Глава 3 (Учебник - информационные системы), страница 8
Описание файла
Файл "Глава 3" внутри архива находится в папке "Учебник - информационные системы". Документ из архива "Учебник - информационные системы", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "информационные устройства и системы" из 9 семестр (1 семестр магистратуры), которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "книги и методические указания", в предмете "информационные устройства и системы" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Глава 3"
Текст 8 страницы из документа "Глава 3"
Датчики абсолютных значений не содержат репера и выполняются либо одношкальными, либо в виде систем ГО и ТО.
3.1.3.1. Растровые оптические датчики положения
Растровые фотоэлектрические датчики (РОДП) предназначены для преобразования линейных и угловых перемещений в цифровой код на основе использования растрового сопряжения. Принцип действия РОДП подобен РЭДП. Оптический растр представляет собой совокупность однотипных непрозрачных элементов, образующих периодическую структуру и воздействующих на поток лучистой энергии как единое целое. Растр формируется при сопряжении кодирующих элементов датчика. Расположенные на них растровые решетки модулируют световой поток на пути от источника света к приемнику. Конструктивно растровая решетка - это прозрачная пластина, на которую нанесено большое количество непрозрачных штрихов различной формы, обычно равноудаленных и параллельных.
Растры ОДП классифицируются по двум основным признакам:
-
по характеру воздействия на лучистый поток;
-
по геометрической структуре образующих элементов.
В соответствии с первым признаком различают пропускающие и отражающие растры. Пропускающие растры представляют собой решетку из прозрачных и непрозрачных элементов, отражающие - решетку из элементов, зеркально отражающих свет.
В соответствии со вторым признаком различают растры, формируемые параллельными, сеточными, радиальными, кольцевыми и спиральными оптическими структурами. Для измерения линейных перемещений обычно используются сопряжение двух плоских параллельных растров, а для измерения угловых - сопряжение радиальных растров.
Растровое сопряжение получается наложением растровых решеток с малым постоянным зазором между ними (рис. 3.35а). При этом, штрихи одной решетки накладываются на штрихи другой, уменьшая площадь прозрачных участков сопряжения. При совпадении темных штрихов площадь прозрачных штрихов растра остается без изменения. Возникающие темные и светлые полоски весьма малы, однако они группируются и образуют различные, но достаточно широкие полосы, называемые комбинационными или муаровыми (рис. 3.35б). Положение, форма и шаг комбинационных полос зависят от параметров сопрягаемых растров и их взаимного расположения. Собственно «муар-эффект» является результатом интерференции световых лучей от разных участков решетки. Он проявляется в виде волнистых или полосатых узоров, и особенно заметен при воспроизведении изображений регулярной структуры: типа «солнца с лучами» или «диктора в полосатой рубашке». (В устройствах оцифровки изображений, например, сканерах «муар-эффект» вреден. Он возникает, когда в изображении содержатся элементы, размер которых лежит на границе зоны разрешения).
Основу РОДП составляет растровое преобразующее звено. Оно включает блок осветителя, создающий параллельный пучок света, растровое сопряжение из подвижного (измерительного) и неподвижного (индикаторного) растров и блок фотоприемников. Модулирующие свойства растрового сопряжения определяются структурой растра и характеризуются пропускающей способностью t = Ф/Ф0, где Ф0, Ф - значения светового потока, соответственно падающего на растровое сопряжение и прошедшее через него в пределах зрачка фотоприемника. В современных конструкциях величина t достигает 0,9 …0,95. В простейших параллельных растрах кроме t выделяют еще два параметра: W - шаг шкалы и g - относительное угловое смещение шкал. Амплитуда Ф зависит от величины относительного перемещения растров практически синусоидально, во всяком случае выбором параметров сопряжения можно получить синусный характер изменения лучистого потока Ф. В ряде схем, наоборот, стремятся получить линейный закон изменения Ф от q в пределах некоторой зоны перемещений. Для таких РОДП функцию преобразования можно представить в виде
где j - пространственная фаза комбинационной полосы.
Одним из наиболее известных принципов построения РОДП является применение однодорожечных пропускающих или отражающих решеток. На рис. 3.36 представлен пример промышленного РОДП с отражающей растровой решеткой. Он относится к датчикам накапливающего типа и для определения абсолютного значения перемещения требует использования счетных импульсов.
На рис. 3.36 пунктиром показана сканирующая головка с четырьмя фотоприемниками. Диафрагма сканирующей головки содержит четыре щели, размещенные так, что выходные сигналы фотоприемников сдвинуты на четверть периода измерительной решетки(рис. 3.37а). Следствием этого смещения является сдвиг по фазе и квазисинусоидальных сигналов фотоприемников. Так, компонента E21 сдвинута на 90о относительно E11, а компоненты E12 и E22 имеют сдвиг на 180о по отношению к сигналам E11 и E21 (рис. 3.37б). Фотоприемники соединены друг с другом попарно и дифференциально, так что в результате образуются двухтактные схемы E11/E12 и E21/E22. Далее сигналы с этих схем поступают на соответствующий электронный каскад, включающий в себя формирователи прямоугольных импульсов (триггеры Шмитта), усилители и инверторы, преобразующие их в противофазные сигналы прямоугольной формы. В результате выходные сигналы схем E11/E12 имеют 900 фазовый сдвиг по отношению к выходным сигналам схем E21/E22 (рис. 3.38).
Здесь же представлены диаграммы выходных напряжений РОДП. Верхние кривые - сигналы, формируемые фотоприемниками. Последующие графики отражают временные соотношения между различными сигналами.
Особенностью данной схемы является формирование нескольких счетных импульсов за один шаг решетки W. С этой целью применяются одновибраторы, запускающиеся на положительных фронтах прямоугольных импульсов, образуя один, два либо четыре счетных импульса за один шаг. Максимальное быстродействие такого датчика ограничивается скоростью счета реверсивного счетчика импульсов. Так, при четырех импульсах на шаг и частоте счетчика равной f, Гц, граничная скорость датчика составит 4 W f, мм/с.
Во всех схемах, дополнительно к измерительной решетке предусматривается еще одна короткая дорожка для формирования фиксированной опорной метки абсолютного положения. (Она обозначается как метка начала отсчета). Этот маркер привязан к квазиабсолютной системе отсчета и используется для восстановления показаний после включения питания.
Точность РОДП определяется минимальным расстоянием между растрами фазных шкал (шагом) и количеством растровых полос на 1 мм/рад. (Это расстояние достигает у лучших датчиков 3 ... 5 мкм, а количество полос - 1000 на 1 мм).
Разрешающая способность линейных РОДП составляет 1 ... 2 мкм.
В таблице 3.11 представлены основные характеристики некоторых известных моделей РОДП.
Таблица 3.11. Примеры промышленных РОДП
Модель | Тип | Uип, В | Диапазон 0, мм | W, мкм | e , мкм | Æ, мм | l, мм | m, кг |
LID 300 | Линейный | 5 | 3000 | 10 | 1 | |||
LIDА 225 | Линейный | 5 | 30000 | 100 | 3 |
Примечание. Датчики разработаны фирмой Heidenhain, Германия.
К достоинствам РОДП относятся простая и технологичная конструкция, а также малые размеры и масса. К недостаткам накопление ошибок от сбоев и помех в цепях реверсивного счетчика, потеря информации о перемещении при отказе в цепи питания, а также необходимость периодичного определения нулевого отсчета (для получения достоверного абсолютного значения измеряемого перемещения).
3.1.3.2. Импульсные оптические датчики положения
Импульсный фотоэлектрический датчик (ИОДП) преобразует значение перемещения исполнительного механизма в унитарный код, т.е. последовательность импульсов, число которых пропорционально перемещению.
Оптическая шкала ИОДП является модификацией растровой шкалы и содержит несколько дорожек разбитых на дискретные (активные и пассивные) участки.
Современные ИОДП, как правило, включают те же основные модули, что и РОДП: оптико-механическую систему (первичный преобразователь), электрическую схему считывания, а также схему определения знака (реверсивную схему).
Оптико-механические системы простейших ИОДП выполнялись безредукторными и содержали блок осветителя, кодирующую шкалу и фотоэлемент. В современных конструкциях ИОДП шкала содержит несколько дорожек и смещенных на нецелое число шагов фотоэлементов. При такой схеме значительно уменьшается цена управляющего импульса, определяющая разрешающую способность датчика. Так, например, в датчиках фирмы Ferranti используются шкалы с 1250 ... 10000 штрихами и два фотодиода, причем штрихи дорожек смещены друг относительно друга на четверть шага (рис. 3.39). Одновибраторы измерительной схемы ИОДП формируют и подают на счетчик два импульса с обеих дорожек - по переднему и заднему фронту каждого штриха, и поэтому, при вращении вала на один оборот шкалы возбуждается импульсов в 4 раза больше числа делений. Для шкалы с 1250 штрихами это соответствует 5000 импульсам на оборот.
Для определения направление вращения вала (штока) используются шкалы, относительное смещение штрихов на дорожках которых составляет четверть шага. В этом случае, выходной сигнал с одновибратора внешней дорожки будет опережать сигнал одновибратора внутренней для одного направления движения и отставать для другого. Для определения числа целых оборотов используется репер, формирующий импульс начала отсчета. Он также используется для возврата счетчика в 0.
Фотоприемники сдвинуты друг относительно друга на расстояние L, равное:
L = (m + 1/4) W,
где W - шаг диска, m - целое число.