Фотоэлектрических датчики положения

Наиболее эффективный метод измерения взаимного положения подвижных кинематических пар, входящих в состав цифровых следящих систем основан на использовании фотоэлектрических (оптических) ДПП. Современные оптические ДПП (ОДП) обеспечивают более высокую разрешающую способность, надежность и точность, чем ПДП и ЭДП тех же размеров. ОДП обладают и другими достоинствами. Так, в отличие от ПДП и ЭДП для них характерна независимость метрологических параметров от нагрузки, а также высокая помехозащищенность.

Основой ОДП является оптическая система, включающая источник света, кодирующий элемент (диск или линейка) и блок фотоприемников. В качестве источников света используются твердотельные оптронные пары и осветители в виде ламп накала с вольфрамовой нитью. Для обеспечения равномерной освещенности области кодирующего элемента применяются коллимационные линзы (коллиматор). Самым ответственным узлом ОДП, в наибольшей степени определяющим его характеристики, является кодирующий диск.

ОДП классифицируются по двум основным признакам.

1. По форме выходного сигнала: накапливающие (преобразователи перемещений) и абсолютные (преобразователи считывания).

2. По способу кодирования: растровые, импульсные и кодовые.

Растровые фотоэлектрические датчики (РОДП) предназначены для преобразования линейных и угловых перемещений в цифровой код на основе использования растрового сопряжения.

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.

 

Растровые датчики

Растровое сопряжение получается наложением растровых решеток с малым постоянным зазором между ними (рисунок 3.4). При этом, штрихи одной решетки накладываются на штрихи другой, уменьшая площадь прозрачных участков сопряжения. Один из примеров растрового сопряжения показан на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 – Пример растрового сопряжения

 

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.

На рисунке 3.5 приведены некоторые схемы сочетаний растровых решеток, используемых в фотоэлектрических преобразователях.

 

 

Рисунок 3.5 – Схемы сопряжений элементов в фотоэлектрических преобразователях с решетками

 

Растровое сопряжение, представленное на рисунке 3.5, а)состоит из подвижного измерительного растра 2, связанного с измерительным наконечником, и индикаторного (сканирующего) растра 5, который закреплен неподвижно. Растры представляют собой стеклянные линейки с равномерно нанесенными штрихами толщиной bи шагом h. Ширина штриха b, как правило, равна ширине зрачка a, т. е. b = a, a h = а+ b. Длина измерительного растра должна быть больше диапазона измерения. Индикаторный растр выполняется намного короче с параметрами a, b и h, равными, как правило, измерительному растру. От осветителя 1, через измерительный 2и индикаторный 5 растры и оптическую систему 3 световой поток направляется на фотоприемник 4. При перемещении измерительного растра относительно индикаторного наблюдается чередование темных и светлых полос, воспринимаемых фотоприемником, на выходе которого формируется сигнал в виде псевдосинусоиды.

В кодирующих соединениях (рисунок 3.5, б) кодовая решетка 2представляет собой комбинацию светлых и темных участков на различных дорожках 4кодовой решетки 2. Кодовая шкала наносится на прозрачном материале. От осветителя 1световой поток направляется через диафрагму 5 и кодовую перемещающуюся решетку 2на фотоприемник 3. В определенном положении решетки 2перед щелью диафрагмы оказывается определенное число затемненных и прозрачных участков различных дорожек 4. в двоичной системе счисления, например, непрозрачные участки соответствуют числу 0, прозрачные участки — числу 1. При этом для получения n -разрядного числа необходимо иметь п кодовых дорожек. Тогда наибольшее число выходных сигналов с фотоприемников равно 2ⁿ - 1. На рисунке 3.5, б)представлено четыре дорожки. Каждая дорожка младшего разряда имеет шаг, в два раза меньший по сравнению с предыдущим разрядом.