Устройство для измерения угла поворота объекта

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения углов поворота роторов генераторов, подвижного элемента ротационных вискозиметров. Техническим результатом использования изобретения является повышение точности. Устройство для измерения угла поворота объекта содержит оптически сопряженные осветитель, закрепленный на объекте отражатель с изменяющимся коэффициентом отражения, фотоприемник и схему обработки сигнала. Новым в устройстве является выполнение схемы обработки сигнала, выполнение отражателя в виде диска, на котором нанесено изображение в виде полукругов различной отражающей способности, а также оптическое сопряжение отражателя с фотоприемником с помощью гибкого световода. 5 ил.

Предлагаемое устройство относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения углов поворота, например, роторов генераторов, подвижного элемента ротационных вискозиметров и т.д.

Известные устройства для измерения углов поворота (заявка N 3201163 ФРГ, опубл. 28.07.83; патент N 4352287 США, опубл. 05.10.82: патент N 57-5287 Япония, опубл. 29.01.82) отличаются значительной сложностью и ограниченной областью измеряемых углов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения угла поворота объекта (а.с. N 1185083 CCCР), содержащее оптически сопряженные источник излучения, отражающий элемент, фотоприемник и схему обработки сигналов. Отражающий элемент выполнен в виде цилиндра с линейноизменяющимся по периметру коэффициентом отражения. О величине угла поворота объекта в устройстве-прототипе судят по величине отраженного от отражателя светового потока.

Недостатками этого устройства, принятого за прототип, является: во-первых, снижение точности измерений при флуктуациях светового потока источника излучения: во-вторых, снижение точности измерений при смешении оси поворота объекта, т. к. в этом случае величина светового потока зависит не только от угла поворота, но и от величины смещения оси поворота объекта: в-третьих, значительная сложность, связанная с необходимостью реализации отражателя с переменным по периметру цилиндра коэффициентом отражения.

В предлагаемом устройстве для измерения угла поворота объекта, включающем оптически сопряженные осветитель, закрепленный на объекте отражатель с изменяющимся коэффициентом отражения и фотоприемник, а также схему обработки сигнала, введен узел сканирования, состоящий из механически связанных привода сканирования, гибкого световода и датчика угла сканирования, оптическое сопряжение отражателя с фотоприемником выполнено гибким световодом, схема обработки сигнала содержит соединенный с выходом фотоприемника компаратор, первый, второй и третий одновибраторы, первый и второй счетчики, первый, второй и третий блоки памяти, блок индикации, блок суммирования и триггер, при этом выход компаратора соединен с входами первого и второго одновибраторов, первый выход дискретного датчика угла сканирования подключен к первому входу первого счетчика, второй выход дискретного датчика угла сканирования соединен со вторым входом первого счетчика и через триггер со вторым входом второго счетчика, выходы первого и второго счетчиков подключены соответственно через первый и второй блоки памяти к входам блока суммирования, выход блока суммирования соединен через третий блок памяти с блоком индикации, выход первого одновибратора соединен с первыми входами первого блока памяти и второго счетчика, выход второго одновибратора подключен к первому входу второго блока памяти и через третий одновибратор к первому входу третьего блока памяти, а отражатель выполнен в виде диска с нанесенным на него изображением в форме полукругов различной отражающей способности.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать ввод о том, что заявляемое устройство для измерения угла поворота отличается наличием новых узлов и блоков: узла сканирования, содержащего привод сканирования, дискретный датчик угла сканирования и гибкий световод, а также реализацией схемы обработки сигнала и выполнением отражателя.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию "новизна".

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства; на фиг.2 отражатель с нанесенным на него изображением; на фиг.3 эпюры напряжений на выходах блоков; фиг.4 и фиг.5 поясняют работу устройства при смещении оси поворота объекта.

Устройство содержит (фиг.1): объект 1; закрепленный на объекте отражатель 2, выполненный в виде диска с нанесенным на него изображением в виде полукругов различной отражающей способности; осветитель 3; узел сканирования, состоящий из механически связанных привода сканирования 4, гибкого световода 5 и дискретного датчика 6 угла сканирования; фотоприемник 7; компаратор 8; первый одновибратор 9; второй одновибратор 10; третий одновибратор 11; первый счетчик 12; первый блок памяти 13; триггер 14; второй счетчик 15; второй блок памяти 16; блок суммирования 17; третий блок памяти 18 и блок индикации 19.

Входной торец гибкого световода 5 радиально смещен относительно оси сканирования, а его выходной торец оптически сопряжен с фотоприемником 7.

Выход фотоприемника 7 подключен через компаратор 8 к входам первого и второго одновибраторов 9 и 10. Первый выход дискретного датчика 6 угла сканирования соединен с первым ("обнуляющим") входом первого счетчика 12. Второй выход дискретного датчика 6 угла сканирования соединен со вторым (счетным) входом первого счетчика 12 и через триггер 14 со вторым (счетным) входом второго счетчика 15.

Выходы первого 12 и второго 15 счетчиков подключены через первый 13 и соответственно второй 16 блоки памяти к входам блока суммирования 17, а выход последнего соединен через третий блок памяти 18 с блоком индикации 19.

Выход первого одновибратора 9 соединен с первыми ("обнуляющим") входом второго счетчика 15 и первым входом (входом переписи) первого блока памяти 13.

Выход второго одновибратора 10 подключен к входу третьего одновибратора 11 и первому входу (входу переписи) второго блока памяти 16, а выход третьего одновибратора 11 соединен с первым входом (входом переписи) третьего блока памяти 18.

Устройство работает следующим образом. Изображение участка отражателя 2, диафрагмированное входным торцем гибкого световода 5, передается на фотоприемник 7. Входной торец гибкого световода 5 с помощью привода сканирования 4 вращается в плоскости, параллельной плоскости отражателя 2, и сканирует изображение диска 2 по траектории окружности (фиг.2). При этом на выходе фотоприемника 7 формируется сигнал, пропорциональный отраженному от отражателя 2 к световому потоку.

В начале цикла измерений с первого выхода дискретного датчика 6 угла сканирования на первый ("обнуляющий) вход первого счетчика 12 поступает "обнуляющий" импульс Uo (фиг.3). Этот импульс формируется дискретным датчиком 6 угла сканирования в угловом положении, принятом за начало отсчета (линия ОХ на фиг.2). На второй (счетный) вход первого счетчика 12 поступают импульсы Uд с дискретного датчика 6 угла сканирования, число которых пропорционально углу поворота датчика 6 и световода 5.

При переходе входным торцем гибкого световода 5 границы, разделяющей участки отражателя 2 с малой и большой отражающей способностью (переход с "темного" на "светлый" т. С на фиг.2), происходит интенсивное изменение выходного сигнала Uф фотоприемника 7, что приводит к срабатыванию компаратора 8. При этом на выходе первого одновибратора 9 формируется импульс U1, который поступает на первый вход (вход переписи) первого блока памяти 13 и на первый ("обнуляющий") вход второго счетчика 15. В результате с выхода первого счетчика 12 в первый блок памяти 13 переписывается код числа N1, пропорционального углу α₁ (фиг.1).

Кроме того, происходит "обнуление" второго счетчика 15. Поэтому накопление информации во втором счетчике 15, второй (счетный) вход которого соединен через триггер 14 с выходом дискретного датчика 6 угла сканирования, начинается с момента прохождения входным торцем световода 5 границы, разделяющей "темный" и "светлый" участки изображения на отражателе 2 (точка С на фиг.2).

Накопление информации во втором счетчике 15 продолжается до момента перехода входным торцем световода 5 границы, разделяющей "светлый" и "темный" участки изображения на отражателе 2 (точка D на фиг.2). В момент перехода происходит повторное переключение компаратора 8. При этом на выходе второго одновибратора 10 и третьего одновибратора 11 формируются последовательные во времени импульсы U2 и U3.

Импульс U2 поступает на первый (вход переписи) второго блока памяти 16. Благодаря тому, что второй (счетный) вход второго счетчика 15 подключен к дискретному датчику 6 угла сканирования через триггер 14, обеспечивающий деление частоты выходной импульсной последовательности дискретного датчика 6 угла сканирования на 2, на выходе второго счетчика 15, формируется код числа ΔN/2.. Причем число ΔN/2 пропорционально углу поворота Δα/2..

Импульсом U2 код числа ΔN/2 переписывается во второй блок памяти.

Таким образом, в момент появления импульса U2 на входы блока суммирования 17 поступает код числа N1 с выхода первого блока памяти 13 и код числа ΔN/2 со второго блока памяти 16, а на выходе блока суммирования 17 в этот момент формируется код числа N=N1+ΔN/2.

Импульсом U3, поступающим с выхода третьего одновибратора 11 на первый вход (вход переписи) третьего блока памяти 18, код числа N переписывается в третий блок памяти 18 и поступает с его выхода на блок индикации 19.

На этом цикл измерений заканчивается, а последующие циклы протекают аналогично.

Получаемое на каждом цикле измерений число N характеризует угол поворота отражателя 2, связанного с объектом 1. Покажем это.

Угол поворота отражателя 2 в предлагаемом устройстве оценивается по углу поворота α вектора ОА (фиг.2), где А точка на траектории сканирования, соответствующая середине дуги CAD. Как следует из фиг. 2, a=α₁+Δα/2, где Δα=α₂-α₁.

Поскольку число N1 пропорционально α₁, а число ΔN пропорционально Δα, получаем, что число N действительно пропорционально измеряемому углу a поворота объекта 1.

Предлагаемое устройство благодаря наличию в нем описанных блоков и связей, обеспечивает инвариантность результатов измерений к смещению оси поворота объекта и связанного с ним отражателя. Такое смещение характерно для датчиков ротационных вискозиметров, а также возникает при измерении углов поворота валов, имеющих эксцентриситет и т.п.

В известных устройствах несоосность системы отражатель оптическая система фотоприемник, вызванная смещением оси поворота объекта, приводит к погрешности в результатах измерений.

Работу предлагаемого устройства в этих условиях поясняют фиг.4 и фиг.5. Предположим, что отражатель 2, с нанесенным на него изображением, находится в угловом положении, показанном на фиг.4, и произошло смещение оси поворота объекта (т. О₁) относительно оси сканирования (т.О) вдоль оси ОХ. Как следует из фиг.4, такое смещение приведет как к изменению угла a₁ (этот угол отсчитывается от оси ОХ до линии О₁C, причем в точке С входной торец световода 5, двигаясь по траектории сканирования, переходит с "темного" участка изображения на "светлый"), так и к изменению угла Δα (отсчет этого угла ведется от линии О₁С до линии О₁D, где точка D - соответствует переходу входного торца световода со "светлого" участка изображения на "темный"). Однако при этом результат измерений, вычисляемый по выражению a=α₁+Δα/2 остается тем же, что и в случае, когда т.О совпадает с т.О.

Инвариантность результатов измерений к смещению оси поворота объекта может быть показана и на основании более простых соображений. Как следует из описания, в предлагаемом устройстве об угле поворота объекта судят по угловому положению вектора ОА, начало которого лежит на оси сканирования, а конец на середине дуги CAD, отсекаемой на траектории сканирования границей, разделяющей "темный" и "светлый" участки изображения на отражателе. Из фиг.4 очевидно, что угловое положение вектора ОА инвариантно к смещению т.О вдоль оси ОХ. Аналогично из фиг.5 следует, что угловое положение вектора ОА инвариантно и к смещению оси поворота объекта (т.О₁) относительно оси сканирования (т.О) вдоль оси ОY.

Следовательно, в предлагаемом устройстве смещение оси поворота устройства не приводит к погрешностям в определении его угла поворота.

Кроме того, оно малочувствительно к изменению светового потока осветителя 3. Действительно, вариации светового потока осветителя 3 приводят лишь к изменению минимального и максимального значений сигналов на выходе фотоприемника 7. При этом моменты срабатывания компаратора 8 благодаря большой крутизне изменения напряжения Uф в моменты перехода входным торцем световода границы, разделяющей "светлый" и "темный" участки изображения на отражателе, остаются практически неизменными. Следовательно, неизменным остается и измеренное значение угла поворота.

В экспериментальном образце разработанного устройства в качестве привода сканирования применен двигатель постоянного тока, в качестве датчика угла сканирования инкрементальный датчик угла поворота. Входной торец гибкого световода закреплен на валу двигателя с радиальным смещением и сканирует в плоскости, параллельной плоскости отражателя. Выходной торец световода выведен через полый вал двигателя, размещен на оси сканирования и оптически сопряжен м фотоприемником, в качестве которого использован фотодиод. Используемые в устройстве триггер, компаратор, счетчики, блоки памяти, блок суммирования, одновибраторы, блок индикации выполнены по известным схемам, описанным, например, в работах: Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л. Энергоатомиздат, 1988. 304 с. Цифровые и аналоговые микросхемы: Справочник под ред. С. В. Якубовича. М. Радио и связь, 1990-496 с. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. М. Радио и связь, 1987-352 с.

В экспериментальном образце устройства с инкрементальным датчиком угла поворота с коэффициентом передачи 2048 импульсов на оборот погрешность в измерении угла поворота объекта не превышает 10 угловых минут.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить точность измерений угла поворота объекта.

Формула изобретения

Устройство для измерения угла поворота объекта, включающее оптически сопряженные осветитель, закрепленный на объекте отражатель с изменяющимся коэффициентом отражения и фотоприемник, а также схему обработки сигнала, отличающееся тем, что в него введен узел сканирования, состоящий из механически связанных привода сканирования, датчика угла сканирования и гибкого световода, входной торец гибкого световода радиально смещен относительно оси сканирования, его выходной торец оптически сопряжен с фотоприемником, а схема обработки сигнала содержит соединенный с выходом фотоприемника компаратор, первый, второй и третий одновибраторы, первый и второй счетчики, первый, второй и третий блоки памяти, блок индикации, блок суммирования и триггер, при этом выход компаратора соединен с входами первого и второго одновибраторов, первый выход дискретного датчика угла сканирования подключен к первому входу первого счетчика, второй выход дискретного датчика угла сканирования соединен с вторым входом первого счетчика и через триггер с вторым входом второго счетчика, выходы первого и второго счетчиков подключены соответственно через первый и второй блоки памяти к входам блока суммирования, выход блока суммирования соединен через третий блок памяти с блоком индикации, выход первого одновибратора соединен с первыми входами первого блока памяти и второго счетчика, выход второго одновибратора подключен к первому входу второго блока памяти и через третий одновибратор к первому входу третьего блока памяти, а отражатель выполнен в виде диска с нанесенным на него изображением в форме полукругов различной отражающей способности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5