RU2569072C2

RU2569072C2 - Angle of rotation sensor

Info

Publication number: RU2569072C2
Application number: RU2013142291/28A
Authority: RU
Inventors: Михаил Петрович Колосов; Андрей Янович Гебгарт
Original assignee: Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Геофизика-Космос" (АО "НПП "Геофизика-Космос")
Priority date: 2013-09-17
Filing date: 2013-09-17
Publication date: 2015-11-20
Also published as: RU2013142291A

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment and can be used in angle measuring devices. An angle of rotation sensor includes a lighting installation with a mask, a measuring unit including a multiple-platform photodetector (MPP) optically adjacent to the mask, and a beam divider located between the lens and MPP. With that, the mask is installed in front of the beam divider in the focal plane of the lens; MPP is connected to an electronic unit, and the device also includes a controlled object installed with a possibility of being rotated relative to the measuring unit. An additional optic element is fixed on the controlled object and made in the form of a double mirror with a right angle between its mirrors, which faces to the lens. A rib between mirrors of the double mirror is perpendicular to the optic axis of the lens, and the rotation axis of the controlled object and the symmetry plane of the double mirror are parallel to the optic axis of the lens.

EFFECT: improving measurement accuracy of an angle of rotation of the controlled object.

8 dwg

Description

Предлагаемое устройство относится к области измерительной техники, автоматике, станкостроению, приборостроению, робототехнике, системам слежения и может быть использовано в углоизмерительных устройствах, например приборах астроориентации.The proposed device relates to the field of measuring equipment, automation, machine tool building, instrument making, robotics, tracking systems and can be used in angle measuring devices, for example, astroorientation devices.

В настоящее время получили распространение датчики угла поворота (иначе, фотоэлектрические цифровые преобразователи угла), использующие кодовые и растровые преобразования (см., например, Преснухин Л.Н. и др. «Фотоэлектрические преобразователи информации». - М.: Машиностроение, 1974). При уровне погрешностей в единицы угловых секунд диаметр их кодовых лимбов может доходить до 300 мм (Королев А.Н., Лукин А.Я., Полищук Г.С. «Новая концепция измерения угла. Модельные и экспериментальные исследования». Оптический журнал, 2012, т.79, №6, стр.52-58). Поэтому уменьшение габаритов таких датчиков при увеличении точности является актуальной задачей. С этой точки зрения наибольший интерес представляет изобретение малогабаритного датчика угла (Дукаревич Ю.Е., Дукаревич М.Ю. «Абсолютный преобразователь угла (варианты)». Патент РФ №2419067, 20.05.2011 - прототип), в котором формулируется подход к измерению углов, основанный на использовании двумерных матричных фотоприемных устройств (МФПУ) для решения одномерной задачи измерения плоского угла. Такой подход позволяет уменьшить размеры измерительного устройства (датчика угла поворота) перпендикулярно оси его вращения и существенно снизить погрешность измерения за счет высокого уровня усреднения большого количества одиночных отсчетов.Currently, rotation angle sensors (in other words, photoelectric digital angle converters) using code and raster transformations (see, for example, Presnukhin LN et al. “Photoelectric information converters”, Moscow: Mashinostroenie, 1974) have become widespread. . With an error level in units of angular seconds, the diameter of their code limbs can reach up to 300 mm (Korolev AN, Lukin A.Ya., Polishchuk GS “A new concept for measuring angle. Model and experimental studies.” Optical Journal, 2012 , t. 79, No. 6, p. 52-58). Therefore, reducing the size of such sensors with increasing accuracy is an urgent task. From this point of view, the invention of a small-sized angle sensor (Dukarevich Yu.E., Dukarevich M.Yu. “Absolute angle transducer (options).” RF patent No. 2419067, 05.20.2011 - prototype), which formulates an approach to measurement, is of the greatest interest. angles based on the use of two-dimensional matrix photodetectors (MFPU) to solve the one-dimensional problem of measuring a flat angle. This approach allows us to reduce the size of the measuring device (angle sensor) perpendicular to the axis of its rotation and significantly reduce the measurement error due to the high level of averaging of a large number of single samples.

Указанный выше прототип (датчик угла поворота), работающий на отражение, представлен на фиг.1. Он состоит из сигнальной маски 1 и неподвижного измерительного блока 2. Сигнальная маска 1 закреплена на вращающемся контролируемом объекте 3 и обращена к измерительному блоку 2. При вращении контролируемого объекта 3 соответственно вращается и сигнальная маска 1. Измерительный блок 2 состоит из светоделителя 4, выполненного, например, в виде светоделительной куб-призмы, за которой расположен объектив 5. Оптическая ось осесимметричного объектива (ось симметрии) является оптической осью датчика. За указанным объективом установлена матрица пикселей МФПУ 6, подключенного к электронному блоку 7. Посредством объектива 5 МФПУ 6 оптически сопряжен с сигнальной маской 1. Светоделительная куб-призма 4 имеет входную 8 и выходную 9 грани. Осветитель 10 для подсветки сигнальной маски 1 закреплен на измерительном блоке перед входной гранью 8 светоделителя 4. В состав электронного блока 7 может входить персональный компьютер с монитором 11, который на фиг.1 представлен для наглядности дальнейшего изложения. Сигнальная маска 3 представляет собой черную (малоотражающую) сетку с узким зеркальным штрихом.The above prototype (rotation angle sensor), which operates on reflection, is presented in figure 1. It consists of a signal mask 1 and a stationary measuring unit 2. The signal mask 1 is mounted on a rotating controlled object 3 and faces the measuring block 2. When the controlled object 3 is rotated, the signal mask 1 also rotates. Measuring block 2 consists of a beam splitter 4, made for example, in the form of a beam-splitting cube-prism, behind which the lens 5 is located. The optical axis of the axisymmetric lens (axis of symmetry) is the optical axis of the sensor. Behind the specified lens, a matrix of pixels of the MFP 6 is connected to the electronic unit 7. By means of a lens 5, the MFP 6 is optically coupled to a signal mask 1. The beam splitting cube-prism 4 has an input 8 and an output 9 face. The lighter 10 for illuminating the signal mask 1 is mounted on the measuring unit in front of the input face 8 of the beam splitter 4. The electronic unit 7 may include a personal computer with a monitor 11, which is shown in FIG. 1 for illustrative purposes. The signal mask 3 is a black (low reflective) grid with a narrow specular stroke.

Датчик угла поворота работает следующим образом.The angle sensor works as follows.

Свет (лучи) от осветителя 10, отразившись от светоделителя 4, освещает сигнальную маску 1. Отраженные от зеркального штриха сигнальной маски лучи, пройдя светоделитель 4 и объектив 5, сфокусируются на МФПУ 6 в виде изображения указанного зеркального штриха. Положение изображения штриха, строго перпендикулярное строкам МФПУ, является нулевым (измеряемый угол - ноль градусов). При повороте контролируемого объекта совместно с сигнальной маской на угол γ изображение штриха повернется на МФПУ также на измеряемый угол γ. С помощью электронного блока 7 производится определение x_0j энергетического центра каждой части изображения штриха в каждой строке МФПУ 6. Таким образом, количество измерений равно количеству строк МФПУ (или при большем угле - количеству его столбцов). Далее по алгоритму, представленному в патенте РФ №2419067, в электронном блоке 7 производится вычисление угла γ. Для наглядности на фиг.1 показан экран монитора с двумя окнами 12, 13. В окне 12 приводится значение измеренного угла γ. В окне 13, которое подобно размерам матрицы МФПУ, показано положение изображения штриха.The light (rays) from the illuminator 10, reflected from the beam splitter 4, illuminates the signal mask 1. The rays reflected from the mirror stroke of the signal mask, passing the beam splitter 4 and lens 5, are focused on the MFP 6 in the form of an image of the specified mirror stroke. The position of the stroke image, strictly perpendicular to the lines of the MFP, is zero (the measured angle is zero degrees). When the controlled object is rotated together with the signal mask by an angle γ, the image of the stroke will also be rotated on the MFP by the measured angle γ. Using the electronic unit 7, the energy center x _{0j of} each part of the line image is determined in each row of the MFP 6. Thus, the number of measurements is equal to the number of rows of the MFP (or, if the angle is larger, the number of its columns). Further, according to the algorithm presented in the patent of the Russian Federation No. 2419067, the angle γ is calculated in the electronic unit 7. For clarity, figure 1 shows a monitor screen with two windows 12, 13. Window 12 shows the value of the measured angle γ. Window 13, which is similar to the size of the MFP array, shows the position of the bar image.

Следует особо подчеркнуть, что выполнение сигнальной маски в виде одиночного штриха является частным случаем. В принципе, сигнальная маска может иметь и другой рисунок (см., например, Королев А.Н., Лукин А.Я., Полищук Т.С. «Новая концепция измерения угла. Модельные и экспериментальные исследования». Оптический журнал, 2012, т.79, №6, стр.52-58).It should be emphasized that the execution of the signal mask in the form of a single stroke is a special case. In principle, the signal mask may also have a different pattern (see, for example, Korolev A.N., Lukin A.Ya., Polishchuk TS “A new concept for measuring angle. Model and experimental studies.” Optical Journal, 2012, t. 79, No. 6, p. 52-58).

Недостатки рассмотренного датчика угла поворота:Disadvantages of the considered angle sensor:

1. Из-за шумов и других факторов, присущих МФПУ, имеет место погрешность измерения положения энергетического центра изображения на матрице, которая составляет долю от размера пикселя. Из нашего практического опыта работы с разнообразными МФПУ указанная погрешность составляет 1/10…1/30 от размера пикселя. Приведенное в патенте РФ №2419067 значение погрешности в 0,03 от размера пикселя можно рассматривать как предельное. Количество строк (столбцов) МФПУ также ограничено. Поэтому существенно повысить точности такого типа малогабаритных датчиков угла поворота (на основе МФПУ) не представляется возможным.1. Due to noise and other factors inherent in the MFP, there is an error in measuring the position of the energy center of the image on the matrix, which is a fraction of the pixel size. From our practical experience working with a variety of MFPs, the indicated error is 1/10 ... 1/30 of the pixel size. The error value of 0.03 of the pixel size given in RF patent No. 2419067 can be considered as limiting. The number of rows (columns) of the MFP is also limited. Therefore, it is not possible to significantly increase the accuracy of this type of small-sized angle-of-rotation sensors (based on the MFP).

2. Изменение расстояния между контролируемым объектом (сигнальной маской) и измерительным блоком приводит к расфокусировке изображения на МФПУ и соответствующему ухудшению его точности.2. Changing the distance between the controlled object (signal mask) and the measuring unit leads to defocusing of the image on the MFP and a corresponding deterioration in its accuracy.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание высокоточного прибора при обеспечении его малых габаритов и отсутствия расфокусировки изображения на МФПУ.The problem to which the invention is directed, is to create a high-precision device while ensuring its small dimensions and the lack of defocusing of the image on the MFP.

Данная задача решается за счет того, что в заявленном датчике угла поворота, содержащем сигнальную маску с осветителем и измерительный блок, состоящий из светоделителя, объектива и МФПУ, оптически сопряженного с сигнальной маской и подключенного к электронному блоку, а также контролируемый объект, установленный с возможностью поворота относительно измерительного блока, на контролируемом объекте дополнительно закреплен оптический элемент, выполненный в виде двойного зеркала с прямым углом между его зеркалами, обращенного к объективу, светоделитель расположен между объективом и МФПУ, а сигнальная маска установлена перед светоделителем в фокальной плоскости объектива.This problem is solved due to the fact that in the inventive angle sensor containing a signal mask with a illuminator and a measuring unit consisting of a beam splitter, lens and MFP, optically paired with a signal mask and connected to an electronic unit, as well as a controlled object installed with the possibility of rotation relative to the measuring unit, an optical element is additionally fixed on the controlled object, made in the form of a double mirror with a right angle between its mirrors facing the lens, vetodelitel located between the lens and the FPA, and a mask signal is set to the beam splitter in the focal plane of the lens.

При этом двойное зеркало, выполненное в виде призмы БР-180°, установлено так, что ребро между ее зеркальными гранями перпендикулярно оптической оси объектива, светоделитель может быть выполнен в виде светоделительной куб-призмы, светоделительная плоскость которой расположена под углом 45° к оптической оси объектива, а сигнальная маска установлена так, что ее оптическая ось перпендикулярна оптической оси датчика и совмещена с центром светоделителя.In this case, a double mirror made in the form of a BR-180 ° prism is installed so that the edge between its mirror faces is perpendicular to the optical axis of the lens, the beam splitter can be made in the form of a beam splitting cube prism, the beam splitting plane of which is located at an angle of 45 ° to the optical axis the lens, and the signal mask is set so that its optical axis is perpendicular to the optical axis of the sensor and aligned with the center of the beam splitter.

Технический результат, обеспечиваемый приведенной совокупностью признаков, выражается в повышении точности измерения угла поворота контролируемого объекта.The technical result provided by the given set of features is expressed in increasing the accuracy of measuring the angle of rotation of the controlled object.

Это достигается тем, что отсутствует расфокусировка изображения сигнальной маски в фокальной плоскости объектива и введением оптического элемента в виде двойного зеркала с прямым углом и его установки, что приводит к увеличению угловой чувствительности данного датчика угла поворота в два раза и к соответствующему увеличению его точности.This is achieved by the fact that there is no defocusing of the signal mask image in the focal plane of the lens and the introduction of an optical element in the form of a double mirror with a right angle and its installation, which leads to a twofold increase in the angular sensitivity of this angle sensor and a corresponding increase in its accuracy.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:The invention is illustrated by drawings, which depict:

на фиг.1 - прототип;figure 1 - prototype;

на фиг.2 - предлагаемое изобретение;figure 2 - the invention;

на фиг.3 - другой вариант конструктивного выполнения предлагаемого изобретения (те же средства, но иная композиция, однако у конструкции проявляются физические закономерности, как на фиг.1, но достигается тот же технический результат);figure 3 is another variant of the structural implementation of the present invention (the same means, but a different composition, however, the design shows physical patterns, as in figure 1, but the same technical result is achieved);

на фиг.4 - двойное зеркало, ребро которого расположено горизонтально;figure 4 is a double mirror, the edge of which is located horizontally;

на фиг.5 - двойное зеркало, повернутое на 90°, ребро которого расположено вертикально;figure 5 is a double mirror rotated 90 °, the edge of which is located vertically;

на фиг.6 - средства фиксации нулевого положения контролируемого объекта;figure 6 - means of fixing the zero position of the controlled object;

на фиг.7 - средство для определения поворота контролируемого объекта на соответствующем квадранте;Fig.7 - means for determining the rotation of the controlled object on the corresponding quadrant;

на фиг.8 - диск, закрепляемый на контролируемом объекте для определения номера квадранта и нулевого положения.on Fig - disk mounted on the controlled object to determine the quadrant number and zero position.

Предлагаемое изобретение (датчик угла поворота, работающий на отражение) представлено на фиг.2. Устройство состоит из сигнальной маски 1, неподвижного измерительного блока 2 и включает контролируемый вращающийся объект 3. Кроме того, в него входит светоделитель 4, расположенный между объективом 5 и МФПУ 6, а сигнальная маска 1 установлена перед светоделителем 4 в фокальной плоскости объектива 5. Матрица МФПУ 6 оптически сопряжена с сигнальной маской 1. Поэтому МФПУ совмещено с фокальной плоскостью объектива 5. По существу, измерительный блок 2 представляет собой обычный автоколлиматор. Светоделитель 4 может быть выполнен в виде светоделительной куб-призмы, светоделительная плоскость которой расположена под углом 45° к оптической оси объектива 5. Сигнальная маска 1 установлена так, что ее оптическая ось симметрии перпендикулярна оптической оси датчика и совмещена с центром светоделителя. В то же время возможен и другой вариант конструктивного размещения МФПУ 6 и сигнальной маски 1 с ее осветителем 10, который показан на фиг.3, где указанные элементы по сравнению с фиг.2 переставлены местами. При этом МФПУ 6 и сигнальная маска 1 остались в фокальной плоскости объектива 5. В состав электронного блока 7 входит также персональный компьютер с монитором 11. Сигнальная маска 1 (фиг.2, 3), работающая на проход, представляет собой осесимметричную сетку с узким прозрачным штрихом и непрозрачным покрытием. Указанный штрих расположен в плоскости чертежа, исходное (нулевое) положение призмы БР-180°, когда ее ребро горизонтально (перпендикулярно плоскости чертежа), а измеряемый угол - ноль градусов (см. фиг.2), при этом на контролируемом объекте 3 закреплен оптический элемент, выполненный в виде двойного зеркала 14 с прямым углом между его зеркалами, обращенного к объективу 5 измерительного блока 2. На фиг.2 информация в окнах 12, 13 приведена для другого положения двойного зеркала 14 (см. ниже). Двойное зеркало, выполненное, например, в виде призмы БР-180°, может быть установлено так, что ребро между ее зеркальными гранями перпендикулярно оптической оси 5 и оси вращения контролируемого объекта.The invention (a rotation angle sensor operating on reflection) is shown in FIG. The device consists of a signal mask 1, a stationary measuring unit 2 and includes a controlled rotating object 3. In addition, it includes a beam splitter 4 located between the lens 5 and the MFP 6, and the signal mask 1 is installed in front of the beam splitter 4 in the focal plane of the lens 5. The matrix The MFP 6 is optically coupled to the signal mask 1. Therefore, the MFP is aligned with the focal plane of the lens 5. Essentially, the measuring unit 2 is a conventional autocollimator. The beam splitter 4 can be made in the form of a beam splitting cube prism, the beam splitting plane of which is located at an angle of 45 ° to the optical axis of the lens 5. The signal mask 1 is installed so that its optical axis of symmetry is perpendicular to the optical axis of the sensor and aligned with the center of the beam splitter. At the same time, another variant of the structural placement of the MFP 6 and the signal mask 1 with its illuminator 10 is also possible, which is shown in Fig. 3, where these elements are rearranged in comparison with Fig. 2. In this case, the MFP 6 and the signal mask 1 remained in the focal plane of the lens 5. The electronic unit 7 also includes a personal computer with a monitor 11. The signal mask 1 (Figs. 2, 3), which works for the passage, is an axisymmetric grid with a narrow transparent stroke and opaque coating. The specified stroke is located in the plane of the drawing, the initial (zero) position of the BR-180 ° prism, when its edge is horizontal (perpendicular to the plane of the drawing), and the measured angle is zero degrees (see figure 2), while an optical object is attached to the controlled object 3 an element made in the form of a double mirror 14 with a right angle between its mirrors facing the lens 5 of the measuring unit 2. In figure 2, the information in the windows 12, 13 is given for another position of the double mirror 14 (see below). A double mirror made, for example, in the form of a BR-180 ° prism, can be installed so that the edge between its mirror faces is perpendicular to the optical axis 5 and the axis of rotation of the controlled object.

Прежде чем описывать работу датчика угла поворота, рассмотрим оптические свойства двойного зеркала 14. Из прикладной оптики известно, что при повороте двойного зеркала с прямым углом между его зеркалами на угол γ изображение, которое формируется посредством указанного двойного зеркала, повернется на угол 2γ. Проиллюстрируем это положение графически с помощью креста стрелок, ориентация которого показывает вращение изображения при вращении двойного зеркала. На фиг.4 показано двойное зеркало, ребро которого расположено горизонтально. В верхнем левом углу фронтальной проекции двойного зеркала приведен входной крест стрелок, а в левом нижнем углу - выходной. При плавном повороте двойного зеркала вокруг оси вращения, проходящей перпендикулярно ребру двойного зеркала, изображение после двойного зеркала также будет плавно вращаться. На фиг.5 показано двойное зеркало, повернутое на 90°, ребро которого расположено теперь вертикально. В верхнем левом углу фронтальной проекции двойного зеркала приведен входной крест стрелок (без изменения ориентации, как это показано на фиг.4), в правом верхнем углу - выходной. Как видно из фиг.4, 5, при повороте двойного зеркала на 90° выходной крест стрелок повернулся на 180°.Before describing the operation of the rotation angle sensor, we consider the optical properties of the double mirror 14. It is known from applied optics that when a double mirror is rotated with a right angle between its mirrors by an angle γ, the image that is formed by the specified double mirror will be rotated by 2γ. We illustrate this position graphically using the cross of arrows, the orientation of which shows the rotation of the image when rotating a double mirror. Figure 4 shows a double mirror, the edge of which is located horizontally. The input cross of the arrow is shown in the upper left corner of the frontal projection of the double mirror, and the output cross in the lower left corner. When the double mirror rotates smoothly around the axis of rotation, perpendicular to the edge of the double mirror, the image after the double mirror will also rotate smoothly. Figure 5 shows a double mirror rotated 90 °, the edge of which is now located vertically. The input cross of the arrows is shown in the upper left corner of the frontal projection of the double mirror (without changing the orientation, as shown in Fig. 4), and the output cross in the upper right corner. As can be seen from figure 4, 5, when the double mirror is rotated 90 °, the output cross of the arrow turned 180 °.

Датчик угла поворота работает следующим образом (фиг.2).The angle sensor works as follows (figure 2).

Свет (лучи) от осветителя 10, пройдя прозрачный штрих сигнальной маски 1, отразившись от светоделителя 4 и выйдя из объектива 5 в виде параллельного пучка лучей, освещает двойное зеркало 14. Затем параллельные лучи, отразившись от призмы БР-180° 14, фокусируются объективом 5 и, пройдя куб-призму 4, строят на МФПУ изображение штриха сигнальной маски 1. При повороте контролируемого объекта 3 совместно с двойным зеркалом на угол γ изображения штриха повернется на МФПУ на угол 2γ=φ. С помощью электронного блока 7 производится определение x_0j энергетического центра каждой части изображения штриха в каждой строке МФПУ 6. Таким образом, количество измерений равно количеству строк МФПУ (или при большем угле - количеству его столбцов). Далее по алгоритму, представленному в патенте РФ №2419067, в электронном блоке 7 производится вычисление угла γ по формуле γ=φ/2, где φ - угол поворота изображения штриха на МФПУ 6. В качестве примера на фиг.2 показан экран монитора с двумя окнами 12, 13 (графически БР-180° показан в исходном положении). В окне 12 приведено значение измеренного угла γ=45,00000° (при физическом повороте углового зеркала также на 45°). В окне 13, которое подобно размерам матрицы МФПУ, показано фактическое положение изображения штриха, которое располагается теперь на МФПУ 6 горизонтально.The light (rays) from the illuminator 10, passing through the transparent stroke of the signal mask 1, reflected from the beam splitter 4 and exiting the lens 5 in the form of a parallel beam of rays, illuminates the double mirror 14. Then parallel rays, reflected from the prism BR-180 ° 14, are focused by the lens 5 and, having passed the cube-prism 4, they build on the MFP an image of the stroke of the signal mask 1. When the controlled object 3 is rotated together with a double mirror by an angle γ, the image of the stroke will rotate on the MFP at an angle 2γ = φ. Using the electronic unit 7, the energy center x _{0j of} each part of the line image is determined in each row of the MFP 6. Thus, the number of measurements is equal to the number of rows of the MFP (or, if the angle is larger, the number of its columns). Further, according to the algorithm presented in the patent of the Russian Federation No. 2419067, the angle γ is calculated in the electronic unit 7 by the formula γ = φ / 2, where φ is the angle of rotation of the bar image on the MFP 6. As an example, figure 2 shows a monitor screen with two windows 12, 13 (graphically BR-180 ° shown in the initial position). Window 12 shows the value of the measured angle γ = 45.00000 ° (with a physical rotation of the corner mirror also by 45 °). Window 13, which is similar to the size of the MFPU matrix, shows the actual position of the bar image, which is now horizontal on the MFP 6.

Рассмотренное удвоение угла поворота изображения штриха сигнальной маски 1 на МФПУ 6 по сравнению с прототипом приводит к увеличению угловой чувствительности данного датчика угла поворота в два раза и к соответствующему увеличению его точности. При этом следует отметить, что в пространстве между объективом 5 и призмой БР-180° организован параллельный ход лучей, что, соответственно, обеспечивает реализацию нечувствительности датчика угла поворота к изменению расстояния между контролируемым объектом 3 и измерительным блоком 2. При этом указанный параллельный ход лучей обеспечивает также нечувствительность (нерасстраиваемость) датчика угла поворота к смещениям контролируемого объекта 3 относительно измерительного блока 2 и, в частности, к эксцентриситету оси вращения контролируемого объекта 3 относительно блока 2. Отметим также, что в осевых системах высокоточных углоизмерительных приборов угловое и линейное биение не превышает соответственно 0,3″ и 0,0003 мм (Михеечев В.С., Попов Н.Н. «Конструирование и изготовление геодезических приборов». Учебное пособие - М.: Изд. МИИГАиК, 2006 г., 127 с.).The considered doubling of the angle of rotation of the image of the stroke of the signal mask 1 on the MFP 6 in comparison with the prototype leads to an increase in the angular sensitivity of this sensor of the angle of rotation by two times and to a corresponding increase in its accuracy. It should be noted that in the space between the lens 5 and the BR-180 ° prism a parallel beam path is organized, which, accordingly, ensures the implementation of the insensitivity of the rotation angle sensor to the change in the distance between the controlled object 3 and the measuring unit 2. Moreover, the specified parallel beam path It also provides insensitivity (non-upsetability) of the rotation angle sensor to the displacements of the controlled object 3 relative to the measuring unit 2 and, in particular, to the eccentricity of the rotation axis of object 3 relative to block 2. Note also that in the axial systems of high-precision angle measuring instruments, the angular and linear runout does not exceed 0.3 ″ and 0.0003 mm, respectively (Mikheechev V.S., Popov N.N. “Design and manufacture of geodetic instrumentation. ”Textbook - M .: Publishing House MIIGAiK, 2006, 127 pp.).

Наиболее просто использовать данный датчик угла поворота в квадрантах с диапазоном измерений 0-90 угловых градусов. Такие квадранты широко применяются при определении угла наклона поверхности относительно горизонта (см., например, ГОСТ 10908-75). В астрономии квадранты служат для измерения высоты небесных светил над горизонтом и угловых расстояний между светилами. Традиционный секстант также выдает результаты измерений в диапазоне углов 90°. При использовании датчика угла поворота для решения угломерных задач в диапазоне 0°-90° вводится соответствующее механическое ограничение угла поворота контролируемого объекта 3 относительно измерительного блока 2. В этом случае угловое положение контролируемого объекта 3 однозначно определяет угол γ. Помимо датчиков углов поворота существуют другие датчики углов, например датчики углов наклона (инклинометры), рабочий диапазон измерений которых меньше 90°.The easiest way is to use this angle sensor in quadrants with a measuring range of 0-90 angular degrees. Such quadrants are widely used in determining the angle of inclination of the surface relative to the horizon (see, for example, GOST 10908-75). In astronomy, quadrants are used to measure the height of the celestial bodies above the horizon and the angular distances between the bodies. A traditional sextant also provides measurements in a 90 ° angle range. When using the angle sensor for solving goniometric problems in the range 0 ° -90 °, a corresponding mechanical restriction of the angle of rotation of the controlled object 3 relative to the measuring unit 2 is introduced. In this case, the angular position of the controlled object 3 uniquely determines the angle γ. In addition to the angle sensors, there are other angle sensors, for example, angle sensors (inclinometers), whose working range is less than 90 °.

При использовании датчика угла поворота в диапазоне 0°-360° (например, в гониометре) вводится внешнее место нуля (начала отсчетов), которое отмечает положение контролируемого объекта 3, когда на мониторе 11 измеренный угол равен 0° (или близок к нему). Алгоритм измерения угла несколько усложняется. Когда начинается поворот контролируемого объекта 3 от его нулевого положения и соответственный поворот изображения штриха на МФПУ, тогда сразу начинается грубое измерение и учет текущего угла γ=φ/2, осуществляемого по определенной циклограмме, от нуля до искомого (измеряемого) угла. Затем окончательное измерение угла контролируемого объекта 3 и точное значение искомого угла γ реализуется при обработке искомого углового положения изображения штриха на МФПУ 6 по алгоритму, основанному на патенте РФ №2419067. Такое усложнение датчика угла поворота вызвано тем обстоятельством, что при повороте контролируемого объекта на 360° изображение штриха сигнальной маски на МФПУ 6 сделает два полных оборота. Положение внешнего места нуля может быть выполнено достаточно грубо. Например, на корпусах контролируемого объекта и измерительного устройства наносятся риски, при совмещении которых контролируемый объект располагается в нулевом положении относительно измерительного блока. Или, например, на контролируемом объекте 3 закрепляется диск с отверстием 15, а на измерительном устройстве пластина 16 с отверстием 17, перед которым установлена оптронная пара, содержащая светодиод 18 и приемник излучения 19 (см. фиг.6). При совмещении отверстий 15, 17 контролируемый объект 3 располагается в нулевом положении относительно измерительного блока 2, а электрический сигнал от оптронной пары передается в электронный блок 7. В математике окружность (360°) делится на 4 квадранта (обозначим их I, II, III, IV), каждый из которых равен 90°. Определить, в каком квадранте расположен повернутый контролируемый объект и, соответственно, изображение штриха сигнальной маски на МФПУ, можно с помощью простейшего устройства, приведенного на фиг.7. Диск 20 с тремя прозрачными прорезями (дорожками), изображенный на фиг 8, закреплен на контролируемом объекте 3. На измерительном блоке 2 установлен диск 21 с тремя прорезями (отверстиями), расположенными в плоскости чертежа напротив соответствующих дорожек диска 20. Перед тремя отверстиями в диске 21 расположены три оптронные пары, которые обозначим 22, 23, 24. Нижняя 22, средняя 23, верхняя 24 оптронные пары расположены соответственно перед отверстием 25, нижней дорожкой 27 и верхней дорожкой 26. Из фиг.8 очевиден принцип определения номера квадранта и место нуля. Сигнал с оптронной пары 22 указывает на место нулевого отсчета. Одновременные сигналы с оптронных пар 23, 24 указывают на квадрант I. Квадранту II соответствует сигнал с оптронной пары 23, квадрант III - это отсутствие сигналов с оптронных пар 23, 24, а квадранту IV соответствует сигнал с оптронной пары 24. Рассмотренное устройство, по существу, является простейшим фотоэлектрическим преобразователем «угол-код». Описанные выше приемы конкретизации измеряемого угла поворота не являются единственными и оригинальными.When using a rotation angle sensor in the range 0 ° -360 ° (for example, in a goniometer), an external zero point (origin) is entered, which marks the position of the controlled object 3 when the measured angle on the monitor 11 is 0 ° (or close to it). The angle measurement algorithm is somewhat complicated. When the rotation of the controlled object 3 from its zero position and the corresponding rotation of the bar image on the MFP begins, then the rough measurement and accounting of the current angle γ = φ / 2, carried out according to a certain sequence diagram, from zero to the desired (measured) angle, begins immediately. Then, the final measurement of the angle of the controlled object 3 and the exact value of the desired angle γ is realized when processing the desired angular position of the bar image on the MFP 6 according to an algorithm based on RF patent No. 2419067. This complication of the rotation angle sensor is caused by the fact that when the controlled object is rotated 360 °, the image of the stroke of the signal mask on the MFP 6 will make two full turns. The position of the external zero point can be performed rather roughly. For example, risks are applied to the bodies of the controlled object and the measuring device, when combined, the controlled object is located in the zero position relative to the measuring unit. Or, for example, a disk with a hole 15 is fixed on the monitored object 3, and a plate 16 with a hole 17 is mounted on the measuring device, in front of which an optocoupler pair is installed, containing an LED 18 and a radiation receiver 19 (see Fig. 6). When combining holes 15, 17, the controlled object 3 is located in the zero position relative to the measuring unit 2, and the electric signal from the optocoupler pair is transmitted to the electronic unit 7. In mathematics, the circle (360 °) is divided into 4 quadrants (we will designate them I, II, III, Iv), each of which is equal to 90 °. To determine in which quadrant the rotated controlled object is located and, accordingly, the image of the stroke of the signal mask on the MFP, you can use the simplest device shown in Fig.7. The disk 20 with three transparent slots (tracks), shown in Fig. 8, is mounted on the monitored object 3. On the measuring unit 2, a disk 21 is installed with three slots (holes) located in the drawing plane opposite the corresponding tracks of the disk 20. In front of the three holes in the disk 21 there are three optocoupler pairs, which we will designate 22, 23, 24. Lower 22, middle 23, upper 24 optocoupler pairs are located respectively in front of the hole 25, lower track 27 and upper track 26. From Fig. 8, the principle of determining the quadrant and then zero. The signal from the optocoupler pair 22 indicates the place of zero reference. Simultaneous signals from the optocoupler pairs 23, 24 indicate quadrant I. Quadrant II corresponds to the signal from the optocoupler pair 23, quadrant III is the absence of signals from the optocoupler pairs 23, 24, and quadrant IV corresponds to the signal from the optocoupler pair 24. The considered device is essentially is the simplest photoelectric angle-code converter. The above methods of concretization of the measured angle of rotation are not unique and original.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает:Thus, the proposed device provides:

- существенное повышение точности угловых измерений,- a significant increase in the accuracy of angular measurements,

- надежную работу прибора при эксплуатации, т.к. устройство приобретает свойство нерасстраиваемости,- reliable operation of the device during operation, as the device acquires the property of non-upsetability,

- небольшие массогабаритные характеристики,- small overall dimensions,

- расширение области применения датчика.- expanding the scope of the sensor.

Claims

A rotation angle sensor comprising a illuminator with a mask, a measuring unit including a multi-site photodetector (MFP) optically paired with a mask, and a beam splitter located between the lens and the MFP, the mask is installed in front of the beam splitter in the focal plane of the lens, the MFP is connected to the electronic unit and the device also contains a controlled object, mounted with the possibility of rotation relative to the measuring unit, characterized in that an additional object is fixed to the controlled object an optical element made in the form of a double mirror with a right angle between its mirrors facing the lens, while the edge between the mirrors of the double mirror is perpendicular to the optical axis of the lens, and the axis of rotation of the controlled object and the symmetry plane of the double mirror are parallel to the optical axis of the lens.