Фотоэлектрический преобразователь положения в код

 

ФОЮЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОЛОЖЕНИЯ В КОД, содержащий последовательно расположенные вдоль оптической оси источник света и кодовый элемент, считъшаюхние элементы , отличающийся тем, что, с целью повышения его разрешающей способности , в него введены оптически соединенные светоделительная призма, сферическое зеркало и две пары зеркальных пластин, которые расположены перпендикулярно друг другу, одна пара пластин установлена с возможностью перемещения, а другая - неподвижно, и размещены между сферическим зеркалом и светоделИ Q тельной призмой, отражающая грань когорой обращена к считьшающим элементам (Л и к отражающим граням подвижной пары зеркальных пластин.

(19? (11) СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

5 3 А

31511 08 С 9/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3339286/18-24 . (22) 23.09.81 (46) 07. 09,83. Бюл. ¹ 33 (72) А. А. Бражник (53) 681.325(088.8) (56) 1. Фотоэлектрические преобразователи информации. Под ред. Л. H. Преснухина. М., Машиностроение, 1974, с. 150.

2. Элементы цифровых систе1 управления, Под ред. В. А. Мясникова, Л., Наука, 1971, с. 143-147.

3. Фотоэлектрические преобразомтели информации. Под ред, Л. Н. Преснухина.

М., «Машиностроение", 1974, с. 60 (прототип).

4. Слюсарев Г. Г. Расчет оптических систем. Л., Машиностроепис, 1975, с. 314. (54) (57) ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОЛОЖЕНИЯ В КОД, содержащий последовательно расположенные вдоль оптической оси источник света и кодовый элемент, считывающие элементы, отличающийся тем, что, с целью повышения его разрешающей способности, в него введены оптически соединенные светоделительная призма, сферическое зеркало и. две пары зеркальных пластин, которые расположены перпендикулярно друг другу, одна пара пластин установлена с возможностью перемещения, а другая — неподвижно, и размещены между сферическим зеркалом и светодели- д тельной призмой, отражающая грань кото- рой обращена к считывающим элементам фу и к отражающим граням подвижной пары зеркальных пластин. С::

1 1040

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике. и предназначено для измерения углового или линейного положения и может быть использовано для ввода информации в ЭБВМ,,при про граммном управлении станками, для систем управления технологическими процессами, в различных сканирующих устройствах, в том числе в аналитических стереопри борах. 50

Известен фотоэлектрический преобразователь перемещения, который содержит расположенные последовательно вдоль оптической оси неподвижнь5й источник . света, измерительный pac Tp, закреплен- 55 ный на перемец5ающемся обьекте, а так-, же. неподвижные индикаторный растр и считывающий элемент (фотоприемник). При перемещении измерительного растра в направлении, перпендикулярном его штри- 20 хам, происходит периодическое изменение фототока в фотоприемнике из-за модуляции светового потока сопряжением изме- . рительного и индикаторного растра )1)

Недостатком является то, что такой 25 преобразователь при шаге растра 40 мкм позволяет получить разрешающую способность в 10 мкм. Случайные сбои в его работе приводят к появлению накопленных ошибок . При измерении положений, когда перемещение между двумя моментами прохождения датчика нуля может быть очень большим, накопленная ошибка может превышать допустимые пределы, что затрудняет использование этого преобразователя для измерения.

Известен фотоэлектрический преобразователь положения в код с оптико-механическим интерполятором, содержащий

40 осветительную систему, компенсационный лимб с нанесенной на нем спиральной сеткой, кодовый лимб с нанесенными на нем двумя рядами прозрачных и непрозрачных штрихов, сдвинутых на 1/4 шага друг относительно друга, кодовый

45 элемент, и фотоприемники (считывающие элементы). Осветительная система ос-. вещает диаметрально противоположные рабочие зоны компенсационного лимба, изображения которых с помощью оптических систем проецируются на диаметрально противоположные участки кодового лимба. Модулятор осветительной системы попеременно перекрывает верхнюю или нижнюю половины рабочего поля. Когда лимбы находятся в согласованном положении, световые потоки от обеих половин рабочего поля равны 521

503 2

Недостатком является то, что при повороте кодов о лимба равенство нарушается, и на фотоприемниках появляется сигнал рассогласования, управляющий следящим двигателем, осуществляющим соответствующий доворот компенсационного лимба до согласованного положения.

Разрешающая способность датчика по углу - 0,3, угл. сек однако быстродействие его, как и всех преобразователей с оптико--механической интерполяцией, ограничивается скоростью вращения механических элементов и составляет величину порядка 0,1 с.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является фотоэлектрический преобразователь положения в код, который содержит расположенные вдоль оптической оси неподвижный источник света, подвижный кодовый элемент, связанный с объектом перемещения, а также неподвижные целевую диафрагму и считывающие элементы - фотоприемники. Кодовая маска кодовго элемента представляет собой несколько кодовых дорожек, на которых в двоичном коде в вице прозрачных и непрозрачных участков закодирована координата (31 и (4)

Такой преобразователь позволяет с высоким быстродействием однозначно опре делять линейное или угловое положение движущегося обьекта, однако его разре - шающая способность ограничивается величиной шага кодовой дорожки младшего разряда и составляет 20-50 мкм для линейнйх положений 10-20 для угловых положений; .

Бель изобретения - повышение разрешающей способности преобразователя.

Поставленная цель достигается тем, что в фотоэлектрическом преобразователе положения в код, содержащем последовательно расположенные вдоль оптической оси источник света и кодовый элемент, считывающие элементы, введены оптически соединенные светоделительная призма, сферическое зеркало и две пары зеркальных пластин, которые расположены перпендикулярно друг другу, одна пара пластин установлена с возможностью перемещения, а другая - неподвижно, и размещены между сферическим зеркалом и светоделнтельной призмой, о,гражающая грань которой обращена к считывающим элементам и к отрюкакнцнм граням подвижной пары зеркальных пластин.

На фиг. 1 изображена схема предла.аемого фотоэлектрического цреобразова3 104 теля; на фиг. 2 - принцип умножения линейного перемещения; на фиг. 3 - ход лучей в системе зеркальных пластин в плоскости, перпендикулярной направлению перемещения; на фиг. 4 - схема пре образователя углового положения; на фиг. 5 - принцип умножения углового перемещения.

На пути распространения светового пера от источника 1 света (фиг. 1) рас- ip положены конденсор 2, кодовый элемент

3 и зеркально"линзовый обьектив 4, сос тоящий из светоделительной призмы 5, задняя поверхность которой выполнена,сферической, вогнутого сферического зер кала 6. Такой зеркально-линзовый обьек тив 4 с увеличением один обеспечивает очень высокое качество изображения, связанное с объектом перемещения - под вижная пара зеркальных пластин 7, и неподвижная пара зеркальных пластин 8, считывающие элементы 9.

Устройство работает следующим образоме

Для измерения линейных положений д ! кодовый элемент 3 выполнен в виде кодовой линейки, а подвижная пара зеркальных пластин 7 имеет возможность линейного перемещения вдоль кодовой линейки. Конденсор 2 формирует иэ светового потока, излучаемого источником 1 света, луч света, освещающий кодовую линейку (маску), проходит светоделительную призму 5 и попадает на систему зеркальных пластин. При перемещении подвижной пары зеркальных пластин 7 íà semtчину Оо луч света на его выходе сме шается (фиг. 2). После одного отражения от пластины 7 световой луч о4 смещаеэся вдоль направления перемещения на se 4й личину 2k, после второго отраженияна величину 4 и после третьего отражения - на величину 6 д,. В общем виде эта зависимость записывается следу ишим образом А 2кфБ, где А - смешение . луча на выходе системы зеркальных нпйс жн в направлении смещения подвижной пары зеркальных пластин 7; к — целое. чиоло, равное числу циклов отражений в системе. Для разнесения входа и выхода 50 луч вводится в систему зеркальных пластин под углом в плоскости, перпендику -::. лярной направлению перемещения подвиж ной пары зеркальных пластин 7, как это показано на фиг. 3, луч, прошедший че- 55 рез эту систему, отражается вогнутым сферическим зеркалом 6, вновь проходит. через систему зеркальных пластин, сме

0503 4 шаясь дополнительно на величину 2 к, и после отражения от светоделительной плоскости призмы 5 попадает на линейку считывающих элементов 9. В плоскости расположения считывающих элементов 9 формируется в масштабе1н * 1 изображение кодовой линейки, смещенное на величину А 4 k C вдоль направления. кодовых дорожек. Таким образом, разрешающая способность преобразователя повышается в 4 к раз. Практически наибольший эффект достигается при к " 1-6, что позволяет реально повысить разрешающую способность фотоэлектрического преобразователя в 16-24 раза.

Аналогично описанМому выше фотоэлектрическому преобразователю линейных положений может быть выполнен фотоэлектрический преобразователь угловых положений (фиг. 4). Отличие его состоит в том, что кодовая линейка заменена на кодовый диск, т. е. кодовые дорожки расположены на окружности, и соответственно подвижная пара зеркальных пластин 7, связанная с объектом перемещения, имеет воэможность вращения вокруг оси, перпендикулярной линии пере сечения точности, в которых расположены неподвижные зеркальные пластины 8. На фиг, 5 показан принцип умножения углового перемещения. Подвижные зеркальные тластины 7 повернуты на угол оо отйосительно неподвижных зеркальных пластин й. Изображение штриха Ь (фиг. 5) на входе пластин 7 смещается на угол

2с в положение Ъ на выходе пластин 7 после первого цикла и возвращается на неподвижные зеркальные пластины 8, из которого оно выходит в положение С, вновь возвращается на подвижные зеркальные пластины 7, на выходе которого оно смещается после второго цикла уже на угол 4. <С (положение С ), после третьего цикла изображение смешается на величину боС (положение 3 ) затем выходит в положение о и т. д. Таким образом, и в этом случае при наличии k циклов отражений в системе зеркальных плас тин разрешаюшая способность преобразователя повышается в 4 k раз;

Повышение разрешающей споообности преобразователя угловых или линейных положений в 4 k раэ сопровождается таким же уменьшением пределов измерения.

В тех случаях, когда необходимо при повышении разрешающей способности сохраничь пределы измерения, следует вместо одной пары подвижных зеркальных

% 1040503 6 пластин установить несколько пар плас- Кроме того, конструкция и принцип действия предлагаемого фотоэлектричесПредлагаемь фото

rN фотоэлектрический пре- кого преобразователя положения в код образователь положения, использу пользуя отно- позволяют испольэовать известные споческой сительно грубую кодовую маску аску с шагом s собы и устройства оптико-механическо точн д ро ой о жки 4 - мкм, поэ

0 100 воляет или электронной интерполяции, повьпиаю- . шие э шаю способность в 10-200 . повысить разрешающую способность в . шие раэре щую аз и добиться таким образом пре"

16-24 раза, т. е. достигнуть линейной раз, разрешающей спосоности 2 мкм m уг- дельно высокой разрешающей способй 0 5-1 не снижая при этом быстро-10 ности порядка 0,01 мкм и лово

" „аз, кое и имеиение действия и надежности прео " „аз б" „азователя,не ус - что может найти широ р з р, б— ложняяэлектроникусчитыванияине повышая при р зр ае аботке препезиоп при отрудое мкость и стоимо:ть преобразователя.. ров.

1040503

1040503

1 б

Составитель 1Б. Барбараш, Редактор Ю. Середа Техред A. Бабинеп Корректор А. Зимокосов

Заказ 6933/53 Тираж 618 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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