Способ измерения плоского угла и устройство для его реализации

Способ заключается в кодировании измерительного диапазона прибора с помощью сигнальных щелей маски, формировании изображения сигнальной щели в плоскости приемной ПЗС (КМОП)-матрицы и передаче полученного изображения в вычислительный блок. Кодирование измерительного диапазона прибора производится по двухотсчетной схеме. Канал грубого отсчета в виде одной сигнальной щели расположен в центральной зоне маски, а канал точного отсчета в виде N сигнальных щелей, где N>>1, расположен в периферийной зоне маски. Устройство для реализации способа содержит расположенный на объекте контрольный элемент, состоящий из маски с сигнальными щелями, осветителя и объектива, и измерительный блок, содержащий объектив, ПЗС (КМОП)-матрицу, выполняющую функцию фотодетектора, а также вычислительный блок. Контрольный элемент и измерительный блок установлены соосно друг другу. Маска содержит периферийную кольцевую зону канала точного отсчета с N сигнальными щелями и центральную зону канала грубого отсчета с одной сигнальной щелью. Технический результат - повышение точности измерения угла. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Предлагаемые способ и устройство относятся к области измерительной техники и могут быть использованы в точном приборостроении, астрономии, метрологии.

Известны способы измерения плоского угла, реализованные в прецизионных преобразователях угла, наиболее точными из которых являются фотоэлектрические датчики вал-код, описанные в книге Якушенков Ю.Г. Высокоточные угловые измерения. Москва, Машиностроение, 1987, глава 8.

Аналогом заявляемого способа измерения плоского угла является способ преобразования (считывания) угла с помощью кодирования углового диапазона прибора двоичным кодом Грея, описанный в книге: Якушенков Ю.Г. Высокоточные угловые измерения. Москва, Машиностроение, 1987, стр.272-274.

Недостатками способа-аналога являются:

- наличие механической связи между объектом и прибором и внутреннего механизма вращения, что приводит к уменьшению точности измерений и увеличению стоимости прибора;

- ограничение точности измерений из-за принципиальной невозможности получения шага младшего разряда кода меньше длины волны света (λ≅0,5 мкм);

- большие габариты прибора.

Прототипом заявляемого способа является способ измерений угла, описанный в статье: Гродецкий Ю.А., Дукаревич Ю.Е., Иванов Ю.М. // Абсолютные датчики угла нового поколения // Материалы VIII Всероссийской научно-технической конференции «Метрологическое обеспечение обороны и безопасности в Российской Федерации», п.Поведники Московской обл., 26-27 октября 2010 г.

Способ-прототип состоит из следующих операций:

- на объекте измерений устанавливают контрольный элемент с источником света и маской с сигнальной щелью, с помощью которого кодируют измерительный диапазон прибора;

- измерительный угол формирует изображение этой сигнальной щели в плоскости приемной ПЗС (КМОП)-матрицы, которая детектирует это изображение, после чего изображение передается в вычислительный блок;

- вычислительный блок производит вычисление по специальным алгоритмам цифрового кода угла разворота контрольного элемента относительно измерительного узла.

Недостатком способа-прототипа является то, что кодирование измерительного диапазона производится с помощью одной сигнальной щели, то есть по одноотсчетной схеме, что приводит к ограничению точности измерений.

Задача заявляемого способа - повышение точности измерений.

Поставленная задача достигается тем, что кодирование измерительного диапазона производится по двухотсчетной схеме, содержащей канал грубого отсчета в центральной зоне маски с сигнальной щелью, и канал точного отсчета с множеством N>>1 сигнальных щелей в периферийной зоне маски. Введение в схему прибора канала точного отсчета позволяет за счет статистической обработки N изображений сигнальных щелей повысить точность измерений в раз.

Наиболее совершенными аналогами заявляемого устройства, существующими на мировом рынке, являются приборы фирмы Haiden Hain, имеющие точность измерений ≈0,4 угл. сек.

Основными недостатками этих способов и приборов являются:

- недостаточная точность измерений;

- большие габариты и вес;

- механическая связь с объектами измерений, приводящая к дополнительному снижению точности измерений.

Ближайшим аналогом (прототипом) устройства выбирается устройство, реализующее способ измерения плоского угла и описанное в заявке №2009108223 от 26.02.2009 г. на выдачу патента РФ на изобретение «Абсолютный преобразователь угла» (опубликовано 10.09.2010 г., бюллетень Роспатента «Изобретения. Полезные модели» №25, 2010 г.).

Способ измерения плоского угла, реализованный в схеме прибора-прототипа, содержит маску с сигнальной щелью, устанавливаемой на объекте, осветительную и приемную схему с объективом и ПЗС (КМОП)-матрицей в плоскости изображения сигнальной щели и вычислитель, осуществляющий вычисление угла разворота φ объекта измерений. Точность измерений устройства-прототипа составляет 0,1÷0,2 угл. сек.

Основным недостатком прототипа является ограниченная величиной 0,1÷0,2 угл. сек. точность измерений.

Задача предлагаемого изобретения - повышение точности измерений прибора до уровня 0,01÷0,03 угл. сек.

Поставленная задача достигается тем, что в предлагаемой схеме прибора маска с сигнальной щелью выполнена в виде двух зон: центральной и периферийной.

В центральной зоне располагается канал грубого отсчета с одной щелью, служащий для определения номера периода канала точного отсчета.

В периферийной зоне, являющейся зоной канала точного отсчета, нанесено М>>1 сигнальных щелей, и, таким образом, канал точного отсчета становится периодическим с периодом .

Повышение точности измерений осуществляется в канале точного отсчета за счет статистической обработки измерительной информации по М сигнальным щелям, что приводит к повышению точности примерно в раз.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, 2.

На фиг.1 изображена принципиальная схема реализации способа.

На фиг.2 изображен вид маски с сигнальной щелью.

Предлагаемая схема реализации способа измерения плоского угла состоит из контрольного элемента (КЭ), жестко крепящегося на контролируемом объекте, измерительного блока (ИБ) и устройства обработки информации (ПК).

Схема КЭ содержит осветитель (светодиод 1, диафрагму 2, конденсор 3 и маску с сигнальной щелью 4, устанавливаемую в фокальной плоскости объектива 5). Измерительный блок (ИБ) содержит объектив 6 и многоэлементный интегральный фотодетектор 7 (ПЗС или КМОП-матрица). Выходной сигнал с фотодетектора 7 по высокоскоростному порту USB 2.0 поступает на вычислительный блок (ПК), производящий необходимые вычислительные операции и формирующий цифровой код измеряемого угла φ разворота КЭ относительно ИБ. Контрольный элемент КЭ и измерительный блок ИБ устанавливаются соосно один по отношению к другому. Маска с сигнальной щелью 4 (фиг.2) построена по двухотсчетной схеме. В центральной зоне (канал грубого отсчета) выполнена прозрачная узкая щель на непрозрачном фоне. В периферийной зоне (канал точного отсчета) нанесена серия таких прозрачных узких щелей с угловым периодом , где М - число сигнальных щелей.

Способ реализуется следующим образом. Светодиод 1, точечная диафрагма 2 и конденсор 3 создают равномерную засветку маски 4. Объектив КЭ 5 коллимирует сигнальный световой поток, прошедший через сигнальные щели маски 4, и направляет его на измерительный блок ИБ. Приемный объектив 6 строит в своей фокальной плоскости изображение сигнальной маски 4, которое детонируется фотодетектором 7, установленным в плоскости этого изображения. Выходная информация с фотодетектора 7 поступает в вычислительный блок (ПК), вырабатывающий цифровой код угла φ по формуле:

где φ_т - отсчет по каналу точного отсчета;

m - номер периода канала точного отсчета, определяемого по каналу грубого отсчета.

Поскольку схема (фиг.1) является коллимационной, то измерение угла φ может адекватно производиться при поступательных смещениях КЭ относительно измерительного блока ИБ по всем ортогональным осям.

Определение угла φ производится по следующей формуле:

где -x₁÷x₁ - границы зоны канала грубого отсчета по оси OX;

у(х) - функция пространственного положения энергетического центра изображения сигнального штриха в плоскости OXY приемной ПЗС-матрицы.

В цифровом виде выражение (1) имеет форму

где N_x - размерность КМОП-матрицы вдоль оси X (число столбцов),

m_x - координата середины изображения вдоль оси X,

N_y - размерность КМОП-матрицы вдоль оси Y (число строк),

m_у - координата середины изображения вдоль оси Y,

Е_ij - амплитуда сигнала в точке [ij],

i, j - индексы.

В свою очередь, значение функции y(x) по каждой строке i матрицы определяется по формуле

где E(x_j, y) - функция распределения энергии изображения точек штриха по координате Y для i строки.

Точность измерения у(х_i) определяется стабильностью пространственного положения вокруг оси OZ оптических элементов схемы КЭ (маски с сигнальной щелью 4 и объектива 5 КЭ) и случайной погрешностью δ(y) детектирования сигнального изображения. Это обусловлено тем, что все виды систематических погрешностей легко выявляются и исключаются при калибровке прибора.

Экспериментальное значение δ(y)_i≅0,03·Δy пиксела.

Кроме того, из-за многочисленных факторов, влияющих на δ(y), на основании центральной предельной теоремы для случайных величин можно утверждать, что распределение δ(y)_i по строкам (столбцам) фотоприемной матрицы (i, j) подчиняется нормальному закону (см. Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. Москва: Мир, 1971, стр.80).

На этом основании, если длина изображения сигнального штриха занимает N строк (столбцов) матрицы, применяемые алгоритмы дают значение

Для одноотсчетной схемы прототипа, в котором применена матрица размерностью 1024×1280 пикселов, δ(φ)_N≅0,2 угл. сек. (при N≅10³).

Для предлагаемого прибора в канале грубого отсчета фактически применена схема прототипа с тем различием, что необходимая точность измерений δ(φ)_гр равна 5÷15°.

Поэтому практически длина сигнального штриха N_гр не превышает 10 столбцов и строк матрицы, т.к.

Для канала точного отсчета детектирования углового положения изображения отдельного штриха с номером k возможно с осреднением по N_то строкам (столбцам) приемной матрицы

где N_пзс - число строк (столбцов) матрицы, N_пзс=10³.

Поэтому погрешность δ(φ)_m по одному штриху на основании (4) равна

Вычисление величины δ(φ)_m канала точного отсчета производится по формуле:

где М - число сигнальных штрихов в канале точного отсчета.

На основании (5) имеем величину случайной погрешности δ(φ)_Σ

Максимальное значение М определяется, в основном, разрешающей способностью объективов 5 и 6, а также размерами приемной плоскости ПЗС-матриц, применяемых в качестве фотодетектора 7.

Если принять, что практически значение М находится в диапазоне М=100÷400, то

Угловой период Δφ_то канала точного отсчета равен поэтому необходимая точность измерения канала грубого отсчета δ(φ)_гр≤Δφ_то≤1°.

1. Способ измерения плоского угла, заключающийся в кодировании измерительного диапазона прибора с помощью сигнальных щелей маски, установленной на объекте, формировании изображения сигнальной щели в плоскости приемной ПЗС(КМОП)-матрицы, передаче полученного изображения сигнальной щели в вычислительный блок (ПК), отличающийся тем, что кодирование измерительного диапазона прибора производится по двухотсчетной схеме, причем канал грубого отсчета в виде одной сигнальной щели расположен в центральной зоне маски, а канал точного отсчета в виде N сигнальных щелей, где N>>1, расположен в периферийной зоне маски.

2. Устройство для измерения плоского угла, содержащее расположенный на объекте контрольный элемент (КЭ), состоящий из маски с сигнальными щелями, осветителя и объектива, измерительный блок (ИБ), содержащий объектив и ПЗС(КМОП)-матрицу, при этом КЭ и ИБ установлены соосно друг другу, и вычислительный блок, соединенный с ПЗС(КМОП)-матрицей, при этом осветитель КЭ содержит светодиод, диафрагму и конденсор, отличающееся тем, что маска содержит периферийную кольцевую зону канала точного отсчета с М сигнальными щелями, где М - число сигнальных щелей в канале точного отсчета, и центральную зону канала грубого отсчета с одной сигнальной щелью.