Фотоэлектрический преобразователь угловых перемещений накапливающего типа
Полезная модель «Фотоэлектрический преобразователь угловых перемещений накапливающего типа» относится к области автоматики и вычислительной техники, и может быть использована в оптико-механических приборах. Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что в фотоэлектрический датчик, содержащий два излучателя с коллиматорами, модулирующий диск с секторными растровыми дорожками, неподвижный диск с двумя масками в виде секторной части модулирующего диска, установленными перед соответствующим фотоприемным устройством, и блок формирования сигнала и обработки информации, дополнительно введены излучатель с коллиматором, маска, размещенная на неподвижном диске, и фотоприемное устройство (ФПУ), при этом каждая последующая маска сдвинута относительно предыдущей на 1/6 нанесения секторов на растровую дорожку модулирующего диска. Достигаемый результат заключается в том, что растровые дорожки, разбитые на 1/6 часть углового периода поворота вала, и наличие трех пар: излучатель - ФПУ, позволяют получать линейные участки с ФПУ с 1 по 6 части периода, благодаря чему производится корректировка угла поворота вала датчика введением поправки в пределах линейной зоны, повышая тем самым точность датчика угла. Технический результат заявляемого промышленного образца заключается в повышении точности снимаемого угла поворота вала в процессе работы.
Полезная модель относится к области автоматики и вычислительной техники, она предназначена для преобразования угла поворота в пропорциональное ему число электрических импульсов и может быть использована, например, в оптико-механических приборах.
Известен фотоэлектрический датчик перемещения накапливающего типа (см. авт.свидетельство 
378789, G02f 7/00, публ. 18.04.1973), содержащий осветитель, фотоприемник, расположенную между ними неподвижную диафрагму, выполненную в виде диска со штрихами оптически несимметричными относительно оси, перпендикулярной направлению перемещения, и модулирующий плоский диск с вырезами, а также блок обработки сигнала с фотоприемного устройства. На прозрачную щель диафрагмы нанесено оптическое покрытие с переменной оптической плотностью, которая меняется от «нуля» до бесконечности, при этом угловой сигнал на протяжении углового периода изменяется линейно, а уточнение углового положения происходит на величину приращения измеряемой величины за счет рисунка маски. Однако, технологически выполнить маску с необходимой точностью весьма проблематично, в связи с тем, что нанести маску неравномерной плотности с очень малыми интервалами практически невозможно, поэтому коррекция углового положения может производиться только на больших интервалах, что не позволяет создавать высокоточные устройства.
Вопрос технологичности решен в растровом накапливающем преобразователе, который описан в книге «Высокоточные угловые измерения», авторы Аникст Д.А. и др., издательства Москва «Машиностроение», 1987 г. стр.268-274 и выбранном в качестве прототипа. Данное техническое решение состоит из двух излучателей с коллиматорами, модулирующего диска с секторными растровыми дорожками, закрепленного на валу и вращающегося в подшипниках, неподвижного диска с маской в виде штриховой растровой дорожки, установленного соосно с небольшим зазором относительно модулирующего диска, двух фотоприемных устройств (ФПУ), формирующих при равномерном вращении периодические сигналы, сдвинутые относительно друг друга на % часть периода и блока формирования сигнала и обработки информации. Блок обрабатывает сигналы с соответствующего ФПУ и формирует инверсные сигналы, а при установке четырех ФПУ с двух из них формируются инверсные сигналы, а с двух сигналы ФПУ. Модулирующий диск представляет собой стеклянный лимб, на котором нанесена дорожка радиальных штрихов с постоянным шагом и нулевая риска. Неподвижный растровый диск выполнен также в виде лимба со штрихами в двух или четырех зонах, в зависимости от количества ФПУ со штриховой дорожкой модулирующего диска. Штрихи каждой последующей зоны сдвинуты относительно штрихов предыдущей зоны на ¼ периода нанесения штриховой дорожки. При этом за каждой растровой или щелевой (маской) расположены фотоприемники.
Недостатком данного технического решения является низкая точность датчика угла данного типа, из-за невозможности корректировки снимаемого угла поворота вала в силу нелинейности характеристики в пределах четверти периода.
Задачей полезной модели является создание преобразователя угловых перемещений для высокоточных угломерных приборов.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в повышении точности снимаемого угла поворота вала в процессе работы.
Указанный результат предлагаемого технического решения достигается тем, что в известный фотоэлектрический датчик перемещения накапливающего типа, содержащий два излучателя с коллиматорами, модулирующий диск с секторной растровой дорожкой, неподвижный диск, с двумя масками, представляющими собой секторную часть соответствующего модулирующего диска, установленными перед соответствующим фотоприемным устройством, и блок формирования сигнала и обработки информации, дополнительно введены излучатель с коллиматором, маска, размещенная на неподвижном диске, и фотоприемное устройство, при этом каждая последующая маска сдвинута относительно начала предыдущей на целое число нанесения растровой дорожки модулирующего диска плюс 1/6 часть этого периода.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков и достигаемым результатом заключается в том, что растровые дорожки масок, смещенные на 1/6 часть углового периода поворота вала, и наличие трех пар излучатель - ФПУ, позволяют получать линейные участки с ФПУ с 1 по 6 части периода, благодаря чему производится корректировка угла поворота вала датчика введением поправки в пределах линейной зоны, повышая тем самым точность датчика угла.
Изложенная сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами, где
на фиг.1 - представлен общий вид фотоэлектрического преобразователя угловых перемещений накапливающего типа;
фиг.2 - изображен модулирующий диск;
фиг.3 - показан неподвижный диск;
фиг.4 - дан график сигналов на выходе каждого из трех ФПУ;
фиг.5 - дан график знаков сигналов с трех ФПУ.
В таблице 1 - показаны комбинации знаковых сигналов, возникающие при вращении вала датчика и связанного с ним модулирующего диска в соответствии с периодом Т изменения сигнала.
На фиг.1 - схематически изображена конструкция заявляемого устройства. В корпусе 1 вмонтирован крепежный фланец 2, в котором жестко закреплены фотодиоды 3, 4, 5, и крепежный фланец 6 с установленными в нем светодиодами 7, 8, 9, образующими с фотодиодами 3, 4, 5 соответствующие оптопары. На валу датчика 10 закреплен модулирующий диск 11 с секторной растровой дорожкой 12, между модулирующим диском 11 и фотодиодами 3, 4, 5 расположен неподвижный диск 13, закрепленный в корпусе 1, выполненный с нанесенными на него масками М1, М2, М3.
На фиг.2 показан модулирующий диск 11 с растровой дорожкой 12 и щелевой диафрагмой 14 - начала отсчета, радиус R которого равен радиусу R неподвижного диска 13, показанного на фиг.3. Кроме того, на фиг.3 показаны дополнительные риски 15-15', определяющие рабочую зону отсчета ±30°, которые находятся на радиусе r. На фиг.3 показаны границы параллельного потока 16 засветок масок М.
На фиг.4 показана форма сигналов на выходе трех фотодиодов 3, 4, 5 UД1 , UД2, UД3 относительно их средних значений в зависимости от угла 
поворота вала датчика 10. Угол указан в относительных единицах 0-1 (60°), 1-2 (60°) и т.д., каждая пара из которых равна 1/6 периода сигнала. Линейные зоны сигналов UД1, UД2, UД3 обозначены уровнем ограничения ±Uл по знакам соответствующих сигналов 
, 
, 
. В течение периода определяется номер датчика, сигнал с которого остается линейным в пределах указанной линейной зоны, и производится корректировка угла поворота вала датчика.
На фиг.5 и таблице 1 показано изменение относительно угла поворота вала датчика равное *=/60°, где Т период сигнала, а -угол поворота вала датчика. Из таблицы видно, что каждая комбинация сигналов , , 
в пределах периода не повторяется, что позволяет выбирать нужную линейную зону.
Предлагаемое техническое решение работает следующим образом. Коллимированный поток с излучателей 7, 8, 9 (светодиодов) проходит через растровую дорожку 13 модулирующего диска 11 и маски M1, M2, M3 неподвижного диска, фокусируется и попадает на фотодиоды 3, 4, 5. При вращении модулирующего диска 11 формируются три сигнала UД1, UД2, U Д3 с фотодиодов 3, 4, 5. Наряду с этими сигналами формируются сигналы границы рабочей зоны при строчной развертке +30° и -30°. По переднему фронту этих сигналов запоминаются соответствующие значения углов +30° и -30°. В моменты переключения знаковых сигналов углов измеряются дискретные значения углов поворота вала датчика 10. При этом вышеуказанные сигналы U Д1, UД2, UД3 с фотодиодов 3, 4, 5 обрабатываются схемой выделения переднего и заднего фронтов импульсов. Для определения направления вращения датчика используется схема выделения знака. В зависимости от направления вращения, полученная последовательность импульсов поступает на прямой или реверсивный вход счетчика, входящего в блок обработки сигнала. На выходе счетчика получается значение угла в цифре. Корректировка дискретных угловых значений, с целью повышения точности измерения, происходит за счет введения поправки на значение угла поворота путем учета линейной зоны изменения угла по одному из трех фотодиодов, сигналы, с которых поступают так, что каждый последующий сдвинут относительно предыдущего на угол 
/3, в результате чего формируется шесть линейных зон в пределах периода сигнала. При такой конструкции линейность характеристик в пределах одной линейной зоны достигается линейным изменением площади перекрытия светового потока, поэтому поправка выходного сигнала датчика в пределах одной линейной зоны обеспечивается выбором одного из трех фотодиодов на каждом интервале соответствующем 1/6 части периода нанесения растра.
При реализации заявляемого фотоэлектрического преобразователя угловых перемещений накапливающего типа со стороны модулирующего диска располагают светодиод типа 3Л139АМ с коллимирующим оптическим устройством, которое создает параллельный световой поток. Со стороны неподвижного диска располагают фотодиод типа ФД-21КП с линзой, собирающей световой поток на фоточувствительной площадке фоточувствительного элемента. При этом указанные диски изготавливают из оптического стекла. На непрозрачные диски нанесены растровые риски с прозрачными и темными участками. Такое конструктивное решение позволяет повысить точность измерения угла поворота вала датчика до 10 угловых секунд.
| Таблица 1 | |||
| * | | | |
| -6 | 0 | 0 | 0 |
| -5 | 1 | 0 | 0 |
| -4 | 1 | 1 | 0 |
| -3 | 1 | 1 | 1 |
| -2 | 0 | 1 | 1 |
| -1 | 0 | 0 | 1 |
| 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 0 | 0 |
| 2 | 1 | 1 | 0 |
| 3 | 1 | 1 | 1 |
| 4 | 0 | 1 | 1 |
| 5 | 0 | 0 | 1 |
| 6 | 0 | 0 | 0 |
| 7 | 1 | 0 | 0 |
| 8 | 1 | 1 | 0 |
| 9 | 1 | 1 | 1 |
| 10 | 0 | 1 | 1 |
| 11 | 0 | 0 | 1 |
| 12 | 0 | 0 | 0 |
| 13 | 1 | 0 | 0 |
| 14 | 1 | 1 | 0 |
| 15 | 1 | 1 | 1 |
Фотоэлектрический преобразователь угловых перемещений накапливающего типа, содержащий два излучателя с коллиматорами, модулирующий диск с секторной растровой дорожкой, неподвижный диск с двумя масками, представляющими собой соответствующую секторную часть модулирующего диска, установленными перед соответствующим фотоприемным устройством, и блок формирования сигнала и обработки информации, отличающийся тем, что в него дополнительно введены излучатель с коллиматором, маска, размещенная на неподвижном диске, и фотоприемное устройство, при этом начало каждой последующей маски сдвинуто относительно начала предыдущей на целое число периодов нанесения растровой дорожки модулирующего диска плюс 1/6 часть этого периода.
