части по длине, которая значительно короче окружности колеса 1.

Лучи света от светоизлучающего диода 6, таким образом, проходя через прозрачную окружность 3 коле. са 1 и экран 4, установленный на ней, и через экран 5 второй части узла датчика, после чего лучи света встречают на своем пути фототранзистор 7.

В соответствии со вторым вариантом изобретения, экран 4 первой части имеет светлые, но непрозрач ные, линии, расположенные между непрозрачными линиями 8, в то. вре- мя как экран 5 второй части имеет прозрачные линии, расположенные между непрозрачными линиями 8. Светоиэлучающий диод 6 и фототранзистор

7 расположены на той стороне экрана

5 второй части, которая обращена наружу от колеса 1. Лучи света от светоизлучающего диода 6 в этом случае пооодят через экран 5 второй части, отражаются экраном 4 первой части и пропускаются через экран 5 второй части, чтобы встретиться с фототранзистором 7.

1034619

Таким образом, при движении окруж ности колеса 1 ряд перемещающихся темных полос 9 служит причиной того, что свет от светоизлучающего диода

6 будет проходить к фототранзистору

7 в виде импульсного света. Фототранзистор 7. преобразует эти световые импульсы в электрические, которые усиливаются и обрабатываются в электронной установке, пригодной для этой цели.

Деля экраны 4 и 5 двух частей так, чтобы получить высокое соотношение такого типа, о котором здесь говорилось выше, для сравнительно небольшого перемещения окружности 3 колеса 1, от фототранзистора можно получить большое число электрических импульсов, Такая высокая точность, показаний в отношении перемещения окружности 3 колеса 1 обеспечиваЕтся устройством без предъявления требований к тому, чтобы составные части устройства конструировались с соответствующей высоКой степенью точности

Устанавливая экран 4 первой части на оси, связанной, например, с гидравлическим двигателем, при раэ делении, т.е. при расстоянии от центра непрозрачной линии до центра соседней непрозрачной линии 0,08 мм и устанавливая над этим экраном экран 5 второй части, имеющей иное разделение, от фототранзистора получают импульсы с частотой 1000 Гц, когда гидравлический двигатель имеет диаметр 0,3 м и вращается со скоростью 5 об/мин. Таким образом, получают очень высокую степень точ ности в отношении числа оборотов оси.

Для того, чтобы получить высокую степень точности в соответствии с другим вариантом изобретения, экран

5 первой или второй части разделен на два экрана 5а и 5b.: Экран 5 второй части состоит из двух экранов

5а и Sb c различным разделением, причем линия раздела между экранами, 5а и 5Ь перпендикулярна экранньм линиям 8 и расположена симметрично второй части (фиг. 3).

Один из двух -экранов Sa н 5b имеет разделение более плотное, чем разделение экрана 4 первой части, а второй из двух экранов 5а u Sb имеет

1разделение более редкое, чем разде ление экрана 4 первой части. Если, например, один экран Sa (фиг. 3 ) имеет более плотное разделение, а

;второй экрай 5b имеет более редкое разделение, чем экран 4 первой части, то широкие полосы 9 на экране

5а перемещаются в направлении, показанном стрелкой 13, а на втором экране 59 перемещаются в направле" нии, указанном стрелкой 14, когда окружность 3 колеса 1 перемещается в направлении, указанном стрелкой

15. Раэделение двух экранов 5а и

5b может иметь различную взаимо.связь с разделением экрана 4 первой части. В этом случае широкие полосы

9 будут перемещаться более быстро по одному из двух экранов 5а и 5b.

В указанном варианте изобретения предусматривается светоизлучающий

10 диод 6 для каждого из двух экранов

5а и Sb и, соответственно, для каж, дого из двух экранов 5а и 5b предусматривается по одному фототранзистору 7. Возникающие две интерфе15 ренционные картины дают воэможность регистрировать также и направление перемещения окружности 3 колеса 1.

Поскольку можно проводить сравнение фаз между двумя интерференционными картинами, то в данном случае можно получить более высокую степень точности, чем i первом варианте изобретения.

На фиг. 4 - 6 йзображено устройст. во, применяемое для измерения как углового положения, так и угловой скорости. На фиг. 4 показано колесо

1 с осью. На окружности 3 колеса 1 имеется экран 4 первой части, а

0 экран 5 второй части находится по соседству с окружностью колеса. Из35 леса. На фиг. 4 экран 5 второй час40 ти показан прикрепленными к второй стороне 18 измерительной вилки 16.

65 мерительная вилка 16 0-образной формы расположена так, что ее первая сторона 17 находится между окружностью 3 колеса 1 и осью 2, а ее вторая сторона 18 находится за пределами окружности 3 колеса 1. Экран

5 второй части установлен между вто" рой стороной 18 и окружностью 3 коВ первой стороне измерительной вилки 16 установлен светоизлучающий диод, предназначенный для того, чтобы посылать лучи света через экран

4 на окружности колеса и экран 5 второй части на фототранзистор 7, который находится во второй стороне

18 измерительной вилки 16. Таким образом, при вращении или повороте колеса 1 фототранзистор 7 будет получать световые импульсы с частотой, соответствующей:скорости прохождения светлых и темных участков интерференционной картины между светоизлучающим диодом б и фототранзистором 7. Указанные импульсы являются непосредственным мерилом скорости вращения или угловой скорости колеса 1.

На фиг. 5 показана в виде примера монтажная схема для генирирования электрических импульсов. Светоизлучающий диод 6 и усилитель 19 получают напряжение, подЫодимое через шины питания. Свет 20, излучаемый

1034619 светоизлучающим диодом 6, проходит через первый и второй экраны 4 и 5 узла датчика и встерчает на своем пути фототранзистор 7, Получающийся в результате сигнал усиливается s трех каскадах усилителя, каждый из которых включает в себя транзисторы

21 - 23 и резисторы 24 - 26. Конден. сатор 27 являтся конденсатором обратной связи.

Полученный таким образом сигнал является амплитудно-ограниченньич, что достигается с помощью амплитудного ограничителя 28, состоящего из диода Зенера, соединенного параллельно относительно выхода 29.

В устройстве, предназначенном для использования в целях регулиро« вания числа оборотов электродвигателя (фиг. б),узел датчика состоит из диска 30 или круглого сектора диска, который установлен неподвижно, и из диска 31, который установлен на валу 32 двигателя 33. Экран

4 первой части узла датчика расположен на одной стороне диска 31 в виде полосы 34, находящейся около окружности этогб диска..Экран 5 второй части узла датчика располоЖен соответствующим образом на другом, неподвижном диске 30. Экранные линии двух частей 4 и 5 идут в радиальном направлении на дисках 30 и 31 или на круглом секторе диска 30.

Измерительная .вилка 16, одна сторона 17 которой включает в себя светоизлучающий диод, а другая сто-. рона 18 включает в себя фототранзистор, охватывает диски 30 и 31 под определенным углом по окружности. Светоизлучающий диод, таким образом, посылает лучи света от однОй стороны измерительной вилки через два .диска 30, 31 на фототранзистор, находящийся в другой стороне 18 измерительной вилки 16. При вращении вала 32 двигателя 33 с определенной скоростью образуются световые импульсы, которые встречают на своем пути. фототранзистор, где они превращаются в электрические импульсы, которые усиливаются в усилителе 19. Усилитель 19 и следующий эа ним ограничитель 28 амплитуды могут быть представлены типом, показанным на фиг. 5. Выходной сигнал из ограничителя 28 амплитуды представляет собой серию импульсов, частота которых пропорциональна числу оборотов двигателя.

Частота импульсов сравнивается в . регуляторе 35 с номинальным значением, после чего число оборотов двигателя регулируется таким образом, чтобы частота импульсов согласовывалась с номинальным значением.

Устройство, предназначенное для измерения углов (фиг. 7),содержит колесо 1, снабженное осью 2, -уста-новленной в задней стенке 36, и в передней стенке 37. Измерительная вилка 16 содержит в одной своей стороне 17 светоизлучающий диод, а в другой своей стороне 1& фототранзистор. Вилка охватывает окружность

3 колеса i.òàê, как это показано на фиг. 4. Экран 4 первой части узла датчика расположен на окружнос10 ти 3 колеса 1, а экран 5 второй части узла датчика расположен между окружностью 3 колеса 1 и второй стороной 18 измерительной вилки 16 так, как это показано на фиг. 4 °

l5 Колесо имеет груз 38 высокой плотности, расположенный около его окружности, так что центр силы тяжести колеса смещен радиально от оси 2 в сторону окружности колеса ъо в направлении груза 38. Стенки 36 и 37 вместе с боковыми стенками (не показаны) образуют корпус 39, в ко" тором заключены колесо 1 и измерительная вилка 16.

25 В корпусе 39 размещены блок усилителя и счетно-вычислительный блок счетчика, которые обозначены на фиг. 7 позицией 40, предназначенные для усиления и подсчета импульсов, генерированных экранами, светоизлучающим диодом и фототранзистором. . Ba время измерения колесо 1 сначала стопорится относительно корпуса 39 в положении> показанном на фиг. 7, с помощью стопора (не показан). После этого поверхность 41 устанавливается на поверхности, угловое положение которой., например, по отношению к горизонтальной площади, должно быть измерено. Стопор

40 освобождается с тем, чтобы колесо 1 могло свободно вращаться. Затем колесо 1 поворачивается таким образом, чтобы Вертикальная, линия проходила через центр оси 2, и центр

45 силы тяжести колеса, котоРый лежит на радиусе,.проходящем через центр оси 2 и центр веса. При вращении колеса -1 генерируется ряд электрических импульсов, которые подсчитываются в вычислительном блоке 40.

Число импульсов пропорционально расстоянию, пройденному окружностью 3 колеса 1 относительно измерительной вилки 16, и, таким образом, образует меру угла, на который повернулась ось 2 колеса. Это вращение соответствует углу, на -который повернулась ось 2 колеса и углу, на который поверхность 41 наклонилась в сторону горизонтальной плоскости. После того, 60 как число импульсов будет подсчита- но,. полученный результат получает цифровое выражение с помощью техники и демонстрируется, например, на индикаторном устройстве 42 в виде

65 цифр, показывающих величину угла, 1О

1034619 на который поверхность 41 наклонилась к горизонтальной плоскости.

При измерении угла с помощью предлагаемого устройства преимущественно используются такие экраны, у которых экран второй части узла датчика состоит as двух экранов 5а и

5Ь как это показано на фиг. 3, благЩ аря чему может быть оценено направление вращения колеса 1, à sosможное качание колеса относительно положения равновесия может быть компенсировано с помощью вычислительного блока.- Измерительная вилка

16 состоит из двух светоиэлучающих диодов и двух фототранзисторов, а 15 блок 40 усиления и вычисления включа ет в себя известное электронное оборудование, с помощью которого производится укаэанная оценка. Кроме тогб; в варианте изобретения, предназначенного для измерения угловой скорости акран 5 второй части может состоять-из двух зкранов 5а и

5b чтобы иметь возможность оценивать направление вращения колеса 1.

Как .уже отмечалось, с помощью двух экранов 5а и 5Ь во второй части узла датчика можно получить более высокую степень точности в отношении измерения определенного угла вращения. Поэтому во всех вариантах изобретения, о которых Говорилосы выше, может быть йолеэным использование такого узла датчика.

1034619

Фиг, 7

Составитель Е.!швецов

Редактор Н . Стащишина Техред И . Гайду Корректор. Г . Огар

Тираж 873 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета. СССР по делам изобретений и,открытий

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

Заказ 5660/61

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4