Фотоэлектрический преобразователь круговых перемещений

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КРУГОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ(71) Заявитель Научно-производственное республиканское унитарное предприятие КБТЭМ-ОМО(72) Авторы Аваков Сергей Мирзоевич Басалаев Сергей Петрович Есьман Василий Михайлович Симонов Александр Тихонович Трапашко Георгий Алексеевич(73) Патентообладатель Научно-производственное республиканское унитарное предприятие КБТЭМ-ОМО(57) Фотоэлектрический преобразователь круговых перемещений, содержащий лимб с периодической радиальной растровой структурой, осветитель, свет от которого последовательно проходит через два диаметрально противоположных участка растровой структуры лимба, оптическую систему, состоящую из двух отражателей, и фотоприемный блок, отличающийся тем, что в него введены два объектива, один из которых расположен по ходу луча за первым отражателем, а второй - перед вторым отражателем, и расположенные между двумя объективами призма, фазовая пластинка /2 и пространственный фильтр,причем расстояние между объективами равно сумме фокусных расстояний объективов, а расстояния от лимба до первого и второго объективов равны их фокусным расстояниям. 44682008.06.30 Полезная модель относится к области измерительной техники, в частности к устройствам, преобразующим круговые перемещения в периодические электрические сигналы, и предназначено для регистрации угловых перемещений в станкостроении и приборостроении. Известны преобразователи круговых перемещений, построенные по схеме с осветителем, лимбом, маской и фотоприемным блоком 1. Излучение светодиода последовательно проходит через лимб, анализирующую маску и попадает на фотоприемники. При вращении лимба его штрихи движутся относительно штрихов маски, в результате чего происходит модуляция светового потока, приходящего на фотоприемники. Недостатком такой конструкции является наличие анализирующей маски, установленной на определенном расстоянии от лимба. Величина зазора определяет размер элемента лимба, который не может быть меньше величины зазора, и как следствие ограничивает разрешающую способность преобразователя. Фотоэлектрические преобразователи круговых перемещений,построенные по такой схеме, обладают низкой точностью, обусловленной чувствительностью к эксцентриситету установки лимба и наличием гармоник в сигнале. В преобразователях круговых перемещений фирмы 4 точность работы значительно улучшена за счет съема информации с диаметрально противоположных участков лимба, однако разрешающая способность ограничена количеством штрихов на лимбе и наличием гармоник в сигналах. Более высокой разрешающей способностью обладает преобразователь круговых перемещений 2, который содержит осветитель и лимб с двумя коаксиальными растровыми дорожками, причем штрихи дорожек сдвинуты на четверть периода друг относительно друга. Оптическая система проецирует изображение освещенного участка растровой структуры лимба на диаметрально противоположный. Световые потоки от растровых дорожек попадают на фотоприемники. При вращении лимба его штрихи и их изображения движутся навстречу друг другу, в результате чего частота модуляции светового потока,приходящего на фотоприемники, увеличивается в два раза и при повороте лимба на один период растра вырабатывается два периода электрического сигнала фотоприемника. В качестве прототипа выбран датчик поворота 3, содержащий осветитель и лимб, на который нанесена топология растра. Излучение лазера с помощью поляризационной призмы делится на два пучка с поляризациямии , которые попадают на зеркала и под угломнаправляются на участок лимба М 1. Уголравен(/),где- центральная длина волны спектра излучения полупроводникового лазера, а Т - период решетки лимба на участке 1. После дифракции на решетке лимба плюс первый порядок дифракции пучка споляризацией и минус первый порядок пучка споляризацией распространяются в одном направлении и попадают на зеркало. Отразившись от зеркал, излучение попадает на участок М 2 лимба, где происходит вторая дифракция под углами , как показано на фиг. 2 А и 2 В патента. Дальше с помощью зеркал и поляризационного кубика излучение смешивается и направляется на фотоприемный блок, где преобразуется в два синусоидальных сигнала, сдвинутых по фазе друг относительно друга на четверть периода. Недостатком аналога является низкая чувствительность отсчета углового положения,она ограничена размером элемента структуры лимба. Кроме того, форма сигналов фотоприемников не является синусоидальной, в них присутствуют высшие гармоники. Это затрудняет последующую электрическую интерполяцию сигналов, что также приводит к ограничению чувствительности углоизмерительных устройств, построенных на базе этого преобразователя. Недостатком прототипа является низкая точность работы, обусловленная влиянием на сигнал фотоприемника нерабочих дифракционных пучков, прошедших после дифракции на лимбе через поляризационный кубик. После дифракции на участке 1 плюсовой порядок Р - поляризации и минусовой порядок- поляризации попадают на 2 44682008.06.30 участок М 2 лимба, где происходит вторая дифракция. В результате второй дифракции на зеркала и далее на поляризационный кубик распространяются по два пучка. На одно из зеркал за участком М 2 лимба падает плюсовой порядок от плюсового порядка Р - поляризации и минусовой порядок от минусового порядка- поляризации. На другое зеркало падает минусовой порядок от плюсового порядка Р - поляризации и плюсовой порядок от минусового порядка- поляризации. Рабочими являются два пучка - плюсовой от плюсового порядка Р - поляризации и минусовой от минусового порядка-поляризации. Два других являются нерабочими и не должны пройти на фотоприемный блок, но так как степень поляризации поляризационного кубика не равна 100 , они попадают на фотоприемный блок и участвуют в формировании сигналов, что приводит к появлению искажений сигналов и снижению коэффициента электронной интерполяции периода сигнала. Таким образом, вышеуказанные недостатки снижают точность работы преобразователя круговых перемещений. Задачей полезной модели является повышение точности работы. Поставленная задача достигается тем, что фотоэлектрический преобразователь круговых перемещений, содержащий лимб с периодической радиальной растровой структурой,осветитель, свет от которого последовательно проходит через два диаметрально противоположных участка растровой структуры лимба, оптическую систему, состоящую из двух отражателей, и фотоприемный блок, в него введены два объектива, один из которых расположен по ходу луча за первым отражателем, а второй - перед вторым отражателем, и расположенные между двумя объективами призма, фазовая пластинка /2 и пространственный фильтр, причем расстояние между объективами равно сумме фокусных расстояний объективов, а расстояния от лимба до первого и второго объективов равны их фокусным расстояниям. Суть полезной модели поясняется чертежом, где приведен фотоэлектрический преобразователь круговых перемещений. Фотоэлектрический преобразователь круговых перемещений содержит лимб 1 с периодической радиальной растровой структурой, осветитель 2, свет от которого последовательно проходит через два диаметрально противоположных участка растровой структуры лимба 1, и оптическую систему, состоящую из первого отражателя 3, первого объектива 4,второго объектива 5, и расположенных между объективами 4 и 5 призму 8, фазовую пластинку /2 6 и пространственный фильтр 7, и второго отражателя 9, а также фотоприемный блок 10. Расстояние между объективами 4 и 5 равно сумме фокусных расстояний объективов, а расстояния от лимба 1 до первого 4 и второго 5 объективов равны фокусным расстояниям объективов 4 и 5. Фотоэлектрический преобразователь круговых перемещений работает следующим образом осветитель 2 с когерентным источником излучения освещает участок 1 периодической растровой структуры лимба 1. Лимб может быть выполнен как фазовым, так и амплитудным. В результате дифракции освещающего пучка на элементах структуры лимба 1 образуется спектр дифракционных порядков, распространяющихся в направлении отражателя 3. Для упрощения на чертеже показан пучок нулевого порядка и два пучкаи порядка дифракции. Объектив 4 установлен так, что участок 1 лимба расположен в его фокальной плоскости, и дифракционные пучки за объективом 4 распространяются параллельно друг другу, а перетяжка каждого из пучков происходит в задней фокальной плоскости объектива, находящейся в месте расположения призмы 8 и совпадающей с передней фокальной плоскостью объектива 5. Пространственный фильтр 7 пропускает только излучениеи - порядка дифракции. Фазовая пластинка /2 6 поворачивает плоскость поляризации одного из пучков на 90. После прохождения оптической схемы пучкии порядка попадают на участок М 2 лимба 1 под углом, равным углу дифракции порядков на участке М 1, а так как задняя фокальная плоскость объектива 5 совпадает с лимбом, то осевые лучи пучков приходят в одну точку участка М 2 лимба 1, а сами пучки полностью пе 3 44682008.06.30 рекрываются. После второй дифракции на участке М 2, диаметрально противоположном М 1, на фотоприемный блок 10 попадают два пучка, идущих параллельно друг другу. Использование для отсчета угла поворота двух диаметрально противоположных участков лимба 1 и М 2 позволяет полностью исключить влияние эксцентриситета лимба 1 на точность работы преобразователя. Пройдя через фазовую пластинку /4 фотоприемного блока 10,поляризация каждого из пучков превращается в круговую, а суммарный пучок приобретает линейную поляризацию. При повороте лимба 1 фаза волнового фронта каждого из пучков изменяется и, как следствие, изменяется направление поляризации суммарного пучка. После поляризационных пластинок фотоприемного блока 10 излучение попадает на фотоприемники, где преобразуется в электрический сигнал. Регулировкой разворота поляризационных пластинок фотоприемного блока 10 сдвиг фаз сигналов фотоприемников выставляется равным 90. Так как в формировании сигнала принимает участие только два пучка, то сигнал является чисто синусоидальным без искажений, что позволяет проводить интерполяцию периода на большое число раз. Призма 8 меняет местами дифракционные пучкии -, что необходимо для обеспечения нарастания фаз волновых фронтов после последовательной дифракции излучения на диаметрально противоположных участках вращающегося лимба 1. Предложенное техническое решение позволяет повысить точность работы фотоэлектрического преобразователя круговых перемещений, увеличить разрешающую способность за счет увеличения количества штрихов на лимбе и увеличения коэффициента интерполяции периода сигнала. Предложенное техническое решение фотоэлектрического преобразователя круговых перемещений может быть использовано в любых областях науки и техники для точного отсчета угла поворота. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4