CN1058571C

CN1058571C - 光学测量物体角速度的装置和有这种装置的带扫描设备

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Publication number: CN1058571C
Application number: CN94117897A
Authority: CN
Inventors: E·T·G·特尔克; G·范恩格伦; J·P·范德林登
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1993-09-30
Filing date: 1994-09-30
Publication date: 2000-11-15
Anticipated expiration: 2014-09-30
Also published as: TW264538B; CN1112241A; ATE187558T1; KR100364334B1; JPH07174771A; DE69421992T2; KR960014937A; HK1012711A1; DE69421992D1

Abstract

本发明公开了一种用于测量转动物体(35)角速度的装置，它包括有一个随物体一起运动且具有转动对称的遮断部分(24)的第一圆盘(23)，一个具有类似部分的第二圆盘(29)，一个用于接收穿过该遮断部分的辐射并将其转换为电信号的检测器(34)。该装置非常精确、可靠且紧凑。还可以用该装置测量诸如记录磁带等等的已伸长的物体的线速度。

Description

光学测量物体角速度的装置和有这种装置的带扫描设备

本发明涉及一种用于光学测量转动物体角速度的装置，该装置包括：适合于由物体驱动的可转动的第一圆盘，和第二圆盘，而圆盘均具有位于圆盘表面的具有周期性间隔的转动对称的伸长了的遮断部分，用于同时照明整个遮断部分的照明系统，检测系统。

本发明还涉及适用于测量已伸长了的物体的线速度的这类装置。

本发明还涉及到无主动轴的带扫描装置，后者包括作为供给轴和收纳轴的两个轴，设置在由两个轴之间的磁带盖复着的通路中的扫描头，和用于控制作为收纳轴的轴速的带速检测器和控制回路。

一种光学的角速度检测装置已公开在美国专利4658132中。

目前已知有几种类型的无主轴带扫描装置，特别是由英国专利说明书1330923和美国专利3809335所公开的装置。正如该英国专利说明书中所述，若采用与用于以恒定线速度驱动磁带的压力机构相组合的主轴轴，可在以最低价格实现带速的精确控制以及自身控制等等方面具有一些优点。但是当采用主动轴时，会产生许多缺点，其中的三个已由该英国专利说明书指出，它们是引导盒式磁带的复杂的机构，磁带边缘的导向困难，以及较大的损害磁带的危险。而且，还存在有污染和磁带打滑等等问题。通过以不同于附装有主动轴的方式驱动磁带，即利用提供轴和/或收纳轴的方式，便可以克服所述的这些缺点和问题。这时，就必须制造出某种装置来保持在扫描头区域中的带速的稳定。英国专利说明书1330923中提及的一种可行的方案是利用带被驱动型速度计，这里不对其进行进一步的说明，而且它由于适用性不强而被放弃了。在该英国专利说明书中，选择了一种用控制信号和叠加在该控制信号上的并与绕在相关轴上的磁带的直径成反比的一个非线性信号来驱动这两个轴之一的系统。在用收纳轴的驱动机构控制带速的这种无主动轴的带扫描装置中，在该驱动机构中会出现打滑耦合现象，从而会损失能量。美国专利3809335公开了一种带驱动装置，它是驱动提供轴和收纳轴并测量加速度、减速度、速度及带的张力。该装置不包括分离的带速测量位置。

由于磁带放音机的扫描头距提供轴和收纳轴均有一定距离，故最好是利用在靠近扫描头的地方分离的速度测量点，以便在需保持速度稳定的地方测量该速度。当处于由磁带上读取的信息信号时，也可以将速度测量点的信号用作为时基修正值。而且，由于光学装置的实施费用低且可用现有的技术制造的较小，由于它具有较高的分辨率和测量精度，故最好是使用光学测量装置。和磁性的角速度传感器相比，光学传感器具有下述优点，即所测得的输出信号的质量基本上与所进行测量的转动频率的范围无关，且对电干扰是不敏感的。在磁性传感器中，还常常发生磁铁和轴承之间的干扰耦合。

由美国专利4658132所示的且计划用于测量电动机角速度的光学角速度测量装置，可被认为是用在带速测量点处的。由美国专利4658132所公开的装置包括有随电动机轴一起转动的第一圆盘，在圆盘上设置呈环状的由光可穿过的若干槽缝构成的间断部分，具有设置成环状的若干个辐射敏感检测元件的第二固定圆盘，检测元件的数目可由可转动圆盘上的槽缝数目来决定。照明圆盘，并用检测元件接收穿过这些槽缝的辐射。当电动机转动时，槽缝将相对于检测元件移位，从而使得由检测元件接收到的辐射量在最大值和最小值之间变化。这些元件的输出信号的总和是一个周期信号，其频率响应着带槽圆盘的角速度，从而响应着电动机的角速度。

德国专利申请2155970中公开了另一种角速度传感器，它包括弯曲成圆形的管状辐射源，在其中设置有一个可转动的带槽鼓轮和一个固定的带槽鼓轮，一束光导纤维将穿过了这两个带槽鼓轮的辐射传递至检测器。

本发明的一个目的是要提供一种新颖的光学角速度测量装置，它和公开在美国专利4658132中的装置相比，具有许多优点，其中最重要的就是有更高的分辨率和更好的辐射利用率。根据本发明构造的装置的特征在于，照明系统中包括有呈二极管形的辐射源，和用于将源辐射聚焦成其横截面与遮断部分相适配的光束的辐射波导组件，检测系统中包括用于接收由照明系统发出的，穿过这两个遮断部分的辐射，且用于将该辐射聚焦成具有圆形横截面的辐射波导组件，和用于将该光束的强度变化转换为电信号的信号检测器。

辐射源二极管为光发射二极管(LED)或是半导体激光器。信号检测器为，比如说常规的光敏二极管。角速度传感器为用常规元件和非常小且不昂贵的元件构成。

这时，分辨率可为两圆盘的间断部分的数目来确定。可用现代技术在圆盘上设置非常窄因而是大量的遮断部分。由美国专利4658132公开的装置的精度是有限的，这是因为控制元件本身和各检测元件间的窄条必须相当宽，从而限制了设置在固定圆盘上的检测元件的数目。因此在本发明中，是用具有均匀强度分布的光束照射圆盘，所以可获得较高的精度。

根据本发明，用于测量角速度绝对值的装置的进一步的特征在于，第二圆盘是固定的。

根据本发明构造的该装置的特征也可以在于，第二圆盘是以恒定角速度驱动的。这样便可以相对于参考速度测量其角速度。这种装置可用在，比如说重要的是角速度为恒定的且等于参考速度的那些装置中。

上述装置的进一步的特征可为，一个间断部分被分为第一和第二两个周期性的转动对称的次间断部分，它们的间隔周期相等，且第二次间断部分的位置相对于第一次间断部分的位置有一个偏置距离，该距离等于次间断部分的间隔周期的四分之一，它还设置有用于接收穿过第二次间断部分和另一个圆盘的间断部分的辐射的第二检测器。

不仅可以用这一装置测定角速度和在该速度与参考速度间的偏置量，而且还可以测定该转动方向或相对于参考速度的偏置方向。

根据本发明构成的装置有两种类型的实施例。第一种实施例的特征在于一个圆盘是在其外侧边缘设置有间断部分的圆形辐射波导圆盘，而另一圆盘为位于另一圆盘周围的、在圆盘内侧边缘设置有间断部分的环状辐射波导圆盘。

第一种类型的最好的实施例的进一步的特征在于，照明系统由该环状圆盘和设置在该圆盘外侧相对侧的辐射源构成，且环状圆盘中设置有锥形反射器并构成为辐射采集系统中的一组成部分。

由于这时的圆盘不仅用作间断部分的载体，而且还用作为提供具有均匀强度分布的辐射光束的照明系统的一部分，并作为采集系统的一部分，所以可使装置元件的数目为有限个。

第一种类型的最佳实施例的特征在于，环状圆盘由横截面呈U形且与锥形反射器设置为一体的辐射波导圆盘的凸起边缘构成，该圆盘的一个表面支承着辐射源而另一个表面支承着检测器，且在圆形圆盘中设置有反射器。

这一个实施例可产生比第一种类型的第一个实施例中的更均匀的对间断部分的照明。

第二种类型的实施例具有的共有特征为，第一和第二圆盘为彼此相对设置的圆形圆盘，且两圆盘上的间断部分呈环形。

第二种类型的一个较好实施例的特征在于，两圆盘为辐射波导圆盘，其中一个属于照明系统而另一个属于接收系统，辐射因全内反射而被收集在圆盘中，辐射可穿过附属于照明系统的圆盘上的间断部分由所述圆盘中射出，且该辐射可穿过附属于接收系统的圆盘的间断部分而入射至所述圆盘中。

第一和第二种类型的实施例的进一步特征可为，间断部分是由圆盘平滑表面上的形变构成。

这可更好地利用下述事实，即由于全内反射，辐射将被保持在该圆盘中，直到有表面突变发生的位置处才由平滑的圆盘表面射出。该形变可由槽沟构成，后者可用，比如说划线方式而容易且精确地制作。

第一和第二种类型的各实施例的特征还可以为，间断部分由圆盘不透明表面上的透明槽缝构成。

可用光刻和复印技术低成本而精密地制作这种槽缝。

第一和第二种类型的各实施例的进一步的特征可为，至少一个圆盘是由人造透明材料制作的。这种诸如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等等的人造材料，不仅具有透明性，而且还具有不昂贵且可容易地用诸如模制方式等等成型的优点。

第二种类型的实施例的进一步的特征可为，圆盘是不透明的且间断部分是由所述圆盘上的槽缝构成的，照明系统适于产生其横截面为环形的光束，且光束的内径至少等于而外径至多等于第一和第二圆盘上的环状槽缝部分的相应的内径和外径。

所述的设置有槽缝的圆盘以下将称为带槽圆盘，它可以用简单而不昂贵的方法，比如说通过利用盘的复制技术来制造。如果使横截面呈环状的光束，或称照明环的两个半径均与环状槽缝结构，或称带槽圆环的两个半径相等，则不会损失测量辐射，不会生成虚假辐射，且可完全照明该带槽圆环，因此，每一槽缝的不精密性得到了平衡中和，且不会对测量造成影响。

如果在人工定位带槽圆环和照明环时要允许存在一定的公差，则最好使照明环的宽度略小于带槽圆环的亮度。

然而，也可以使照明圆环的宽度大于带槽圆环的宽度，以获得预期的定位公差。

值得指出的是，在日本专利申请61-228310的摘要中公开了一种使用环状照明光束的角位置传感器，而不是一种速度传感器。而且，这种传感器的转动圆盘仅有一个槽缝，因而不能有效地利用辐射，且测量结果要受到该槽缝的不精密性的影响。

根据本发明构成的装置的一个实施例可以有效地将辐射传送至可转动带槽圆盘，从而可实现均匀的环状照明，该实施例的进一步的特征可为，照明系统依次包括有辐射流，第一辐射波导组件和具有不透明反射边缘且平行贴近设置在转动圆盘附近的可转动辐射波导圆盘。

第一辐射波导组件可确保将全部的源辐射耦合在其中，以用来进行测量，它还有助于实现照明组件的紧凑设计。由于圆盘是转动对称的，所以该转动辐射波导圆盘可确保辐射均匀，而不透明边缘可确保在带槽圆盘上的辐射光斑为环形。

该装置的一个实施例可使穿过带槽圆盘的辐射尽可能有效地聚焦为适于提供至检测器的光束，该实施例的特征在于复合检测系统包括具有不透明反射边缘且设置在远离可转动带槽圆盘的第二带槽圆盘一侧的第二辐射波导圆盘，锥形反射器定心在设置在所述的第二辐射波导圆盘上。

第二辐射波导圆盘的不透明边缘可将形成在其上的环状辐射光斑转换成直接射向圆盘中心的扇形次光束，而中心锥形体将把这些次光束反射成具有圆形横截面的光束。

该实施例的进一步的特征可为，两辐射波导圆盘中的至少一个是用人造透明材料制造的。这个人造材料又可以是PMMA。

使用两个带槽圆盘的实施例进一步的特征在于：将用于把由锥体，反射器辐射导向到探测器的第二辐射波导，安排在第二辐射波导圆盘和探测器之间。

根据本发明构造的装置的一个其结构构成优异的实施例的进一步的特征在于，辐射源，第一辐射波导组件，第二辐射波导圆盘，第二辐射波导组件和检测器呈U形设置，且第一辐射波导组件的一部分构成为U形的中心部分，并呈可与转动轴相组装的中空管的形状。这一轴可与物体固定连接，以可随物体一起转动。而且，这一轴也可以是一固定轴，并使物体转其转动。

刚提到的上述实施例使得可以将诸如LED型等等的辐射源和位于一个支架上的检测器形成为一整体，从而可限制需分离设置的组成部分的数目。

该装置的上述实施例的进一步的特征是，转动物体为由运动着的已伸长的物体驱动的压紧辊，从而使该装置构成为一个线速度测量装置。

这样，应用该测量装置的领域便可扩展至必须高精度地测量线速度的那些专用和通用技术领域。

本发明还涉及到一种扫描装置，该装置包括作为供给轴和收纳的两个轴，至少一个设置在由两个轴之间的磁带复盖着的通路中的扫描头，和用于控制作为收纳轴的速度的带速控制器和控制回路。这一装置的特征在于该带速检测器为上述的线速度测量装置。

在这种供用户使用的装置中的这类带速传感器应该是不昂贵、小型，而且是精确和可靠的，所以根据本发明构造的速度传感器是特别适用于这一目的的。

这种带扫描装置还可包括有：一个用于再生原记录在磁带上的信息信号的再生磁头，一个其输入端与再生磁头输出端相耦合且其输出端与提供出信息信号的输出端子相耦合的缓冲存储器，一个用于在与缓冲存储器的写入时钟信号输入端相耦合的输出端处产生并提供出具有第一时钟频率的第一时钟信号的第一时钟产生器组件，所述的缓冲存储器适于存储与第一时钟信号相应的信息信号，一个用于在与缓冲存储器的读取时钟信号输入端相耦合的输出端处产生并提供出具有第二时钟频率的第二时钟信号的第二时钟信号产生器组件，所述的缓冲存储器适于在其输出端提供出与第二时钟信号相应的已存储在缓冲存储器中的信息信号，第一和第二时钟信号产生器组件之一适于产生具有固定时钟频率的时钟信号，一个用于检测缓冲存储器的充满水平并在其输出端提供出控制信号的检测组件，该控制信号与缓冲存储器的充满水平的测量值有关，其进一步的特征在一征速度传感器的输出端与第一或第二时钟信号产生组件中的另一个的输入端相耦合，所述的另一个时钟信号产生器组件适于产生其时钟频率随装置的电信号变化而变化的时钟信号，且检测组件的输出端与用于控制收纳轴速度的控制回路的输入端相耦合。

在这种带扫描装置中，缓冲存储器可对用再生磁头由磁带上读取的信号进行时基修正。而且，可用缓冲存储器的充满水平来控制带速。特别是当使用根据本发明构造的具有压紧辊的装置时，可以实现令人非常满意的控制，因而甚至能生产出高音质的模拟型的小型盒式磁带。

这儿所需指出的是，由1993年12月的＂研究解密＂中的pp.805/6页可知，当在带扫描装置中读取音频信号时，是可以将时基修正和带速控制结合在一起的。但是，这种装置中的写入时钟频率是由从磁带上读取的信号中获得的。因此，已知的这种时基信号修正和带速控制的组合，在运行时是不能令人满意的。然而，使用了根据本发明的压紧辊的装置具有非常大的分辨率并且非常精确可靠，所以可将其这类装置用在带扫描装置中，以实现令人满意的组合控制。

根据本发明的一种光学测量转动物体角速度的装置，该装置包括：

一个适合于由物体驱动的可转动的第一圆盘，和第二圆盘，两个圆盘均具有位于圆盘表面的周期性的转动对称的伸长了的遮断部分，

一个用于同时照明整个遮断部分的照明系统，

一个检测系统，

其特征在于在照明系统中包括有呈二极管形的辐射源，和用于将源辐射聚焦成其横截面被调整为基本覆盖整个部分的光束的辐射波导组件，在检测系统中包括用于接收由照明系统发生的、穿过这两个遮断部分的辐射，且用于将该辐射聚焦成具有圆形横截面的辐射波导组件，和用于将该光束的强度变化转换为电信号的信号检测器。

下面将参考附图来说明并明确本发明的这些方面及其它方面。

图1为可使用根据本发明构造的角速度测量装置的带扫描装置的一部分，

图2示出了该测量装置的原理性示意图，

图3为可用于该装置的带槽圆盘，

图4示出了还可用于确定物体转动方向的带槽圆盘，

图5示出了该测量装置的第一实施例，

图6a和6b示出了适用于带扫描装置的这种测量装置的结构构成的细部，

图7为该测量装置的另一变型实施例，

图8为用于该装置的具有间断部分的辐射波导圆盘的组成部分，

图9为使用了设置在圆盘边缘处的间断部分的这种测量装置的一个实施例，

图10a和10b为用于测量电动机转动速度的与图7相类似的装置，

图11a和11b示出了用于测量电动机的转动速度的与图9所示装置相类似的装置，

图12示出了可用于测量，特别是可用于测量电动机的转动速度的测量装置的一个最佳实施例，

图13示出了根据本发明构造的带扫描装置的一个实施例。

图1示出了用于帮助理解本发明的一磁带扫描装置的部分组件。这种装置具有由若干个扫描元件组成的扫描头1，且可以用该扫描头1由组装在磁带盒3中的磁性带2上读取、写入或消去各种信息，如音频、视频信息或称数据。扫描头通过电连接组件4与公知的电子回路5相耦合。这一回路除其它组件外，在音带扫描装置中还特别包括用于已读取的信号的放大器和解码回路6，它与可将已读取的音频信号转化为声音的扬声器7。该音带扫描装置可以是SDAT型的或是DCC型的，这种装置的详细说明可特别参见欧洲专利申请0504973。

该装置还包括有由用电动机10和11和电动机控制回路16驱动的磁带轴8和9构成的带传送组件。在运行时，带可由供给轴，比如说轴8，通过导向轮13和14传递到收纳轴，比如说轴9。

磁带可以是数字型视频或音频带，也可以是模拟型视频或音频带，而且在往往会产生颤动失真等扰动的常规带扫描装置，特别是在后一种情况中采用本发明可具有更大的优点。而且，带不仅可以是磁性带，也可以是载有音频或频视程序或数据的光学带。若为光学带时，该装置应装有由一个或多个扫描元件构成的光扫描头，而不是张扫描头。带还可以是磁光带，这时的扫描头应由磁性线圈和用于在磁性线圈的位置处的带子上形成扫描点的光学组件构成，该扫描点可用于写入和读取信息。

根据本发明，所有上述装置均具有带速检测装置，后者特别包括有由带子驱动的太紧辊。为简单起见，仅将带速检测装置的压紧辊21示出在图1中。如图1中的连接组件13所示，该检测装置的输出信号送入用于轴电动机10、11的控制回路16，以使这两个电动机的转速与恰在扫描头1之前的位置处测量出的带速相适应，从而使扫描头处的带速保持稳定。回路16可以，比如说在某一时刻控制着电动机10、11中的一个，而与其相关连的轴作为收纳轴。可根据带的传送方向，使这两个轴作为收纳轴或供给轴。

下面参考实施例说明根据本发明构造的角速度测量装置的原理，该实施例示意性地示出在图2中，它利用了带槽圆盘。该实施例中包括一不透明圆盘，后者如图3所示，具有大量的槽。所有这些槽(其中的一部分已由图3示出)均设置在内径为r、外径为R的圆环25中。在运作时，该圆盘以与要检测其角速度的物体相同的速度转动。因此，该圆盘应因装在辊35上。如果，比如说，物体是压紧辊，则这个辊就是该物体本身。辊绕卡装在该辊上的、作为辊的轴颈的轴28转动。物体也可以设置在距带槽圆盘23一定的位置处。这时，轴28应为与物体相连的驱动轴。轴28也可以是一个辊可以绕其转动的固定的轴。

在带槽圆盘23的另一侧，没置有也在圆环上设置有大量槽缝的第二不透明圆盘29。第二带槽圆盘29可与第一带槽圆盘23相同，这特别是从制造技术的角度来看是有益的。第二带槽圆盘是固定的。具有不透明边缘31的辐射波导板30设置在该圆盘之下，且在板30的中心设置有锥形反射器32。辐射输出孔33设置在该反射器的相对侧，在所述的孔的后面设置有辐射敏感检测器34。

辐射由顶部照射第一带槽圆盘，通过槽缝24的辐射到达第二带槽圆盘29，再经由槽缝到达辐射波导板30。辐射在该板中被导向反射器32，再通过孔33到达检测器34。

在带槽圆盘23的初始位置，其槽缝24被定位在，比如说，与带槽圆盘29的不透明部份26相对的位置处，而使到达辐射波导板30的辐射量为最小。当圆盘23转动时，其槽缝将与圆盘29的槽缝逐步重叠。当完全重叠时，到达辐射波导板30的辐射量为最大，且控制器34的输出信号So为最大值。随着圆盘23的继续转动，所通过的辐射量将再次减小到所述的最小值，然后再一次增加到所述的最大值。当圆盘23连续转动，即当物体转动时，输出信号So呈周期性的，比如说正弦型的变化。该信号的瞬时周期频率与物体的瞬时角速度成比例。

如果检测的辐射呈均匀强度分布，则带槽圆盘23相对于带槽圆盘29的转动，将对于每一槽缝有同样的局部强度变化。

最好采用环状照明以尽可能有效地利用可利用的辐射。如图2中组件36示意性示出的照明环的内径和外径，最好与带槽圆盘23和29上的环的内径和外径相同，以便即不损失辐射，又使环受到完全的照射。而且，这还可以把由照明环发出的辐射形成检测器的干扰辐射的危险降低到最小。如果要在人工定位带槽圆环和照明环时允许存在一定的公差，则最好使照明环的宽度略小于带槽圆环的宽度。当然也可以使照明环的宽度大于带槽圆环的宽度以获得所需的定位公差。照明环可以是固定的，也可以是通过图2所示的连接组件37而随辊35移动的。照明环可为弯曲成环状的灯泡，但最好呈图5、6和6b所示的形成。辐射波导板30最好用诸如聚甲基丙烯酸甲酯等等的不太昂贵，光学性能良好且容易加工的人造透明材料制造。当然，板30也可以用玻璃制造。

前面已假定带槽圆盘29是固定的。然后便可以测定物体角速度的绝对值。在某些情况下，需要测定的是物体相对于某一参考物的相对角速度，比如说相对于另一物体的相对角速度。那么，可设置带槽圆盘29为可转动的，并由，比如说第二物体驱动，或是以某参考速度转动。

为了能不仅控制物体的速度还检测其转动方向，可将本领域公知的诸如光学位移传感器等等的检测组件，用在本发明的该装置中。为了实现这一目的，可将附装在带有槽缝的第一圆环上的带有槽缝的第二圆环，设置在一个圆盘上，并用一个第二检测器仅接收来自第二带槽圆环的辐射，且用第一检测器仅接收来自第一带槽圆环的辐射。图4示出了具有两带槽圆盘25、25′的圆盘的一部分。两圆环具有相同的正切周期P。但是，环25上的槽缝24相对于环25′上的槽缝24′正切偏置过1/4P。另一个带槽圆盘也有一个带有槽缝的环，该槽缝应足够大以复盖住槽缝24和槽缝24′。然后，另一个带槽圆盘也可以具有带有槽缝的两个圆环，且第一环上的槽缝不相对于第二环上的槽缝偏置。由于一个检测器仅接收来自槽缝24的辐射，而另一个检测器仅接收来自槽缝24′的辐射，所以两检测器(未示出)的输出信号间存在有相位差。用检测这两个信号中哪一个为前导信号的方式，即可以获得圆盘23，即物体的转动方向。

为了使检测到的信号不受到装置或其组成部分的不精密性、不完美性的影响，可以，比如说，以较低的频率调节辐射源的强度。若以恒定的频率调节转动圆盘的角速度也是同样有效的。因此，将有一低频调节分量叠加在检测信号上。这样便可以在，比如说，控制回路16中消除掉所述的不精密性、不完美性的影响。

获得不受到不完美性影响的测量信号的另一可能的途径是，使用由同一辐射源或第二辐射源发出的第二辐射光束，或称参考光束，该光束沿与测量辐射相同的路径穿过装置，但不通过带槽圆环，并由参考检测器接收。将测量检测器和参考检测器输出的信号相减，便可获得修正后的测量信号。

可用在各实施例中的上过的可能途径将在下面给与说明，这些途径包括：

—带有遮断部分的第二转动圆盘，

—用位于圆盘之一上的带有遮断部分的第二圆环检测转动方向，

—获得与系统的不完美性无关的检测信号。

图5、6a和6b更详细地示出了测量装置的一个实施例的结构细部，其中的物体为，比如说由带子驱动的、完全嵌装在装置中的压紧辊。图5为该装置部件的横剖面图，图6a为透视立面图，图6b亦为其透视立面图。辊35为一厚壁空心圆筒。在该辊上因装在具有不透明边缘57且最好用PMMA制造的辐射导向板40，该辐射波导板也可以如图5所示，与辊形成为一体。在板40上靠装有第一带槽圆盘23。压紧辊35上组装有与其一起移动的双壁管42。管42的中心孔43装在轴44上。当辊被驱动时，管42和轴44也转动。两端被弄尖的轴44枢轴安装在膜片41和板45上，该膜片与带槽圆盘29的中心孔相适配，而板45位于作为照明系统一部分的照明室46中。辊35不仅可如图5所示用轴尖支承方式实施枢轴安装，也可以用滚珠轴承实施枢轴安装。应采用平滑支承，以使带子可容易地驱动辊35。照明系统的另一组成部分为位于管内壁和外壁以及辐射波导板40之间的空腔。

辐射室包括用于诸如发光二极管(LED)等等辐射源的隔离室47和固定在该隔离室上的用PMMA制作的辐射波导组件49。在隔离室47和辐射波导组件49之间的光路上，可布置一个对光源48发出的辐射聚光的透镜50。该透镜可以是一准直透镜。虚线示出了检测光束的沿直径方向的两个周边部分51和52。通过全内反射或是通过该表面上的反射覆盖层，该检测光束辐射将在辐射波导组件的不透明端面53上被反射。反射后的检测光束辐射将通过管42内壁和外壁之间的空间，从而使横剖面为圆形的光束照射到锥形反射器55。该反射器将把辐射在360°范围的水平面上散布开，并使辐射进入辐射波导管40。该板的不透明边缘57将反射这一辐射，使其呈横剖面为环形的光束而到达带槽圆盘23和29。已通过两圆盘的槽缝的辐射，再通过该板的不透明边缘而穿过辐射波导板30。然后再用位于该板朝向孔33处的锥形反射器32反射该辐射。在该孔的位置处，还可设置一个装在板30上的辐射导向组件60，后者用于通过在其不透明侧61的反射而引导辐射到达设置在检测室65的检测器34。在该室和辐射导向组件60之间的光路上，还可设置一个用于将辐射聚焦在该检测器上的透镜。

通过利用各辐射波导组件，可将由源48到检测器34的辐射通路与其环境隔绝，从而使由源发出的辐射不会损失掉，且使环境辐射不能射入至检测器。因此，所获得的检测信号具有稳定的信噪比，且不会受到环境的干扰。

具有板45的照明 46和具有带槽圆盘29的检测系统安装在同一支架70上。由于压紧辊35的轴44和带槽圆盘23固装在板45和带槽圆盘29上，所以可使两带槽圆盘彼此稳定地枢轴安装，从而可获得稳定而可靠的检测装置。如图5、6a和6b所示的角速度检测装置可非常紧凑，所以该装置可方便地嵌装。

在这种装置的一个实用实例中，带槽圆盘的直径为1厘米。槽缝结构的循环周期为大约80μm，槽缝长度为大约350μm。整个装置的体积大约为1立方厘米。在图5所示的实施例中，辐射源和检测器在水平方向是设置在同一位置上的。这些组成部分也可以设置在装在支架70上的同一印刷电路板上，这从结构上看是更有益的。

由于在圆盘上设置有大量的槽缝，因而这种装置的分辨率要比常规的角速度仪或带速仪大大约10倍。由于辐射的均匀性和装置组装的精度，可测定的角速度的精度比常规的角速度仪或带速仪的精度大大约100倍。

图7示出了带速测量装置的第二个实施例。该装置中的与图5所示装置中相同的部件，已用相同的标号表示。图7所示的装置与图5中不同的地方在于，它没有分立的带槽圆盘，带有槽缝的环25、27设置在辐射导向板40和30上。而且，辐射导向板40与压紧辊35′形成为一体，且该组件由诸如PMMA等等的人造透明材料制作。在本实例中并不具有分立的转动轴的辊35′，是用轴承支承而不是用轴尖支承来实施枢轴安装的。在测量辐射穿过其中的中央部分84和外周部分85和86之间，辊35′具有两个中空的空间82和83。在图7所示的装置中，测量辐射的光路与图5所地的装置中一样。与图5所示的装置相比，图7所示的装置的优点是它更一体化，因而更容易组装。

图7所示的装置特别适用于采用不同类型的遮断，比如说用槽沟代替槽缝。可利用这一事实，即辐射导向板为全内反射板，也就是说，耦合在板中的辐射将通过平滑板表面处的全内反射而截留在这种板中，只有在产生平滑偏置的地方，辐射才能从板中发射出来，平滑偏置的地方是指，比如说设置在板表面中的凸丘或槽沟等等。辐射也可以通过这种凸丘式槽沟而入射象板30等等的这种辐射波导板。

图8为矩形截面图，它示出了可用在图7所示的装置中的、具有槽沟92和93的辐射波导圆盘90或91的一部分。测量辐射可通过槽沟92由圆盘90出射，再通过槽沟93入射至圆盘91。通过槽沟92出射并耦合入圆盘93中以便能利达检测器的辐射量，与槽沟92相对于槽沟93的切线位置有关。

可以用尖锐的凿子或针在相应的圆盘表面上划线的方式，在圆盘中形成槽沟。获得具有槽沟或凸丘的辐射波导圆盘的一种简单而不昂贵的方法是，先制造一个其表面轮廓为所需轮廓的镜面形象的母板，再通过复制加工方法制作该板的复制品。然后，在圆盘成型的同时，设置的其槽沟轮廓。这种复制加工方法特别适用一大量制造，以供消费者使用。

图9示意性地示出了用于检测辊角速度的上述第二类装置的一个实施例。辊100装在随辊一起运动的第一辐射波导圆盘101上。第二辐射波导圆盘为一个环状盘102，它装在，比如说固定装在支架103上。在支架上还装有检测器104以及可根据需要选用的透镜109。该实施例与前述实施例间的主要差别是，遮档的部分105、106设置在圆盘的边缘，且遮挡部分的纵向方向与辊100绕之旋转的轴107相平行。遮挡部分可以是槽缝，或是诸如槽沟等等的表面形变。诸如LED等等的可向圆盘发生辐射的辐射源108，可设置在圆盘102外侧的相对位置处。通过遮断部分106由圆盘102出射的辐射，可通过遮断部分105入射至圆盘101。该辐射到达设置在圆盘101中心处的锥形反射镜55，并由后者反射至透镜109，再通过位于支架103的辐射穿过部分111、112处的圆盘101的表面110，到达设置在其后面的检测器。在运作过程中，通过遮断部分106和105的瞬时辐射量，即到达至检测器的辐射量，是由遮断部分106相对于遮断部分105的切向位置决定的。因此，检测器输出信号的瞬时频率，正比于辊100的瞬时角速度，正比于驱动该辊的物体的瞬时线速度，而该物体为，比如说磁带。

还可以用根据本发明构造的装置直接把测定电动机的转动速度，且由于它非常紧凑，故该装置还可以包括电动机。图10a和10b分别示出了这种电动机和检测装置的组件的一个实施例的垂直剖面图和水平剖面图。由电动机120上凸起的轴121由支架123上的组件122中穿过。该轴装在随该电动机轴一起移动的第一辐射波导圆盘124上。第二辐射导向圆盘125装在块组件123上。两个圆盘具有呈槽缝或是，比如说槽沟状的环形遮断部分。其辐射可通过，比如说辐射波导组件130耦合至圆盘125的辐射源129，可设置在与固定辐射波导圆盘125的表面128相对的位置处。由于该圆盘呈转动对称型，所以在该圆盘中的辐射是均匀的，在由圆盘125的不透明侧131、132和133反射之后，辐射入射至遮挡部分127。通过该遮断部分的辐射，将通过遮断部分126进入转动圆盘124，然后到达锥形反射器133。反射后的，通过表面134由圆盘124出射的辐射将到达控制器135。该检测器输出信号的瞬时频率，亦正比于圆盘124和电动机120的瞬时角速度。

图11a和11b示出了装置第二实施例的垂直和水平剖面图，它亦可用来直接测量电动机的转动速度。由电动机120上凸起的轴121装在与和轴一起运动的第一辐射波导圆盘141相连接的保持器140上。第二环状辐射波导圆盘142设置在第一圆盘141的周围，并装在支架143上。可呈槽缝式槽沟状的遮断部分144和145分别设置在圆盘141的外侧边缘和圆盘142的内侧边缘。诸如LED等等的辐射源147设置在支架143上，且其辐射可通过辐射波导组件148入射至圆盘142。这一装置中的辐射光路与图9所示装置中的相类似，图11a中的元件149、150和151的功能与图9中的元件55、109和104的功能相同。

为了进一步提高装置的精度，还可以使用附在测量光束上的参考光束。该参考光束可由一分立的辐射光源提供，但最好是由提供检测光束的同一光源提供。除去遮断部分之外，参考光束象检测光束一样穿过那些部件，并由与测量光束分离的一分立的检测器接收。在测量光束到达圆盘40的反射侧57之前，该测量光束中的一部分将通过，比如说如图7所示的圆盘上的槽沟，或是通过圆盘上的半透射反射器，而耦合至该圆盘之外，作为参考辐射光束，并由设置在，比如说圆盘30上的另一个检测器接收。现在的测量信号为测量控制器和参考检测器的输出信号间的差。因此，该信号不会再受到辐射光路中的各部件的可能的不精密性的影响。

图12示出了装置的一个最佳实施例，它可用于测量电动机120或压紧辊100的转动速度，并具有圆形圆盘160和环形圆盘161。圆盘161构成为固定的辐射波导圆盘162的凸起的环状边缘，圆盘162的横剖面呈U型。如果用电动机120驱动圆形圆盘，则圆盘162通过管状连接件163与电动机室相连接。正如图12所述，在圆盘162的下表面164上设置有诸如LED等等的辐射源175，后者可通过窗口向圆盘162发射辐射。该辐射到达锥形反射器169，由后者沿360°在水平面上扩散该辐射。该辐射由圆盘162的不透明表面165和166反射，然后到达环形圆盘部分161的遮断部分171。图12中的插图D示出了该遮断部分和与其相对的被动圆盘160中的遮断部分172的一小部分。这种遮断部分亦可呈槽沟状或槽缝状。穿过遮断部分的辐射到达至反射该辐射并将其聚焦成环状光束的锥形反射器168。该光束通过圆盘166中的窗口入射至检测器170中，且后者设置在圆盘162的上侧表面处。

也可以交换辐射源175和检测器170的位置。这时，辐射将沿与图12所示相反的光路传播。

和图9、图11a及11b所示的装置相比，图12所示的装置可获得对遮断部分171和172的更均匀的照明，这是因为辐射在辐射波导圆盘中的光路更长，且在圆盘的内表面几次被反射。

正如已指出的那样，圆盘160可用压紧辊而不是电动机驱动。这样，图12所示的装置可用于测量线速度，比如说带驱动压紧辊的线速度。

图13示出了可用于，比如说小型模拟演凑盒式磁带的磁扫描装置的一个实施例。在图13中仅示出了与图1所示带扫描装置有关的一些部件。电动机11驱动收枘轴9，以使磁带2沿箭头所示的方向移过再生磁头1和压紧辊21。再生磁头1的输出耦合至A/D转换器200的输入端，而后者的输出耦合至缓冲存储器202。缓冲存储器202的一个输出端与D/A转换器204的输入端耦合，而另一输出端与输出端子206相耦合。这样便可以在输出端子206处获得由磁带2读取的模拟音频信号。

还设置有第一时钟信号产生器组件，它呈相位同步回路208的形式，由包括有压紧辊21的装置的速度脉冲中产生频率为f₁的第一时钟信号。该时钟频率信号f₁分别送至A/D转换器200和缓冲存储器202的时钟信号输入端210和212。因为速度脉冲频率f₁是由装置20衍生出来的，所以该频率f₁的值将随着速度脉冲的频率变化而变化，因而将随着磁带2移过压紧辊21时的速度变化而变化。

还设置有第二时钟信号产生器组件，它呈频率振荡器214的形状，并可产生频率为固定值f₂的第二时钟频率。该时钟频率信号分别送至缓冲存储器202和D/A转换器204的时钟信号输入端216和218。而且，缓冲存储器202具有一个用于输出表示该缓冲存储器202充满水平的控制信号的输出端220。为了实现这一目的，缓冲存储器202应包括有一检测组件(未示出)，后者用于确定充满水平并能据此产生控制信号。输出端220与电动机控制单元222的输入端224相耦合。电动机控制单元222将根据施加在其输入端224和226上的控制信号，向电动机11输出电动机控制信号。这时，可将把信号反馈回至控制单元222的输入端226的环路视作速度控制环路，且可将把信号反馈回至控制单元222的输入端224的环路视作为相位同步环路。

带扫描装置的运作如下。缓冲存储器202根据由磁头1读出的信息信号进行时基修正。这一信号往往会受到在带速变化时的计时错误的影响。由于写入时钟频率f₁是由装置20的速度脉冲得出的，故该频率也随带速的变化而变化。随后，由再生磁头1读取的频率为f₁的信号在A/D转换器200中取样，并按这一频率写入缓冲存储器202。如果带速较快，频率f₁将增大，反之亦然。由于取样是按固定频率f₂读取的，故输出端子206处的信号与上述的变化无关。

如果带速较快，在一个且相同的时间间隔中存储入缓冲存储器202的信息信号的取样也较多。如果平均来说，写入频率f₁明显高于读取频率f₂，缓冲存储器202将会溢出一定的量。为防止这种情况发生，在输出端220和电动机控制单元222间设置有控制环路。该控制环路可确保缓冲存储器202的充满水平均为其完全充满时的一半。如果带子按f₁大于f₂的速度移动，缓冲存储器202的充满水平将大于1/2。这时将向电动机控制单元222施加适当的控制信号，以把速度减慢下来。

显然，如果传送速度太低，充满水平将低于1/2。因此，需用控制环路增加其速度。

下面参考图13来说明时基控制和带速控制的组合是可行的，这是因为带有压紧辊21的装置20具有较大的分辨率，且是精确而可靠的。而且在特技模式中，即当记录载体的速度比常规重放速度高(许多倍)时，该压紧辊亦具有优点，即压紧辊自与磁带2保持着接触，所以仍具有速度控制的功能。

所需指出的是，写入频率f₁也可以为给定的固定值。这时，必须由装置20的速度脉冲中获取读取频率f₂。

本发明是参考其用作为带扫描装置中的带速计来进行说明的，但本发明还可以用于其它的需精确测量可驱动一个压紧辊的已伸长的物体的线速度的各种装置中，如可用于绘图仪等等中。正如已说明的那样，本发明还用于直接测量电动机，比如说带扫描装置中的卷轴驱动电动机的转动速度。而且一般来说，本发明可用于需要使用可测量其组成部分或物体的转动的小型精密装置的各种领域。其实例包括机器人，各种工具，车辆的反阻塞制动系统中的角度传感器等等。

Claims

1.一种光学测量转动物体角速度的装置，该装置包括：

一个用于同时照明整个遮断部分的照明系统，

一个检测系统，

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于第二圆盘是固定的。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于第二圆盘是以恒定角速度被驱动的。

4.如权利要求1、2或3所述的装置，其特征在于一个遮断部分分为第一和第二两个周期性的转动对称的次遮断部分，它们的间隔周期相等，且第二次遮断部分的位置相对于第一次遮断部分的位置有一偏置距离，该距离等于次遮断部分的间隔周期的四分之一，还设置有用于接收穿过第二次遮断部分和另一圆盘的遮断部分的辐射的第二检测器。

5.如权利要求1、2或3所述的装置，其特征在于一个圆盘为在圆盘外侧边缘设置有遮断部分的圆形辐射波导圆盘，而另一圆盘为位于另一圆盘周围的、在圆盘内侧边缘设置有遮断部分的环状辐射波导圆盘。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于照明系统由该环状圆盘和设置在该圆盘外侧相对侧的辐射源构成，且环状圆盘中设置有锥形反射器前构成为辐射收集系统的一个组成部分。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于环状圆盘由横截面呈U形且与锥形反射器设置为一体的辐射波导圆盘的凸起边缘构成，该圆盘的一个表面支承着辐射源而另一个表面支承着检测器，且圆形盘中设置有反射器。

8.如权利要求1、2或3所述的装置，其特征在于第一和第二圆盘为彼此相对设置的圆形圆盘，且两圆盘上的遮断部分为环形部分。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于两圆盘为辐射波导圆盘，一个属于照明系统而另一个属于收集系统，由于全内反射，辐射被收集在圆盘中，辐射可穿过所述圆盘上的遮断部分由附属于照明系统的圆盘中射出，且该辐射可穿过所述圆盘遮断部分而入射至附属于该接收系统的圆盘中。

10.如权利要求1、2或3所述的装置，其特征在于遮断部分由圆盘平滑表面上的形变构成。

11.如权利要求1、2或3所述的装置，其特征在于遮断部分由圆盘不透明表面上的透明槽缝构成。

12.如权利要求5所述的装置，其特征在于至少一个圆盘是由人造透明材料制造的。

13.如权利要求8所述的装置，其特征在于圆盘是不透明的且遮断部分是由所述圆盘上的槽缝构成的，照明系统适于产生其横截面为环形的光束，且光束的内径不小于而外径不大于第一和第二圆盘的环状槽缝部的相应的内径和外径。

14.如权利要求13所述的装置，其特征在于照明系统依次包括有辐射源、第一辐射波导组件和具有不透明反射边缘且平行贴近设置在可转动圆盘附近的可转动辐射波导圆盘。

15.如权利要求13或14所述的装置，其特征在于复合检测系统包括具有不透明反射边缘且设置在远离可转动带槽圆盘的第二带槽圆盘一侧的第二辐射波导圆盘，锥形反射器定心设置在所述的第二辐射波导圆盘上。

16.如权利要求15所述的装置，其特征在于两个辐射波导圆盘中的至少一个是用人造透明材料制造的。

17.如权利要求15所述的装置，其特征在于用于将辐射由锥形反射器导向检测器的第二辐射波导组件设置在第二辐射波导圆盘和检测器之间。

18.如权利要求17所述的装置，其特征在于辐射源、第一辐射波导组件、第二辐射波导圆盘、第二辐射波导组件和检测器呈U形设置，第一辐射波导组件的一部分构成为U形的中心部分，前呈可与转动轴相组装的中空管的形状。

19.如权利要求1，2或3所述的装置，其特征在于转动物体为由移动着的已伸长的物体驱动的压紧辊，从而使该装置构成为一线速度测量装置。

20.一种专门采用如权利要求1所述的光学测量转动物体角速度装置构造的带扫描装置，其中带扫描装置包括作为供给轴和收纳轴的两个轴，设置在由两个轴之间的带覆盖的通路中的扫描头，用于控制作为收纳轴的轴速的带速检测器和和控制回路，其中带速检测器包括：——适于被带驱动的可转动的第一盘，和一个第二盘，两个盘都在表面设有周期性的和转动对称的被伸长的遮断部分；——用于同时地照明整个部分的照明系统；和——一个检测系统其特征在于，照明系统包括一个二极管形式的辐射源和将源辐射集中为其交叉部分适合于遮断部分的辐射波导，并且其中检测系统有用于接收来自照明系统并通过两个遮断部分的辐射的辐射波导构成，并用于将这个辐射集成为一个有圆形交叉部分的光束，和一个用于将这个光束的强度变化转变为电信号的单一检测器。

21.如权利要求20所述的带扫描装置，它还包括有：

一个用于再生原记录在磁带上的信息信号的再生磁头，

一个其输入端与再生磁头输出端相耦合且其输出端与用于提供信息信号的输出端子相耦合的缓冲存储器，

一个用于在与缓冲存储器的写入时钟信号输入端相耦合的输出端处产生前提供出具有第一时钟频率的第一时钟信号的第一时钟信号产生器组件，所述缓冲存储器适于存储与第一时钟信号相应的信息信号，

一个用于在与缓冲存储器的读取时钟信号输入端相耦合的输出端处产生前提供出具有第二时钟频率的第二时钟信号的第二时钟信号产生器组件，所述缓冲存储器适于在其输出端提供与第二时钟信号相应的已存储在缓冲存储器中的信息信号，第一和第二时钟信号产生器组件之一适于产生具有固定时钟频率的时钟信号，

一用于检测缓冲存储器的充满水平并在其输出端提供一控制信号的检测组件，该控制信号与缓冲存储器的充满水平的测量值有关，

其特征在于速度传感器的输出端与第一或第二时钟信号产生器组件中的另一个的输入端相耦合，所述的另一个时钟信号产生器组件适于产生其时钟频率随装置的电信号变化而变化的时钟信号，且检测组件的输出端与用于控制收纳轴速度的控制回路的输入端相耦合。

22.如权利要求21所述的带扫描装置，其特征在于带扫描装置是用于再生出已记录在带上的模拟信息信号的模拟型装置，该装置包括有设置在再生磁头的输出端和缓冲存储器的输入端之间的A/D转换器，和设置在缓冲存储器的输出端和输出端子之间的D/A转换器，A/D转换器具有与第一时钟信号产生器组件的输出端相耦合的时钟信号输入端，而D/A转换器亦具有一与第二时钟信号产生器回路组件的输出端相耦合的时钟信号输入端。