RU109847U1 - Измеритель угла - Google Patents

Abstract

1. Измеритель угла, содержащий оптическую марку с осветителем, закрепленную на роторе, и приемный узел, состоящий из объектива, формирующего изображение марки на фотоприемной матрице (ПЗС- или КМОП-матрице) цифровой камеры, закрепленный на статоре, камера подключена к персональному компьютеру, выполняющему путем анализа изображения марки вычисление угла разворота оптической марки относительно приемной матрицы, отличающийся тем, что оптическая марка представляет собой двумерное упорядоченное множество элементов с известным расположением, например, ортогональную решетку из элементов в форме круга с относительной яркостью 1 на фоне с относительной яркостью 0, диаметр изображения элементов в форме круга равен от 10 до 100 пикселей ПЗС/КМОП-матрицы, регистрирующей изображение, интервал между элементами (шаг ортогональной решетки) составляет от 2 до 5 диаметров круга, при этом оптическая марка снабжена метками, однозначно определяющими ее ориентацию в угловом пространстве. ! 2. Измеритель угла по п.1, отличающийся тем, что оптическая марка выполнена с циклически повторяющимися метками, интервал между которыми в изображении не должен превышать размер фотоприемной матрицы.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована в автоматике, станкостроении, приборостроении, робототехнике, системах управления и контроля, а также в других областях техники.

Известны многочисленные прецизионные измерители и преобразователи угла, описанные, например, в кн.: Бабушкин С.Г. и др. Оптико-механические приборы, 1963 г.

Наиболее совершенными из них являются оптико-электронные приборы, использующие кодовое и растровое преобразование. Такие измерители выпускаются как в России, например, СКБ ИС (www.skbis.ru), так и за рубежом, например, HEIDENHAIN GmbH (www.heidenhain.de) и RENISHAW (www.renishaw.com).

При уровне точности в единицы угловых секунд и менее основными недостатками этих приборов, принятых за аналоги, являются:

- большие габариты и масса устройств;

- ограниченные точности измерений из-за влияния люфтов и вибраций,

- высокая стоимость приборов, которая для современных преобразователей и измерителей с точностью 1÷3 угловых секунд достигает 3000 $, а с точностью в доли секунды - десятки тысяч $.

Ближайшим аналогом (прототипом) заявляемой полезной модели выбирается «Абсолютный преобразователь угла», описанный в патенте РФ №2419067 (вариант по пункту 1 формулы изобретения) авторов Дукаревича Ю.Е., Дукаревича М.Ю., опубликован 20.05.2011 г., бюллетень №14, 2011 г.

Контрольный элемент (КЭ) содержит светодиод, точечную диафрагму, конденсор, сигнальную маску, расположенную в фокальной плоскости объектива. Приемный узел измерительного блока содержит объектив и приемную ПЗС - (КМОП) матрицу, сигнал с которой по USB-2.0 - порту поступает на персональный компьютер ПК или специализированный контроллер.

Устройство-прототип работает следующим образом.

Осветитель контрольного элемента (светодиод, точечная диафрагма и конденсор) формирует равномерный параллельный световой поток, который освещает сигнальную маску. Сигнальная маска представляет собой прозрачную узкую щель на непрозрачной подложке. Объектив, в фокальной плоскости которого расположена сигнальная маска, образует изображение световой щели сигнальной маски, которое развернуто на измеряемый угол φ относительно измерительного блока.

Объектив приемного узла строит в своей фокальной плоскости изображение светящейся маски КЭ. Эта плоскость совмещена с приемной плоскостью приемной матрицы, которая и детектирует это изображение светящейся маски.

С помощью приемной матрицы оптическое изображение преобразуется в цифровой видеосигнал и поступает на персональный компьютер ПК. С помощью специализированных алгоритмов обработки информации в ПК производится измерение угла φ поворота светящейся линии.

Следует отметить, что в описании прототипа два утверждения не полностью соответствуют действительности:

1. Диапазон измерения для объекта в виде линии не может составлять 360°, поскольку при повороте линии на 180 градусов, картины являются идентичными. Таким образом, диапазон измерений прототипа не превышает 0-180°.

2. Погрешность измерения оценивается авторами по простой формуле, а не определяется в чистом измерительном эксперименте в сравнении с номинальным значением величины угла на образцовом приборе. При этом не учитывается целый ряд факторов, в частности, шумы квантования и дискретизации, параметры оптики, определяющие качество изображения контрольного элемента и пр. Учет шумов дискретизации для углов вблизи 0° и 90° показывает, что при такой форме контрольного элемента абсолютная погрешность измерения для прототипа будет значительно выше.

Отсюда следуют основные недостатки прототипа: ограниченный диапазон измерений 0-180° и невысокая точность.

Неточным является название прототипа. Преобразователем можно называть измеритель угловых величин, на выходе которого измеряемая величина выражается в величинах, отличных от угла, например, в вольтах, кодах, импульсах, двоичных величинах, т.е. когда производится преобразование угла в другую величину. Из описания следует, что измеряемая величина отображается в угловых секундах. Поэтому прототип следует называть измерителем, а не преобразователем угла.

Предлагаемое техническое решение направлено на решение следующих задач:

- расширение динамического диапазона,

- повышение точности измерения углового положения,

- расширение эксплуатационных возможностей, в частности, измерение угла поворота ротора при расположении марки на значительном расстоянии от оси вращения.

Схема измерителя угла приведена на фиг.1.

Оптическая марка 2 с осветителем, установленная на роторе 1, вращается вместе с ним и изображается объективом 3 на фотоприемной матрице цифровой камеры 4. Цифровой видеосигнал изображения оптической марки с камеры 4 передается в компьютер 5, который выполняет преобразование и обработку данных, обеспечивая определение угла поворота оптической марки относительно фотоприемной матрицы. Осветитель оптической марки может быть выполнен в виде матрицы светодиодов.

Форма оптической марки приведена на фиг.2.

Оптическая марка представляет собой двумерное множество элементов с известным расположением, например, ортогональную решетку из элементов в форме круга с относительной яркостью 1 на фоне с относительной яркостью 0.

Диаметр D элементов в форме круга равен от 10 до 100 пикселей ПЗС/КМОП матрицы, регистрирующей изображение.

Интервал L между элементами (шаг решетки) составляет от 2 до 5 диаметров круга. Оптимальным является равенство интервалов (шагов) для обоих ортогональных направлений (x, y).

Количество элементов в решетке определяется выражением

N=S/L²

где S - площадь светочувствительной ПЗС/КМОП матрицы в пикселях.

Чем больше геометрический размер ПЗС/КМОП матрицы и число элементов решетки, тем выше точность измерения. Размер элемента (диаметр круга) определяет точность определения координаты элемента и его уменьшение с целью увеличения числа элементов снижает точность.

Так как решетка обладает симметрией относительно поворотов на определенные углы (в случае квадратной решетки - на 90, 180 и 270 градусов), необходимы метки, однозначно определяющие ориентацию решетки. Например, три элемента на фиг.2, указанные стрелками и образующие треугольник, имеют больший диаметр по сравнению с остальными. Положение этого треугольника и определяет ориентацию решетки, обеспечивая возможность измерения в диапазоне 0-360°.

Экспериментальная проверка одного из возможных вариантов измерителя угла выполнена на макете. На фиг.3 приведена измерительная угловая шкала с результатом измерения и окно программы с элементами ввода исходных данных и контроля процесса измерения, включающее изображение оптической марки. Приведенные результаты показывают, что получена разрешающая способность измерений угла порядка сотых долей угловой секунды.

Широкий метрологический анализ различных вариантов измерителя выполнен на основании математической модели, использующей генератор изображений марок и стандартный для данного измерителя алгоритм обработки изображения марки.

Генератор изображений марки с любым углом поворота обеспечивает учет следующих параметров:

1) размер фотоприемной матрицы (в пикселах),

2) диаметр элементов (в пикселах),

3) шаг решетки (в пикселах),

4) оптическую передаточную функцию объектива, определяющую качество изображения,

5) шум фотоприемной матрицы (в уровнях квантования),

6) количество кадров, по которым производится усреднение результатов для одного измерения,

7) количество измерений, по которым производится усреднение при получении окончательного результата измерения.

По результатам математического моделирования были получены следующие значения предельной абсолютной погрешности измерения угла с помощью предлагаемой конструкции измерителя угла:

для фотоприемной матрицы 1200×1000 пике. (1.2 Мпикс) - 0.5 угл. сек.

для фотоприемной матрицы 3000×2000 пике. (6 Мпикс) - 0.15 угл. сек.

для фотоприемной матрицы 5000×4000 пике. (20 Мпикс) - 0.025 угл. сек.

Таким образом, в предлагаемом измерителе угла может быть получена точность, значительно более высокая по сравнению с прототипом.

На фиг.4 показана схема измерителя угла при расположении оптической марки при значительном смещении от оси вращения ротора. Здесь также как на фиг.1, оптическая марка 2 с осветителем, установленная на роторе 1, вращается вместе с ним и изображается объективом 3 на фотоприемной матрице цифровой камеры 4. Цифровой видеосигнал с камеры 4 передается в компьютер 5, который выполняет преобразование и обработку данных.

В этом случае предлагается использовать вариант оптической марки, представленный на фиг.5. По всему полю этой марки расположены метки в форме треугольника, на рисунке указанные стрелками. Эта форма оптической марки представляет собой решетку с периодически повторяющимися метками ориентации и может быть выполнена для сколь угодно большого поля. Главное условие, чтобы в любой момент в поле фотоприемной матрицы на изображении оптической марки попадал хотя бы один фрагмент с метками.

Claims (2)

1. Измеритель угла, содержащий оптическую марку с осветителем, закрепленную на роторе, и приемный узел, состоящий из объектива, формирующего изображение марки на фотоприемной матрице (ПЗС- или КМОП-матрице) цифровой камеры, закрепленный на статоре, камера подключена к персональному компьютеру, выполняющему путем анализа изображения марки вычисление угла разворота оптической марки относительно приемной матрицы, отличающийся тем, что оптическая марка представляет собой двумерное упорядоченное множество элементов с известным расположением, например, ортогональную решетку из элементов в форме круга с относительной яркостью 1 на фоне с относительной яркостью 0, диаметр изображения элементов в форме круга равен от 10 до 100 пикселей ПЗС/КМОП-матрицы, регистрирующей изображение, интервал между элементами (шаг ортогональной решетки) составляет от 2 до 5 диаметров круга, при этом оптическая марка снабжена метками, однозначно определяющими ее ориентацию в угловом пространстве.

2. Измеритель угла по п.1, отличающийся тем, что оптическая марка выполнена с циклически повторяющимися метками, интервал между которыми в изображении не должен превышать размер фотоприемной матрицы.