RU2651637C1 - Абсолютный оптический однооборотный угловой энкодер - Google Patents

Абсолютный оптический однооборотный угловой энкодер Download PDF

Info

Publication number
RU2651637C1
RU2651637C1 RU2017101488A RU2017101488A RU2651637C1 RU 2651637 C1 RU2651637 C1 RU 2651637C1 RU 2017101488 A RU2017101488 A RU 2017101488A RU 2017101488 A RU2017101488 A RU 2017101488A RU 2651637 C1 RU2651637 C1 RU 2651637C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
encoder
transparent
angular
code
bit
Prior art date
Application number
RU2017101488A
Other languages
English (en)
Inventor
Антон Павлович Шведов
Александр Андреевич Мосур
Глеб Олегович Курчанов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Тульский государственный университет" (ТулГУ)
Priority to RU2017101488A priority Critical patent/RU2651637C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2651637C1 publication Critical patent/RU2651637C1/ru

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
    • H03M1/00—Analogue/digital conversion; Digital/analogue conversion
    • H03M1/12—Analogue/digital converters
    • H03M1/22—Analogue/digital converters pattern-reading type

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optical Transform (AREA)

Abstract

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного определения положения вала механического узла. Абсолютный оптический однооборотный угловой энкодер, содержит n оптических пар (где n - разрядность энкодера), которые распределены равномерно с угловым шагом 360/n, растровый диск с одной кодирующей дорожкой в виде чередующихся прозрачных и непрозрачных секторов, причем прозрачные и непрозрачные сектора формируются путем комбинации точной и грубой шкал. Технический результат - повышение разрешающей способности однодорожечного энкодера. 13 табл., 8 ил.

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного определения положения вала механического узла.
Известен абсолютный угловой энкодер, построенный на рефлексивном коде Грея [Пат. №2632058 А, США, МПК 7 Н03М 1/00, Н04В 14/04, Н04В 14/02, H01J 31/04, Н03М 13/00, H01J 31/00. Pulsecodecommunication / FrankGray; патентообладатель BellTelephoneLaborInc"; заявл. 13 ноября 1947; опубл. 17 марта 1953].
Суть данного устройства заключается в том, что при реализации n-разрядного энкодера на поверхность растрового диска наносится n кодирующих дорожек, каждая из которых отвечает за формирование кода соответствующего разряда.
Кодирующие дорожки формируются таким образом, чтобы коды, соответствующие двум соседним угловым положениям растра, отличались только в одном разряде. Такой способ кодирования обеспечивает длину кода равную 1 и, как следствие, обеспечивает высокую помехозащищенность.
Недостатком такого энкодера является применение нескольких кодирующих дорожек, что ограничивает область применения энкодера, так как, при его реализации, используется вся поверхность растрового диска, а в случае применения растра, работающего на просвет, источники и приемники излучения оказываются механически не связанными, что приводит к снижению технологичности конструкции. В свою очередь, применение отражающего растрового диска приводит к необходимости высокой точности относительного расположения растра и оптопар, работающих на отражения и делает конструкцию не применимой в условиях вибраций.
Известен оптический энкодер, описанный в патенте Спеддинга Н.Б. [Пат. №264738, Новая Зеландия, МПК 7 G01B 11/26, G01B 5/24. A position encoder / Spedding Norman Bruce; патентообладатель «INDUSTRIAL RESEARCH LIMITED» - заявл. 20 октября 1994; опубл. 2 февраля 1996], который содержит n оптических пар (где n - разрядность энкодера), распределенных равномерно с угловым шагом 360/n, растровый диск с одной кодирующей дорожкой в виде чередующихся прозрачных и непрозрачных секторов.
При этом максимальное количество прозрачных секторов cmax в зависимости от разрядности энкодера определяют выражением:
Figure 00000001
где n - разрядность энкодера (количество используемых оптопар).
Угловой размер прозрачных секторов рассчитывают по выражению:
Figure 00000002
где c - принятое количество прозрачных секторов;
i=1…cmax - номер сектора;
αi - угловой размер i-го сектора,
Figure 00000003
Угловой размер β непрозрачных секторов вычисляют по выражению:
Figure 00000004
где s - натуральное число.
Информация с датчика выводится виде параллельного кода, который определяет значение угла.
Недостатком такого энкодера является низкая разрешающая способность по сравнению с многодорожечным энкодером. Например, при разрядности энкодера 5, обеспечивают разрешающую способность 36 градусов, при максимально возможной 360/25=11.25 градуса, при разрядности 8 - 11.25 (максимально достижимая - 360/28=1.40625 градуса) и т.д.
Технической задачей предлагаемого изобретения является увеличение разрешающей способности энкодера при сохранении разрядности.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном энкодере, содержащем n оптических пар (где n - разрядность энкодера), которые распределены равномерно с угловым шагом 360/n, растровый диск с одной кодирующей дорожкой в виде чередующихся прозрачных и непрозрачных секторов, прозрачные и непрозрачные сектора формируются путем комбинации точной и грубой шкал.
Сущность предлагаемого технического решения, заключается следующем.
На кодирующей дорожке, представляющей собой чередующиеся прозрачные и непрозрачные сектора, размещают точную и грубую шкалы. При этом грубая шкала, представляет собой непрозрачный сектор с угловым размером 720/n градусов и прозрачный сектора с угловым размером 360/n градусов, который примыкает к непрозрачному при движении почасовой стрелке. Точная шкала с угловым размером 360(1-3/n) градусов содержит n-3 части с угловым размером 360/n градусов. Каждую часть формируют по последовательности значений соответствующего разряда модифицированного n-3-разрядного кода. При этом при этом старшему разряду ставят в соответствие часть, расположенную рядом с прозрачным сектором основной шкалы, младшему - часть, расположенную рядом с непрозрачным сектором основной шкалы; нулю ставят в соответствие прозрачный сектор с угловым размером а, где а - разрешающая способность энкодера, единице - непрозрачный. Разрешающую способность энкодера рассчитывают по выражению:
Figure 00000005
Модифицированный n-3-разрядный код получают путем исключения из 2n-3 возможных значений известного n-3-разрядного двоичного кода, при четных n больших или равных 6, m1 кода вида:
Figure 00000006
где
Figure 00000007
, а также, при n больших или равных 7, одного любого кода из каждой пары вида:
Figure 00000008
где k - целое число от 0 до n-6.
Общее количество m2 пар вида (7) определяют выражением:
Figure 00000009
Абсолютный оптический однооборотный угловой энкодер содержит n оптических пар (где n - разрядность энкодера), которые распределены равномерно с угловым шагом 360/n, растровый диск с одной кодирующей дорожкой в виде чередующихся прозрачных и непрозрачных секторов, причем прозрачные и непрозрачные сектора формируются путем комбинации точной и грубой шкал.
Изобретение поясняется рисунками на фиг. 1-8.
На фигурах 1 и 2 приведено формирование двоичных кодов на выходе энкодера при наличии цепочек 110.
На фигуре 3 приведен пример реализации пятиразрядного энкодера.
На фигуре 4 приведен пример реализации шестиразрядного энкодера.
На фигуре 5 приведен пример реализации семиразрядного энкодера.
На фигуре 6 приведено расположение оптопар, растровый диск с грубой шкалой и несформированной точной шкалой для восьмиразрядного энкодера.
На фигуре 7 приведено расположение оптопар, растровый диск с грубой шкалой и несформированной точной шкалой, разделенной на пять частей, для восьмиразрядного энкодера.
На фигуре 8 приведен пример реализации восьмиразрядного энкодера с указанием основных конструктивных размеров.
Абсолютный оптический однооборотный угловой энкодер, содержит n оптических пар 2 (где n - разрядность энкодера), которые распределены равномерно с угловым шагом 360/n, растровый диск 1 с одной кодирующей дорожкой 3 в виде чередующихся прозрачных 6 и непрозрачных секторов 7, причем прозрачные и непрозрачные сектора формируются путем комбинации точной 5 и грубой 4 шкал.
Работа энкодера в соответствии с вышеприведенным описанием поясняется следующим образом.
Кодирование углового положения с точностью до 360/n градусов, может быть реализовано с помощью трех последовательно расположенных оптопар, третья из которых в пределах поворота на угол 360/n градусов остается постоянно открытой, две другие - постоянно закрыты.
Это позволяет определить угловое положение растра qГ с точностью до 360/n градусов по следующему алгоритму:
1. Считывается код с n - оптопар.
2. Считанный код подвергается s раз кольцевому сдвигу вправо, пока два младших разряда не примут значения единицы, а старший ноль.
3. Приняв за нулевое положение растра такое, что при отсутствии сдвигов старший бит в считанном с оптопар коде равен 0, а два младших 1, и считая положительным вращение против часовой стрелки, угловое положение растра qГ определяется выражением:
Figure 00000010
При определении углового положения qГ неиспользуемыми оказываются (n-3) оптопар.
Таким образом, задействовав неиспользуемые оптопары, путем формирования кодирующей последовательности на свободной части растра, можно обеспечить повышение разрешения энкодера. При этом следует учитывать, что в (n-3)-разрядном коде, считываемым с этих оптопар необходимо исключить те, которые содержат последовательность 110, так как при выполнении сдвиговых операций для определения qГ, это приводит к неоднозначности определения значения s. То есть возможно более одного значения s, при которых старший разряд имеет значение 0, а два младших 1 (фиг. 1).
В связи с этим, для исключения неоднозначности при определении s, необходимо в парах (n-3)-разрядных кодов вида (7) исключить по одному коду и при определении s считать исключенный код запрещенным.
Следует отметить, что для четных n, существуют такие (n-3)-разрядные коды, содержащие цепочки 110, которые при различных значений s, переходят сами в себя (фиг. 2). Такие коды также необходимо исключить.
Оставшиеся значения кодов позволяют уточнить угловое положение растра, определенное по грубой шкале значением s, в (2n-3-m2) раз для нечетных n, и в (2n-3-m1-m2) раз - для четных n, и обеспечить разрешающую способность в соответствии с выражением (5). Внешний вид кодирующих дисков для n равных 5, 6, 7 приведен на фигурах. 3-5.
Определение точного углового положения q, при использовании такой кодирующей последовательности реализуется по следующему алгоритму:
1. Считывается код с n - оптопар.
2. Считанный код подвергается s раз кольцевому сдвигу вправо, пока два младших разряда не примут значения единицы, а старший ноль. При этом (n-3)-разрядный двоичный код, расположенный между старшим разрядом и двумя младшими, не должен иметь запрещенное значение.
3. Определяется номер j (n-3)-разрядного модифицированного кода в соответствии с принятой последовательностью расположения при формировании растра. При этом первому коду присваивается номер 0.
4. Рассчитывается точное значение углового положения растра q по выражению:
Figure 00000011
Для пояснения последовательности формирования энкодера, рассмотрим пример расчета 8-ми разрядного энкодера.
При разрядности n, равной 8, оптопары будут распределены равномерно по периметру растра с угловым шагом:
Figure 00000012
.
Рассчитаем угловые размеры прозрачного и непрозрачного секторов основной шкалы.
Угловой размер непрозрачного сектора основной шкалы составит:
Figure 00000013
.
Угловой размер прозрачного сектора основной шкалы составит:
Figure 00000014
.
Угловой размер части кодирующего диска под размещение n-3 разрядного кода составит:
Figure 00000015
.
Кодирующий диск без (n-3)-разрядного кода и расположение оптопар приведены на фиг. 6.
Рассчитаем структуру и угловые элементы части диска под размещение n-3 разрядного кода:
1. Сформируем последовательность кодов, содержащую 2n-3 кода, соответствующих (n-3)-разрядному двоичному коду.
В данном случае разрядность кода равна:
8-3=5.
Количество кодов составит:
28-3=25=32,
В качестве последовательности кодов примем последовательность значений обычного прямого двоичного 5-ти разрядного кода. Принятая последовательность для расчетов приведена в таблице 1.
Figure 00000016
2. Так как принятое значение n, равное 8, четное и больше 6. Из полученной последовательности исключим m1 код вида (6).
Для данного случая m1 равно:
Figure 00000017
.
Количество позиций Xi при n, равном 8, имеет значение:
Figure 00000018
.
Таким образом, Xi могут принимать значения, приведенные в таблице 2.
Figure 00000019
Следовательно, из последовательности, приведенной в таблице 2 необходимо исключить коды, приведенные в таблице 3.
Figure 00000020
Таким образом с корректированная последовательность кодов примет вид, приведенный в таблице 4.
Figure 00000021
3. Так как принятое значение n, равное 8, больше 7. Из полученной последовательности исключим m2 пар вида (7).
Та как n - четное, m2 равно:
m2=(n-5)⋅2n-7-2n/2-4=(8-5)⋅28-7-28/2-4=3⋅21-24-4=3⋅2-20=6-1=5.
Количество позиций Xi при n, равном 8, имеет значение:
n-6=8-6=2.
Таким образом, Xi могут принимать значения, приведенные в таблице 5.
Figure 00000022
В свою очередь, k, при n равном 8, принимает значения 0, 1, 2.
Следовательно, из последовательности, приведенной в таблице 4 необходимо исключить по одному коду из каждой пары в таблице 6.
Figure 00000023
Из каждой пары исключим по одному коду, приведенному в таблице 7.
Figure 00000024
Оставшиеся коды, приведенные в таблице 8, добавим в исходную последовательность кодов.
Figure 00000025
Таким образом, скорректированная последовательность кодов примет вид в соответствии с таблицей 9.
Figure 00000026
Figure 00000027
4. При реализации кодирующего диска сохраним исходную последовательность кодов, таким образом последовательность значений для каждого разряда примет вид согласно таблице 10.
Figure 00000028
5. Разобьем неразмеченную часть кодирующего диска на n-3 равных частей. При n равном 8, размер одной части составит:
Figure 00000029
.
Таким образом, кодирующий диск примет вид на фиг. 7.
Определим разрешающую способность а энкодера и угловой размер цифры n-3-разрядного кода.
Так как n, равное 8, четное разрешающая способность примет значение:
Figure 00000030
Определим угловые размеры прозрачных и непрозрачных секторов для каждой части неразмеченной области, приняв одной цифре последовательности значений разрядов угловой размер равный 1,8°. Результаты расчета приведены в таблице 11.
Figure 00000031
Figure 00000032
Примечания:
1. Нумерация частей неразмеченной области начинается от прозрачного сектора основной шкалы к непрозрачному.
2. Нумерация секторов для части неразмеченной области начинается от прозрачного сектора основной шкалы к непрозрачному.
Поставив в соответствие старшему разряду часть, расположенную рядом с прозрачным сектором основной шкалы, младшему - часть, расположенную рядом с непрозрачным сектором основной шкалы, окончательно получим одну из реализаций кодирующего диска с одной дорожкой, приведенный на фиг. 8.
Коды значений углового положения диска для различных угловых положений приведен в таблице 12.
Figure 00000033
Figure 00000034
Figure 00000035
Figure 00000036
Figure 00000037
Следует отметить, что при n, равном 8, возможны другие реализации кодирующего диска, которые могут быть получены при исключении любых других значений кодов на этапе 3, а также при изменении последовательности итогового набора кодов на этапе 4.
При этом любые другие отбрасываемые значения и произвольная последовательность сортировки итогового набора кодов принципиального значения не имеют и приводят к положительному результату.
Данные варианты реализации могут варьироваться из конструктивных или иных соображений, при решении конкретной прикладной задачи применения однооборотного однодорожечного абсолютного энкодера, в том числе и для реализации энкодеров линейного перемещения.
Сопоставляя выражение для разрешающей способности известного энкодера (2) и предлагаемого (5), видно, что данный энкодер обеспечивает увеличение разрешающей способности в W раз:
Figure 00000038
По сравнению с известным энкодером, при n больше 4 разрешающая способность предложенного энкодера увеличивается (таблица 13).
Figure 00000039
Таким образом, применение кодирующей дорожки, сформированной путем комбинации грубой и точной шкал позволяет повысить разрешающую способность однодорожечного энкодера.

Claims (1)

  1. Абсолютный оптический однооборотный угловой энкодер, содержащий n оптических пар (где n - разрядность энкодера), которые распределены равномерно с угловым шагом 360/n, растровый диск с одной кодирующей дорожкой в виде чередующихся прозрачных и непрозрачных секторов, отличающийся тем, что прозрачные и непрозрачные сектора формируются путем комбинации точной и грубой шкал.
RU2017101488A 2017-01-17 2017-01-17 Абсолютный оптический однооборотный угловой энкодер RU2651637C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017101488A RU2651637C1 (ru) 2017-01-17 2017-01-17 Абсолютный оптический однооборотный угловой энкодер

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017101488A RU2651637C1 (ru) 2017-01-17 2017-01-17 Абсолютный оптический однооборотный угловой энкодер

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2651637C1 true RU2651637C1 (ru) 2018-04-23

Family

ID=62045351

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017101488A RU2651637C1 (ru) 2017-01-17 2017-01-17 Абсолютный оптический однооборотный угловой энкодер

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2651637C1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU194600U1 (ru) * 2019-03-29 2019-12-17 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Пермский военный институт войск национальной гвардии Российской Федерации" Устройство определения угла поворота механической детали
RU2720052C1 (ru) * 2019-09-03 2020-04-23 Акционерное общество "Мостком" Способ измерения угла поворота и устройство его реализующее

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4421980A (en) * 1980-09-17 1983-12-20 Carl-Zeiss-Stiftung, Heidenheim/Brenz Position encoder with closed-ring diode array
US4691101A (en) * 1985-06-19 1987-09-01 Hewlett-Packard Company Optical positional encoder comprising immediately adjacent detectors
US4786803A (en) * 1987-06-01 1988-11-22 Hewlett-Packard Company Single channel encoder with specific scale support structure
CN104677394A (zh) * 2013-11-29 2015-06-03 刘伯安 一种位置或角位置传感的编码及装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4421980A (en) * 1980-09-17 1983-12-20 Carl-Zeiss-Stiftung, Heidenheim/Brenz Position encoder with closed-ring diode array
US4691101A (en) * 1985-06-19 1987-09-01 Hewlett-Packard Company Optical positional encoder comprising immediately adjacent detectors
US4786803A (en) * 1987-06-01 1988-11-22 Hewlett-Packard Company Single channel encoder with specific scale support structure
CN104677394A (zh) * 2013-11-29 2015-06-03 刘伯安 一种位置或角位置传感的编码及装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU194600U1 (ru) * 2019-03-29 2019-12-17 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Пермский военный институт войск национальной гвардии Российской Федерации" Устройство определения угла поворота механической детали
RU2720052C1 (ru) * 2019-09-03 2020-04-23 Акционерное общество "Мостком" Способ измерения угла поворота и устройство его реализующее

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0013799B1 (en) Encoder for length or angle measuring devices with high accuracy
RU2651637C1 (ru) Абсолютный оптический однооборотный угловой энкодер
KR101953821B1 (ko) 고분해능 엔코더 장치
US4041483A (en) Absolute incremental hybrid shaft position encoder
US8525102B2 (en) Optical encoding system and optical encoder having an array of incremental photodiodes and an index photodiode for use in an optical encoding system
CN109238176B (zh) 一种角度位移测量装置及其测量方法
EP0332244A1 (en) Single track absolute encoder
US4947166A (en) Single track absolute encoder
EP0042179A2 (en) Encoder
CN106482669B (zh) 一种采用双线阵图像探测器的角位移测量系统
JP2004529344A (ja) アブソリュート位置測定法
JPH08298463A (ja) デジタル絶対位置符号器
US4194184A (en) Bidirectional digital position encoder
JP6320149B2 (ja) アブソリュートエンコーダ
RU2645880C1 (ru) Абсолютный оптический однооборотный угловой энкодер
US5642297A (en) Apparatus and method for measuring the kinematic accuracy in machines and mechanisms using absolute encoders
KR950010385B1 (ko) 절대치 인코더
JP6497848B2 (ja) アブソリュートエンコーダ、処理方法、プログラム、駆動装置、および産業機械
JP6114109B2 (ja) 位置測定装置
JP2004037107A (ja) 位置検出装置
US3410976A (en) Shaft angle encoder with phase detection
US4720699A (en) Optical encoder using line array detectors
RU2434323C1 (ru) Рекурсивная кодовая шкала
JP2016014574A (ja) アブソリュートエンコーダ
US2986726A (en) Analog to digital encoder

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190118