Глава 3 (Учебник в электронном виде), страница 8

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

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.

Знак направление движения исполнительного органа определяется логической схемой, вызывающей срабатывание соответствующего ключа (рис. 3.40).

В данной схеме используются два канала измерения, связанные с каждой дорожкой кодовой шкалы. Триггеры Шмитта Т₁, Т₂, открыты в то время, когда сигналы с усилителей У₁, У₂ имеют положительную полярность. Это соответствует прозрачному участку кодирующей шкалы. В соответствии с расположением фотоприемников Ф₁ и Ф₂ сигналы с триггеров сдвинуты друг относительно друга на 1/4 периода следования, соответствующего периоду синусоидального сигнала усилителя. Дифференцирующие цепи О₁, О₂ (для этой цели могут использоваться одновибраторы) формируют короткие импульсы в момент переброса триггера Т₂ по переднему и заднему фронту. На выходе схемы совпадения И₁ появляется сигнал только тогда, когда на ее входах есть одновременно сигналы с О₁ и Т₁, а на выходе И₂ - с О₂ и Т₁. Следовательно, на выходе схемы И₁ сигналы появляются при движении, например, «вперед», а на выходе И₂ - «назад». Количество импульсов определяет саму величину перемещения. В качестве накапливающего сумматора используется реверсивный счетчик.

Частотные характеристики ИОДП определяются количеством штрихов-сегментов на дорожке и длитель­­ностью импульсов одновибратора, которая обычно составляет ~1/4 периода штри­ха. Например, для датчиков угла, с кодирующими шкалами, формирующими 1250 импульсов на оборот максимальная скорость вращения составит 5000 об/мин, 5000 импульсов - 2000 об/мин. Увеличение количества сегментов требует соответствующего увеличения и размеров шкал. В частности, типовые промышленные ИОДП содержат диск диаметром до 150 мм, на котором размещают 5000 сегментов. Разрешающая способность такого датчика составит 1:20000 на оборот, или ~ 1'.

В табл. 3.12 приведены примеры некоторых популярных моделей ИОДП.

Таблица 3.12. Примеры промышленных ИОДП

Примечание. Датчики моделей ROD разработаны фирмой Heidenhain, Германия, TSI-110 - фир­­мой Tama­gawa, Япония.

ИОДП в настоящее время является наиболее распространенным типом ДПП. Достоинства ИОДП - гальваническая развязка информационных цепей, а также простота и надежность конструкции обусловили подавляющее преимущество этих ДПП в типовых задачах измерения перемещений. В то же время положение измерять с помощью ИОДП затруднительно, т.к. для них характерно накопление ошибок при сбоях питания и необходимость периодического определения нуля отсчета.

3.1.3.2. Кодовые оптические датчики положения

Рассмотренные ранее ДПП формируют выходной сигнал либо в аналоговом виде, либо, как ИОДП, в виде последовательности импульсов. Однако в большинстве случаев ДПП являются элементами цифровых систем управления, что требует преобразования выходного сигнала в цифровую форму. Именно такой сигнал формируется в кодовых фотоэлектрических датчиках (КОДП). Оптические системы КОДП и ИОДП построены похожим образом, а кодирующая шкала КОДП пред­ставляет собой стеклянное основание с нанесенной на ней кодовой маской. Маска выполнена в виде нескольких (обычно до 20) дорожек с прозрачными и непрозрачными сегментами (рис. 3.41). Количество дорожек, как правило, определяет разрядность выходного двоичного кода. Осветитель создает лучистый поток, падающий на шкалу. В момент съема информации луч, проходя через прозрачные сегменты кодовых дорожек шкалы и ограничивающую щелевую диафрагму, освещает фо­то­приемники (фотодиодные линейки), усиленные сигналы с которых принимаются за двоичные единицы. Отсутствие сигнала с фотоприемника соответствует двоичному нулю. В результате каждому перемещению соответствует определенная комбинация двоичных единиц и нулей, являющаяся его цифровым кодом.

Как известно, произвольное целое число A можно представить в любой системе счисления с основанием B в виде ряда:

А = а_n Вⁿ + а_n-1 В^n-1 + ... + а₁ В¹ + а₀ В⁰ ,

здесь a_n , ... a₀ - коэффициенты разрядов, они могут принимать значения от 0 до (B-1). Наибольшее распространение в цифровой измерительной технике получила двоичная система счисления, где B = 2, и, следовательно, коэффициенты а_i могут принимать два значения:«0» и «1». В двоичной системе максимальное число А_max, которое мож­­­но закодировать при n разрядах, равно А_max = 2ⁿ - 1. Для КОДП угла разрешение шкалы составит 2p/2ⁿ . Следовательно, разрешающая способность КОДП D_a определяется числом разрядов n его кодовой шкалы. Связь разрешающей способности КОДП с разрядностью кодовой шкалы иллюстрирует табл. 3.13.

Таблица 3.13. Зависимость разрешающей способности от разрядности шкалы КОДП

Вид конструктивной схемы КОДП определяется, главным образом, числом раз­рядов шка­лы и способом кодирования и считывания. В КОДП, наи­более часто используются две схемы: КОДП с прямым двоичным кодом и КОДП с кодом Грея.

Шкалы с прямым двоичным кодом представля­ют собой оптические рейки или диски, разделенные на равновеликие площадки - полосы для реек и сектора - для дисков, на которых записаны бинарные слова, соответствующие прямому двоичному коду. Светлый элемент шкалы, пропускающий свет, переводит фотоэлементы в состояние «1». Темные участки шкалы соответствуют «0». Число площадок N определяет разрешающую способность КОДП: D_a = L/N или D_a = 360⁰/N . (Здесь L - длина рейки).