Оптико-механический датчик перемещений

Оптико-механический датчик перемещений относится к области контрольно-измерительной техники. Шторка 1 вращается совместно с роликом 2 на валу 3, установленном в подшипниковом узле 4 корпуса 5. Шторка 1 расположена между источником света 6 и линейкой фотоэлементов 7 и выполнена в виде спирали. Ролик 2 преобразует перемещение подвижного объекта 9 во вращение шторки 1, а корпус 5 закреплен на неподвижном объекте 10. Свет от источника 6, проходя сквозь прорези шторки 1, освещает фотоэлементы линейки 7, на которой образуются границы свет-тень. Схема управления и считывания информации 8 определяет граничные элементы и выдает их номера. При вращении шторки 1 изменяется положение границ свет-тень на линейке фотоэлементов 7. Перемещение объекта определяется по изменению номеров граничных фотоэлементов. Технический результат - упрощение конструкции датчика перемещений и расширение его функциональных возможностей. 1 ил.

 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано при измерении взаимного перемещения объектов или их подвижных частей.

Известно устройство для определения координат движущегося объекта [а.с. СССР №1037062], содержащее вращающийся источник света, закрепленный на движущемся объекте, и три неподвижных линейки фотоэлементов со схемами управления и считывания информации (схема считывания представляет собой пороговое устройство), оси которых параллельны одной из осей координат. Величина перемещения объекта вдоль этой оси рассчитывается по данным о порядковых номерах засвеченных элементов. Недостатками указанного устройства являются относительная сложность конструкции и ограниченный диапазон значений чувствительности, которая равна шагу линейки фотоэлементов.

Эти недостатки преодолены в известном оптическом датчике перемещений [патент РФ №2226670], в котором между источником света и линейкой фотоэлементов расположена шторка, соединенная с подвижным объектом. Ось линейки и кромка шторки расположены под углом. Величина координаты рассчитывается по положению тени от шторки на линейке фотоэлементов, т.е. по данным о порядковом номере первого засвеченного элемента. При перемещении шторки в направлении, перпендикулярном оси линейки фотоэлементов, чувствительность (цена деления) датчика определяется как произведение котангенса угла между кромкой шторки и осью линейки фотоэлементов на шаг линейки. Недостатком такого оптического датчика перемещений являются высокие требования к стабильности порогового устройства и схемы управления экспозицией, допустимая общая ошибка которых определяется отношением чувствительности датчика к ширине линейки фотоэлементов. Например, при чувствительности датчика 0,3 мкм и ширине линейки 14 мкм ошибка не может превышать 2%.

Общим недостатком указанных выше датчиков является малый диапазон измерений перемещения, который ограничен длиной линейки фотоэлементов.

Известен также прибор для измерения перемещения, имеющий неограниченный диапазон измерений - прогибомер [Аистов Н.Н. Испытание сооружений. Л.-М.: Госстройиздат, 1960, с.69...72] (прототип). Такой прибор содержит ролик, вращающийся на оси (валу), установленной в корпусе прибора. Корпус прибора закреплен на подвижной или неподвижной части объекта. С объектом ролик соединен через кинематическое звено, преобразующее перемещение объекта во вращение ролика (например, через гибкую связь - натянутую проволоку, охватывающую ролик одним витком). Через многозвенную зубчатую передачу ролик соединен со стрелкой прибора и счетчиком числа ее оборотов. Чувствительность прибора определяется диаметром ролика и коэффициентом зубчатой передачи.

Недостатком такого устройства является сложность его конструкции и связанные с этим ограничения функциональных возможностей по измерению перемещений с ускорением из-за значительной инерционности зубчатой передачи.

Целью изобретения является устранение недостатков аналогов, упрощение конструкции датчика перемещений и расширение его функциональных возможностей.

Указанная цель достигается тем, что в известном датчике перемещений, содержащем корпус, ролик, закрепленный в корпусе с возможностью вращения, причем ролик соединен с объектом через кинематическое звено, преобразующее перемещение объекта во вращение ролика, шторку, расположенную в корпусе между источником света и фотоэлектрическим преобразователем, выполненным в виде линейки фотоэлементов со схемами управления и считывания информации, шторка соединена с роликом с возможностью их совместного вращения (например, выполнена за одно целое с роликом или насажена на общий вал), и выполнена в виде одно- или многозаходной спирали (например, плоской или цилиндрической) с числом заходов и шагом, при котором над линейкой фотоэлементов находятся не менее двух кромок шторки. Таким образом, непрерывность измерения достигается за счет наличия на линейке фотоэлементов хотя бы двух переходов свет-тень, и можно выбрать шаг спирали так, чтобы угол между кромкой шторки и осью линейки фотоэлементов был не менее 45°, а отношение радиуса ролика к радиусу спирали - в соответствии с требуемой чувствительностью датчика.

На чертеже изображен вариант конструкции предлагаемого устройства.

Шторка 1 насажена на общий с роликом 2 вал 3, вращающийся в подшипниковом узле 4, установленном в корпусе 5. Шторка 1 выполнена в виде однозаходной цилиндрической спирали, внутри которой расположен источник света (полупроводниковый, газоразрядный и т.п.) 6, закрепленный вместе с линейкой фотоэлементов 7 на плате схемы управления и считывания информации 8. Ролик 2 прижат к поверхности перемещающегося объекта 9, а корпус 5 закреплен на неподвижном объекте 10.

Свет от источника 6, проходя сквозь прорези шторки 1, освещает один или несколько фотоэлементов линейки 7, на которой образуется две границы свет-тень. Схема считывания информации 8 определяет оба граничных элемента и выдает их номера. Аналогично определяются номера граничных элементов от остальных прорезей шторки 1. Взаимное перемещение объектов 9 и 10 приводит во вращение ролик 2 и шторку 1. Соответственно, изменяется положение границ свет-тень на линейке фотоэлементов 7. Поскольку шаг линейки известен, то каждому номеру элемента соответствует свое значение расстояния от начала линейки. Перемещение объекта можно определить по формуле:

П=S_t·r/R,

где

- R и r радиусы спирали и ролика;

- S_t=(N_t-N₀)·A+S₀,

где

- N_t - текущий номер элемента;

- N₀ - наибольший или наименьший из номеров элементов, выбираемый за начало отсчета в момент начала измерений, а затем в моменты пересечения любой из границ свет-тень соответственного края линейки фотоэлементов;

- S₀≡S_t в те же моменты;

- А - шаг линейки фотоэлементов.

Оптико-механический датчик перемещений, содержащий корпус, ролик, закрепленный в корпусе с возможностью вращения, причем ролик соединен с объектом через кинематическое звено, преобразующее перемещение объекта во вращение ролика, шторку, расположенную в корпусе между источником света и фотоэлектрическим преобразователем, выполненным в виде линейки фотоэлементов со схемами управления и считывания информации, отличающийся тем, что шторка соединена с роликом с возможностью их совместного вращения и выполнена в виде одно- или многозаходной спирали с числом заходов и шагом, при котором между источником света и линейкой фотоэлементов расположено не менее двух кромок шторки.