Способ измерения углового перемещения объекта

 

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - расширение динамического диапазона изменения скорости углового перемещения объекта. На выходе растровой системы 1, связанной с объективом, формируются при повороте объекта три последовательности импульсов. За один оборот объекта число импульсов в первой последовательности равно N, во второй последовательности - N + 1, в третьей последовательности - N(N + 1), Фазовый сдвиг между импульсами первой и второй последовательности преобразуется нульорганами 2,3, триггером 5 во временной интервал . Временной интервал заполняется импульсами третьей последовательности с помощью нуль-органа 4, схемы 6 совпадения . Результат измерения в виде кода фиксируется счетчиком 8 и периодически переписывается в регистр 9. В регистре 9 фиксируется результат, связанный с позиционным угловым положением объекта. 2 ил-. СЛ

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s G 01 В 21/22

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4796512/28 (22) 13.12.89 (46) 30.01.93. Бюл, М 4 (71) Научно-производственное объединение

"Ротор" (72) В. В,Титов (56) Преснухин Л.Н. и др. Фотоэлектрические преобразователи информации. М.: Машиностроение, 1974, с. 211-213. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ОБЪЕКТА (57) Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения — расшире ние динамического диапазона изменения скорости углового перемещения объекта.

На выходе растровой системы 1, связанной с объективом, формируются при повороте

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано. например, в фотоэлектрических растровых преобразователях при измерениях угловых перемещений в различных областях приборостроения.

Известен способ, заключающийся в том, что формируют двухфазную систему сигналов несущей частоты, формируют четырехфазную систему измерительных сигналов, преобразуют ее в двухфазную систему квадратурных измерительных сигналов, лишенных постоянной составляющей, производят перемножение каждого сигнала несущей частоты с соответствующим квадратурным измерительным сигналом, формируют информационный сигнал

„„59„„1791705 А1 объекта три последовательности импульсов.

3а один оборот объекта число импульсов в первой последовательности равно N, so второй последовательности — N + 1, в третьей последовательности — N(N + 1), Фазовый сдвиг между импульсами первой и второй последовательности преобразуется нульорганами 2,3, триггером 5 во временной интервал. Временной интервал заполняется импульсами третьей последовательности с помощью нуль-органа 4, схемы 6 совпадения, Результат измерения в виде кода фиксируется счетчиком 8 и периодически переписывается в регистр 9. В регистре 9 фиксируется результат, связанный с позиционным угловым положением объекта. 2 ил. путем вычитания перемноженных сигналов и по фаэовому сдвигу этого сигнала, который пропорционален угловому перемещению в пределах шага растра, судят о величине перемещения.

Устройство по данному способу содер- Л жит фотоэлектрический растровый датчик, который формирует четыре синусоидальных сигнала, последовательно сдвинутых относительно друг друга на тг /2, два дифференциальных усилителя, с помощью которых четырехфазная система сигналов с датчика преобразуется в двухфазную систему измерительных сигналов, генератор импульсов несущей частоты. фазорасщепитель, два перемножителя и вычитатель, 1791705

U = О, cos (o) t — 0) 10

360 fo

Ктакс = — 1-з макс

На выходе этого устройства реализуется сигнал

Фотоиэмерительное устройство определяет фазовый сдвиг выходного сигнала

-: отнрфйТФфйо опорного сигнала с генератора несущей частоты . Временная фаза хадйого сигнала, измеренная с помощью фазЬйзмерительного устройства, численйо равна пространственной фазе муаровой полосы 2 п — подвижного растра е пределах х

W его шага W, Недостатком данного способа является низкая точность иэ-эа неопределенности фиксации угла поворота при измерении yrnoabix перемещений в пределах угла 360О.

При перемещении подвижного растра в пределах угла от 0 до 360 временная фаза

= 2л

О меняется N раз, где N = „число штрихов на растрах, т.е. при угловых перемещениях на некоторый угол а, превышающий величину шага растра, наблюдается повторяемость. результатов измерения и преобразования, которая вносит неопределенность при фиксации угла, превышающего величину шага растра.

Известен способ измерения угловых перемещений обьекта, заключающийся в том, что формируют в функции угла поворота с помощью растрового преобразователя два инерционных сигнала несущей частоты Wo

=2 л fî

U< = Ucos (во t+ Nt а ), Uz = U cos (гв t+ Ny а при этом обеспечивая соотношение N< — Nz

= 1, где N1 и п2 — число штрихов соответствующих растров, с помощью которых формируются эти сигналы.

Так как электрические фазы сигналов О1 и U2 изменяются на 2 соответственно N> и

Nz раза при угловом перемещении растра на 360, то очевидно; что разностная фаза этих сигналов будет изменяться также на

360 за один оборот.

Таким образом, в известном способе измеряемое значение фазы между сигналами 01 и Uz соответствует вполне определенному углу в пределах одного оборота. Т,е. данное техническое решение характеризуется помехозащищенностью от разного рода сбоев, т,к. информация об угловом положении восстанавливается с частотой

o = 2 и fc в каждом последующем цикле измерения.

Первым недостатком известного способа является сложность е его реализации.

Связано это с тем, что для формирования двух информационных сигналов U> и Ог необходимо использовать генератор квадратурных синусоидальных сигналов несущей частоты а о, обеспечить попарное перемножение этих сигналов с соответствующими квадратурными сигналами sin N< а

cos N> а и stn Nz, а cos йг а формируемыми растровым датчиком, обеспечить попарное суммирование и вычитание перемножен ных сигналов.

Для последующего преобразования фазового сдвига между информационными и опорными сигналами в цифровой и-разрядный код необходимо дополнительно формировать тактовые импульсы частотой f< = fo

2„, которым заполняют временные интервалы, Из рассмотренного видно, что аппаратурные затраты на реализацию известного способа достаточно велики.

Другим недостатком известного способа является ограниченная динамика угловых измерений, Эти ограничения для известного спосо- ба принципиально существуют и определяются соотношением частоты опорного сигнала fo и требованиями к дискретности (разрешающей способности) измеряемого угла.

Максимальная угловая скорость

Qj «измерения в рассматриваемом случае определяется соотношением; ьмэкс = . . (о/с ) .360 f 360 m ° К m N 1 р где fo — — опорная частота (частота преоб1 ь,р раэования); тр — время преобразования;

m = 2" — коэффициент интерполяции периода информационного сигнала О1;

n — число двоичных разрядов;

N — коэффициент электрической редукции информационного сигнала Ui, равный числу штрихов на растре, При максимально допустимой угловой скорости Ймакс еще реализуется максимальное число циклов преобразования

Кмак = m N) эа оборот, т,е. обеспечивается формирование требуемого числа дискретных уровней квантования çà один оборот:

1791705 (2) 2л ж -ятд 417

Из вышеприведенного соотношения видно, что по мере увеличения допустимой угловой скорости Q макс будет пропорционально уменьшаться число дискретных уровней квантования. формируемых за один оборот, т.е, ухудшается разрешающая способность устройства, что естественно приводит к увеличению систематической погрешности преобразования.

Из рассмотренного следует. что известное устройство обладает ограниченным динамическим диапазоном и точностью преобразования, а также сложностью практической реализации способа для обеспечения повышенной помехозащищенности преобразования и измерения угловых перемещений.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет расширения динамического диапазона и упрощение способа, обеспечивающего повышение помехозащищенности измерений.

Цель достигается тем, что в способе измерения угловых перемещений обьекта, заключающемся в том, что формируют с помощью растровой системы, связанной с объектом, две последовательности импульсов, число импульсов в каждой последовательности равно N и (N + 1) при повороте объекта на 360 . формируют временные интервалы, согласно изобретению формируют с помощью растровбй системы третью последовательность импульсов, число которых равно N (N+ 1) при повороте объекта на

360, временные интервалы формируют таким образом, что они равны накапливающейся разности фаэ между. импульсами первой и второй последовательности, заполняют временные интервалы импульсами третьей последовательности, а по числу импульсов, заполняющих каждый из временных интервалов, судят об угловом . перемещении объекта.

Сопоставительный анализ заявленного решения с прототипом показывает, что заявленный способ отличается от известного тем, что в нем дополнительно формируют с помощью растровой системы третью последовательность импульсов, число которых равно N ° (N + 1) при повороте объекта на

360о временные интервалы формируют таким образом, что они равны накапливающейся разности фаз между импульсами первой и второй последовательности, заполняют временные интервалы импульсами третьей последовательности, а по числу импульсов судят об угловом перемещении объекта, что соответствует критерию "новизна", При изучении других известных технических решений в данной области техники

40 ч5

50 признаки, отличающие заявленное изобретение от прототипа, не были выявлены и потому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию

"существенные отличия".

На фиг.1 и 2 представлены структурная схема устройства и временная диаграмма, которые поясняют принцип действия предлагаемого способа.

Устройство содержит растровый датчик

1, нуль-органы 2- 4, триггер 5, схемы совпадения 6,7, счетчик 8. регистр 9.

Устройство, реализующее предложенный способ. работает следующим образом.

Растровое сопряжение датчика 1 (фиг.1) включает две идентичные системы растровых решеток, каждая из которых состоит из трех растровых дорожек. Первая растровая дорожка состоит из N шагов, вторая растровая дорожка включает N + 1 шагов, третья растровая дорожка состоит иэ N (N + 1) шагов. Угловые шаги растров соответственно равны

2_#_, 27с

М 2 . И+1 °

2 7г

N IIN+17

Из соотношений (1) видно, что шаги первой растровой дорожки N смещены после; довательно относительно шагов второго растра с числом штрихов N + 1 на величину угла Л, пропорциональную разности их угловых шагов, т,е.

= 1 У1 1 2 =

1 1 2л

=2#(М N+1) Именно этой величине равен шаг третьей растровой дорожки:

Из рассмотренного следует, что на i-м шаге растровой дорожки с числом штрихов

N i-й шаг растровой дорожки с числом штрихов N + 1 будет смещен по углу на величину

Л = „„„+„ i; где =1,23,...,o (3)

2л и, следовательно, s этом интервале будет укладываться i целых шагов В/з растра третьей дополнительной дорожки, При i = N

179 l 705

10

20 (4) 25

35

360 лр нтгФТТ (7), 50

360 = чти-+ту это смещение будет равно шагу Ю/г (т.к. Д =

° N = И/г ), в котором число

2_#_ г шагов В/з уложится N раз (т.к. N), При

Ф/

i = N/2 пространственное смещение будет равно половине шага Ф/г, т,к, 2 л N л 1/1/г

N N+ г =7NN+1 - г и, следовательно, в этом интервале уложится число шагов М/з только N/2 раз, и т.д.

При вращении подвижного растра датчика будет происходить модуляция проходящего через растровое сопряжение светового потока, которая преобразуется фотоприемниками, расположенными в зоне каждой штриховой дорожки, в электрические сигналы вида (фиг.2):

U» = U An N а = U Sin Т а

U16 = U. sin (N + 1) а = U Sin Тг а (5) U, = U sin N (N + 1) G = U Sin Тз а (6) С учетом вышерассмотренного не трудно видеть, что сигналы 0» и U16 на выходе фотоприемников, расположенных в зонах сопряжения растровых решеток с шагом W1 и Nf 2, по мере разворота растров будут смещаться в пространстве относительно друг друга в соответствии с полученным ранее выражением (3). При этом, как видно иэ фиг.2, только в одном случае фазы сигналов U» и 016 совпадают и это положение принимается за нулевое, т.е, за начало отсчета, При взаимном развороте растров относительно нулевого отсчета на углы, равные шагу штрихов дорожки N; происходит последовательное смещение по фазе сигналов

U» и U16 на величину Л р, равную

В общем случае при смещении на i шагов дорожки N пространственный сдвиг между этими сигналами составит что соответствует i периодам Тз сигнала 0», которые раэместятся в интервале, равном этому пространственному сдвигу.

Таким образом пространственное угловое смещение измеряется путем подсчета целого числа периодов сигнала U», размещающихся во временном интервале, равном пространственному сдвигу между сигналами 016 и 0»

Сигналы 01, и 016 подаются на входы нуль-органов 2,3, в которых формируются импульсы Ог, Оз в момент перехода сигнала через нуль в положительном направлении (см. фиг.2). Импульсы Оз, Ог управляют триггером 5, на прямом выходе которого формируется прямоугольный сигнал Us-1, длительность которого пропорциональна пространственному сдвигу между сигналами U» и U1,, а на инверсном выходе формируется импульс U6-2.

Прямой и инверсный сигналы с триггера 5 подаются на первые входы схем 6 и 7, на вторые входы которых подаются импульсы 04, сформированные нуль-органом 4 по нуль-переходам сигнала 0» с растровой решетки с шагом Юз. Таким образом, со схемы совпадения 6 в счетчик 8 будут поступать импульсы U6, количество которых в каждом цикле измерения будет равно числу целых шагов растровой решетки с числом штрихов

N, на которые произведен разворот. Цикл измерения, равный периоду сигнала О/а, каждый раз завершается в момент появления импульсного сигнала Ог с нуль-органа, 2, который одновременно дает разрешение на стирание в регистре 9 информации об угле, произведенной в предыдущем цикле измерения, и дает разрешение на перезапись в обнуленный регистр 9 текущей информации об угле из счетчика 8, Счетчик 8 обнуляется первым импульсом От со схемы совпадения 7, и тем самым он подготавли40 вается для приема информации об угле в следующем цикле измерения, Информация же об измеренном угле хранится в регистре

9 до момента завершения разворота на последующий полный шаг И/1 растровой решетки.

Из рассмотренного видно, что предлагаемое устройство обеспечивает позиционное преобразование информации об угле поворота в диапазоне 0 — 360 угл, градусов.

При этом информация выдается относительно единственного нулевого положения, которым является момент совпадения фаз сигналов U» и 016, При потере информации от себя в цепях питания она полностью восстанавливается в следующем цикле (т.е. при повороте на угол Р/1), поскольку фазовый сдвиг между сигналами U» и U16 в каждом цикле измерения несет полную информацию об угле разворота относительно нулевого положение, о

1791705

10 котором судят по числу периодов сигнала

U)g. размещающихся во временном интервале, пропорциональном фазовому сдвигу между сигналами U» и U>e, Таким образом, предлагаемое техническое решение обес- 5 печивает высокую эксплуатационную помехозащищенность, которая достигается более простыми средствами в сравнении с прототипом, в котором для реализации того же эффекта требуется выполнить ряд п роме- 10 жуточных преобразований сигналов с фотодатчика, для чего необходимо использовать квадратурный генератор синусоидальных сигналов опорной частоты и генератор импульсов высокой частоты для формирования 15 кода угла.

Поскольку фазовые соотношения между сигналами U<, U

При этом несушая прототипу динамическая погрешность в предлагаемом устройст- 25 ве принципиально отсутствует, так как роль заполняющей частоты s нем выполняет сигнал 0, который при изменении угловых скоростей вращения лимбов автоматически синхронизируется с частотами сигналов U t 30 и U>n, в связи с чем динамический диапазон . предлагаемого устройства будет значительно шире, чем в прототипе. и будет определяться лишь частотными характеристиками применяемых элементов.

Формула изобретения

Способ измерения углового перемещения объекта, заключающийся в том, что формируют с помощью растровой системы, связанной с объектом, две последовательности импульсов, число импульсов в каждой последовательности равно N u N + 1 при повороте объекта на 360, формируют временные интервалы, о т л и ч à lo шийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона изменения скорости углового перемещения объекта, формируют с помощью растровой системы третью последовательность импульсов, число которых равно N (N

+ 1) при повороте объекта на 360О. длительность времен н ы х и нте рвал о в формируют пропорциональной накапливающейся разности фаз между импульсами первой и второй последовательностями, заполняют временные интервалы импульсами третьей последовательности, а по числу импульсов, заполнивших каждый из временных интервалов, судят от угловом перемещении объекта, 1791705

Составитель В.Титов

Техред М.Моргентал

Редактор

Корректор M.Êåðåöìàí

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 147 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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