Рис. 4.

Рис. 5

4. Специфика вторичных преобразователей для датчиков перемещений

Алгоритмы функционирования вторичных преобразователей при измерении угловых и линейных перемещений могут иметь специфические особенности. Остановимся на двух частных случаях.

Кодовые датчики и сельсины при измерении угла в пределах одного оборота являются статическими, то есть при подаче на них питания они выдают значение углового положения в данный момент времени, независимо от того, были ли изменения положений при нахождении датчика в выключенном состоянии. Однако в статическом режиме невозможно зафиксировать полное угловое перемещение, если оно превышает целый оборот. Это перемещение можно зафиксировать только в динамическом режиме, фиксируя все переходы угла через нуль с учетом направления перехода, что определяет знак приращения в счетчике числа полных оборотов. При этом очевидно, что полные обороты, совершенные при выключенном датчике, не фиксируются.

Аналогичная ситуация наблюдается при вторичной обработке квадратурных сигналов датчиков с периодическими структурами (линейные или угловые индуктосины или растровые фотоэлектрические датчики). На рис.7, а показана зависимость этих сигналов от величины перемещения (на рисунке исключены постоянные составляющие, которые имеются в сигналах растровых датчиков, поскольку их величина не влияет на алгоритмы обработки). Шаг линеек равен ∆х. Амплитуды сигналов предполагаются равными. В противном случае они могут быть скорректированы при обработке.

Рис. 7.

Непосредственно из рисунка видно, что величину полного перемещения можно найти, определив целое число шагов и часть шага, соответствующую моменту отсчета. Если перемещение происходит в одном направлении, число полушагов можно определить, подсчитывая переходы через нуль любого одного сигнала. Однако при этом нельзя определить даже направление перемещения. Изменение направления движения никак не будет фиксироваться. Поэтому, подсчитывая число переходов через нуль, можно определить полный путь, но не координату. Наличие двух сигналов устраняет эту проблему. При движении в положительном направлении последовательность переходов через нуль с учетом знака производной имеет вид +а, +б, - а, - б, +а,…., что соответствует приращению координаты при каждом переходе на четверть шага. При движении в обратном направлении последовательность переходов будет иной: +а, - б, - а, +б, +а,…., и каждый переход через нуль уменьшает координату на четверть шага. Если в процессе движения происходят реверсы, то каждый переход через нуль изменяет координату на четверть шага, а знак этого изменения определяется направлением перемещения. Признаком реверса является последовательное появление в одном из квадратурных сигналов двух одинаковых переходов через нуль. Таким образом, анализируя и соответствующим образом подсчитывая переходы квадратурных сигналов через нуль, можно определить координату с дискретностью в четверть шага линейки датчика.

Меньшую дискретность (имеется в виду малый шаг квантования) можно получить, используя значения сигналов в момент считывания координат. Алгоритм интерполяции можно пояснить следующим образом. Пусть периодические сигналы S_a (t) и S₆ (t), сдвинутые относительно друг друга на четверть шага, имеют стабильную одинаковую форму, будучи четными функциями относительно осей, проходящих через экстремумы, и нечетными относительно осей, проходящих через нулевые значения сигналов. Отличие этих функций от моделей в виде синусоиды или кусочно-линейной функции не имеет принципиального значения, важна стабильность их формы. Разобьем четверть шага шкалы на п равных интервалов и обозначим через S - верхние границы этих интервалов (рис.2.7, б). Тогда, как видно из рисунка, абсолютное значение поправки σх при снятии отсчета перемещения в момент времени t₀ можно рассчитать по формуле

(2.6)

Индекс і в (2.6) выбирается так, чтобы S_t наименьшим образом отличалось от S_a (t₀). Знак приращения определяется направлением перемещения, найденного на основе анализа последовательности пересечений сигналами нулевого уровня.

Аппаратно поправка может вычисляться различными способами, например путем аналого-цифрового преобразования сигнала S_a (t) или путем формирования импульсов при каждом переходе сигналами уровней С алгоритмической точки зрения это не имеет значения.

Форма сигналов индуктосинов более стабильная, поэтому для них величина п может достигать сотен. Для фотоэлектрических датчиков п обычно не превышает 5.10. Однако, учитывая существенно меньший шаг их линеек, они обеспечивают существенно меньшую дискретность отсчета перемещений.

Из описания алгоритма работы вторичных преобразователей для датчиков с квадратурными сигналами следует, что эти преобразователи могут работать только в динамическом режиме. Информация о перемещения кареток при выключенных датчиках полностью теряется. Поэтому после включения датчика должна производиться установка нуля для координаты путем прохождения через нуль-метку, входящую в состав датчика, или касания точки с известной координатой.

Ранее в состав вторичных преобразователей входили аналоговые устройства, компенсирующие нелинейность датчиков. Однако в настоящее время линеаризация чаще всего производится цифровыми вычислительными устройствами. Это может быть центральная ЭВМ, а иногда и специализированные микропроцессорные устройства, встраиваемые во вторичный преобразователь.

Элементной базой вторичных преобразователей являются электронные компоненты широкого применения. В этом случае каждый ВИП представляет собой печатную плату, содержащую до нескольких десятков элементов. Для некоторых широко применяемых датчиков разработаны и серийно выпускаются специализированные микросхемы. Такие микросхемы существуют для индуктивных и растровых преобразователей перемещения, для термопар, тензорезисторов, для датчиков давления, преобразователей Холла и некоторых других. Эти микросхемы обеспечивают выполнение всех функций вторичных преобразователей. Например, микросхема для работы с индуктивными датчиками содержит мостовую схему, генератор для ее питания, фазовый детектор и усилитель. Причем, хотя эта микросхема разработана для индуктивных преобразователей, в принципе она может использоваться и для емкостных и резистивных датчиков.

Использование специализированных микросхем приводит к существенному удешевлению и упрощению конструкции, поскольку в этом случае ВИП содержит одну специализированную микросхему и несколько дискретных элементов (резисторов, конденсаторов, дросселей), используемых для задания частоты, масштабных коэффициентов и т.п. При этом повышаются практически все технические показатели: точность, стабильность, надежность и др.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП), независимо от области их применения, характеризуются следующими основными показателями:

число разрядов выдаваемого кода п;

диапазон преобразуемых напряжений U_v;

цена младшего разряда σU;

время преобразования t_пр.

Очевидно, что первые три показателя взаимосвязаны: U_v = 2ⁿσU.

К АЦП как к части измерительного канала предъявляется особое требование - стабильность цены младшего разряда во всем диапазоне преобразуемых напряжений, поскольку она непосредственно влияет на погрешность измерений.

Выше мы уже касались аналого-цифрового преобразования, осуществляемого во вторичных преобразователях, использующих счетчики импульсов. Однако наибольшее применение находят серийно выпускаемые интегральные АЦП - одни из наиболее часто используемых универсальных электронных компонентов. В этих АЦП используются в основном три способа преобразования.

1) Преобразование напряжения в частоту с последующим измерением частоты.

2) Двойное интегрирование, при котором выходное напряжение интегратора возрастает линейно, со скоростью, пропорциональной преобразуемому сигналу, с измерением времени нарастания от нулевого до заданного фиксированного уровня. Время нарастания определяется путем подсчета числа импульсов.

3) Метод последовательного приближения или поразрядного уравновешивания, при котором число в выходном регистре, начиная со старшего разряда, увеличивается на единицу или остается нулевым в зависимости от результатов сравнения входного напряжения и напряжения на выходе цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), преобразующего число, записанное в выходном регистре.

В СИ обычно используются достаточно дешевые 10.14-разрядные АЦП с временем преобразования несколько микросекунд. Однако для особо точных исследований иногда используются более сложные и дорогие 16.20-разрядные АЦП с временем преобразования доли микросекунд.

Таким образом, все ВИП представляют собой электронные устройства преобразования измерительной информации, методы построения которых изложены, например, в [14]. ВИП и АЦП, как и датчики, для разработчиков ИИС являются серийно выпускаемыми изделиями. Разрабатывать их для проектируемых ИИС, как правило, не требуется. Необходимо лишь провести технически грамотный выбор по каталогам, руководствуясь теми же принципами системности и агрегирования, как и при выборе других технических средств.

вторичный измерительный преобразователь датчик

Литература

1. Автоматизация физических исследований и эксперимента: компьютерные измерения и виртуальные приборы на основе Lab VIEW / под ред. П.А. Бутыркина. - М.: ДМК-Пресс, 2005. - 264 с.

2. Анисимов Б.В., Голубкин В.Н. Аналоговые и гибридные вычислительные машины. - М.: Высшая школа, 1990., - 289 с.

3. Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин. - М.: Дрофа, 2005. - 415 с.

4. Ацюковский В.А. Основы организации системы цифровых связей в сложных информационно-измерительных комплексах. - М.: Энергоатомиздат, 2001. - 97 с.

5. Барский А.Б. Нейронные сети. Распознавание, управление, принятие решений. - М.: Финансы и статистика, 2004. - 176 с.

6. Батоврин В., Бессонов А., Мошкин В. Lab VIEW: Практикум по электронике и микропроцессорной технике. - М.: ДМК-Пресс, 2005 - 182 с.

7. Вентцелъ Е. С, Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. - М.: Высшая школа, 2007. - 491 с.

8. Волкова В.Н., Денисов А.А. Теория систем. - М.: Высшая школа, 2006. - 511 с.

9. ГОСТ Р 8.596-2002. ГСИ. Метрологическое обеспечение измерительных систем. Основные положения.

10. ГОСТ 16263-70. ГСИ. Метрология. Термины и определения.

11. ГОСТ 26016-81. Единая система стандартов приборостроения. Интерфейсы, признаки классификации и общие требования.

12. ГОСТ 8.437-81. ГСИ. Системы информационно-измерительные. Метрологическое обеспечение. Основные положения.

13. Грановский В.А. Системная метрология: метрологические системы и метрология систем. - СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ "Электроприбор", 1999. - 360 с.

14. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л., 1988. - 304 с.

15. Демидович В.П., Марон И.А. Основы вычислительной математики. - М.: Наука, 1970. - 654 с.

16. Деч Р. Нелинейные преобразования случайных процессов. - М.: Советское радио, 1965. - 208 с.

17. Джексон Р.Г. Новейшие датчики. - М.: Техносфера, 2007. - 384 с.

18. Измерение электрических и неэлектрических величин / Н.Н. Евтихиев, Я.А. Купершмидт, В.Ф. Папуловский, В.Н. Скуго-ров; под общ. ред. Н.Н. Евтихиева. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 352 с.

19. Информационно-измерительная техника и технологии / В.И. Калашников, С.В. Нефедов, А.Б. Путилин и др.; под ред.Г. Г. Ра-неева. - М.: Высшая школа, 2002. - 454 с.

20. Калабеков В.В. Цифровые устройства и микропроцессорные системы. - М.: Радио и связь, 1997. - 336 с.