Оптико-электронный измеритель угла поворота алидады

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при прецизионных измерениях углов поворота объекта, установленного на алидаде. Техническим результатом использования изобретения является повышение точности. Устройство содержит тракт грубых измерений угла α и тракт точных измерений (досчета) угла Δα. Оптико-механическая часть устройства содержит диск сканера с числом щелей n, расположенных на его периферии, при этом одна из щелей имеет большую длину. С периферийными щелями диска сопряжены четыре оптопары, которые позволяют вычислять точные значения угла и прибавлять эти значения к измеренным в тракте грубого измерения, четыре соответствующие оптопары которого оптически сопрягаются через щель с большей длиной. 3 ил.

Изобретение относится к прецизионным автоматическим измерителям углов поворота объекта, установленного или механически соединенного с поворотным кругом алидадой. В качестве примера объекта можно привести тубус теодолита или тахеометра.

Аналогом предлагаемого устройства является измеритель, описанный в кн. Высокоточные угловые измерения. Под ред. Ю.Г. Якушенкова. М. Машиностроение, 1987, с. 49. Устройство содержит опорный и алидадный круги и соосно установленный с ними сканер в виде вращающегося диска с одной радиальной щелью, приводимого в движение синхронным двигателем с частотой вращения Ω. Электронный блок соединен с фотодиодами четырех оптико-электронных пар, состоящих из источника света и фотодиода, две из которых закреплены по противоположным концам одного из диаметров опорного круга, а другие две с противоположных сторон алидады. Измерение углов поворота a диаметра алидады, определенного положением соответствующих оптопар, относительно опорного направления линии оптопар на опорном круге происходит следующим образом. Измеряются интервалы времени t₁ и t₂ между импульсами с фотодитодов противоположных опорных и алидадных пар соответственно. При этом . Дублирование измерений с противоположно размещенных оптопар производится с целью устранения влияния несоосности кругов и диска сканера прибора.

Недостатком данного устройства является то обстоятельство, что на результаты измерений влияет неравномерность вращения диска сканера в пределах одного оборота, даже при постоянной средней скорости вращения двигателя привода, обусловленная угловыми вибрациями его ротора, что приводит к погрешностям измерения величин t₁ и t₂.

В предлагаемом устройстве влияние этого фактора в значительной степени снижается, что позволяет существенным образом повысить точность измерений.

Для достижения этой цели сканер выполнен в виде диска с большим количеством радиальных щелей на его периферии на одинаковом расстоянии друг от друга, причем одна щель имеет увеличенную в сторону центра диска длину. Оптико-электронная часть устройства содержит восемь оптико-электронных пар, состоящих из фотодиодов и светодиодов, находящихся по разные стороны диска сканера и размещенных попарно в четырех корпусах, охватывающих периферию диска сканера. Два диаметрально противоположных корпуса жестко связаны с алидадой и два других аналогично расположенных корпусов с базовым (опорным) кругом. В каждом из корпусов два светодиода и два фотодиода расположены радиально и закрыты диафрагмами с радиальными щелями. Корпуса оптопар установлены таким образом, что внутренняя пара светодиод фотодиод, расположенная ближе к центру диска, имеет оптическую связь только через удлиненную часть одной из щелей, а в наружных оптопарах эта связь осуществляется поочередно только через щели на периферии диска сканера.

Электронный блок преобразования информации состоит из канала грубых измерений угла α между опорным и алидадным направлениями, входы которого соединены с фотодиодами внутренних оптопар, и канала точных измерений угла досчета Da, входы которого подключены к фотодиодам внешних оптопар. Каждый из каналов содержит две линейки измерений от фотодиодов диаметрально противоположных оптопар соответственно. Все четыре линейки состоят из одинаковых элементов, имеющих идентичные соединения между собой. В канале грубых измерений каждая линейка включает в себя измеритель периода импульсов Т₀₁ или T₀₂ с фотодиодов оптопар и измеритель интервалов t_o1 или τ_o2, один вход которого соединен с фотодиодом опорной пары, а другой с фотодиодом алидадной оптопары. Выходы измерителей этих величин подключены соответственно к двум вычислителям величин и . Их выходы присоединены к входу усреднителя угла . В канале точных измерений измеряются такой же совокупностью элементов цифровой техники периоды повторения T₁ и T₂ импульсов от N щелей на периферии диска сканера и интервалы между опорными и измерительными импульсами τ₁ и τ₂, а в вычислителях производятся операции вычисления величин и . Усреднитель выполняет операции .

На фиг. 1 приведен эскиз оптико-механической части измерителя в разрезе; на фиг. 2 диск сканера и блок-схема электронного блока; на фиг. 3 графики следования импульсов в грубой и точной системах измерения.

В состав оптико-механической части конструкции измерителя (фиг.1) входят алидада 1, на которой устанавливается объект измерений (например, зрительная труба), соосно с ней расположен опорный (базовый) круг 2, а под ним - сканирующий диск 3 со щелями, приводимый во вращение двигателем 4. На периферии сканера 3 расположены П-образные держатели (корпуса) оптоэлетронных пар 5, 6, 7, 8. В каждом корпусе находятся по две оптопары, состоящие из противоположно размещенных по отношению к диску сканера двух светодиодов 9, 9' и двух фотодиодов 10 и 10'. Со стороны диска 3 они закрыты диафрагмами со щелями, имеющими радиальное направление. В наружных оптопарах 9' 10' оптическая связь осуществляется через щели на периферии диска 3 сканера (фиг. 2) в моменты их прохождения мимо щелей в диафрагмах фотодиодов и светодиодов. Одна из этих щелей 11 имеет удвоенную длину (фиг. 2), и через ее удлиненную часть осуществляется оптическая связь в оптопарах 9 10. Держатели оптопар 5 и 7 скреплены с опорным кругом, и их расположение указывает опорное направление. Держатели 6 и 8 (фиг. 2) соединены механически с алидадой 1 (фиг. 1), и измеряемый угол α есть угол между направлением, определяемый диаметром, по разные стороны которого установлены оптопары 6 и 8, и опорным направлением.

Электронный блок преобразования информации содержит два канала измерений. Один относится к грубой системе измерений угла a, близкой по своей сущности к аналогу; к его входам подключены фотодиоды внутренних оптопар 9 и 10 (фиг. 1). Этот канал состоит из двух одинаковых частей (линеек), каждая из которых соединена с одной из диаметрально противоположных оптопар. На фиг. 2 показано, что к оптопаре 5 опорного направления 0, а точнее к одному из фотодиодов 9 (внутреннему фиг. 1) присоединен входящий в верхнюю линейку измеритель периода повторения импульсов T₀₁ измеритель 12, а два входа измерителя 13 интервалов времени между импульсами t_o1 присоединены к соответствующим внутренним фотодиодам оптопар 5 и 6. Выходы измерителей 12 и 13 (т. е. счетчиков импульсов высокочастотного заполнения) подключены к вычислителю угла α₁ 14, выполняющего операцию .

Нижняя линейка канала грубых измерений состоит из аналогичных верхней линейке элементов и соединений и присоединена к фотодиодам 10 внутренних оптопар 7 и 8, т.е. "работающих" от удлиненного штриха 11 сканера 3. В ее состав входит измеритель 15 периодов повторения T₀₂ и измеритель 16 интервалов времени между импульсами от фотодиодов опорного и алидадного направления τ_o2. Их выходы соединены с вычислителем 17, выдающим значения . Выходы обоих вычислителей подключены к усреднителю 18, выдающим измеряемую величину .

Канал точных измерений также состоит из двух частей (линеек), содержащих такие же измерители и с одинаковыми соединениями, как канал грубых измерений. Отличие заключается в том, что этот канал работает от фотодиодов внешних оптопар 10' (фиг. 1), импульсы в которых возникают поочередно от всех N щелей на периферии сканера 3. При этом измерители 19 и 20 измеряют периоды повторения импульсов T₁ и интервалы τ₁ между импульсами с фотодиодов оптопар 5 и 6 соответственно, а вычислитель 21 определяет значение угла досчета Δα₁ по формуле . Измерители 22 и 23, "работающие" от диаметрально расположенных оптопар, выдают значения T₂ и T₁, а вычислитель 24 значение ; усреднитель 25 выполняет операцию , т.е. вычисляет значения угла досчета Δα, которое добавляется и округленному значению угла a, обозначенному . Таким образом, результат измерений определяется как . Округление с точностью до нескольких первых цифр результатов грубых измерений может проводиться оператором или может быть предусмотрено в качестве дополнительной операции в усреднителе 18.

Функционирование системы рассмотрим на примере ее конкретного выполнения. Возьмем сканер 3 с числом щелей N 360, т.е. угол между щелями на периферии диска равен 1^o.

Рассмотрим работу грубой системы измерения угла a (фиг.1), работающей от удлиненной части щели 11. На фиг. 3б представлен график следования опорных импульсов (о) и измерительных (и). Последние имеют для отличия на графике несколько меньшую амплитуду. Эти импульсы исходят от внутренних фотодиодов оптопар 5 и 6 (или 7 и 8). При равномерном вращении диска , например при . Идентичное измерение производится с помощью оптопар в держателях 7 и 8. Результат измерений α₂ при фиксированном положении алидады 2 может несколько отличаться от полученного выше значения α₁ из-за несоосности базового и алидадного кругов и оси вращения сканера 3, и поэтому выполняется операция усреднения . Однако точность измерений в целом не может быть достаточно высокой из-за неравномерности вращения ротора двигателя 4 привода вращения сканера 3 (фиг. 1), в котором, несмотря на стабилизацию скорости вращения, возникают угловые вибрации. Известно, что неравномерность вращения приводит к нестабильности измерений интервалов времени примерно 10^-4. Это значит, что , т.е. грубая система измерений, выдает показания с точностью не выше ±1'.

Точная система измеряет значения τ и T (см. фиг. 3а) и по ним позволяет вычислять значения , т.к. при τ Da 0, а при , т. е. половину угла β 1^o между соседними щелями сканера, и т.д. Это значит, что если положение алидады не равно кратному значению угла b, то дробные части этого угла b можно рассматривать как систему досчета. Теперь нужно доказать, что досчет происходит с большей точностью, чем измерение угла a. Выражение Da можно записать как , т. к. T₀ NT, т. е. имеем ту же формулу, что и для нахождения величины α; следовательно, погрешность единичного измерения значения d(Δα) будет вычисляться по той же формуле, что и δα (см. выше).

Однако за один оборот диска сканера производится N измерений значений t и T, а в вычислителе 21 или 24 происходит усреднение значения t и T с кратностью N. Это значит, что среднее значение Da будет получено с погрешностью, в раз меньшей, чем δα.

Однако выигрыш в точности раз за один период вращения сканера еще не является главным достоинством данного измерителя по сравнению с аналогом. Дело в том, что неравномерность вращения сканера из-за угловых вибраций с частотой, близкой к частоте вращения двигателя его привода, сильно уменьшается в N раз в пределах угла (у нас 1^o). При этом несколько отличающиеся друг от друга абсолютные значения угловой скорости в пределах одного оборота сканера не оказывают влияния на точность измерений, т.к. угол Δα зависит от отношения величин . Таким образом, можно считать, что точность измерений в системе досчета увеличивается в N 3/2 раза по сравнению с точностью измерения угла α.

Рассмотрим худший случай точности измерения угла a, чем тот, который был приведен выше пусть da ±1^o. Учитывая, что N 3/2 ≈ 7000 найдем, что погрешность измерений и в этом случае составит d(Δα) 0,5" - 1". В этом случае показания грубой системы можно округлять до единиц градусов, а досчет проводить в угловых минутах и секундах.

Следует обратить внимание, что все элементы вычислительной техники в устройстве можно было бы объединить в один микрокомпьютер, выполняющий описанные выше функции электронной схемы.

Нанесение штрихов и их оцифровки на базовый и алидадный круги необязательно, нужно лишь с достаточной точностью равномерно прорезать щели в диске сканера.

Формула изобретения

Оптико-электронный измеритель угла поворота алидады, содержащий установленные соосно с алидадой базовый круг и диск сканера, четыре оптоэлектронные пары, установленные в соответствующих держателях на диаметрально противолежащих сторонах диска сканера, держатели двух противолежащих оптопар, создающих опорные импульсы, скреплены с базовым кругом, а держатели двух других оптопар, создающих измерительные импульсы, скреплены с алидадой, и электронный блок измерения интервалов времени, соединенный с фотодиодами оптопар, отличающийся тем, что он снабжен четырьмя дополнительными оптопарами, расположенными по периферии диска сканера в соответствующих держателях, диск выполнен с n радиальными щелями, равномерно расположенными по периферии диска, одна из щелей выполнена длиной, большей длины остальных щелей, фотодиоды оптопар выполнены с щелевыми диафрагмами, щели направлены вдоль радиусов диска, дополнительные оптопары установлены таким образом, что оптическая связь в них осуществляется через периферийные щели диска, а в основных четырех оптопарах через щель большей длины, электронный блок выполнен в виде тракта грубых измерений угла и тракта точных измерений угла, тракт грубых измерений угла состоит из усреднителя и двух каналов измерений, каждый канал измерений выполнен в виде измерителя интервалов времени τ₀₁ или τ₀₂ между импульсами, измерителя периода Т₀₁ или Т₀₂ повторения импульсов и вычислителя, соединенного с их выходами, выходы вычислителей каналов подключены к входам усреднителей, при этом измерительные фотодиоды основных оптопар подключены в соответствующих каналах к входам измерителей интервалов времени между импульсами, опорные фотодиоды основных оптопар подключены в соответствующих каналах к вторым входам измерителей интервалов времени и входам измерителей повторения импульсов, тракт точных измерений угла состоит из усреднителя и двух каналов измерений, аналогичных каналам тракта грубых измерений, усреднитель подключен к выходам вычислителей, измерительные фотодиоды дополнительных оптопар подключены в соответствующих каналах к первым входам измерителей интервалов времени τ₁ или τ₂ между импульсами, опорные фотодиоды дополнительных оптопар подключены в соответствующих каналах к вторым входам измерителей интервалов времени между импульсами и к входам измерителей периода Т₀₁ или Т₀₂ повторения импульсов, вычислители канала грубого измерения угла вычисляют значения а усреднитель значение вычислители каналов точного измерения угла вычисляют значения соответственно, а усреднитель значение .

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3