RU2634329C1

RU2634329C1 - Method for constructing absolute angle transducer

Info

Publication number: RU2634329C1
Application number: RU2016119141A
Authority: RU
Inventors: Валерий Павлович Кирьянов; Алексей Валерьевич Кирьянов; Владимир Викторович Чуканов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Высокоточные системы и комплексы" (ООО "ВСК")
Priority date: 2016-05-17
Filing date: 2016-05-17
Publication date: 2017-10-25

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: in the method of constructing an absolute angle transducer, a disc data storage, mounted on a precision axis, is used. Three concentric encoding tracks with the number of strokes equal to N, N-1 and N-k, forming systems of rough and accurate angle readings. The beginning of the absolute type converter scale is defined and phase modulation of the radiation striking upon the diffraction grid is used. The necessary diffraction orders are selected and brought to interference by means of three interferometers. As a result, three phases of interference signals from three interferometers are allocated at their outputs and form the output value of the angle with high resolution.

EFFECT: possibility of increasing the resolution power of the absolute angle transducer from the full revolution of the transducer rotor with significantly smaller dimensions.

2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области оптоэлектроники и может быть использовано в измерительной технике, в точном машиностроении, приборостроении и других областях науки и промышленности для создания высокоточных систем управления и углоизмерительных приборов.The invention relates to the field of optoelectronics and can be used in measurement technology, in precision engineering, instrumentation and other fields of science and industry to create high-precision control systems and angle measuring devices.

Известно техническое решение, представленное в способе построения угловых фотоэлектрических преобразователей абсолютного типа, использующем для преобразования угла в цифровой код специальные многоразрядные кодовые диски («Фотоэлектрические преобразователи информации». М.: «Машиностроение», 1974, под редакцией д.т.н. проф. Л.Н. Преснухина). Известны ограничения в вопросах повышения точности преобразователей и снижения их массогабаритных показателей, связанные с волновой природой света, используемого в качестве рабочей среды преобразования.A technical solution is known that is presented in the method of constructing absolute type angular photoelectric converters, using special multi-bit code disks (“Photoelectric Information Converters”, Moscow: Engineering, 1974, edited by Doctor of Technical Sciences, to convert an angle into a digital code). L.N. Presnukhin). There are known limitations in improving the accuracy of converters and reducing their overall dimensions associated with the wave nature of the light used as the working medium of the conversion.

Недостатком известного технического решения является низкая точность фотоэлектрического преобразователя.A disadvantage of the known technical solution is the low accuracy of the photoelectric converter.

Известен способ построения комбинированных угловых фотоэлектрических преобразователей абсолютного типа (Angular encoders: General Catalog [Text] / Heidenhain GmbH. - Traunreut, Germany: Heidenhain GmbH, 2000. - 82 p.), позволяющий в определенной степени снимать ограничения в вопросах повышения точности преобразователей за счет использования совместно с многоразрядными масками растровых сопряжений, нанесенных на общий носитель Включение дополнительной кодирующей структуры, формируемой на общем носителе, только увеличивает массогабаритные показатели прибора.There is a method of constructing combined angular photovoltaic converters of the absolute type (Angular encoders: General Catalog [Text] / Heidenhain GmbH. - Traunreut, Germany: Heidenhain GmbH, 2000. - 82 p.), Which allows to some extent remove restrictions on improving the accuracy of converters for account of the use of raster conjugations applied to a common medium together with multi-bit masks. The inclusion of an additional coding structure formed on a common medium only increases the overall dimensions of the device.

Недостатком известного технического решения является большие габаритные размеры.A disadvantage of the known technical solution is the large overall dimensions.

Известны способы построения угловых преобразователей инкрементального типа, использующих в своей основе дифракционные решетки (LASER SCALE General Catalog / Sony Corporation, - 45, Suzukawa, Japan, 2009 - 42 p.), позволяющих в десятки раз повысить разрешающую способность подобных преобразователей и снизить габариты. Так, в преобразователях ВН20 и ВН200 этой фирмы достигнуто разрешение, равное 3⋅10^-4 угловой секунды, что соответствует 3 миллиардам 600 миллионов разрешаемых положений на оборот. Однако фирма SONY не представила технических решений по построению углового преобразователя абсолютного типа на основе дифракционных решеток. Особенностью преобразователей инкрементального типа является необходимость выполнения после включения питания преобразователя вспомогательного движения ротора преобразователя с целью прохождения нулевой метки перед считывающей головкой для привязки выходных данных относительно нуля координат.Known methods for constructing incremental angular converters using diffraction gratings (LASER SCALE General Catalog / Sony Corporation, - 45, Suzukawa, Japan, 2009 - 42 p.), Which allow tens of times to increase the resolution of such converters and reduce the size. For example, in converters and VN20 VN200 this company achieved a resolution of 3⋅10 ^-4 arcsecond, corresponding to 3 billion 600 million positions per revolution resolved. However, SONY did not provide technical solutions for the construction of an absolute type angular transducer based on diffraction gratings. A feature of incremental converters is the need to perform, after turning on the converter power, the auxiliary movement of the converter rotor in order to pass the zero mark in front of the read head to bind the output data relative to the zero coordinates.

Недостатком известного технического решения является требование обеспечения вспомогательного движения, что зачастую входит в противоречие с функционированием системы в целом, а также накопление ошибок измерений от случайных сбоев, что отсутствует в преобразователях абсолютного типа.A disadvantage of the known technical solution is the requirement to provide auxiliary movement, which often conflicts with the functioning of the system as a whole, as well as the accumulation of measurement errors from accidental failures, which is absent in absolute type converters.

Известно техническое решение, представленное в работе (Норр D., Pruss Ch., Osten W., Scybold J., Fritz K.-P., Botzelmann Т., Mayer V.,

H.„ Diffractive incremental and absolute coding principle for optical rotary sensors", Appl. Optics, 2011, v. 50, p. 5169-5177), где немецкие исследователи представили свои методы и средства создания малогабаритных угловых преобразователей инкрементального и абсолютного типов на основе отражательных дифракционных структур и используют амплитудный принцип модуляции интенсивности света, который обеспечивается дифракционной решеткой, нанесенной в виде коротких отрезков. Причем в этих отрезках решетка наносится под разными углами к направлению сканирования. В этой работе они показали возможность создания на диске, диаметром 27 мм, 10-разрядного абсолютного преобразователя и инкрементального преобразователя с разрешением в 2^-11. Применяя метод внутришаговой интерполяции, они увеличили разрешение до 2^-15. В случае абсолютного преобразователя немецкие исследователи формировали 10 треков, которые представляли собой набор из структурированных и неструктурированных секторов, причем в структурированных секторах каждый трек отличался пространственным периодом линий, структурирующих сектора данного трека. Пространственная частота линий в каждом треке определяла угол дифракции взаимодействующего со структурой излучения, в соответствии с которым размещались фотоприемники, формирующие сигналы соответствующего разряда преобразователя. Дополняя дифракционную структуру абсолютного преобразователя дифракционной структурой инкрементального преобразователя, они подняли разрешение абсолютного преобразователя до 2^-15. Надо отметить, что техническое решение создания абсолютного преобразования угла на основе дифракционных структур, предложенное немецкими исследователями, имеет принципиальное ограничение в части повышения точности или разрешающей способности. Это связано с наличием вторых, третьих и т.д. дифракционных порядков в поле дифракции света, освещающего кодирующую структуру. Но следует отметить интересное техническое решение, связанное с управлением пространственным положением дифрагированных порядков света. Оно реализовано в виде управляемого наклона штрихов дифракционной решетки в каждом треке. Эта возможность обеспечивается особенностями генератора изображений CLWS-300, разработанного в СО РАН и использованного немецкими исследователями. Подобная возможность управления направлением дифракционных порядков используется в заявляемом изобретении.Known technical solution presented in (Norr D., Pruss Ch., Osten W., Scybold J., Fritz K.-P., Botzelmann T., Mayer V.,

H. “Diffractive incremental and absolute coding principle for optical rotary sensors", Appl. Optics, 2011, v. 50, p. 5169-5177), where German researchers presented their methods and means of creating small-sized angular converters of incremental and absolute types based on reflective diffraction structures and use the amplitude principle of modulation of light intensity, which is provided by the diffraction grating, applied in the form of short segments. Moreover, in these segments the grating is applied at different angles to the scanning direction. In this work, they showed the possibility NOSTA create on the disk, 27 mm diameter, a 10-bit absolute incremental transducer and converter with a resolution of 2 ^-11. Applying the interpolation method vnutrishagovoy they permit increased to 2 ^-15. In the case of an absolute transducer German researchers formed tracks 10 which were a set of structured and unstructured sectors, and in structured sectors, each track is distinguished by the spatial period of the lines that structure the sectors of this track. The spatial frequency of the lines in each track determined the diffraction angle of the radiation interacting with the structure, in accordance with which photodetectors were placed that formed the signals of the corresponding converter discharge. Complementing the diffraction structure of the absolute converter with the diffraction structure of the incremental converter, they raised the resolution of the absolute converter to 2 ^-15 . It should be noted that the technical solution for creating an absolute angle conversion based on diffraction structures, proposed by German researchers, has a fundamental limitation in terms of increasing accuracy or resolution. This is due to the presence of second, third, etc. diffraction orders in the light diffraction field illuminating the coding structure. But it should be noted an interesting technical solution associated with controlling the spatial position of diffracted orders of light. It is implemented as a controlled slope of the lines of the diffraction grating in each track. This feature is provided by the features of the CLWS-300 image generator developed at the SB RAS and used by German researchers. A similar ability to control the direction of diffraction orders is used in the claimed invention.

Недостатком известного технического решения построения преобразователей абсолютного типа на основе дифракционных решеток является низкая разрешающая способность и точность преобразователя, получаемого в результате использования этого технического решения.A disadvantage of the known technical solution for constructing absolute type converters based on diffraction gratings is the low resolution and accuracy of the converter resulting from the use of this technical solution.

Известен способ и техническое решение, его реализующее, касающееся конструкции фотоэлектрического преобразователи абсолютного типа, основанное на использовании, по крайней мере, двух измерительных растров, в которых число штрихов отличается на единицу (Авторское свидетельство СССР №1197081 «Фотоэлектрический преобразователь угол-код», МПК Н03М 1/59, опубликовано 07.12.1985 г.), выбранное в качестве прототипа. Данное техническое решение, известное также как преобразователи абсолютного типа на основе нониусных шкал, дает возможность существенно снизить массогабаритные показатели преобразователя абсолютного типа, однако с его помощью достаточно сложно решить проблему повышения точности, т.к. для приемлемых точностей требуется применение растров с большим числом штрихов. Это приводит к появлению на общем носителе, по крайней мере, еще одного растра, у которого сформировано требуемое число штрихов. Как правило, это сопровождается увеличением габаритов исходных растров, при сохранении прежнего числа штрихов в исходных растрах. Последнее приводит к увеличению периода исходных растров, что, в свою очередь, приводит к отклонению от синусоидальности выходных сигналов (квадратур) преобразователя, что существенно ограничивает возможность повышения точности преобразования угла. Однако данный подход к решению проблемы снижения массогабаритных показателей взят в данной заявке за основу, и данное техническое решение используется как прототип.The known method and technical solution that implements the design of the absolute type of photoelectric converters, based on the use of at least two measuring rasters in which the number of strokes differs by one (USSR Author's Certificate No. 1197081 "Photoelectric angle-code converter", IPC H03M 1/59, published December 7, 1985), selected as a prototype. This technical solution, also known as absolute type converters based on vernier scales, makes it possible to significantly reduce the overall dimensions of the absolute type converter, but with its help it is quite difficult to solve the problem of increasing accuracy, because acceptable precision requires the use of rasters with a large number of strokes. This leads to the appearance on the common medium of at least one more raster, which has the required number of strokes. As a rule, this is accompanied by an increase in the size of the source rasters, while maintaining the same number of strokes in the source rasters. The latter leads to an increase in the period of the initial rasters, which, in turn, leads to a deviation from the sinusoidality of the output signals (quadrature) of the converter, which significantly limits the possibility of increasing the accuracy of the angle conversion. However, this approach to solving the problem of reducing overall dimensions is taken as a basis in this application, and this technical solution is used as a prototype.

Недостатком известного технического решения является низкая точность преобразования угла при реализации абсолютных преобразователей на основе нониусных шкал.A disadvantage of the known technical solution is the low accuracy of the angle conversion when implementing absolute converters based on vernier scales.

Перед авторами ставилась задача разработать способ построения углового преобразователя абсолютного типа на основе нониусных шкал на базе дифракционных структур.The authors were tasked with developing a method for constructing an angular transducer of the absolute type based on vernier scales based on diffraction structures.

Поставленная задача решается тем, что в способе построения углового преобразователя абсолютного типа, использующего установленный на прецизионной оси дисковый носитель, на который нанесены три концентрические кодирующие дорожки с числом штрихов, равным N, N-1 и N-k, формирующие системы грубого и точного отсчетов угла соответственно, дополнительно определяют начало шкалы абсолютного преобразователя типа, при этом формируя штрихи на каждой концентрической кодирующей дорожке так, что имеется, по крайней мере, по одному штриху, между которыми установлен нулевой фазовый сдвиг, и с периодом, близким длине волны источника света, излучение которого используют для одновременной подсветки штрихов на трех концентрических кодирующих дорожках, формируя порядки дифракции, при этом порядки дифракции от N и N-1 дорожек с номерами +1 выделяют и с помощью оптических элементов первого интерферометра направляют на вход первого интерферометра, из выходных сигналов первого интерферометра получают фазу интерференции, которую используют в качестве грубого отсчета угла, выделяют порядки дифракции от N и N-k дорожек с номерами -1 и с помощью оптических элементов второго интерферометра направляют на вход второго интерферометра, из выходных сигналов которого получают другую фазу интерференции, которую используют в качестве среднего отсчета угла, одновременно с этим выделяют +2 и -2 порядки дифракции от N дорожки и с помощью оптических элементов третьего интерферометра направляют на вход третьего интерферометра, из выходных сигналов которого получают третью фазу интерференции, которую используют в качестве точного отсчета угла. Полученные значения сигналов на выходах систем грубого, среднего и точного отсчетов угла используют для формирования полного значения угла поворота дискового носителя, установленного на прецизионной оси. При этом формирование штрихов на трех концентрических кодирующих дорожках производят за единый технологический цикл.The problem is solved in that in the method of constructing an angular transducer of the absolute type, using a disk medium mounted on a precision axis, on which three concentric coding tracks with the number of strokes equal to N, N-1 and Nk are applied, forming coarse and accurate angle readings, respectively additionally determine the beginning of the scale of the absolute type transducer, while forming strokes on each concentric coding track so that there is at least one stroke between which a zero phase shift is established, and with a period close to the wavelength of the light source, the radiation of which is used to simultaneously highlight strokes on three concentric coding tracks, forming diffraction orders, while diffraction orders from N and N-1 tracks with numbers +1 are distinguished and using the optical elements of the first interferometer, they are directed to the input of the first interferometer, the interference phase is obtained from the output signals of the first interferometer, which is used as a rough reference of the angle, diffraction orders and from N and Nk tracks with numbers -1 and using the optical elements of the second interferometer, they are sent to the input of the second interferometer, from the output signals of which another phase of interference is obtained, which is used as the average reference angle, +2 and -2 orders are simultaneously extracted diffraction from the N track and using the optical elements of the third interferometer is sent to the input of the third interferometer, from the output signals of which the third phase of interference is obtained, which is used as an accurate reference of the angle. The obtained signal values at the outputs of the coarse, average and accurate angle samples are used to form the full value of the rotation angle of the disk medium mounted on a precision axis. At the same time, the formation of strokes on three concentric coding tracks is performed in a single technological cycle.

Техническим эффектом заявляемого изобретения является возможность повышения разрешающей способности абсолютного преобразователя угла до 2^-31 от полного оборота ротора преобразователя при существенно меньших габаритах, чем у прототипов.The technical effect of the claimed invention is the ability to increase the resolution of the absolute angle transducer to 2 ^-31 from a full revolution of the transducer rotor with significantly smaller dimensions than the prototypes.

Технический эффект заявляемого изобретения заключается в повышении чувствительности и разрешающей способности абсолютного преобразователя угла до 2^-31 от полного оборота ротора преобразователя при существенно меньших габаритах преобразователя абсолютного типа.The technical effect of the claimed invention is to increase the sensitivity and resolution of the absolute angle transducer to 2 ^-31 from a full revolution of the transducer rotor with significantly smaller dimensions of the absolute type transducer.

На фиг. 1 представлены: а) - три концентрические кодирующие дорожки с числом штрихов, равным N, N-1 и N-k, нанесенные на дисковый носитель, б) - фрагмент трех концентрических кодирующих дорожек в увеличенном масштабе, показывающим, что штрихи на центральной дорожке (с числом N) нанесены радиально, а штрихи обеих крайних дорожек наклонены на угол β относительно штрихов на центральной дорожке.In FIG. 1 presents: a) - three concentric coding tracks with the number of strokes equal to N, N-1 and Nk applied to the disk medium, b) - a fragment of three concentric coding tracks in an enlarged scale, showing that the strokes on the central track (with the number N) are applied radially, and the strokes of both extreme tracks are inclined at an angle β relative to the strokes on the central track.

На фиг. 2 представлено формирование 0, ±1 и ±2-х порядков дифракции от крайних концентрических кодирующих дорожек при подсветке снизу узким потоком от источника света, например, лазерным излучением.In FIG. Figure 2 shows the formation of 0, ± 1, and ± 2 orders of diffraction from the extreme concentric coding tracks when illuminated from below by a narrow stream from a light source, for example, by laser radiation.

На Фиг. 3 представлена техническая реализация систем грубого и среднего отсчетов угла поворота дискового носителя с помощью регистрации фазы выходных сигналов первого и второго интерферометров соответственно, где 1 - первый интерферометр, 2 - первое зеркало, 3 - первый светоделитель, 4 - фотоприемники первого интерферометра, 5 - узкий световой пучок, 6 - второй интерферометр, 7 - второе зеркало, 8 - второй светоделитель, 9 - фотоприемники второго интерферометра.In FIG. 3 shows the technical implementation of the systems of coarse and average readings of the angle of rotation of the disk medium by recording the phase of the output signals of the first and second interferometers, respectively, where 1 is the first interferometer, 2 is the first mirror, 3 is the first beam splitter, 4 is the photodetector of the first interferometer, 5 is narrow a light beam, 6 - a second interferometer, 7 - a second mirror, 8 - a second beam splitter, 9 - photodetectors of the second interferometer.

На фиг. 4 представлена техническая реализация системы точного отсчета угла поворота дискового носителя с помощью регистрации фазы выходных сигналов третьего интерферометра 10 и его положение относительно первого и второго интерферометров, где 1 - первый интерферометр, 6 - второй интерферометр, 10 - третий интерферометр, 11 - третье зеркало, 12 - четвертое зеркало, 13 - третий светоделитель, 14 - фотоприемники третьего интерферометра.In FIG. 4 shows the technical implementation of the system for accurately counting the angle of rotation of the disk medium by recording the phase of the output signals of the third interferometer 10 and its position relative to the first and second interferometers, where 1 is the first interferometer, 6 is the second interferometer, 10 is the third interferometer, 11 is the third mirror, 12 - the fourth mirror, 13 - the third beam splitter, 14 - photodetectors of the third interferometer.

В заявляемом изобретении предлагается следующий способ построения преобразователя «угол-код», а именно углового преобразователя абсолютного типа на основе нониусных шкал, выполненных на базе дифракционных структур и с использованием фазовой модуляции падающего на дифракционную решетку излучения от источника света с интерференционным считыванием информации. Основное отличие заявляемого изобретения от прототипа состоит в том, что кодирование угла с помощью периодических структур, отличающихся числом периодов, по крайней мере, на единицу, реализовано не на основе растровых сопряжений, а на основе дифракционных решеток и дифракционных интерферометров, применяемых в качестве узлов снятия информации, что приводит к появлению других операций, не имеющих аналогий в прототипе.The claimed invention proposes the following method of constructing an angle-to-code converter, namely, an absolute type angular converter based on vernier scales made on the basis of diffraction structures and using phase modulation of the radiation incident on the diffraction grating from a light source with interference readout of information. The main difference between the claimed invention and the prototype is that the coding of the angle using periodic structures differing in the number of periods, at least by one, is implemented not on the basis of raster conjugations, but on the basis of diffraction gratings and diffraction interferometers used as acquisition units information, which leads to the appearance of other operations that do not have analogies in the prototype.

Носителем кодовой структуры преобразователя абсолютного типа является дисковый носитель, установленный на прецизионной оси. На дисковом носителе за единый технологический цикл нанесены, по аналогии с прототипом, три концентрические кодирующие дорожки с числом штрихов, равным N, N-1 и N-k, и ответственные за создание грубой, средней и точной систем отсчета угла соответственно. На центральной концентрической кодирующей дорожке нанесены N штрихов с периодом следования d, соизмеримым с длиной волны света λ, освещающего концентрическую кодирующую дорожку. На одной из крайних концентрических кодирующих дорожек нанесен (N-1) штрих, а на другой (N-k), где N и k целесообразно выбирать пропорциональными 2^m и N>>k, где значения N и k определяются размерами используемого дискового носителя. Штрихи на центральной концентрической кодирующей дорожке нанесены ортогонально направлению движения штрихов, а на боковых дорожках штрихи целесообразно наклонить на угол β относительно перпендикуляра к направлению вращения дискового носителя (фиг. 1, б). Дополнительно определяют начало шкалы абсолютного преобразователя типа, формируя штрихи на каждой концентрической кодирующей дорожке так, что имеется, по крайней мере, по одному штриху, между которыми установлен нулевой фазовый сдвиг и с периодом, близким длине волны источника света.The carrier of the code structure of the absolute type converter is a disk medium mounted on a precision axis. Three concentric coding tracks with the number of strokes equal to N, N-1 and Nk and responsible for creating coarse, medium and accurate angle reference systems, respectively, are applied on a disk medium for a single technological cycle, by analogy with the prototype. On the central concentric coding track, N strokes are applied with a repetition period d comparable with the wavelength of light λ illuminating the concentric coding track. A stroke is plotted on one of the extreme concentric coding tracks (N-1), and on the other (Nk), where N and k, it is advisable to choose proportional to 2 ^m and N >> k, where the values of N and k are determined by the size of the disk medium used. The strokes on the central concentric coding track are plotted orthogonally to the direction of movement of the strokes, and on the side tracks it is advisable to tilt the strokes at an angle β relative to the perpendicular to the direction of rotation of the disk medium (Fig. 1, b). Additionally, the beginning of the scale of the absolute type converter is determined by forming strokes on each concentric coding track so that there is at least one stroke between which a zero phase shift is established and with a period close to the wavelength of the light source.

Три концентрические кодирующие дорожки одновременно освещают сфокусированным световым пучком, например, лазерным излучением, в поперечном сечении вытянутым в радиальном направлении, формируя при этом порядки дифракции. В результате взаимодействия светового пучка с дифракционными структурами трех концентрических кодирующих дорожек формируют от каждой концентрической кодирующей дорожки порядки дифракции с номерами 0, +1, +2, -1 и -2 (фиг. 2).Three concentric coding tracks are simultaneously illuminated with a focused light beam, for example, laser radiation, in the cross section elongated in the radial direction, thus forming diffraction orders. As a result of the interaction of the light beam with the diffraction structures of the three concentric coding tracks, diffraction orders with numbers 0, +1, +2, -1 and -2 are formed from each concentric coding track (Fig. 2).

С помощью первого зеркала 2 и первого светоделителя 3 выделяют +1 порядки дифракции от N и N-1 концентрических кодирующих дорожек и направляют их на вход первого интерферометра 1, из выходных сигналов фотоприемников 4 первого интерферометра 1 выделяют фазу интерференции, которую используют в качестве грубого отсчета угла, т.к. фаза выходных сигналов первого интерферометра 1 изменяется от 0 до 2π за один полный оборот дискового носителя дифракционных структур (фиг. 3).Using the first mirror 2 and the first beam splitter 3, +1 diffraction orders from N and N-1 concentric coding paths are extracted and sent to the input of the first interferometer 1, the interference phase is extracted from the output signals of the photodetectors 4 of the first interferometer 1, which is used as a rough reference angle, because the phase of the output signals of the first interferometer 1 varies from 0 to 2π per one full revolution of the disk carrier of diffraction structures (Fig. 3).

С помощью второго зеркала 7 и второго светоделителя 8 выделяют порядки дифракции с номерами - 1 от N и N-k концентрических кодирующих дорожек и направляют их на входы второго интерферометра 6, из выходных сигналов фотоприемников 9 второго интерферометра 6 которого получают вторую фазу интерференции, которую используют в качестве среднего отсчета угла. Фаза выходного сигнала второго интерферометра 6 изменяется от 0 до 2π k раз за один полный оборот дискового носителя дифракционных структур. Поэтому если полное значение фазы сигналов грубого отсчета квантуют на k дискрет, то выходной сигнал второго интерферометра 6 изменится от 0 до 2π в то время, как фаза выходного сигнала первого интерферометра 1 грубого отсчета изменится только на одну дискрету (один шаг квантования). Следовательно, второй интерферометр 6 среднего отсчета выступает внутришаговым интерполятором для первого интерферометра 1 грубого отсчета. Тогда, если фазу второго интерферометра 6 квантуют на m дискрет, то угол поворота дискового носителя проквантуют на (m⋅k) дискрет.Using the second mirror 7 and the second beam splitter 8, the diffraction orders with numbers - 1 from N and Nk of the concentric coding tracks are extracted and sent to the inputs of the second interferometer 6, from the output signals of the photodetectors 9 of the second interferometer 6 which receive the second phase of interference, which is used as mean angle. The output phase of the second interferometer 6 varies from 0 to 2π k times per one full revolution of the disk carrier of diffraction structures. Therefore, if the total phase value of the coarse signals is quantized by k discrete, then the output signal of the second interferometer 6 will change from 0 to 2π, while the phase of the output signal of the first interferometer 1 coarse samples will change by only one discrete (one quantization step). Therefore, the second mid-range interferometer 6 acts as an intra-step interpolator for the first coarse reference interferometer 1. Then, if the phase of the second interferometer 6 is quantized into m discrete, then the rotation angle of the disk medium will be quantized into (m⋅k) discrete.

С помощью третьего зеркала 11 и четвертого зеркала 12, третьего светоделителя 13 одновременно с выполнением операций в системах грубого и среднего отсчетов выделяют порядки дифракции с номерами +2 и -2 от N-й концентрической кодирующей дорожки и направляют их на входы третьего интерферометра 10, из выходных сигналов фотоприемников 14 третьего интерферометра 10 которого выделяют третью фазу интерференции, которую используют в качестве точного отсчета угла. Фаза выходных сигналов фотоприемников 14 третьего интерферометра 10 изменяется от 0 до 2π 4⋅N раз за полный оборот дискового носителя дифракционных структур. Полученные значения фаз систем грубого, среднего и точного отсчетов используют для формирования полного значения угла поворота дискового носителя, установленного на прецизионной оси.Using the third mirror 11 and the fourth mirror 12, the third beam splitter 13, simultaneously with performing operations in coarse and middle samples, the diffraction orders with numbers +2 and -2 from the N-th concentric coding track are extracted and sent to the inputs of the third interferometer 10, from the output signals of the photodetectors 14 of the third interferometer 10 which emit a third phase of interference, which is used as an accurate reference angle. The phase of the output signals of the photodetectors 14 of the third interferometer 10 varies from 0 to 2π 4⋅N times per full revolution of the disk carrier of diffraction structures. The obtained values of the phases of the coarse, average and accurate samples systems are used to form the full value of the rotation angle of the disk medium mounted on a precision axis.

Увеличение чувствительности интерферометра 10 в 4 раза относительно N периодов реализуется за счет одновременного действия 2-х факторов: применение двуплечного интерферометра увеличивает чувствительность к перемещению в два раза и использование излучений, дифрагированных во вторые порядки дифракции, повышает чувствительность интерферометра еще в два раза.An increase in the sensitivity of the interferometer 10 by 4 times relative to N periods is realized due to the simultaneous action of 2 factors: the use of a two-arm interferometer increases the sensitivity to movement by a factor of two and the use of radiation diffracted to the second orders of diffraction increases the sensitivity of the interferometer by a factor of two.

А т.к. выбиралось, что N>>k, то третий интерферометр 10 точного отсчета выступает внутришаговым интерполятором для второго интерферометра 6 среднего отсчета. Конкретное соотношение между N и k можно установить для используемого диаметра дискового носителя дифракционных структур. Пусть диаметр средней концентрической кодирующей дорожки равен 27 мм (как у абсолютного преобразователя немецких исследователей). Тогда длина концентрической кодирующей дорожки равна 84,823 мм или 84 823 мкм. Ближайшее число, пропорциональное 2ⁱ, равно 65536 (2¹⁶), которое целесообразно принять за N (что соответствует периоду штрихов на концентрической кодирующей дорожке, равному 1,29 мкм). Тогда 4⋅N=2¹⁸. Если принять m=k, а m⋅k=4⋅N, то m=k=2⁹=512. Для современной измерительной техники обеспечение коэффициента интерполяции для идеальных гармонических сигналов интерферометров, равного 512, является весьма умеренным требованием. Если принять, что фазу точной системы отсчета квантуют на n квантов, то итоговый результат по разрешающей способности углового преобразователя абсолютного типа, реализующего предлагаемый способа построения, составит Q=m⋅k⋅n квантов. Например, если m=k=n=512=2⁹, что, как уже отмечалось, является весьма умеренным требованием, то Q будет равно 2²⁷ разрешаемых дискрет на один оборот дискового носителя дифракционных структур.And since it was chosen that N >> k, then the third interferometer 10 of the exact reference acts as an interstep interpolator for the second interferometer 6 of the average reference. A specific ratio between N and k can be established for the used diameter of the disk carrier of diffraction structures. Let the diameter of the middle concentric coding track be 27 mm (as with the absolute transducer of German researchers). Then the length of the concentric coding track is 84.823 mm or 84 823 μm. The closest number proportional to 2 ⁱ is 65536 (2 ¹⁶ ), which should be taken as N (which corresponds to the period of strokes on the concentric coding track equal to 1.29 μm). Then 4⋅N = 2 ¹⁸ . If we take m = k, and m⋅k = 4⋅N, then m = k = 2 ⁹ = 512. For modern measurement technology, providing an interpolation coefficient for ideal harmonic signals of interferometers of 512 is a very moderate requirement. If we assume that the phase of the exact frame of reference is quantized into n quanta, then the final result on the resolution of the angular transducer of the absolute type that implements the proposed construction method will be Q = m⋅k⋅n quanta. For example, if m = k = n = 512 = 2 ⁹ , which, as already noted, is a very moderate requirement, then Q will be equal to 2 ²⁷ allowed discretes per revolution of the disk carrier of diffraction structures.

В настоящее время при диаметре абсолютного углового преобразователя, равного 27 мм, подобное разрешение пока не достигалось в мире.Currently, with a diameter of the absolute angular transducer equal to 27 mm, such a resolution has not yet been achieved in the world.

Но если принять, что в третьей системе отсчета будет использовано разрешение по фазе, более характерное для дифракционных систем (а чаще всего это 8192=2¹³), то можно прогнозировать, что при данных габаритах абсолютного углового преобразователя возможно повышение его разрешающей способности до 2^-31 от полного оборота дискового носителя дифракционных структур.But if we assume that the third reference frame will use the phase resolution more characteristic of diffraction systems (and most often it is 8192 = 2 ¹³ ), then we can predict that with these dimensions of the absolute angular transducer, it is possible to increase its resolution to 2 ^{- 31} of the total turnover of the disk carrier of diffraction structures.

Claims

1. The method of constructing an angular transducer of the absolute type, using a disk medium mounted on a precision axis, on which three concentric coding tracks are applied with the number of strokes equal to N, N-1 and Nk, forming coarse and accurate angle readout systems, respectively, characterized in that additionally determine the beginning of the scale of the absolute type transducer, while forming strokes on each concentric coding track so that there is at least one stroke between which zero is set phase shift, and with a period close to the wavelength of the light source, the radiation of which is used to simultaneously highlight strokes on three concentric coding tracks, forming diffraction orders, while the diffraction orders from N and N-1 tracks with numbers +1 are extracted and using optical elements of the first interferometer are sent to the input of the first interferometer, the interference phase is obtained from the output signals of the first interferometer, which is used as a rough reference of the angle, the diffraction orders from N and Nk are more expensive to with numbers -1 and using the optical elements of the second interferometer, they are directed to the input of the second interferometer, from the output signals of which another phase of interference is obtained, which is used as the average angle reference, at the same time, +2 and -2 diffraction orders from the N track are distinguished and using optical elements of the third interferometer, they are directed to the input of the third interferometer, from the output signals of which the third phase of interference is obtained, which is used as an accurate reference of the angle, the obtained values of outputs driven to the rough systems, medium and exact angle readings are used to form a complete value of the angle of rotation of disk media mounted on the precision axis.

2. The method of constructing an angular transducer of the absolute type according to claim 1, characterized in that the formation of strokes on three concentric coding tracks is performed in a single technological cycle.