Устройство для измерения угла или угловой скорости

СОЮЗ СОВЕТСНИХйййййй иРЕСПУБЛИК МЯ 1 6-01 Р 3/48 ГОС)ЩАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ.СССРйй ййййй й йй йййОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ(56) 1.Агейкин Д.И.и др.Датчики контРоля и регулирования.м.,1965,с.456"483,2 ТуричиИ А.Н. Электрические измерения неэлектрических величин. М,-Л,г 1966 с. 614-615.(54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯУГЛА ИЛИ УГЛОВОЙ СКОРОСТИсодержащее подвижный цилиндрический растрс эксцентрично расположенным грузом,неподвижный растр, источники светаи фотоэлементы, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью определения относительного направления перемещения, неподвижный растр выполненв виде двух экранов, на одном изкоторых нанесено меньшее, а на другом - большее число делений на единицу длины, чем на подвижном растреИзобретение относится к техникеизмерения и может быть использованодля измерения угла или угловойскорости.В устройствах для измеренияуглов или угловых скоростей электронным способом часто используетсяметаллическое колесо с прорезями поего окружности, в котором электрические иМпульсы генерируют посредст"вом электромагнитного элемента, или 1 Околесо, на окружности которого имеются немагнитные участки, равномерно распределенные по этой окружности и отделенные друг от друга ненамагниченными промежутками, где в 15электромагнитном приспособлении при.вращении колеса генерируются электрические импульсы.Известноустройство, в котором разделение окружности колеса на намагниченные и ненамагниченные участки или прорези, в случае использования колеса с прорезями по окрркнос" ти, при вращении которого импульсыгенерируются оптическим способом, что позволяет получать точные данные об угловом положении колеса1.Наиболее близким: к предлагаемому по технической сущности является ,измеритель инфранизкочастотных перемещений; содержащий подвижный маятни-ковый рычаг, подвижный и неподвижный растры, источники света и фотоэлементы21Йзвестные устройства не позволяют ,определять"относительное направле- З 5 ние перемещенияЦель изобретения - определение относительного направления перемещения.Поставленная цель достигается40тем, что в устройстве, содержащем . подвижный цилиндрический растр с эксцентрично расположенным грузом, неподвижный растр, источники светаи Фотоэлементы, неподвижный растр 45выполнен в виде двух экранов, на одном из которых нанесено меньшее, а на другом - большее число делений на единицу длины, чем на подвижном растре. 50На Фиг. 1 схематически изображено устройство в положении, параллельном оси колеса; на Фиг. 2 и 3 то же,в положении перпендикулярномоси колеса; на Фиг. 4 - устройство, включающее считывающее приспособление; на фиг. 5 - основная схема соединений в соответствии с одним извариантов изобретения; на фиг. бустройство, предназначенное для контролирования. гловой.скоростиу на фиг. 7 - устройство, предназначенное для измерения угловУстройство содержит колесо 1 с осью 2. Окружность 3 колеса имеетФорму цилиндра, к одной из кромок 65 которого прикреплен колесный центр колеса 1. На внешней. поверхности окружнбсти 3 колеса 1 расположена первая часть узла датчика, состоящая из экранов 4 и 5. Параллельно окружности 3 колеса 1 и за ее пределами расположена вторая часть узла датчика, состоящая из одного или нескольких экранов. Устройство содержит .также считывающее устройство,которое состоит из одного или нескольких светоизлучающих диодов б, предназначенных для освещения экранов 4 и 5, и из одного или нескольких фототранзисторов 7 для регистрирования интерференционных картин,возникающих в то время, когда колесо 1, а вместе с ним и экран 4 первой части перемещаются относительноэкрана 5 второй части, Эти две части, на которых, имеются экраны 4 и 5, а также окружность 3 колеса 1 изготавливаются преимущественно из прозрачной пластмассы, Когда два экрана, состоящие из непрозрачных линий 8, разделенных прозрачными промежутками, перемещаются относительно друг друга, то при визуальном наблюдении первого экрана через второй появляются интерференционныекартины, или, так называемые, муаровые картины. В зависимости от конструкции двуХ экранов можно вызыватьпоявление муаровых картин различных типов. Непрозрачные линии 8, связанные с экраном 4 первой части, расположены параллельно направлению движения окружности 3 колеса 1, а непрозрачные линии 8, связанные с экраном 5 второй части, расположены параллельно линиям 8 экрана первой части. Когда колесо 1, а вместе с ним и первый экран 4, поворачивается или вращается и, тем самым, пере мещаясь перпендикулярно экранным линиям 8 на втором экране 5, то при визуальном наблюдении первого экрана 4 через второй экран 5 возникает интерференционная картина, состоящая их перемещающихся широких темных полос 9 (фиг. 2).Экраны выполнены таким образом, что экран 4 первой части имеет число делений непрозрачных линий 8 на единицу длины, перпендикулярных линиям 8, которое отлично от числа делений экрана 5 второй части. Это различие в разделении достигается преимущественно тем, что непрозрачные экранные линии 8 на двух частях имеют одинаковую ширину, и тем, что ширина светлых или прозрачных линий на экране 4 первой части отлична от ширины линий на экране во второй части. Ширина непрозрачных линий 8, а также ширина светлых или прозрачных линий на экране 4первой части отлична от ширины линийэкрана 5 второй части.Кроме того, экраны 4 и 5 выполиены таким образом, что для каждогоэкрана светлые или прозрачные линииимеют меньшую ширину, чем непрозрачные линии. В результате этоговозникают отчетливые интерференционные картины, Если светлые или прозрачные линии имеют одинаковую ширину с непрозрачными линиями или шире этих непрозрачных линий, то возникает сравнительно нерезкая интерференциониая картина, что делаетоптическое считывание менее точнья.Направление перемещения широких 15полос 9 зависит от того, какой издвух экранов 4 и 5 имеет болееплотное разделение. На фиг. 2 показан в виде примера вариант, в котором экран 5 второй части может 20иметь большее число непрозрачныхлиний на .единицу длины,.перпендикулярных линиям 8, чем экран 4 первойчасти. В результате этого широкиеполосы 9 перемещаются в направлении, 25указанном стрелкой 10, .когда колесоповорачивается в направлении, указанном стрелками 11 и 12,Когда экраны 4 и 5 первой и вто".рой частей имеют различное разделение, широкие полосы 9 будут перемещаться на расстояние большее, чемто расстояние, на которое переместилась окружность 3 колеса 1.Таким образом, получают соотношение между расстоянием, на котороепереместилась окружность 3 колеса 1,и расстоянием перемещения полос 9.Следовательно, перемещение окружности 3 колеса 1 можно считывать более точно с помощью перемещения полос 9, чем считывая его непосредственно с окружности 3 колеса 1.Для того, чтобы получить более высокое соотношение, т,е. когда дляопределенного перемещения окружности колеса 1 через точку на экранеЪ проходит большое число широкихполос 9, различие в разделейии наполосы между экранами 4 и 5 двухчастей должно быть небольшим. Когда, например, непрозрачные линии 8на экранах 4 и 5 двух частей имеютодинаковую ширину, например 0,6 мм,а промежуточные светлые или прозрачные линии имеют на одном экранеширину 0,5 мм, а на втором экране0,3 мм, получают соотношение величин порядка 10, т,е. широкие полосы,перемещаются по экранам 4 и 5 нарасстояние, которое в 10 раз длиннее того расстояния, на которое пе- б 0редвинулась окружность 3. Этот пример доказывает, что с помощью устройства можно получить значительнобольшую точность при измерении движения окружности 3 колеса 1, чем 65 тогда, когда измерение производитсянепосредственно по окружности колеса.. Как уже отмечалось, интерферен" ционная картина считывается с помощью одного или более светоизлучающих диодов б и фототранзистора 7.В случае, когда первая и втораячасти состоят только иэ одного экрана, используются один светоизлучающий диод б и один фототранзистор 7,В соответствиии с первым вариантом изобретения на экране 4 первойчасти датчика, установленной на окружности 3 колеса 1, прозрачные линни располагаются между непрозрачными линиями 8. Окружность 3 колесавыполнена из непрозрачногоматериала.В данном случае светоизлучающийдиод б или светоиэлучающие диоды,если на одной или на обеих частях4 и 5 узла датчика имеется несколько экранов, устанавливаютсямежду окружностью 3 колеса 1 и егоосью Фиг. 1). фототранэистор 7или фототранзисторы, если на однойили на обеих частях 4 и 5 узла дат-чика имеется несколько экранов,фустанавливаются на той же сторонеэкрана 5 второй части, которая обращена наружу от колеса 1 (фиг.1),Светонзлучающий диод или светоизлучающие диоды могут быть установлены там, где находится фототранзистор 7 или фототранзисторы, в соответствии с вышеизложенными, и наоборот. Как видно из фиг. 1 экран 5 второй части перекрывает экран 4 первой части по длине, которая значительно короче окружности колеса 1. Лучи света от светоизлучающего диода б, таким образом, проходя через прозрачную окружность 3 колеса 1 и экран 4, установленный на ней, и через экран 5 второй части узла датчика, после чего лучи света встречают на своем пути фототранзистор 7.В соответствии со вторым вариантом изобретения, экран 4 первой части имеет светлые, но непрозрачные, линии, расположенные между непрозрачными линиями 8, в то.вре- мя как экран 5 второй части имеет прозрачные линии, расположенные между непрозрачными линиями 8. Светоиэлучающий диод 6 и фототранзистор 7 расположены на той стороне экрана 5 второй части, которая обращена наружу от колеса 1. Лучи света от светоизлучающего диода 6 в этом случае поо"одят через экран 5 второй части, отражаются экраном 4 первой части и пропускаются через экран .5 второй части, чтобы встретиться с фототранзистором 7.Таким образом, при движении окружности колеса 1 ряд перемещающихсятемных полос 9 служит причиной того,что свет от светоизлучающего диода6 будет проходить к Фототранзистору7 в виде импульсного света. Фототранзистор 7. преобразует эти световые импульсы в электрические, которые усиливаются и обрабатываются вэлектронной установке, пригодной для этой цели.Деля экраны 4 и 5 двух частей так,чтобы получить высокое соотношениетакого типа, о котором здесь говорилось выше, для сравнительно неболь" шого перемещения окружности 3 колбса 1, от фототранзистора можно получить большое число электрических импульсов, Такая высокая точность,показаний в отношении перемещения окружности 3 колеса 1 обеспечивабтся устройством без предъявления требований к тому, чтобы составные части устройства конструировались с соответствующей высоКой степеньюточностиустанавливая экран 4 первой части на оси, связанной, например, с гидравлическим двигателем, при раэ делении, т.е. при расстоянии от центра непрозрачной линии до центрасоседней непрозрачной линии 0,08 мм и устанавливая над этим экраном экран 5 второй части, имеющей иноеразделение,от фототранзистора получают импульсы с частотой 1000 Гц, когда гидравлический двигатель имеет диаметр 0,3 м и вращается со скоростью 5 об/мин. Таким образом, получают очень высокую степень точ ности в отношении числа оборотов оси.Для того, чтобы получить высокую степень точности в соответствии с другим вариантом изобретения, экрай 5 первой или второй части разделен на два экрана 5 а и 5 Ь. Экран 5 второй части состоит из двух экранов 5 а и 5 Ьс различным разделением, причем линия раздела между экранами , 5 а и 5 Ь перпендикулярна экранньм линиям 8 и расположена симметричновторой части ( Фиг. 3).Один из двух экранов 5 а и 5 Ь имеет разделение более плотное, чемразделение экрана 4 первой части, авторой из двух экранов 5 а и 5 Ь имеет 1 разделение более редкое, чем разде ление экрана 4 первой части. Если,например, один экран 5 аФиг, 3)имеет более плотное разделение, а ,второй экрай 5 Ь имеет более редкое разделение, чем экран 4 первой части, то широкие полосы 9 на экране5 а перемещаются в направлении, показанном стрелкой 13, а на втором экране 5 Ь перемещаются в направле"нии, указанном стрелкой 14, когдаокружность 3 колеса 1 перемещаетсяв направлении, указанном стрелкой15, Разделение двух экранов 5 а иБЬ может иметь различную взаимо.связь с разделением экрана 4 первойчасти, В этом случае широкие полосы9 будут перемещаться более быстРопо одному из двух экранов 5 а и 5 Ь.В указанном варианте изобретенияпредусматривается светоизлучающий 10 диод 6 для каждого из двух экранов5 а и 5 Ь и, соответственно, для каж, дого из двух экранов 5 а и 5 Ь предусматривается по одному фототранзистору 7. Возникающие две интерфе ренциойные картины дают воэможностьрегистрировать также и направлениеперемещения окружности 3 колеса 1,Поскольку можно проводить сравнениеФаз между двумя интерференционнымикартинами, то в данном случае можнополучить более высокую степень точности, чем в первом варианте изобретения.На Фиг. 4 - 6 йбображено устройст.во, применяемое для измерения какуглового положения, так и угловойскорости. На фиг. 4 показано колесо1 с осью. На окружности 3 колеса 1имеется экран 4 первой части, аэкран 5 второй части находится пососедству с окружностью колеса. Из 35 леса. На фиг. 4 экран 5 второй час 40 ти показан прикрепленным к второй стороне 18 измерительной вилки 16. 45 0 55 60 65 мерительная вилка 16 0-образной Формы расположена так, что ее первая сторона 17 находится между окружностью 3 колеса 1 и осью 2, а ее вторая сторона 18 находится за пре" делами окружности 3 колеса 1. Экран 5 второй части установлен между вто рой стороной 18 и окружностью 3 коВ первой стороне измерительной вилки 16 установлен светоизлучающий диод, предназначенный для того, что. бы посылать лучи света через экран4 на окружности колеса и экран 5второй части на фототрайзистор 7,который находится во второй стороне18 измерительной вилки 16. Такимобразом, при вращейии или поворотеколеса 1 Фототранзистор 7 будет получать световые импульсы с частотой,соответствующей:скорости прохождения светлых и темных участков интерференционной картины между светоизлучающим диодом б и фототранзистором 7. Указанные импульсы являются непосредственным мерилом скорости вращения или угловой скорости колеса 1.На фиг. 5 показана в виде примера монтажная схема для генирирования электрических импульсов. Светоизлучающий диод 6 и усилитель 19 получают напряжение, подводимое через шины питания. Свет 20, излучаемый1034619 светоизлучающим диодом 6, проходит через первый и второй экраны 4 и 5 узла датчика и встерчает на своем пути фототранзистор 7, Получающийся в результате сигнал усиливается в трех каскадах усилителя, каждый из которых включает в себя транзисторы 21 - 23 и резисторы 24 - 26, Конден сатор 27 являтся конденсатором обратной связи.Полученный таким образом сигнал является амплитудно-ограниченньвч, чтодостигается с помощью амплитудного ограничителя 28, состоящего из диода Зенера, соединенного параллельно относительно выхода 29.В устройстве, предназначенном для использования в целях регулиро вания числа оборотов электродвигателя (фиг. 6),узел датчика состоит из диска 30 или круглого сектора диска, который установлен неподвижно, и из диска 31, который установлен на валу 32 двигателя 33. Экран 4 первой части узла датчика расположен на одной стороне диска 31 в виде полосы 34, находящейся около окружности этогб дискаЭкран 5 второй части узла датчика располоЖен соответствующим образом на другом, неподвижном диске 30. Экранные линии двух частей 4 и 5 идут в радиальном направлении на дисках 30 и 31 или на круглом секторе диска 30.Измерительная .вилка 16, одна сторона 17 которой включает в себя светоизлучающий диод, а другая сто-. рона 18 включает в себя фототранзистор, охватывает диски 30 и 31 под определенным углом по окружности. Светоизлучающий диод, таким образом, посылает лучи света от однОй стороны измерительной вилки через два диска 30, 31 на фототранзистор, находящийся в другой стороне 18 измерительной вилки 16. При вращении вала 32 двигателя 33 с определенной скоростью образуются световые импульсы, которые встречают на своем пути. фототранзистор, где они превращаются в электрические импульсы, которые усиливаются в усилителе 19. Усилитель 19 и следующий эа ним ограничитель 28 амплитуды могут быть представлены типом, показанным на фиг. 5. Выходной сигнал из ограничителя 28 амплитуды представляет собой серию импульсов, частота которых пропорциональна числу оборотов двигателя. Частота импульсов сравнивается в . регуляторе 35 с номинальным значением, после чего число оборотов двигателя регулируется таким образом, чтобы частота импульсов согласовывалась с номинальным значением.Устройство, предназначенное для измерения угловфиг. 7),содержит колесо 1, снабженное осью 2, -уста новленной в задней стенке 36, и впередней стенке 37. Измерительнаявилка 16 содержит в одной своей сто.роне 17 светоизлучающий диод, а вдругой своей стороне 18 фототранзистор. Вилка охватывает окружность3 колеса 1,так, как это показанона фиг. 4. Экран 4 первой частиузла датчика расположен на окружнос.10 ти 3 колеса 1, а экран 5 второйчасти узла датчика расположен междуокружностью 3 колеса 1 и второй стороной 18 измерительной вилки 16так, как это показано на фиг, 45 Колесо имеет груз 38 высокойплотности, расположенный около егоокружности, так что центр силы тяжести колеса смещен радиально отоси 2 в сторону окружности колеса 2 О в направлении груза 38. Стенки 36и 37 вместе с боковыми стенкаминепоказаны) образуют корпус 39, в котором заключены колесо 1 иизмерительная вилка 16.25 В корпусе 39 размещены блок усилителя и счетно-вычислительный блоксчетчика, которые обозначены нафиг. 7 позицией 40, предназначенныедля усиления и подсчета импульсов,генерированных экранами, светоизлучающим диодом и фототранзистором.Во время измерения колесо 1сначала стопорится относительно корпуса 39 в положении показанномна фиг. 7, с помощью стопора ( непоказан. После этого поверхность 41устанавливается на поверхности, угловое положение которой., например,по отношению к горизонтальной площади, должно быть измерено. Стопор 40 освобождается с тем, чтобы колесо 1могло свободно вращаться. Затемколесо 1 поворачивается таким обра.зом, чтобы Вертикальная, линия проходила через центр оси 2, и центр 45 силы тяжести колеса, который лежитна радиусе, проходяцем через центроси 2 и центр веса. При вращенииколеса 1 генерируется ряд электрических импульсов, которые подсчитываются в вычислительном блоке 40.Число импульсов пропорционально расстоянию, пройденному окружностью 3колеса 1 относительно измерительнойвилки 16, и, таким образом, образуетмеру угла, на который повернуласьось 2 колеса. Это вращение соответствует углу, на .который повернуласьось 2 колеса и углу, на который поверхность 41 наклонилась в сторонугоризонтальной плоскости. После того, 60 как число импульсов будет подсчита-но,. полученный результат получаетцифровое выражение с помощью техники и демонстрируется, например, наиндикаторном устройстве 42 в виде 65 цифр, показывающих величину угла, 91 О1034619на который поверхность 41 наклонилась к горизонтальной плоскости.При измерении угла с помощью предлагаемого устройства преимущественно используются такие экраны, у которых экран второй части узла датчика состоит из двух экранов 5 а и 5 Ь как это показано на Фиг. 3, благЩаря чему может быть оценено направление вращения колеса 1, а возможное качание колеса относительно 10 положения равновесия может быть компенсировано с помощью вычислительного блока,. Измерительная вилка 16 состоит из двух светоиэлучающих диодов и двух Фототранзисторов, а 15 блок 40 усиления и вычисления включа ет в себя известное электронное оборудование, с помощью которогопроизводится укаэанная оценка. Кроме тогб; в варианте изобретения,предназначенного для измерения угловой скорости акран 5 второй частиможет состоять-из двух экранов 5 а и5 Ь чтобы иметь возможность оценивать направление вращения колеса 1. Как .уже отмечалось, с помощью двух экранов 5 а и 5 Ь во второй части узла датчика можно получить более высокую степень точности в отношении измерения определенного угла вращения. Поэтому во всех вариантах изобретения,о которых Говорилосы выше, может быть йолеэным использование такого узла датчика.1034619 СоставительТехред И.Гай актор Н. Стащиюи лиал ППП фПатент", г. Ужгород, ул. Проектная,Заказ 5660/61 Тир ВНИИПИ Госуд по делам и 113035, Иосква