ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N 3

«Исследование кодового датчика положения»

Цель работы: ознакомиться с принципами действия и устройством кодового оптического датчика положения и перемещения типа ППК-15.

1. Теоретическая часть

В большинстве случаев датчики положения и перемещения являются элементами цифровых систем управления, что требует преобразования выходного сигнала в цифровую форму. Именно такой сигнал формируется в кодовом оптическом датчике положения и перемещения (кодовом ОДП). Кодирующая шкала кодового ОДП пред­ставляет собой стеклянное основание с кодовой маской, выполненной в виде нескольких (обычно до 20) дорожек с прозрачными и непрозрачными сегментами. Число 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.

Для углового кодового ОДП разрешение шкалы составляет Следовательно, разрешающая способность кодового ОДП определяется числом разрядов его кодовой шкалы. Зависимость разрешающей способности от разрядности кодовой шкалы датчика приведена в табл. 3.1:

Таблица.3.1

Таблица определения разрешающей способности кодового ОДП

Число разрядов шкалы	1	2	4	8	10	16
Разрешающая способность, 0	180	90o	22о30	1о24	215	20

Вид конструктивной схемы кодового ОДП определяется главным образом числом раз­рядов шка­лы, а также способом кодирования и считывания. Наи­более часто в кодовых ОДП используют два типа шкал: с прямым двоичным кодом и с кодом Грея (рис. 3.1).

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», темный — в состояние «0». Число площадок определяет раз­реша­ю­щую способность кодового ОДП.

Несмотря на простоту кодирования и считывания шкалам с обычным двоичным кодом присущ крупный недостаток, связанный с появлением ложных кодов. Обуслов­лено это невозмож­ностью изготовления идеальных шкал и проявляется во время движения шкалы (в момент изменения состояния «1» на «0» или «0» на «1») одновременно в нескольких разрядах. Так, при изменении кода 15 на 16, т. е. 01111 на 10000, происходит замена значений сразу в пяти разрядах (рис. 3.20, а). Если же случайно (из-за погрешности шкалы), например, во втором разряде состояние «1» не меняется на «0», тогда вместо значения 16 будет считано 18 (10010). Существенно, что ошибка измерения превышает цену деления шкалы, равную одному младшему значащему разряду. Вероятность возник­новения неоднозначности считывания информации в кодовом ОДП особенно велика при высоких скоростях движения шкалы.

Для устранения неоднозначности считывания применяют специальные методы считывания и специальные коды. Так, при использовании циклического кода Грея, ошибка считывания не превышает младшего значащего разряда независимо от того, в каком из разрядов она произошла (табл. 3.2).

Таблица 3.2

Таблица перевода десятичных чисел из двоичного кода в код Грея

Десятичное число	Двоичный код	Код Грея	Десятичное число	Двоичный код	Код Грея
0 1 2 3 4 5 6 7 8	00000 00001 00010 00011 00100 00101 00110 00111 01000	00000 00001 00011 00010 00110 00111 00101 00100 01100	9 10 11 12 13 14 15 16	01001 01010 01011 01100 01101 01110 01111 10000	01101 01111 01110 01010 01011 01001 01000 11000

2. Практическая часть

2.1. Лабораторная установка

В состав лабораторной установки входят:

1. фотоэлектрический датчик ППК-15 с блоком индикации,

2. источники питания напряжением +5В и -15В.

Функциональная схема датчика приведена на рис. 3.2.

Оптическая схема формирования сигнала состоит из блока осветителя (светодиодов), блока преобразователя, включающего оптические диски и диафрагмы и блока фотодиодных матриц. Свет, излучаемый светодиодами, через прозрачные щели в диске и диафрагме попадает на фотодиодные матрицы. Первая из них имеет 11 отдельных светочувствительных элементов, расположенных на одном кристалле кремния, а вторая - 5 элементов. Фотодиодные матрицы во­спринимают комбинацию све­товых сигналов, соответствующую в данном положении вала коду на обоих дисках и преобразуют ее в электрический сигнал. При этом с диска младших разрядов (точного отсчета) считывается 11 младших разрядов, а с диска старших разрядов (грубого отсчета) - 4 разряда и сигнал согласования отсчетов.

Сигналы с фотодиодных матриц поступают в электронный блок, где усиливаются и формируются в прямоугольный сигнал. Далее код Грея преобразуется в натуральный двоичный код и формируется сигнал – «направление».

2.2. Порядок выполнения лабораторной работы

1. Включить источники питания в сеть с напряжением 220В 50 Гц.

2. Тумблер блока индикации кодового датчика перевести в положение «ON».

3. Вращая ротор датчика, установить его в нулевое положение (при этом все светодиоды блока индикации должны быть погашены).

4. Поворачивая ротор, определить направление, в котором про­исходит увеличение цифрового кода (по - или против часовой стрелки).

5. Установив ротор датчика в нулевое положение, определить количество оборотов ротора, соответствующее полному диапазону измерений.

6. Определить зависимость показаний блока индикации от угла поворота ротора датчика во всем диапазоне через каждые 30⁰.

7. Заполнить табл. 3.3.

Таблица 3.3

Таблица записи результатов эксперимента

, 0	Код
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360

1. Построить график и определить линейность характеристики.

2. Установить упор в одном из резьбовых отверстий в торцевой части корпуса датчика.

3. Установить ротор датчика на упор.

4. Перемещая ротор по- и против часовой стрелки снять показания с блока индикации через каждые 10⁰.

5. Результаты измерений занесите в табл. 3.4.

Таблица 3.4

Таблица записи результатов эксперимента

, 0	Код
0
10
20
30
40
50

1. Построить график зависимости двоичного кода от угла поворота ротора датчика. Определить гистерезис и повторяемость показаний датчика, а также аддитивную составляющую погрешности.

2. Сделать выводы и ответить на контрольные вопросы.

3. Контрольные вопросы

1. Принцип действия и кинематическая схема датчика.

2. Тип цифрового кода.

3. Алгоритм определения направления вращения.

4. Расчет метрологических параметров датчика.