Фотоелектричний перетворювач “кут-код”

Предлагаемое техническое решение относится к области контрольноизмерительной техники, а именно к устройствам преобразования аналоговой информации (угла поворота вала) в дискретную форму (код) и может быть использовано в машиностроении, приборостроении, в системах автоматического контроля и управления. Кодирующие свойства фотоэлектрического преобразователя угла поворота вала в код могут быть заложены в техническом решении одного из трех основных функциональных узлов такого преобразователя -оптической системы, фотоприемника, электронного блока обработки сигналов фотоприемника. Наиболее оптимальные и технологичные конструкции преобразователей достигаются при перенесении функций кодирования и преобразования "фотон - электрон" на единый узел многоэлемент-ный кодовый фотоприемник, выполняемый по микроэлектронной технологии и обладающий, в силу этого, высокой надежностью и технологичностью. В таких преобразователях оптическая система жестко укрепляется на валу и формирует узкий световой штрих (СШ), а фотоприемник выполняется многоэлементным, обладающий свойствами пространственного кодирования, благодаря выполнению его фоточувствительной поверхности в соответствии с топологией выбранного кода. Кодовый многоэлементный фотоприемник может быть выполнен на основе большого разнообразия полупроводниковых материалов при использовании различных механизмов фотоэффекта (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, ПЗС - матрицы). Известен фотоэлектрический преобразователь перемещения в код выбранный в качестве прототипа (см.: А.с. СССР №1206956, МКИ 4 H03M1/24, 1986г.), содержащий источник питания, закрепленные на валу источник света и оптически с ним соединенный объектив, напротив которого установлен -разрядный фотоприемник с фоточувствительными дорожками, электрически соединенными с первыми входами компараторов, фоточувствительная дорожка первого разряда -разрядного фотоприемника электрически соединена с входами преобразователя напряжение-код, сумматор, выходы которого совместно с выходами компараторов являются выходами преобразователя; импульсный трансформатор, блок устранения неоднозначности считывания кода, блок инвертирования кода, постоянное запоминающее устройство; причем фоточувствительные дорожки -разрядного фотоприемника выполнены в виде сформированных в полупроводниковой пластине и изолированных один от другого фоточувствительных -переходов, металлизированных светонепроницаемым слоем, в котором, в соответствии с кодом, выполнены окна; источник света электрически соединен с первичной обмоткой импульсного трансформатора, первый вывод вторичной обмотки которого соединен с шиной нулевого потенциала, второй вывод соединен с источником питания и вторыми входами компараторов, выходы компараторов первого, второго и третьего разрядов преобразователя соединены с одноименными входами блока устранения неоднозначности считывания кода, первый и второй выходы которого соединены с входами управления блока инвертирования кода и первым входом управления сумматора соответственно: выходы преобразователя напряжение - код соединены с информационными входами блока инвертирования кода, выходы которого соединены с информационными входами сумматора, второй вход управления которого соединен с выходами постоянного запоминающего устройства. Кроме того, импульсный трансформатор выполнен в виде двух соосных ферромагнитных чашек с обмотками, одна из которых установлена в корпусе преобразователя, а другая на валу. Конструкция указанного фотоэлектрического преобразователя перемещения в код обладает существенными недостатками. Введенная в прототипе отрицательная обратная связь между питанием источника света и смещением не позволяет выбрать уровень компарации, равный половине сигнала, т.к. не учитывает реальную светимость источника света и чувствительность фотоприемника, что приводит к снижению надежности работы фотоэлектрического преобразователя перемещений в код. Питание источника света, закрепленного на валу, обеспечивается через импульсный трансформатор, состоящий из двух соосных ферромагнитных чашек, разделенных воздушным зазором; причем подвижная ферромагнитная чашка трансформатора расположена на валу, а неподвижная - в корпусе, непосредственно над фотоприемником. При питании обмоток трансформатора создаются электромагнитные поля, воздействующие на фотоприемник, что снижает функциональную надежность преобразователя. Использование прямоугольного светового штриха вносит дополнительные погрешности при преобразовании угла поворота вала в код. Из описания изобретения прототипа (см. с.2 описания а.с. СССР №1206956, МКИ 4 H03M1/24, 1986г.) следует, что источник света 2 питается через импульсный трансформатор 17 от источника питания 20 импульсным напряжением и излучает модулированный по интенсивности поток излучения. Из этого следует, что источник света является светодиодом. При импульсном питании источника света в моменты времени между следованием импульсов отсутствует кодовая комбинация на выходе фотоприемника. Рассмотрим этот случай. Пусть СШ остановился в каком-либо угловом положении. Тогда при нахождении СШ на фотоячейке, но в момент времени между импульсами питания, на первый вход компаратора поступает сигнал логического "0", а второй вход компаратора находится под нулевым потенциалом, как это следует из приведенной в описании схемы, что однозначно не определяет выходные сигналы компараторов, т.е. на выходе преобразователя полностью отсутствует информация о положении СШ в указанные моменты времени. При движении СШ вдоль фотоячеек кодовой дорожки выходной сигнал пространственно модулируется. Кроме того, на пространственно модулированный сигнал накладывается модулирование (временное) источника света, в результате такого заполнения сигнала появляются большие частотные искажения выходного сигнале фотоприемника, При этом происходят сбои при измерении угла поворота вала. В результате проведенного анализа фотоэлектрический преобразователь перемещения в код, взятый в качестве прототипа, по мнению авторов настоящего предполагаемого изобретения является функционально непригодным. Задачей изобретения является повышение функциональной надежности преобразователя и повышение точности преобразования угла поворота вала - код за счет применения дополнительных конструктивных элементов. Фотоэлектрический преобразователь "угол-код", включающий вал, размещенный в корпусе с возможностью вращения, размещенный на нем блок осветителей, оптической системы и диафрагмы, формирующей световой штрих для воздействия на -разрядный фотоприемник, который закреплен на фланце и неподвижный относительно корпуса, причем фотоприемник состоит из фоточувствительных ячеек, выполненных в соответствии с выбранной кодовой топологией, трансформатора питания источника света, ферромагнитная чашка с первой обмоткой которого укреплена на валу, а чашка со второй обмоткой укреплена на корпусе преобразователя и блок формирования кода, размещенный на одной или нескольких платах, согласно изобретению, вал в корпусе преобразователя закреплен консольно, на свободном конце которого последовательно размещен блок осветителей, соединенный с валом по конусной посадке и держатель, в котором закреплена ферромагнитная чашка с первой обмоткой, имеющая зазор с ферромагнитной чашкой со второй обмоткой, укрепленной на экранирующей перегородке, разделяющей преобразователь на блок первичной обработки сигналов и блок формирования кода и экранирующей указанные блоки от электромагнитных полей. Кроме того, в фотоэлектрическом преобразователе "угол-код" трансформатор питания источника света запитывается генератором синусоидального напряжения, выполненного на отдельной плате и размещенного на экранирующей перегородке. Кроме того, в фотоэлектрическом преобразователе "угол-код" щели диафрагмы блока осветителя выполнены трапецеидальными с углом раскрыва где - разрядность кода фотоприемника, а диафрагма, в которой сформированы щели, выполнена сплошной и из материала экранирующего электромагнитное поле и предотвращая фоновые засветки от блока осветителей. При консольном закреплении вала в корпусе преобразователя, на свободном конце вала последовательно размещаются блок осветителей, соединенный с валом по конусной посадке, и ферромагнитная чашка трансформатора с первой обмоткой. Соединение блока осветителей с валом по конусной посадке автоматически обеспечивает совпадение осей вала и блока осветителей, что повышает точность юстировки блока осветителей и соответственно повышает точность преобразования угла поворота вала в код. При консольном закреплении вала в корпусе, размещение на свободном конце вала ферромагнитной чашки трансформатора с первой обмоткой позволяет беспроволочно запитать синусоидальным напряжением источника света. Синусоидальное напряжение содержит меньше гармоник, чем импульсное напряжение, применяемое в преобразователе по прототипу, что также уменьшает паразитное воздействие электромагнитных полей, которые создаются при запитке обмотки трансформатора. Разделение ферромагнитной чашки трансформатора с первой обмоткой и ферромагнитной чашки со второй обмоткой на экранирующей перегородке исключают паразитные наводки через вал, которые существуют в преобразователе по прототипу. Выполнение генератора синусоидального напряжения на отдельной плате и размещение его на экранирующей перегородке позволяет уменьшить паразитные наводки, т.к. к генератору подводится по проводам только постоянное напряжение. Экранирующая перегородка, разделяющая преобразователь на блок первичной обработки сигналов и блок формирования кода предотвращает паразитные воздействия электромагнитных волн на электронные схемы блока формирования кода. Характерным отношением для фотоэлектрических преобразователей угла поворота вала в код является отношение ширины СШ к радиусу кодовой дорожки соответствующего разряда, и для того, чтобы в результате преобразования угла поворота вала в код не вносились дополнительные погрешности, оно должно оставаться постоянным для каждой разрядной дорожки. При анализе работы фотоэлектрического преобразователя в динамическом режиме работы можно выделить четыре характерные области: - наезд СШ на ячейку; - СШ полностью находится на ячейке; - съезд СШ с ячейки; - СШ находится полностью между ячейками. Выражение для фотопроводимости при движении СШ вдоль ячеек парафазной дорожки (в парафазной дорожке ячейки сдвинуты относительно друг друга на длину фотоячейки рассматриваемого разряда) следующее: где - частота вращения СШ (вала); - время нарастания и спада фотопроводимости соответственно; - текущий номер разрядной дорожки соответственно; - изменение фотопроводимости вследствие инерционности материала фотоприемника преобразователя; значение стационарной неравновесной фотопроводимости. Как видно из выше приведенного соотношения (1) отношение входит во все слагаемые выражения (1) и является характерной величиной фотоприемника. Формула для оценки динамических погрешностей фотоэлектрических преобразователей выводится на основе выражения (1). Дополнительные динамические погрешности преобразователя, связаны с тем, что форма ячейки кодового фотоприемника и форма СШ не являются топологически подобными. Для устранения этих дополнительных погрешностей необходимо осуществить выполнение следующего соотношения для любого фотоприемника, т.е. разряда где - ширина СШ, а - радиус кодовой дорожки текущего разряда. Угловая ширина ячейки младшего разряда фотоприемника, выполненного в соответствии с кодом Грея Ширина СШ не должна превышать ширину ячейки младшего разряда фотоприемника. Поэтому угловая ширина СШ должна удовлетворять соотношению Тогда при выполнении щелей диафрагмы трапецеидальными, боковые радиальные стороны которых при пересечении образуют угол дополнительные динамические погрешности преобразователя отсутствуют, как это следует из выражения (1), после подстановки в него условия (2). Выполнение диафрагмы, в которой сформированы щели, сплошной и из материала, экранирующего электромагнитное поле, предотвращает, во-первых, фоновые засветки фотоприемника и, во-вторых, паразитные воздействия на него электромагнитных полей. На фиг.1 показано сечение фотоэлектрического преобразователя "угол-код"; на фиг.2 - щели трапецеидальной формы диафрагмы фотоэлектрического преобразователя "угол-код"; на фиг.3 - эпюры выходных сигналов с четырех разрядных дорожек фотоприемника фотоэлектрического преобразователя "угол-код". Фотоэлектрический преобразователь "угол-код" состоит (фиг.1) из вала 1, размещенного в корпусе 2 и имеющего возможность вращаться, на одном конце которого размещен блок осветителей 3, оптической системы 4 и щелей 5, 6, формирующих световые штрихи, которые воздействуют на разрядный фотоприемник 7, закрепленный на фланце 8; трансформатора питания блока осветителей, подвижная ферромагнитная чашка с первой обмоткой 9 которого крепится с помощью держателя Юна торце вала 1, а неподвижная чашка со второй обмоткой 11 укреплена на экранирующей перегородке 12, и блока обработки сигналов 13, размещенного на одной или нескольких платах. Щели 5, 6 диафрагмы блока осветителей (фиг.2) выполнены вдоль радиуса диафрагмы трапецеидальными с углом раскрыва где - разрядность кода фотоприемника. Диафрагма, в которой сформированы щели, выполнена сплошной и из материала, экранирующего электромагнитное поле, и предотвращающего фоновые засветки or блока осветителей, причем диафрагма-экран со щелями разделяет в корпусе фотоприемник 7 с одной стороны, а с другой - блок осветителей 3 и трансформатор питания блока осветителей. Фотоэлектрический преобразователь "угол-код" работает следующим образом. Радиальный СШ, формируемый блоком осветителей, попадает на рабочее поле фотоприемника и перекрывает все кодовые парафазные дорожки по линии считывания. В зависимости от углового положения СШ последний попадает в каждой кодовой дорожке на фотоячейку или промежуток между ними. Фотоприемник работает в фотовентильном режиме, т.е. в качестве сигнала снимается фототок. Излучение источника воздействует на -переходы. В результате поглощения фотонов с энергией большей чем ширина запрещенной зоны полупроводникового материала, с обеих сторон -перехода возникают электронно-дырочные пары. Неосновные носители, находящиеся вблизи перехода, благодаря наличию внутренних электрических полей, быстро переносятся полем перехода и становятся уже основными носителями на другой его стороне. Таким образом, -переход действует как сток для сгенерированных светом неосновных носителей. Возникающая при этом комбинация сигналов фототока возбужденных и темпового тока невозбужденных ячеек считывается в виде разрядного параллельного двоичного кода, представляющего собой цифровой эквивалент величины угла Рассмотрим принцип формирования логических уровней выходного кода фотоэлектрического преобразователи (фиг.3). На фиг.3 последовательно цифрами обозначены четыре дорожки двух разрядов. При вращении вала, угловое положение которого измеряется, радиальный СШ, сформированный оптической системой, попадает на рабочее поле фотоприемника и перекрывает все кодовые дорожки по линии считывания, В зависимости от углового положения, СШ попадает в каждой кодовой дорожке на фотоячейку или промежуток между ними. На фиг.3 для упрощения изображены четыре кодовые дорожки двух разрядов, по лес на разряд преобразования. При пересечении СШ передней границу фотоячейки первой кодовой дорожки фототок сначала нарастает, затем принимает постоянное значение и на задней границе фотоячейки спадает, формируя трапецеидальный сигнал фототока. Со второй кодовой дорожки, сдвинутой на единицу разряда относительно первой кодовой дорожки (пространственно сдвинутой на 180°). СШ взаимодействуя с фотоячейкой, дает постоянный уровень сигнала фототока, на задней же границе фотоячейки спадает и на фотонечувствительном промежутке между фотоячейками принимает значение равное нулю. Аналогичным образом изменяются сигналы фототока (фиг.3) с третьей и четвертой дорожек второго разряда. Сформированные сигналы первой и второй разрядных дорожек (аналогично с третьей и четвертой дорожек) подаются на вход компаратора, где они сравниваются, формируя логические сигналы (уровни лог. "1" и "0"), и в дальнейшем подаются на логические Схемы, которые формируют окончательно цифровые сигналы, соответствующие разрядному параллельному двоичному коду, представляющие собой цифровые эквиваленты углового положения СШ. Пример реализации конструкции. Реализованный кодовый фотоэлектрический преобразователь "уголкод" имеет следующие технические параметры: Размеры преобразователя общепринятым: соответствуют