RU2082087C1

RU2082087C1 - Optical-electronic device which measures position of angle meter dial

Info

Publication number: RU2082087C1
Application number: RU92010412A
Authority: RU
Inventors: Л.С. Привер
Priority date: 1992-12-07
Filing date: 1992-12-07
Publication date: 1997-06-20

Abstract

FIELD: instruments. SUBSTANCE: device has lens, light sources, aperture, scanning unit, disk with two slits on its periphery, photo diodes, bar scale and electronic circuit for information conversion. Bar scale is designed as obscure disk with transparent slits. Scanning unit is designed as two-side optical wedge. Light source has two light-emitting diodes and aperture which has two point-like holes which are located on line that is perpendicular to plane of rotation axes of dial, scanning unit and optical axis of lens. Distance between lens-generated pictures of holes in aperture on disk periphery is equal to odd number of halves of spaces between bars. Two photo diodes which are located between these pictures are connected to first inputs of units of two-channel electronic circuit. Second inputs of these units are connected to photo diode which is located above disk with two slits. Said units have amplifiers, pulse generators and meters of intervals between pulses. In addition input units are connected to generator of high-frequency filling pulses; their outputs are connected to microcomputer for calculation of angular deviation. Latter outputs are connected to unit for detection and comparison of absolute values, switching and indication of results. EFFECT: increased precision, increased field of application. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области прецизионной измерительной техники, используемой в таких приборах, как теодолиты, крутильные весы для автоматизации измерений. The invention relates to the field of precision measuring equipment used in devices such as theodolites, torsion scales for measuring automation.

Известно оптико-электронное устройство для автоматического отсчета соштриховой меры (фотопленки), используемое в теодолите [1] В устройстве грубый отсчет штрихов осуществляется при движении фотопленки, и точный отсчет после ее остановки. Оптико-электронная схема точных измерений содержит источник света, щелевую диафрагму, объектив, призму, сканатор в виде вращающейся плоскопараллельной пластины, фотопленку с прозрачными штрихами, а под пленкой призмы, объектив и два фотодиода. На одной оси со сканатором расположены диск с двумя щелями на периферии и оптопарой для образования опорных импульсов, и диск с большим числом штрихов и оптопарой для выработки счетных импульсов заполнения при измерениях временных интервалов. При вращении сканатора в фотодиодах под пленкой возникают измерительные импульсы, образующие вместе с опорными сигнал с время импульсной модуляцией. Электронная счетная схема, соединенная с фотодиодами, вырабатывает выходной сигнал о положении штриха пленки относительно центра сканирования. A known optical-electronic device for automatically reading the barcode measure (film) used in the theodolite [1] In the device, a rough reading of the strokes is carried out when the film is moving, and an accurate reading after it stops. The optical-electronic circuit for accurate measurements contains a light source, a slit aperture, a lens, a prism, a scanner in the form of a rotating plane-parallel plate, a film with transparent strokes, and under the prism film, a lens and two photodiodes. A disk with two slots on the periphery and an optocoupler for generating reference pulses and a disk with a large number of strokes and an optocoupler for generating counted filling pulses for measuring time intervals are located on the same axis as the scanner. When the scanner rotates in photodiodes, measuring pulses occur under the film, which together with the reference signals form a signal with pulse modulation time. An electronic counting circuit connected to the photodiodes produces an output signal about the position of the film stroke relative to the center of scanning.

К недостаткам данного устройства следует отнести сложность конструкции, которая связана с преобразованием кругового вращения инструмента в линейное движение фотопленки, а также невысокую точность измерений (~ 10^-3), обусловленную, в Частности, недостаточно высокой частотой импульсов заполнения при изменении интервалов времени. Необходимо также соблюдать такие условия эксплуатации, при которых фотопленка не подвергалась бы деформациям.The disadvantages of this device include the complexity of the design, which is associated with the conversion of the circular rotation of the tool into linear motion of the film, as well as the low measurement accuracy (~ 10 ^-3 ), due, in particular, to the insufficiently high frequency of filling pulses when changing time intervals. It is also necessary to observe such operating conditions under which the film would not undergo deformation.

Технологическим результатом является повышение точности и упрощения конструкции. The technological result is to increase the accuracy and simplify the design.

Результат достигается тем, что в оптико-электронном устройстве измерения положения отсчетного круга угломерного инструмента, содержащем в оптическом тракте источники света, диафрагму, сканнер с установленным на его оси вращения диском с двумя радиальными щелями на его периферии, оптронную пару с источником света и фотодиодом, установленными соосно по разные стороны этого диска, отсчетный круг, два фотодиода, электронные блоки преобразования сигналов с фотодиодов, отсчетный круг выполнен в виде непрозрачного диска с радиальными щелями или прозрачными штрихами на его периферии, сканер изготовлен в виде оптического двухгранного клина, установленного на оси двигателя, между отсчетным кругом и сканером установлен объектив, вдоль оптической оси которого со стороны двигателя сканера расположен осветитель с двумя светодиодами и диафрагмой с двумя "точечными" отверстиями, причем оптическая ось объектива, оси вращения сканера и отсчетного круга параллельны и лежат в одной плоскости, а линия, соединяющая центры отверстий в диафрагме, перпендикулярна к этой плоскости, объектив установлен таким образом, что оптические изображения отверстий в диафрагме сфокусированы на периферии отсчетного круга, причем расстояние между ними равно нечетному числу половин расстояний между его щелями, против изображений отверстий диафрагмы на периферии отсчетного круга располагаются входные окна двух фотодиодов, соответственно, эти фотодиоды соединены с первыми входами каналов электронной схемы, выполненной двухканальной, а фотодиод оптронной пары соединен со вторыми входами этих каналов, каждый канал схемы содержит входной блок, состоящий из последовательно соединенных усилителя и формирователя импульсов с фотодиодов и измерителя интервалов времени между ними, оба входных блока соединены с генератором высокочастотных импульсов заполнения, а выходы этих блоков соединены с микрокомпьютерами, выходы компьютеров подключены к блоку выделения и сравнения модулей значений угловых смещений и индикации показаний. The result is achieved by the fact that in the optical-electronic device for measuring the position of the reading circle of the goniometer instrument, which contains light sources, an aperture, a scanner with a disk mounted on its axis of rotation with two radial slots on its periphery, an optocoupler with a light source and a photodiode, mounted coaxially on opposite sides of this disk, a reading circle, two photodiodes, electronic blocks for converting signals from photodiodes, the reading circle is made in the form of an opaque disk with radial slots or with transparent strokes on its periphery, the scanner is made in the form of an optical two-sided wedge mounted on the axis of the engine, a lens is installed between the reading circle and the scanner, along the optical axis of which there is a illuminator with two LEDs and a diaphragm with two "point" holes on the side of the scanner’s engine, moreover, the optical axis of the lens, the axis of rotation of the scanner and the reading circle are parallel and lie in the same plane, and the line connecting the centers of the holes in the diaphragm is perpendicular to this plane, the lens installed in such a way that the optical images of the holes in the diaphragm are focused on the periphery of the reading circle, and the distance between them is equal to an odd number of half the distances between its slots, the input windows of two photodiodes are located opposite the images of the holes of the diaphragm on the periphery of the reading circle, respectively, these photodiodes are connected to the first the channel inputs of an electronic circuit made two-channel, and the photodiode of the optocoupler coupled to the second inputs of these channels, each channel of the circuit contains an input a unit consisting of a series-connected amplifier and a pulse shaper from photodiodes and a time interval meter between them, both input blocks are connected to a generator of high-frequency fill pulses, and the outputs of these blocks are connected to microcomputers, the computer outputs are connected to the block for selecting and comparing modules of values of angular displacements and indication of indications.

На фиг. 1 представлена оптико-механическая схема, а на фиг. 2 - электронная схема устройства. In FIG. 1 shows an optical-mechanical circuit, and in FIG. 2 - electronic circuit of the device.

Оптическая схема содержит отсчетный круг (диск) 1 в виде непрозрачного диска с прозрачными щелями на периферии. Под диском 1 проходит один из клиньев сканатора, выполненного в виде двухгранного клина 2, установленного на оси вращения двигателя 3. На этой оси укреплен также диск 4 опорных импульсов с двумя щелями по диаметру, расположенному параллельно ребру клина 2. На этой же линии по обе стороны диска 4 размещены фотодиод 5 и сканатор 6. Между отсчетным кругом 1 и сканатором 2 расположен объектив 7, а под ним осветитель, состоящий из двух светодиодов 8 и 9 и диафрагмы с двумя "точечными" отверстиями, изображения которых на диске 1 оптически сопряжены с помощью объектива 7. Если сканатор 2 не перекрывает световой поток от осветителя, то два "точечных" изображения отверстий диафрагмы появится на периферии диска вне полоски со штрихами (ближе к центру диска). Это положение не указано на фиг. 1. Если же, как это показано на фиг. 1, одна "плечо" сканатора проходит под объективом 7, то эти изображения, вследствие преломления лучей клином, переместятся по направлению к оси сканатора и окажутся в точках 11 и 12. Из-за вращения клина они будут двигаться по небольшим отрезкам дуговых траекторий в одну сторону и движение их будет дважды повторяться с каждым оборотом клина. Центром этих двух траекторий будут две неподвижные точки на диске, упомянутые выше и не указанные на фиг. 1. Геометрия оптической системы подобрана таким образом, что расстояние между точками 11 и 12 равно в точности нечетному числу половин угловых расстояний между штрихами, равному α_o диска 1. Для точной выставки в конструкции оптической системы предусмотрена возможность небольших перемещений объектива 7 и осветителя с деталями 10, 8, 9, и должна соблюдаться параллельность осей вращения диска 1, сканатора 2 и оптической оси объектива 7. Над диском 1, против точек 11 и 12 устанавливаются фотодиоды 13 и 14 измерительных импульсов, с входными окнами с размером немного меньшим, чем расстояние между щелями l=Rα_o где R радиус диска 1. Оптопара 5, 6 и щели в диске 4 располагаются таким образом, чтобы опорные импульсы возникали в момент касательного расположения боковых граней клина 2 относительно диска 1. Двухканальная электронная схема преобразования информации (фиг. 2) имеет в каждом из каналов блоки 15 и 10 усиления и формирования импульсов, соединенные с микрокомпьютерами 17 и 18, подключенными к блоку 19 сравнения модулей угловых отклонений, переключения и индикации; к первым входам блоков 15, 16 подключены фотодиоды 13 и 14; ко вторым входам фотодиод 5. К блокам 15 и 16 подключены также выход генератора 20 высокочастотного заполнения.The optical circuit contains a reading circle (disk) 1 in the form of an opaque disk with transparent slots on the periphery. One of the scanner wedges, made in the form of a two-sided wedge 2, mounted on the axis of rotation of the engine 3, passes under the disk 1. A disk 4 of reference pulses with two slots in diameter located parallel to the edge of the wedge 2 is also fixed on this axis. a photodiode 5 and a scanner 6 are placed on the sides of the disk 4. A lens 7 is located between the reading circle 1 and the scanner 2, and below it is a illuminator consisting of two LEDs 8 and 9 and a diaphragm with two "point" openings, the images of which on disk 1 are optically paired with help of the lens 7. If the scanner 2 does not block the light flux from the illuminator, then two “point” images of the aperture holes will appear on the periphery of the disk outside the strip with dashes (closer to the center of the disk). This position is not indicated in FIG. 1. If, as shown in FIG. 1, one "shoulder" of the scanner passes under the lens 7, then these images, due to the refraction of the rays by the wedge, will move towards the axis of the scanner and will be at points 11 and 12. Due to the rotation of the wedge, they will move along small segments of the arc trajectories in one side and their movement will be repeated twice with each revolution of the wedge. The center of these two paths will be two fixed points on the disk, mentioned above and not shown in FIG. 1. The geometry of the optical system is selected in such a way that the distance between points 11 and 12 is exactly the odd number of half angular distances between the strokes equal to α _{o of the} disk 1. For accurate exhibition, the optical system has the possibility of small movements of the lens 7 and the illuminator with details 10, 8, 9, and the parallel axes of rotation of the disk 1, scanner 2 and the optical axis of the lens 7 must be observed. Above the disk 1, against the points 11 and 12, photodiodes 13 and 14 of the measuring pulses are installed, with input windows with a size ohm is slightly smaller than the distance between the slits l = Rα _o where R is the radius of the disk 1. The optocouplers 5, 6 and the slots in the disk 4 are located so that the reference pulses occur at the moment of the tangential location of the side faces of the wedge 2 relative to the disk 1. Two-channel electronic circuit information conversion (Fig. 2) has in each channel blocks 15 and 10 amplification and pulse shaping connected to microcomputers 17 and 18 connected to block 19 comparing the modules of angular deviations, switching and display; photodiodes 13 and 14 are connected to the first inputs of blocks 15, 16; to the second inputs of the photodiode 5. To the blocks 15 and 16 are also connected the output of the generator 20 high-frequency filling.

Устройство функционирует следующим образом. The device operates as follows.

Пусть, как это показано на фиг. 1, "точка" 11, т.е. центр отрезка дуги сканирования, совпадает с центром одной из щелей круга 1, а точка 12 находится точно в середине между щелями. В результате вращения сканатора и сканирования точки 11 по диску 1 в фотодиоде 13 возникнут измерительные импульсы в моменты прохождения точки 11 через щель диска, т.е. два раза за один оборот сканатора, с периодом повторения Т. Вместе со сканатором 2 вращается и диск 4 и за один его оборот возникают два импульса со сдвигом во времени по отношению к измерительным импульсам, равным Т/2, что достигается соответствующей выставкой оптопары 5, 6 относительно диска 4. 0если двухгранный клин 2 не был бы срезан как на фиг. 1, а имел квадратное основание, т.е. лучи от осветлителя все время проходили бы через него, то траектория точки имела бы вид полуокружности и опорные импульсы возникали бы в начале и конце траектории сканирования. На фиг. 1 траектория точек 11 и 12 имеют небольшую протяженность, что не влияет на механизм возникновения импульсов, и интервалы времени между измерительными импульсами и опорами равны. Формула для нахождения отклонения положения щели от центра сканирования имеет вид:

где: C размерный коэффициент, зависящий от радиуса дуги сканирования;
τ интервал времени между опорным и измерительным импульсами.Let, as shown in FIG. 1, “point” 11, i.e. the center of the segment of the scanning arc coincides with the center of one of the slots of circle 1, and the point 12 is located exactly in the middle between the slots. As a result of rotation of the scanner and scanning of point 11 across the disk 1 in the photodiode 13, measuring pulses will occur at the moments of passage of the point 11 through the slot of the disk, i.e. twice in one revolution of the scanner, with a repetition period of T. Together with the scanner 2, the disk 4 rotates and for one of its revolution two pulses occur with a time shift with respect to the measuring pulses equal to T / 2, which is achieved by the corresponding exposure of the optocouple 5, 6 relative to the disk 4. 0 if the two-sided wedge 2 would not be cut as in FIG. 1, but had a square base, i.e. if the rays from the clarifier would pass through it all the time, then the trajectory of the point would have the form of a semicircle and reference pulses would arise at the beginning and end of the scan path. In FIG. 1, the trajectories of points 11 and 12 have a small length, which does not affect the mechanism of the appearance of pulses, and the time intervals between the measuring pulses and supports are equal. The formula for finding the deviation of the position of the slit from the center of the scan is:

where: C is a dimensional coefficient depending on the radius of the scanning arc;
τ time interval between the reference and measuring pulses.

Из (1) видно, что для точки 11

В положении сканатара по фиг. 1 в фотодиоде 13 измерительные импульсы не возникают.From (1) it can be seen that for point 11

In the position of the scanner of FIG. 1 in the photodiode 13 measuring pulses do not occur.

При некотором отклонении штриха шкалы 1 от центра сканирования 11 появляются измерительные импульсы и от второго фотодиода 14 и второй канал начинает вычислять по формуле (1) значение отклонения α₂ в то время как в первом канале вычисляются значения α₁. Схема, позволяющая проводить эти измерения и дальнейшую обработку результатов, приведена на фиг. 2. Ее входные блоки 15 и 16 усиливают и формируют импульсы и образуют сигнал с время-импульсной модуляцией, что показано условно на фиг. 2 внутри прямоугольников блоков 15 и 16. В этих блоках содержатся также измерители интервалов времени τ и Т с помощью счета импульсов высокочастотного заполнения от генератора 20. Иными словами, блоки 15 и 16 представляют собой двухканальные измерители периодов повторения и интервалов между импульсами. В блоках 17 и 18 происходит вычисление отклонений a₁ и α₂ штриха от точек (центров) 11 и 12 сканирования (фиг. 1). В какой-то момент, по мере смещения диска 1,

Показания микрокомпьютеров сравниваются по модулям в блоке 19 и в момент их равенства происходит переключение индикации показаний с одного канала измерений на другой. Таким образом, при перемещении штрихов отсчетов круга достигается непрерывная индикация показаний по точной шкале, а сигнал переключения используется для счета импульсов прохождений штрихов, т.е. для реализации грубой шкалы.With a certain deviation of the stroke of the scale 1 from the center of scanning 11, measuring pulses appear and from the second photodiode 14 and the second channel, it starts to calculate, according to formula (1), the deviation α ₂ , while α _{1 is} calculated in the first channel. A diagram allowing these measurements and further processing of the results is shown in FIG. 2. Its

input blocks

15 and 16 amplify and form pulses and form a signal with time-pulse modulation, as shown conditionally in FIG. 2 inside the rectangles of

blocks

15 and 16. These blocks also contain time interval meters τ and T by counting high-frequency filling pulses from the generator 20. In other words,

blocks

15 and 16 are two-channel meters of repetition periods and intervals between pulses. In

blocks

17 and 18, the deviations a ₁ and α _{2 of the} stroke are calculated from the points (centers) 11 and 12 of the scan (Fig. 1). At some point, as disk 1 moves,

The readings of microcomputers are compared by modules in block 19 and at the moment of their equality, the indication of readings switches from one measurement channel to another. Thus, when moving strokes of the circle samples, a continuous indication of readings on an accurate scale is achieved, and the switching signal is used to count the pulses of strokes, i.e. to implement a rough scale.

Обратимся теперь к вопросу о линейности шкалы точных измерений: угол, по формуле (1) отсчитывается по дуге окружности сканирования с радиусом R_ск и в принципе не равен углу поворота диска со штрихом с радиусом R > P_ск. Однако, на деле можно показать с помощью расчетов, что различие при малых значениях угла между штрихами и при шкале, работающей в пределах

оказывает незначительное влияние на линейность шкалы, отступлением от которой можно пренебречь, или занести малые отключения от линейности в память компьютеров 17 и 18, и учитывать их с помощью постоянной программы.We now turn to the question of the linearity of the scale of accurate measurements: the angle, according to formula (1), is measured along the arc of the scanning circle with radius R _ck and, in principle, is not equal to the angle of rotation of the disk with a stroke with radius R> P _ck . However, in practice, it can be shown by calculations that the difference for small values of the angle between the strokes and for a scale operating within

has a slight effect on the linearity of the scale, a deviation from which can be neglected, or to record small disconnections from linearity in the memory of

computers

17 and 18, and take them into account using a constant program.

Рассмотрим конкретный пример. Consider a specific example.

Пусть R 60 мм, а угол между штрихами α_o 4^o (90 штрихов по всей окружности диска 1). Тогда полезная часть амплитуды сканирования

1^o в линейных величинах составляет 1 мм. При такой длине дуги несовпадение между дугами с радиусом R и R_ск 5 мм можно пренебречь.Let R be 60 mm, and the angle between the strokes α _o 4 ^o (90 strokes around the entire circumference of the disk 1). Then the useful part of the scanning amplitude

1 ^o in linear terms is 1 mm. With this arc length, the mismatch between arcs with a radius R and R _{ck of} 5 mm can be neglected.

Погрешность измерений можно оценить на основе работы со сканирующим датчиком угла по авторскому свидетельству СССР N 1073572, в котором R_ск 5 мм погрешность измерений составляет ± 0,1''. Ввиду сходства принципов работы (время-импульсный метод), можно считать достижение этой цифры для точной шкалы вполне реальным, т.е. относительную точность измерений можно оценить 3•10^-5.The measurement error can be estimated on the basis of working with a scanning angle sensor according to the USSR author's certificate N 1073572, in which R _ck 5 mm, the measurement error is ± 0.1 ''. Due to the similarity of the operating principles (time-pulse method), we can consider the achievement of this figure for an accurate scale to be quite real, i.e. relative accuracy of measurements can be estimated 3 • 10 ^-5 .

Claims

An optical-electronic device for measuring the position of the reading circle of a goniometric instrument, containing light sources, an aperture, a scanner with a disk mounted on its axis of rotation with two radial slots on its periphery, an optocoupler with a light source and a photodiode mounted coaxially on opposite sides of this disk, reading circle, two photodiodes, an electronic circuit for converting signals from photodiodes, characterized in that the reading circle is made in the form of an opaque disk with radial slots or a transparent With these strokes on its periphery, the scanner is made in the form of an optical two-sided wedge mounted on the axis of the engine, a lens is installed between the reading circle and the scanner, along the optical axis of which there is a illuminator with two LEDs and a diaphragm with two "point" openings on the scanner engine side, and the optical axis of the lens, the axis of rotation of the scanner and the reading circle are parallel and lie in the same plane, and the line connecting the centers of the holes in the diaphragm is perpendicular to this plane, the lens is mounted t Thus, the optical images of the holes in the diaphragm are focused on the periphery of the reading circle, and the distance between them is equal to an odd number of half the distances between its slots, the input windows of two photodiodes are located opposite the image of the holes of the diaphragm on the periphery of the reading circle, respectively, the photodiodes are connected to the first inputs of the channels a circuit made of two channels, and the photodiode of the optocoupler coupled to the second inputs of these channels, each channel of the circuit contains an input unit consisting of a series of connected amplifier and driver of pulses from photodiodes and a time interval meter between them, both input blocks are connected to a generator of high-frequency fill pulses, and the outputs of these blocks are connected to computers, the outputs of computers are connected to a block for selecting and comparing modules of values of angular displacement and indication of readings.