RU2419067C2 - Absolute angle transducer (versions) - Google Patents
Absolute angle transducer (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2419067C2 RU2419067C2 RU2009108223/28A RU2009108223A RU2419067C2 RU 2419067 C2 RU2419067 C2 RU 2419067C2 RU 2009108223/28 A RU2009108223/28 A RU 2009108223/28A RU 2009108223 A RU2009108223 A RU 2009108223A RU 2419067 C2 RU2419067 C2 RU 2419067C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- receiving
- control element
- matrix
- lens
- signal mask
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Предлагаемое устройство относится к области измерительной техники и может быть использовано в автоматике, станкостроении, приборостроении, робототехнике, системах слежения и других областях техники.The proposed device relates to the field of measurement technology and can be used in automation, machine tool, instrument making, robotics, tracking systems and other fields of technology.
Известны многочисленные прецизионные преобразователи угла, описанные, например, в кн.: Бабушкин С.Г. и др. «Оптико-механические приборы», 1963 г. Наиболее совершенными из них являются электромеханические приборы типа вращающегося трансформатора и оптические гониометры.Numerous precision angle converters are known, described, for example, in the book: Babushkin S.G. etc. "Optical-mechanical devices", 1963. The most advanced of them are electromechanical devices such as a rotating transformer and optical goniometers.
В оптических гониометрах использован коллимационный принцип измерений угла поворота вала, на котором жестко закреплены многогранные зеркальные призмы. Отечественные гониометры типа ГС-10, ГС-5 и ГС-2 имеют точность 10", 5" и 2" соответственно, в неограниченном диапазоне углов. Однако габариты этих приборов очень велики (более 0,5×0,5×0,5 м3).In optical goniometers, the collimation principle of measuring the angle of rotation of the shaft is used, on which multifaceted mirror prisms are rigidly fixed. Domestic goniometers such as GS-10, GS-5 and GS-2 have an accuracy of 10 ", 5" and 2 ", respectively, in an unlimited range of angles. However, the dimensions of these devices are very large (more than 0.5 × 0.5 × 0.5 m 3 ).
Основными недостатками этих приборов, принятых за аналоги, являются:The main disadvantages of these devices, taken as analogues, are:
- большие габариты и масса устройств;- large dimensions and mass of devices;
- ограниченные точности измерений из-за влияния люфтов, зазоров, осей вращений и узлов сопряжения с осью вращения объекта;- limited measurement accuracy due to the influence of backlash, gaps, rotational axes and interface nodes with the axis of rotation of the object;
- высокая стоимость приборов, которая для современных преобразователей класса точности 1÷3 угловых секунд достигает 3000 $ и более.- the high cost of devices, which for modern converters of
Известны также фотоэлектрические кодовые датчики вал-код (см., например, кн.: Мелькин Н.В. «Фотоэлектрические преобразователи угловой величины в цифровой код» // Судпромгиз, 1966 г.) и самые прецизионные из них - приборы с интерполяцией в последнем разряде (Вульбет Дж. Датчики в цифровых системах // М.: Энергоиздат, 1981 г., стр.201). Современные отечественные приборы, производимые СКБИС (г.Санкт-Петербург), обладают третьим классом погрешности измерений до 3,5 угл. сек, например, прибор ЛИР-ДА 190 (http://www.skbs.ru) при габаритах: диаметр 90 мм × 60 мм и массе 0,7 кг.The shaft-code photoelectric encoders are also known (see, for example, book: N. Melkin, “Photoelectric Converters of an Angular Value to a Digital Code” // Sudpromgiz, 1966) and the most precise of them are devices with interpolation in the latter category (Vulbet J. Sensors in digital systems // M .: Energoizdat, 1981, p. 201). Modern domestic devices manufactured by SKBIS (St. Petersburg) have a third class of measurement error of up to 3.5 angles. sec, for example, the LIR-DA 190 device (http://www.skbs.ru) with dimensions: diameter 90 mm × 60 mm and weight 0.7 kg.
Известны устройства по патенту США №5018853 (28.05.1991), авт.св. СССР №1805287 (30.03.1993). Однако в этих устройствах применена ПЗС-линейка, а не двумерная ПЗС-матрица, что является принципиальным отличием заявленного устройства. Действительно, функционирование ПЗС-линейки с одной сигнальной щелью принципиально невозможно для построения полноценного преобразователя угла с диапазоном измерений 0÷360°. Поэтому устройство по патенту США №5018853 работоспособно только в диапазоне 0÷90° (описание к патенту США №5018853, Summary of the invention, столбец 2, строка 20). Для измерения угла в необходимом диапазоне 0÷360° требуется иметь две взаимно перпендикулярные щели со сложной системой волоконно-оптической связи между объектом и измерителем для переключения подсветки этих щелей (см., например, устройство по авт. св. СССР №1805287). Кроме того, за счет того, что число пикселов ПЗС-матрицы примерно в 103 раз превышает число пикселов ПЗС-линейки, имеется возможность построения осесимметричных измерительных схем измерения угла, что приводит к повышению точности измерений в 100 и более раз, по сравнению со схемами аналогов. Таким образом, устройства, описанные в этих патентах, решают узкие задачи с низкой точностью.Known devices according to US patent No. 5018853 (05/28/1991), ed. USSR No. 1805287 (03.30.1993). However, in these devices a CCD array is used, and not a two-dimensional CCD array, which is a fundamental difference between the claimed device. Indeed, the operation of a CCD line with one signal slit is fundamentally impossible for constructing a full-fledged angle converter with a measurement range of 0 ÷ 360 °. Therefore, the device according to US patent No. 5018853 is operable only in the
Известны также устройства, описанные в заявках DE 102007023993 (27.11.2008), JP 2069641 (08.03.1990). Эти устройства, наоборот, содержат приемную ПЗС-матрицу и не содержат сигнальную щель, необходимую для прецизионных измерений угла. В них производится грубое измерение угла совместно с измерением других линейных величин (Δх, Δу и т.п.). Поэтому размеры изображений сигнальных структур в плоскости приемных ПЗС-матриц вынужденно намного меньше размеров самих матриц, что приводит к резкому уменьшению точности определения измеряемых параметров (в том числе и угла разворота объекта).Also known are the devices described in the applications DE 102007023993 (11.27.2008), JP 2069641 (08.03.1990). These devices, on the contrary, contain a receiving CCD matrix and do not contain the signal slit necessary for precision angle measurements. They make a rough measurement of the angle together with the measurement of other linear quantities (Δх, Δу, etc.). Therefore, the size of the images of the signal structures in the plane of the receiving CCD matrices is compelled to be much smaller than the sizes of the matrices themselves, which leads to a sharp decrease in the accuracy of determination of the measured parameters (including the angle of rotation of the object).
Ближайшим аналогом (прототипом) выбирается устройство, описанное в кн.: Вульбет Дж. Датчики в цифровых системах // Москва, Энергоиздат, 1981, стр.201.The closest analogue (prototype) selects the device described in the book: Vulbet J. Sensors in digital systems // Moscow, Energoizdat, 1981, p. 201.
Схема прибора - аналога содержит механическую муфту связи контролируемого объекта с осью ротора преобразователя. На оси ротора жестко закреплен стеклянный диск с круговыми кадровыми дорожками (закодированными в коде Грея), а статор прибора содержит систему освещающих диодов и фотодетекторов, число которых равно числу кодовых дорожек.The circuit of the analogue device contains a mechanical coupling of the controlled object with the axis of the rotor of the converter. A glass disk with circular frame paths (encoded in the Gray code) is rigidly fixed on the rotor axis, and the device stator contains a system of lighting diodes and photodetectors, the number of which is equal to the number of code tracks.
В цепи приемных фотодетекторов формируются двухуровневые сигналы (0 и 1) двоичного кода Грея, преображающиеся приемной схемой прибора в двоичный код измеряемого угла поворота вала ротора.In the chain of receiving photodetectors two-level signals (0 and 1) of the binary Gray code are generated, which are converted by the receiving circuit of the device into a binary code of the measured angle of rotation of the rotor shaft.
Физическим ограничением точности этого преобразователя является линейный размер периода младшего разряда кода, который не может быть меньше длины волны света λ (≈0,5 мкм) из-за дифракции света.A physical limitation on the accuracy of this converter is the linear size of the period of the least significant bit of the code, which cannot be less than the wavelength of light λ (≈0.5 μm) due to light diffraction.
Отсюда следуют основные недостатки прототипа:From here follow the main disadvantages of the prototype:
- большие габариты и массы прибора;- large dimensions and masses of the device;
- сложные механические узлы, обеспечивающие повороты кодового диска и сопряжения его с осью вращения объекта;- complex mechanical components that provide rotations of the code disk and its conjugation with the axis of rotation of the object;
- высокая стоимость прибора.- high cost of the device.
Предлагаемое изобретение направлено на решение следующих задач:The invention is aimed at solving the following problems:
- повышение точностных и эксплуатационных характеристик;- improving the accuracy and performance;
- уменьшение габаритов и масс преобразователей;- reducing the size and mass of the converters;
- уменьшение стоимости приборов.- reduction in the cost of devices.
Поставленные задачи решаются тем, что, во-первых, в преобразователях применен новый для этого типа приборов фотодетектор - многоэлементные устройства, ПЗС-матрицы, на которых возможно измерение линейных перемещений 0,01 мкм и выше, что, соответственно, приводит к снижению габаритов примерно в 10 раз по сравнению с прототипом. Кроме того, стоимость серийных образцов ПЗС-матриц составляет 100÷250 $, что и определяет низкую стоимость самого прибора.The tasks are solved by the fact that, firstly, a new photodetector for this type of device is used in the converters - multi-element devices, CCD arrays, on which linear displacements of 0.01 μm and above can be measured, which, accordingly, leads to a decrease in dimensions 10 times compared with the prototype. In addition, the cost of serial samples of CCDs is $ 100 ÷ 250, which determines the low cost of the device itself.
Во-вторых, оптические схемы (как на просвет, так и на отражение) и контрольные элементы, устанавливаемые на измеряемом объекте, очень просты и дешевы, что также приводит к снижению стоимости преобразователя.Secondly, optical circuits (both in clearance and reflection) and control elements installed on the measured object are very simple and cheap, which also leads to a reduction in the cost of the converter.
В-третьих, оптическая связь между прибором и объектом измерения (вместо механической связи в приборе-прототипе) приводит к тому, что конструкция преобразователя вообще не содержит подвижных элементов, а расстояние между прибором и объектом может принимать различные значения. Это приводит, в свою очередь, к увеличению реальной точности измерений и расширению функциональных возможностей преобразователя.Thirdly, the optical connection between the device and the measurement object (instead of the mechanical connection in the prototype device) leads to the fact that the design of the converter does not contain any moving elements at all, and the distance between the device and the object can take different values. This, in turn, leads to an increase in the real accuracy of measurements and the expansion of the functionality of the converter.
В-четвертых, в схеме прибора используется контроллер (ПК), осуществляющий программное обеспечение работы преобразователя и хранящий в памяти результаты метрологической калибровки, что также приводит к повышению точности измерений.Fourthly, the controller (PC) is used in the instrument circuitry, which implements the converter operation software and stores the results of metrological calibration, which also leads to an increase in measurement accuracy.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, 2, 3.The invention is illustrated in figures 1, 2, 3.
На фиг.1 приведена принципиальная схема преобразователя с активным по энергии контрольным элементом.Figure 1 shows a schematic diagram of a Converter with an active energy control element.
На фиг.2 приведено сигнальное оптическое изображение и его электрический эквивалент.Figure 2 shows the signal optical image and its electrical equivalent.
На фиг.3 приведена схема прибора с пассивным по энергии контрольным элементом.Figure 3 shows a diagram of a device with a passive energy control element.
На фиг.1 изображен контрольный элемент КЭ, жестко закрепленный на поворотном валу, и измерительный блок ИБ.Figure 1 shows the control element CE, rigidly mounted on a rotary shaft, and the measuring unit IB.
Контрольный элемент КЭ содержит светодиод 1, точечную диафрагму 2, конденсор 3, сигнальную маску 4, расположенную в фокальной плоскости объектива 5. Приемный узел содержит объектив 6 и приемную ПЗС - (КМОП) матрицу 7, сигнал с которой по USB-2.0 - порту поступает на персональный компьютер ПК или специализированный контроллер.The control element of the FE contains an
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
Осветитель контрольного элемента (светодиод 1, точечная диафрагма 2 и конденсор 3) формирует равномерный параллельный световой поток, который освещает сигнальную маску 4. Сигнальная маска представляет собой прозрачную узкую щель на непрозрачной подложке (фиг.1б). Маска 4 может быть выполнена на стеклянной дисковой детали или в виде металлических ножей. Объектив 5, в фокальной плоскости которого расположена сигнальная маска 4, образует коллимационное изображение световой щели сигнальной маски 4, которое развернуто на измеряемый угол φ относительно измерительного блока.The illuminator of the control element (
Объектив 6 приемного узла строит в своей фокальной плоскости изображение светящейся маски 4 КЭ. Эта плоскость совмещена с приемной плоскостью приемной матрицы 7, которая и детектирует это изображение светящейся маски 4.The
На фиг.2 представлено изображение светлого штриха маски 4 в плоскости приемной матрицы 7, а на фиг.2б приведен график электрического сигнала по отдельной строке матрицы.Figure 2 presents the image of the light stroke of the
С помощью приемной матрицы 7 оптическое изображение преобразуется в электронно-цифровой эквивалент и поступает на персональный компьютер ПК.Using the
С помощью специализированных алгоритмов обработки информации в ПК производится вычисление по каждой строке j приемной матрицы координаты xoj энергетического центра точек изображения сигнального штриха (фиг.2а).Using specialized information processing algorithms in the PC, each row j of the receiving matrix is calculated with the coordinates x oj of the energy center of the image points of the signal stroke (Fig. 2a).
Угол φj определяется из очевидного соотношенияThe angle φ j is determined from the obvious relation
где Δуп - размер пикселя матрицы 7 (Δуп=3÷5 мкм),where Δy p is the pixel size of the matrix 7 (Δy p = 3 ÷ 5 μm),
j - номер строки матрицы 7.j is the row number of the
При значениях φ>45° строки и столбцы транспонируются с заменой j→i, и вычисления производятся по каждому столбцу i матрицы 7.For values of φ> 45 °, rows and columns are transposed with the replacement j → i, and calculations are performed for each column i of
Таким образом, производится определение измеряемого угла φ в диапазоне 0÷360°.Thus, the measured angle φ is determined in the
Вычисленный алгоритм угла φ равенThe calculated algorithm of the angle φ is
где М - число строк (столбцов) приемной матрицы (М=103).where M is the number of rows (columns) of the receiving matrix (M = 10 3 ).
Поэтому случайная погрешность δφ измеренийTherefore, the random error δφ of measurements
Экспериментально измеренное значение координаты xoj энергетического центра изображения штриха равно 0,03 Δxп (Δуп), где Δxп (Δуп) - х и у - размеры пикселя приемной матрицы 7.The experimentally measured value of the coordinate x oj of the energy center of the stroke image is 0.03 Δx p (Δy p ), where Δx p (Δy p ) - x and y are the pixel sizes of the receiving
Следовательно, по формулам (2) и (3) получаемTherefore, by formulas (2) and (3) we obtain
Все систематические ошибки прибора могут быть выявлены и исключены на этапе калибровки (с точностью используемого эталонного устройства). Поэтому реальная точность измерений прибора определяется величиной δφ.All systematic errors of the device can be detected and eliminated at the calibration stage (with the accuracy of the reference device used). Therefore, the actual measurement accuracy of the device is determined by the value of δφ.
На настоящий момент изготовлен и испытан макет устройства по схеме фиг.1. В макете использована ПЗС-матрица с разрядностью 640×480 пикселей. Случайная погрешность на макете составила δφ=0,3 угл. сек для всех углов в диапазоне 360°.At the moment, made and tested the layout of the device according to the scheme of figure 1. The layout used a CCD matrix with a resolution of 640 × 480 pixels. The random error on the layout was δφ = 0.3 ang. sec for all angles in the range of 360 °.
Световые диаметры прибора определяются размерами приемной матрицы и равны 6×6 мм. Однако размеры платы обвязки матрицы равны ≈30×30 мм2, что и определяет реальные габариты прибора, которые намного меньше габаритов фотоэлектрических кодовых датчиков сравнимой точности измерений.The light diameters of the device are determined by the size of the receiving matrix and are equal to 6 × 6 mm. However, the dimensions of the matrix strapping board are ≈30 × 30 mm 2 , which determines the actual dimensions of the device, which are much smaller than the dimensions of the photoelectric code sensors of comparable measurement accuracy.
Себестоимость прибора по схеме на фиг.1 определяется, в основном, стоимостью матрицы 7 вместе с объективом 6, которая равна 200÷250 $.The cost of the device according to the scheme in figure 1 is determined mainly by the cost of the
Общая себестоимость прибора не превышает 400÷500 $, что намного меньше цены современных приборов класса точности 0,2-0,3 угловых секунд.The total cost of the device does not exceed $ 400 ÷ 500, which is much less than the price of modern devices of accuracy class 0.2-0.3 arc seconds.
Схема фиг.1 обладает также очень важным достоинством, которое заключается в том, что расстояние между КЭ и приемным модулем может быть переменным в достаточно широких пределах. Это объясняется тем, что схема прибора является коллимационной.The scheme of figure 1 also has a very important advantage, which consists in the fact that the distance between the FE and the receiving module can be variable over a wide enough range. This is because the circuit of the device is collimating.
Кроме того, поскольку между КЭ и приемным модулем осуществляется оптическая связь, то в приборе отсутствуют подвижные части и любые переходные элементы (муфты) между КЭ и приемным узлом.In addition, since there is optical communication between the FE and the receiving module, the device does not have moving parts and any transition elements (couplings) between the FE and the receiving unit.
На фиг.3 приведена авторефлекторная модификация схемы преобразователя. Приемный узел этой схемы содержит осветительный узел (светодиод 1, диафрагму 2, конденсор 3, светоделительную пластину 8) и приемный узел (объектив 6 и матрицу 7). Контрольный элемент представлен маской 4 с узким зеркальным штрихом вместо прозрачной щели в схеме на фиг.1.Figure 3 shows the autoreflex modification of the converter circuit. The receiving unit of this circuit contains a lighting unit (
Изображение этого штриха, подсвеченное осветителем, строится объективом 6 в приемной плоскости матрицы 7.The image of this stroke, illuminated by the illuminator, is built by the
Это изображение, его детектирование и алгоритмы обработки информации аналогичны тем, что были приведены при описании работы схемы на фиг.1.This image, its detection and information processing algorithms are similar to those that were given in the description of the operation of the circuit in figure 1.
Единственным существенным отличием схемы на фиг.2 от схемы на фиг.1 состоит в том, что расстояние между КЭ (п.4) и приемным модулем является постоянным, поскольку эта схема прибора не является (авто) коллимационной.The only significant difference between the circuit in Fig. 2 and the circuit in Fig. 1 is that the distance between the FE (item 4) and the receiving module is constant, because this circuit of the device is not (auto) collimating.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009108223/28A RU2419067C2 (en) | 2009-02-26 | 2009-02-26 | Absolute angle transducer (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009108223/28A RU2419067C2 (en) | 2009-02-26 | 2009-02-26 | Absolute angle transducer (versions) |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2009108223A RU2009108223A (en) | 2010-09-10 |
RU2419067C2 true RU2419067C2 (en) | 2011-05-20 |
Family
ID=42800188
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009108223/28A RU2419067C2 (en) | 2009-02-26 | 2009-02-26 | Absolute angle transducer (versions) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2419067C2 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2451903C1 (en) * | 2010-12-22 | 2012-05-27 | Закрытое акционерное общество "МЕРА" | Method of measuring plane angle and device for realising said method |
-
2009
- 2009-02-26 RU RU2009108223/28A patent/RU2419067C2/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2009108223A (en) | 2010-09-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7042575B2 (en) | Speckle sizing and sensor dimensions in optical positioning device | |
JP6312505B2 (en) | Optical encoder and apparatus equipped with the same | |
JP5538870B2 (en) | Rotary encoder | |
US9417101B2 (en) | Optical encoder with a scale that has fine and coarse pitch patterns | |
US4933673A (en) | Encoder | |
EP2662668B1 (en) | Scale, vernier encoder and apparatus using the same | |
JPH07286861A (en) | Device and method for optical conversion | |
US20040227065A1 (en) | Rotary position sensor with offset beam generating element and elliptical detector array | |
MXPA01006213A (en) | Position sensor and circuit for optical encoder. | |
JP2014130019A (en) | Scale, displacement detection device, lens device, photographing system, and assembling device | |
US11105656B2 (en) | Optical encoder using two different wavelengths to determine an absolute and incremental output for calculating a position | |
Lee et al. | Incremental optical encoder based on a sinusoidal transmissive pattern | |
JP6035467B2 (en) | Reflective encoder | |
RU2419067C2 (en) | Absolute angle transducer (versions) | |
JP2007071732A (en) | Absolute value encoder of optical type | |
US10859374B2 (en) | Optical angle sensor | |
US7746477B1 (en) | System and method for illuminating and imaging a surface for an optical navigation system | |
JP2002243503A (en) | Optical encoder | |
JP4779517B2 (en) | Optical absolute encoder | |
US6759647B2 (en) | Projection encoder | |
EP2275782B1 (en) | High resolution absolute rotary encoder | |
EP3825659B1 (en) | Position encoder | |
JP2020159991A (en) | Photoelectric encoder and calculation method for photoelectric encoder | |
RU2451903C1 (en) | Method of measuring plane angle and device for realising said method | |
Kolosov et al. | Comparative evaluation of three modern turning-angle sensors |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180227 |