Фотоэлектрические преобразователи

Большинство современных устройств, созданных на базе фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), выполнено по двум конструктивным схемам, в зависимости от того, непосредственно или косвенно угловое перемещение преобразуется в кодовую величину. В первом случае квантуется сам измеряемый угол, во втором - промежуточная аналоговая величина, изменяющаяся пропорционально углу. Таким образом, ФЭП могут быть накапливающего типа, когда измеряемый угол пропорционален числу импульсов, или считывающего типа, когда углу соответствует вполне определенная совокупность импульсов, представляющая код угла.

Накапливающие кодирующие преобразователи. Накапливающие кодирующие преобразователи всех конструкций при повороте кодирующего диска на элементарный шаг генерируют соответствующее число электрических импульсов, которые фиксируются счетчиками. Точность ФЭП определяется точностью изготовления диска с отверстиями или щелями. Простейший фотоэлектрический преобразователь представлен на рис. 16.12. Толщина лиска в зоне отверстий 0,8-1,2 мм.

В качестве источников излучения используются лампы накали­вания или светодиоды. Фотоприемниками обычно служат кремниевые фотодиоды, имеющие выходное напряжение 20-40 мВ при нагрузке 10 кОм. Для того, чтобы формировать сигналы приемлемых уровней, требуется усиление.

Для увеличения разрешающей способности датчика и для опре­деления направления вращения диска применяют две измерительных головки, фотоэлементы которых сдвинуты относительно друг друга на половину зубцового шага диска. ВНИИ Электропривода разработана серия ФЭП типа ПДФ с числом каналов равным двум, выходными сигналами ко­торых являются серии импульсов, сдвинутые относительно друг друга на половину шага.

Другая идея определения направления вращения заключается в том, что сигнальный элемент - диск имеет более сложную конструк­цию: кроме внешней дорожки (дорожки счета) он имеет еще одну та­кую же дорожку (дорожку направления), но со сдвигом меток на поло­вину зубцового шага, что смещает сигналы второй дорожки на 90°эл. Кроме того, диск имеет также внутреннюю дорожку с единственной меткой - дорожку начала отсчета (грубого нуля). Временные диаграммы работы такого накапливающего кодирующего преобразо­вателя, после прохождения сигналов через схему формирования пря­моугольных импульсов, представлены на рис. 16.13.

Максимальная допустимая скорость вращения кодирующего дис­ка определяется длительностью импульса на выходе одновибратора, находящегося в цепи обработки сигналов с дорожки счета. Обычно она составляет 5 мкс. Для преобразователей, формирующих 1200 им­пульсов на один оборот диска, максимальная частота вращения будет 10 000 об/мин. При 5000 меток на диске максимальная частота враще­ния менее 2400 об/мин. Увеличение разрешающей способности можно достичь увеличением числа дорожек счета, со сдвигом их по фазе. Для этих целей часто используют дорожку направления. Исполь­зование двух дорожек, сдвинутых на 90°, и использование передних и задних фронтов сигналов с дорожек позволяет увеличить разрешаю­щую способность преобразователя в четыре раза. Существенный не­достаток фотоэлектрических преобразователей заключается в том, что для повышения точности необходимо увеличивать диаметр кодирую­щего диска.

Растровые фотоэлектрические преобразователи. Растровые преобразователи отличаются от описанных выше простейших ФЭП тем, что перед фотоприемниками вместо измерительной щели поме­щена формирующая решетка. В зависимости от характера воздействия на поток света различают растры пропускающие и отражающие. Про­пускающие растры имеют систему прозрачных и непрозрачных эле­ментов, рис. 16.14. Отражающие растры выполняют в виде решеток с элементами, зеркально отражающими свет.

Измерительный растр 1 закрепляется на перемещающихся частях объекта. Индикаторный растр 2, а также осветитель и фотоприемник зак­реплены на неподвижных частях устройства. Очевидно, что суммарная прозрачность, а следовательно, и освещенность поля за растровым сопря­жением зависит от взаимного положения растров. Если оба растра имеют одинаковый шаг и сопряжены так, что их штрихи параллельны, то при перемещении одного растра относительно другого в направлении перпен­дикулярном штрихам освещенность за растровым полем периодически изменяется. Образуются легко различимые широкие муаровые полосы. При соответствующем выборе параметров сопрягаемых растров можно получить синусоидальный характер модуляции светового потока. По чис­лу периодов изменения освещенности можно судить о величине переме­щения одного растра относительно другого.

Для обеспечения реверсивного счета и увеличения разрешающей способности растрового преобразователя используют два приемника света сдвинутых в пространстве относительно друг друга на n+1/2 шага растра. В результате имеем два выходных напряжения, сдвинутых по фазе на .

Синусоидальный характер модуляции светового потока позволяет применять амплитудный или фазовый метод отсчета. Амплитудные и фазовые растровые решетки конструктивно несколько отличаются друг от друга. Фазовые решетки имеют от 4 до 1000 растровых полос на 1 мм, расстояние между растровыми полосами должно быть не более 5 мкм. Амплитудные растровые решетки имеют 50 растровых полос на 1 мм. Сигнал на выходе модулирующего устройства при амплитудном режиме работы изменяется по синусоидальному закону. При фазовом режиме ам­плитуда сигнала остается постоянной, а меняется фаза сигнала.

Если расположить растры так, чтобы между штрихами образо­вался некоторый угол, то возникнут комбинационные (муаровые) по­лосы. Перемещение измерительного растра на один шаг вызывает пе­ремещение муаровых полос вдоль штрихов на величину шага полос. При этом шаг муаровой полосы связан с шагом растра следующей зависимостью

где θ -угол наклона полос измерительного растра относительно полос индикаторного растра.

При перемещении растровых полос образуются комбинационные полосы. При этом малому передвижению подвижной растровой решет­ки соответствует значительное перемещение комбинационных полос. Растровые преобразователи могут работать также по принципу счета комбинационных муаровых полос. В этом случае используются диф­ракционные решетки с шагом 1-25 мкм.

Фотоэлектрические преобразователи считывания. Высокой раз­решающей способностью обладают фотоэлектрические преобразова­тели линейных и угловых перемещений в цифровой код, использую­щие прямые методы измерения положения вала. Преобразователи счи­тывания осуществляют непосредственное преобразование углового или линейного положения кодовой маски по отношению к неподвижным считывающим устройствам в кодовую комбинацию. Такой метод изме­рения перемещений обладает рядом достоинств:

- каждое значение перемещения измеряется относительно жест­ко заданной нулевой отметки и может быть использовано без допол­нительной обработки;

- не накапливается ошибка считывания;

- исключается появление относительной или циклической ошибки;

- истинное значение измеряемой величины сохраняется и при наличии помех;

- восстановление информации элементарно и не требует допол­нительных затрат

Фотоэлектрические преобразователи считывания углового пере­мещения имеют диск с кодовыми делениями - стеклянный диск с ко­довой черной маской. С одной стороны диска в преобразователе рас­полагается источник света, например, сверхминиатюрные лампы

на­каливания (СМН8-60, СМН6-150 и др.), а с противоположной стороны диска - щелевая диафрагма и панель, на которой вдоль радиуса разме­щены фотоприемники (фоторезисторы или фотодиоды). Разрешающая способность таких датчиков от 5' до 20". Надежность ФЭП повышает­ся при использовании в качестве источников света полупроводнико­вых светоизлучающих диодов, особенно в условиях, характеризующих­ся значительными механическими воздействиями. Созданные на базе светоизлучающих диодов кодирующие преобразователи позволяют обеспечить разрешение свыше 13-14 двоичных разрядов.

Преобразователи считывания характеризуются тем, что двоич­ные цифры 0 и 1 разрядов кода задаются непрозрачными и прозрачны­ми участками растровой дорожки. На каждый из n разрядов кода тре­буется отдельная растровая дорожка и одно считывающее устройство. На рис. 16.15 представлены цифровые (шестиразрядные) кодирующие преобразователи угла (КПУ).

Сигналы разрядных цифр формируются системой из п компараторов, на входы которых поступают сигналы, считываемые приемниками с дорожек кодовой маски. Точность определяется ценой младшего разряда. В КПУ с 14 внутренними дорожками разрешающая способность в двоичном коде составляет 1: 2¹⁴ Разрядность КПУ можно существенно повысить с помощью синусно-косинусного интерполятора [17] или системы с двумя дисками типа КД-4М [19], где диск второго отсчета связан с валом через планетарный редуктор с передаточным отношением 1/64. ВНИИ Электропривода разработал серию ФЭП типа ПКФ.

Характеристики оптических КПУ во многом определяются качеством выполнения диска. Имеются КПУ, измеряющие угловое положение с разрешением до 10^-6 относительно полного оборота диска. При определении погрешности измерительной системы в целом следует учитывать погрешность аналого-цифровых преобразователей (АЦП). К основным преимуществам фотоэлектрических преобразователей можно отнести высокое быстродействие.

Линейные фотоэлектрические преобразователи. Линейные фотоэлектрические преобразователи (ЛФЭП) выполняют абсолютного (считывающего) и накапливающего типов. ЛФЭП накапливающего типа применяют пропускающие или отражающие растры, изменяющие либо амплитуду либо фазу падающей на фотоприемник волны. Линейный ФЭП представлен на рис. 16.14, б.

При контроле линейных перемещений ЛФЭП позволяют избежать многих трудностей, возникающих при использовании угловых преобразователей, связанных с узлом преобразования линейного перемещения во вращательное. ЛФЭП имеют длинную шкалу и двигающуюся вдоль этой шкалы сканирующую головку, фиксирующую относительное перемещение. В преобразователях кодового типа шкала состоит из рядов непрозрачных и прозрачных областей, отображающих в зависимости от требований двоичный или двоично-десятичный код, аналогично дисковым ФЭП. Фотоэлектрические линейные кодовые датчики, в том числе с применением растровых звеньев, описаны в [47].

ЛФЭП способны измерять перемещения до 0,5 м с разрешающей способностью 0,0005 мм при общей погрешности не более 0,001 мм. Существуют приборы для измерения перемещений до 1-2 м. В последние годы в станкостроении появились системы с лазерными интерферометрами с разрешающей способностью до 5-10^-3мк [37].