Способ измерения систематических погрешностей угловых энкодеров



Способ измерения систематических погрешностей угловых энкодеров
Способ измерения систематических погрешностей угловых энкодеров
Способ измерения систематических погрешностей угловых энкодеров

 

G01C1/00 - Измерение расстояний, горизонтов или азимутов; топография, навигация; гироскопические приборы; фотограмметрия (измерение размеров или углов предметов G01B; измерение уровня жидкости G01F; измерение напряженности или направления магнитных полей вообще, кроме магнитного поля Земли, G01R; радионавигация, определение расстояния или скорости, основанное на эффекте распространения радиоволн, например эффекта Доплера, на измерении времени распространения радиоволн; аналогичные системы с использованием другого излучения G01S; оптические системы для этих целей G02B; карты, глобусы G09B)

Владельцы патента RU 2558000:

Дукаревич Юрий Ефимович (RU)

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в точном приборостроении и метрологии. Способ заключается в кодировании измерительного диапазона прибора с помощью светоконтрастных щелей сигнальной маски, устанавливаемой на объекте, формировании изображения этой щели в плоскости приемной ПЗС(КМОП)-матрицы, передаче этого изображения в вычислительный блок. При этом в схему прибора вводится внутренний эталон угла, реализованный изменением топологии сигнальной маски за счет одной дополнительной светоконтрастной щели с центральным углом между ней и штатной щелью, измеряются вариации Δε(φ) угла ε на различных углах φ разворота ротора в диапазоне 0<φ<360° и по этим вариациям вычисляются систематические погрешности Δφс(φ) измерительной шкалы энкодера. Технический результат - упрощение измерения погрешностей. 1 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в точном приборостроении и метрологии.

Известные методы измерения систематических погрешностей угловых энкодеров сводятся к сравнению их выходных данных с данными устройств повышенной точности, принимаемых за эталонные средства измерений. К таким устройствам относятся автоколлимационные системы с многогранными отражательными призмами, кольцевые лазеры, описанные, например, в книге: Якушенков Ю.Г. Высокоточные угловые измерения // М.: Машиностроение, 1987. Способы построения этих эталонных устройств принимаются за аналоги. Недостатки способов-аналогов:

- поскольку все известные аналоги являются внешними устройствами по отношению к контролируемым энкодерам, то это вызывает серьезные неудобства из-за необходимости обеспечивать их совместную работу в процессе калибровки и эталонирования;

- наличие механической связи между энкодером и эталоном приводит к уменьшению точности измерений;

- поскольку измеренные на эталоне систематические погрешности могут значительно отличаться от погрешностей в условиях постоянной эксплуатации энкодеров, это частично обесценивает результаты калибровки и эталонирования;

- технические параметры аналогов не всегда соответствуют современным требованиям по точности, дискретности, временной стабильности выходных данных и т.д.;

- большие габариты и цена аналогов.

За прототип заявляемого способа принимается способ измерения угла, описанный в патенте РФ №2419067.

Способ-прототип состоит из следующих операций:

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

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

- вычислительный блок по специальным алгоритмам производит необходимые вычисления цифрового кода угла φ совместно с систематической погрешностью Δφс измерительной шкалы прибора, то есть, измерение систематической погрешности не обеспечено способом-прототипом.

Задачей заявляемого способа является измерение систематической погрешности углового энкодера. Технический результат - упрощение измерения погрешностей.

Поставленная задача решается тем, что в оптическую схему контрольного элемента вводится внутренний эталон угла в виде дополнительной сигнальной щели прототипа, измеряются вариации Δε(φ) эталонного угла ε на различных углах φ в диапазоне 0-360° и по этим вариациям вычисляются систематические погрешности шкалы прибора.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой изображена принципиальная схема реализации заявляемого способа.

Предлагаемая схема (фиг. 1а) реализации способа измерения систематических погрешностей углового энкодера состоит из контрольного элемента (КЭ), жестко крепящегося на поворотном устройстве, измерительного блока (ИБ) и устройства обработки информации (ПК).

Поворотное устройство может быть контролируемым объектом или специализированным образцовым механизмом, которые обеспечивают разворот контрольного элемента на измеряемый угол φ в диапазоне от 0-360° с малой дискретностью (~1′÷1°).

Схема контрольного элемента содержит осветитель (светодиод 1, диафрагму 2, конденсор 3 и сигнальную маску 4, устанавливаемую в фокальной плоскости объектива 5).

Измерительный блок (ИБ) содержит объектив 6 и многоэлементный интегральный фотодектор 7 (ПЗС или КМОП-матрица) в фокальной плоскости объектива 6. Выходной сигнал с ПЗС-матрицы 7 по высокоскоростному порту USВ 2.0 поступает на вычислительный блок (ПК), производящий необходимые вычислительные операции и формирующий цифровые коды угла φ разворота КЭ и систематических погрешностей Δφс (φ) измерительной шкалы энкодера. Контрольный элемент и измерительный блок устанавливаются соосно на некотором расстоянии между собой.

Сигнальная маска 4 (фиг. 1б) содержит две прозрачные узкие радиальные щели, образующие между собой угол ε. Сигнальная щель I обеспечивает измерение угла φ контрольного элемента, а щель II - измерение значения угла φ21-ε.

Способ реализуется следующим образом. Светодиод 1, точечная диафрагма 2 и конденсор 3 создают равномерную засветку сигнальной маски 4. Объектив 5 коллимирует сигнальный световой поток, прошедший через щели маски 4, и направляет его на ИБ. Приемный объектив 6 строит в своей фокальной плоскости изображение сигнальной маски 4, которое детектируется матрицей 7. Вид сигнального изображения в приемной плоскости матрицы 7 приведен на фиг. 1б и аналогичен топологии сигнальной маски 4. Координатная система 0ji матрицы совпадает с направлением строк и столбцов пикселей. Выходная информация с матрицы 7 поступает в вычислительный блок (ПК), который вырабатывает цифровые коды углов φ1 и φ2 изображения щелей I и II относительно приемной матрицы 7.

Алгоритмы вычисления углов φ1 и φ2 полностью аналогичны алгоритмам определения угла φ в схеме прототипа (см. также статью Гродецкого Ю.А. и др. Абсолютные высокоточные датчики угла нового поколения // Измерительная техника, 2012, №9).

Для определения систематической погрешности Δφс(φ) образуется измеренная величина угла ε=φ12 и ее вариация Δε(φ).

где - среднее значение измеренного угла ε в диапазоне углов 0<φ<360°.

По значениям функции Δε(φ) путем вычислений определяется искомая функция Δφс(φ).

Таким образом, центральный угол ε между сигнальными щелями I и II на маске 4 выполняет роль внутреннего эталона угла, а его измеренные вариации в плоскости приемной ПЗС-матрицы однозначно определяют систематической погрешности шкалы энкодера.

Поскольку вариации определяются только измеряемыми величинами углов и φ1 и φ2 за относительно короткое время измерений (≤1÷5 мин), то погрешность определения Δε(φ) сравнима со случайной погрешностью измерения углов φ1 и φ2. Эта погрешность для мегапиксельной ПЗС-матрицы (1280×1024 пикселов) достигает величины 0,06-0,15 угл. сек (см. статью Гродецкого Ю.А. и др. Абсолютные высокоточные датчики угла нового поколения // Измерительная техника, 2012, №9). Для приемных ПЗС-матриц размерностью 2000×2000 пикселов эта погрешность уменьшается примерно в 3 раза, достигая величин 0,02-0,03 угл. сек. Примерно с такой же точностью производится определение систематических погрешностей Δφс(φ) по измеренным вариациям Δε(φ).

Отметим также, что дискретность задания угла φ разворота КЭ относительно приемного блока ИБ ограничена только устройством разворота КЭ и может достигать практически «нулевых» величин. Само же устройство задания углов разворота КЭ может быть как внешним (образцовым) по отношению к контролируемому энкодеру, так и штатным (рабочим) узлом эксплуатации энкодера. В последнем случае измеренные систематические погрешности будут соответствовать именно рабочим условиям эксплуатации энкодера.

Из (1) с учетом малости случайных погрешностей измерения углов φ1 и φ2 непосредственно получается

Представим искомую функцию систематической погрешности Δφс(φ) в виде ряда Фурье по sin kφ на участке 0<φ<2π

где

Подстановкой (3) в (2) получаем

где

Вводя замену переменных , получаем окончательное выражение для вычисления Δφс(φ)

Таким образом, определение функции Δφс(φ) по измеренным значениям вариаций Δε(φ) угла ε сводится к разложению последних в ряд Фурье по coskφ и вычислению искомой функции Δφс(φ) по формуле (7).

Формула (7) содержит «запрещенные» гармоники, при которых и, следовательно,

Для снятия этих запретов на маску 4 наносится несколько (>2) сигнальных щелей с тем, чтобы для любых значимых k можно было выбрать j-тую щель с εj, при котором условие (8) не выполняется. На фиг. 1б пунктиром показано изображение III щели с углом ε2.

Например, ε1=90°, ε2=60°.

Тогда, при k=1, 2, 3, 5, 6, 7 величина , а для ε2=60° при и при k=8 ε 2 2 8 = 240 ° , то есть «запретные» гармоники (k=4 и 8) для угла ε1=90° не являются запретными для угла ε2=60°.

Способ измерения систематических погрешностей угловых энкодеров, заключающийся в кодировании измерительного диапазона прибора с помощью светоконтрастных щелей сигнальной маски, устанавливаемой на объекте, формировании изображения этой щели в плоскости приемной ПЗС(КМОП)-матрицы и передаче этого изображения в вычислительный блок, отличающийся тем, что в схему прибора вводится внутренний эталон угла, реализованный изменением топологии сигнальной маски за счет одной дополнительной светоконтрастной щели с центральным углом между ней и штатной щелью, измеряются вариации Δε(φ) угла ε на различных углах φ разворота ротора в диапазоне 0<φ<360° и по этим вариациям вычисляются систематические погрешности Δφc(φ) измерительной шкалы энкодера.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к навигационному приборостроению и может быть использовано в магнитных курсоуказателях для скоростных судов как для визуального съема показаний, так и для дистанционной передачи курса в судовые системы автоматики.

Изобретение относится к технике измерений, может использоваться в геодезическом приборостроении и предназначено для использования в составе устройств измерения угловых координат летательных аппаратов. Известный прототип изобретения не позволяет в ходе селекции идентифицировать подвижные цели при наличии нескольких объектов, поскольку на кадре результирующего изображения присутствуют два изображения каждой движущейся цели - прямое и инверсное, которое запаздывает относительно первого (основного) изображения на время, равное периоду следования кадров.

Изобретение относится к области геодезии, в частности к высокоточным измерениям для определения критических деформаций. Предложен способ высокоточных измерений инженерных объектов сканирующими лазерными системами (ЛИС) с применением программного обеспечения управления и обработки результатов по двум координатам в реальном масштабе времени и устройство для его осуществления.

Секстан // 2523100
Изобретение относится к области морского судовождения и может быть использовано в навигационных секстанах. Технический результат изобретения заключается в возможности одновременного и непосредственного измерения разности высот и разности азимутов двух светил без измерения их высот и азимутов.

Изобретение относится к области технической физики и может применяться для стабилизации положения на земной поверхности крупногабаритных установок для научных исследований или промышленного оборудования.
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения азимута направления из заданной точки, называемой исходной точкой, на Мекку, называемую точкой цели, географические координаты которой известны.

Изобретение относится к области астрономо-геодезических измерений и может быть использовано для определения по звездам астрономических азимутов направлений на земные ориентиры для решения разнообразных задач инженерной геодезии.

Изобретение относится к областям измерительной техники и геодезического приборостроения и может быть использовано в геодезии при полевых геодезических работах, а также в метрологии для калибровки спутниковых GPS-приемников.

Изобретение относится к области угловых измерений, в частности к системам обнаружения и измерения азимутальных координат импульсных источников излучения, таких как вспышки при запуске ракет, ПТУРС.

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано для контроля и юстировки различных оптических деталей, сборок и приборов. .

Изобретение к области для измерения угла отклонения поверхности контролируемых объектов от базового уровня, профиля и кривизны поверхностей деталей в машиностроении.

Изобретение относится к области определения состояния несущих конструкций антенно-мачтовых сооружений (АМС), оперативного оповещения об изменении их состояния, предупреждения возникновения чрезвычайных ситуаций и может быть использовано в автоматизированных системах мониторинга безопасности несущих конструкций в процессе эксплуатации зданий и сооружений.

Изобретение относится к приборам для измерения углов поворота (наклона) объекта относительно вертикали. .

Изобретение относится к приборам для измерения угла поворота (наклона) объектов относительно вертикали. .

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к сборке магнитного преобразователя угла, осуществляющего измерения угловых размеров при эксплуатации в условиях повышенных нагрузок.

Изобретение относится к метрологии, в частности к методам калибровки угломерных и углозадающих устройств поворотного типа, формирующих дискретные круговые шкалы полного и (или) неполного диапазонов, путем их сличений с эталонными устройствами (эталонными шкалами).

Изобретение относится к метрологии, в частности к устройствам поворотного типа для задания (воспроизведения) и измерений плоского угла. .

Изобретение относится к диагностическим приборам, определяющим техническое состояние узлов общего машиностроения. .

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта и касается опорных устройств линий электроснабжения, расположенных вдоль железнодорожного полотна. .

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения углового положения ротора гальванометрических сканаторов, используемых для лазерной маркировки и гравировки.

Изобретение относится к технике измерения перемещения, а именно к датчикам, предназначенным для измерения параметров углового перемещения объектов. Датчик измерения параметров углового перемещения включает измерительную шкалу с нулевой отметкой, механически связанную с осью вращения контролируемого объекта, источник светового потока, устройство считывания и устройство преобразования информации, установленные неподвижно относительно контролируемого объекта, при этом он дополнительно снабжен двойным датчиком Холла с постоянным магнитом, установленным на механической связи между измерительной шкалой и контролируемым объектом и обеспечивающим определение направления его перемещения, измерительная шкала выполнена в виде оптического дискового носителя информации, источник светового потока и устройство считывания выполнены в виде системы «лазерный излучатель - приемник», при этом устройство преобразования информации по первому входу соединено с выходом системы «лазерный излучатель - приемник», по второму входу - с выходом двойного датчика Холла, по выходу - с потребителем информации. Технический результат - расширение функциональных возможностей. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх