Преобразователи с устройствами пространственного кодирования

Устройства пространственного кодирования позволяют преобразовывать линейные и угловые перемещения в последовательность электрических импульсов, соответствующих параллельному или последовательному коду. Естественной входной величиной этих преобразователей является угловое и, значительно реже, линейное перемещение, а выходной – совокупность импульсных сигналов. За этим преобразователями закрепилось название преобразователи «угол-код».

Преобразователи «угол-код» работают по принципу одного отсчета и состоят из двух основных устройств: кодирующего устройства и вспомогательных электронных схем (усилительно-преобразующего устройства), предназначенных для считывания кода с чувствительных элементов, преобразования выходного кода (если в этом есть необходимость) и временного хранения выходного кода преобразователя.

Кодирующее устройство, пространственного кодирования состоит из кодовой шкалы (маски кода) и системы съема (считывания) информации со шкалы (рис. 2.32). В зависимости от разрешающей способности коди- рующее устройство содержит определенное число кодовых дорожек-разрядов. Кодовые шкалы, как правило, построены на использовании масок двоичных кодов и поэтому содержат элементы шкалы, обладающие определенными физическими характеристиками, принимаемыми за значения нулей. Преобразователи имеют один электрический вывод, если применяется последовательное считывание кода, и несколько выходов (по одному выходу на каждый разряд) – при параллельном считывании.

В зависимости от геометрии носителя маски преобразователи «угол-код» делятся на дисковые и барабанные [25]. Преобразователи дискового типа имеют меньшие осевые размеры, но на линейную протяженность разрядных дорожек оказывает влияние номер (вес) разряда, что создает определенные технологические трудности при изготовлении преобразователей. Барабанные преобразователи свободны от указанного недостатка, однако имеют большие габаритные размеры и массу.

По использованию различных физических структур для формирования кодирующих устройств и взаимодействия их с чувствительными элементами наиболее распространенные преобразователи «угол-код» делятся на:

1) гальванические (контактные) – с кодирующими устройствами, содержащими проводящие и непроводящие участки шкалы (ламели), и системы съема информации на базе щеток;

2) оптические – с оптической связью между кодовым устройством и системой съема, содержащие кодирующее устройство с прозрачными и непрозрачными участками, источники и приемники световой энергии;

3) электромагнитные – с магнитной связью между кодирующим устройством и системой съема, содержащие кодирующее устройство, имеющее участки носителя с различными магнитными характеристиками.

Частным случаем широко распространенных электромагнитных преобразователей «угол-код» являются преобразователи трансформаторного типа, кодирующее устройство которых содержит участки с различной магнитной проницаемостью.

По наличию механического контакта между кодирующей системой (барабаном или диском) и системой съема сигнала преобразователи «угол-код» делятся на контактные и бесконтактные.

Число шкал (отдельных кодирующих устройств), используемых для формирования выходного кода, определяет шкальность преобразователей. Различают одношкальные и многошкальные преобразователи «угол-код». В последних шкалы связываются между собой с помощью редуктора. Многошкальные преобразователи используются для повышения точности съема данных при применении кодирующих устройств с низкой плотностью записи информации.

Многошкальные преобразователи встречаются двух типов в зависимости от функций редукторов, стоящих между входным валом, на котором размещено первое кодирующее устройство и валом, на котором находиться второе и последующие кодирующие устройства. Если этот редуктор повышающий, то преобразователь называют многошкальным. В таком преобразователе первое кодирующее устройство формирует старшие разряды выходного кода и носит название шкалы грубого отсчета, а второе кодирующиее устройство формирует младшие разряды выходного кода и соответственно называется шкалой точного отсчета. Максимальное число формируется на выходе преобразователя за один оборот входного вала. Передаточное число редуктора делается равным числу состояний шкалы грубого отсчета, чтобы полный оборот вала кодирующего устройства шкалы точного отсчета соответствовал повороту кодирующего устройства шкалы грубого отсчета на величину единицы младшего разряда.

В том случае, когда используется понижающий редуктор, многошкальный преобразователь называется многооборотным. При этом первое кодирующее устройство является шкалой точного отсчета, а второе – грубого.

В зависимости от характера дискретной информации, снимаемой с кодирующего устройства, преобразователи делятся на линейные и функциональные. В линейных преобразователях код, снимаемый с выхода, пропорционален перемещению (углу поворота), а в функциональных – какой-либо функции от перемещения (например, тригонометрической).

Основными метрологическими характеристиками преобразователей «угол-код» являются время одного преобразования и точность преобразования [26]. Широкое распространение этих преобразователей в значительной мере объясняется тем, что они имеют по сравнению с другими преобразователями угла в код большую точность и меньшее время преобразования.

Исходя из принципа считывания за один отсчет время преобразования определяется только временем считывания кода с чувствительных элементов, т.е. кодирующего устройства всегда подготовлены для соответствующего преобразования информации. По получении импульса считывания чувствительные элементы выдают цифровой код, при этом запаздывание может возникать только за счет их собственной инерционности.

Если считывание кода с чувствительных элементов ведется в параллельной форме, т.е. со всех элементов одновременно, то время преобразования равно времени считывания (t_сч):

t_пр=t_сч (2.30)

При последовательном опросе чувствительных элементов время одного преобразования

t_пр=nt_сч, (2.31)

где n – число разрядов в кодирующем устройстве.

Для многих типов чувствительных элементов инерционность настолько мала, что время считывания определяется только длительностью управляющих считывающих импульсов и имеет порядок долей и единиц микросекунд.

Время, затрачиваемое на преобразование, определяет допустимую скорость изменения входной величины. Действительно, если вал с которым связано кодирующее устройство, может вращаться с максимальной скоростью (dφ/dt), то за время преобразования может произойти изменение выходного цифрового кода, что приведет к погрешности. Эту погрешность можно не учитывать, если за время считывания кода значение изменения угла поворота входного вала не превысит «цены» единицы младшего разряда, т.е.

(2.32)

где φ_min и φ_max – минимальное и максимальное значения измеряемого угла.

Для преобразователей «угол-код» характерно лишь два вида статических погрешностей: погрешность квантования по уровню и погрешность неоднозначности считывания.

Разрешающая способность одношкального преобразователя «угол-код»

(2.33)

Соответственно при симметричном расположении интервалов дискретности абсолютная погрешность квантования

(2.34)

а относительная

(2.35)

Погрешности, вызванные неоднозначностью считывания (погрешность неоднозначности) обуславливаются невозможностью точной установки чувствительных элементов вдоль линии считывания или небольшими отклонениями в форме кодирующей маски.

Уменьшение допуска не установку приемников информации не позволяет полностью избежать этой погрешности. Для исключения ошибки неоднозначности при применении кодовой маски прямого двоичного кода необходимо использовать метод дискретизации системы считывания или систему нескольких приемников информации на разряд с логической выборкой информации с одного из них.

Наиболее рациональным методом устранения ошибок неоднозначности является использование кодов в кодирующих устройствах. Такие коды известны под названием циклических или кода Грея. Для них характерно, что для любого участка рисунка кода переход из одного состояния в другое (0 в 1 или 1 в 0) происходит только в одном из разрядов и что размер элементарной зоны в младшем разряде вдвое больше, чем при обычном двоичном коде, так как при циклическом коде 1 и 0 в младшем разряде расположены парами.

Рассмотрим подробнее основные конструктивные решения контактных, оптических и электромагнитных преобразователей «угол-код»[27].

2.8.1. Контактные преобразователи «угол-код»

Контактные преобразователи «угол-код» подразделяются на кулачковые, барабанные и дисковые.

Кулачковые преобразователи (рис. 2.33) имеют кодирующее устройство, состоящее из набора кулачковых шайб, жестко закрепленных на входной оси преобразователя. Чувствительные элементы К₁, К₂, К₃, выполненные в виде контактных пар, располагаются над шайбами вдоль оси преобразователя. Число шайб равно числу разрядов в выходном двоичном коде. Конфигурация кулачковых шайб представляет собой сочетание выступов и углублений, равномерно располагаемых по окружности шайбы.

Число выступов и углублений на шайбе данного разряда определяется «весом» разряда. Так, например, шайба старшего (n-го) разряда имеет один выступ, шайба последующего (n–1)-го разряда – 2, шайба (n–m)-го разряда – 2^m, шайба младшего разряда – 2^n–1. Выступы на шайбах осуществляют замыкание контактов, замкнутое состояние контактов соответствует 1, а разомкнутое – 0. Каждому угловому положению оси соответствует определенное положение кулачковых шайб относительно контактов, а тем самым и определенное состояние контактов. Максимальное число разрядов в коде, полученное с помощью кулачкового преобразователя, будет определяться возможностями получения 2^n–1 выступов на шайбе младшего разряда при заданных габаритах кулачковой шайбы и надежности работы контактов. Известны кулачковые преобразователи, обеспечивающие получение 7-разрядного кода при использовании шайб диаметром 100 мм.

При необходимости получения кода с большим числом разрядов используют два и более кодирующих устройств, валы которых связаны между собой редукторами. Так, например, при 13-разрядном коде могут быть использованы два 7-разрядных кодирующих устройства, связанных редукторами с передаточным числом 64:1 (2⁶:1). В этом случае для последовательного получения всех значений выходного кода в пределах от 0 до 2¹³ (2⁷∙2⁶) необходимо произвести 64 полных оборота входного вала преобразователя, т.е. преобразователь является многооборотным и может служить для измерения не только углового перемещения, но и числа оборотов.

В ряде конструкций кодирующее устройство выполняется не в виде отдельных шайб, а в виде цилиндра с соответствующими выступами, расположенными по сечениям, перпендикулярным оси цилиндра. Такая конструкция позволяет повысить точность изготовления кодирующей системы, а применение при этом полого цилиндра уменьшает массу и момент инерции преобразователя.

В рассмотренных выше преобразователях выступы расположены вдоль цилиндрической поверхности шайбы или цилиндра. Однако можно расположить эти выступы на плоской части шайбы в виде кольца. Такая конструкция позволяет разместить на одной шайбе по концентрическим кольцам несколько разрядов. При этом выступы младшего разряда располагаются на кольце наибольшего, а выступы старшего разряда – на кольце наименьшего диаметра. Контакты располагаются вдоль радиуса шайбы над соответствующими кулачковыми выступами.

Основным достоинством кулачковых контактных преобразователей является простота их изготовления. Конструкция кодирующего устройства с плоскими шайбами позволяет существенно уменьшить габариты и массу преобразователя, причем преимущества подобного устройства наиболее полно проявляются при использовании его в многошкальных преобразователях.

Основным недостатком этих преобразователей является большой момент трения, определяемый необходимостью преодоления давления пружин контактов, которое является переменной величиной, так как зависит от числа замыкающих контактов. Кроме того, кулачковые преобразователи имеют весьма ограниченный срок службы.

2.8.1.1. Барабанные контактные преобразователи.В них кодовая маска выполняется в виде барабана с нанесенным на него кодом типа параллельных колец, составленных из чередующихся электрически проводящих и непроводящих площадок. Число колец равно числу разрядов в выходном коде устройства. Проводящие и непроводящие участки кольца создаются при изготовлении кодового барабана.

2.8.1.2. Дисковые преобразователи.Задающая система в этих преобразователях выполняется в виде диска с нанесенным на него кодом типа концентрических колец, составленных из чередующихся электрически проводящих и непроводящих участков. Число колец равно числу разрядов, причем размеры проводящих и непроводящих участков в каждом кольце одинаковы, а число их определяется «весом» разряда и характером используемого кода. Кольцо старшего разряда имеет наименьший диаметр, а младшего разряда – наибольший. Помимо разрядных колец на кодовый диск наносится одно сплошное проводящее кольцо, которое электрически соединяется со всеми проводящими участками разрядных колец и является общим токопроводящим элементом.

В качестве чувствительных элементов дискового преобразователя применяются щетки, располагаемые вдоль фиксированной радиальной линии над соответствующими разрядными кольцами кодового диска (для обычного двоичного кода). Каждому значению углового положения вала с укрепленными на нем кодовым диском соответствует расположение проводящих и непроводящих участков вдоль линии считывания, т.е. округленное значение кода в выходном устройстве. При этом контакт щетки с проводящей площадкой соответствует наличию единицы в одном разряде, а контактирование с непроводящей площадкой – наличию нуля.

Достоинством барабанных и дисковых преобразователей является высокая помехозащищенность выходного кода, значительные уровни выходных сигналов (до 10 В), возможность создания многоразрядных преобразователей при сравнительно малых габаритных размерах и массах.

Основные недостатки – наличие подвижного контакта и значительные моменты трения (правда, меньше, чем у кулачковых преобразователей) на входном валу.

2.8.2. Фотоэлектрические преобразователи

Они на сегодня имеют наиболее широкое распространение из числа преобразователей «угол-код». Это объясняется, во-первых, рядом положительных качеств этих преобразователей (малые моменты инерции и трения и т.д.) и, во-вторых, тем, что благодаря разработке совершенной технологии изготовления элементов этих преобразователей удается добиться при сравнительно небольших габаритах высокой точности преобразования.

В фотоэлектрических преобразователях, как и в контактных дисковых, в качестве задающей системы используется кодовый диск (рис. 2.34). Отличие в кодовых дисках состоит лишь в том. Что в фотоэлектрических преобразователях в качестве задающей системы используется диск, выполненный из оптического стекла, с кодом, нанесенным в виде сочетания прозрачных и непрозрачных площадок. В качестве чувствительных элементов применяются фотоэлементы, располагаемые обычно вдоль радиуса диска. Число фотоэлементов равно числу разрядов в коде. Луч от источника света через кодовый диск и оптическое устройство поступает на фотоэлементы. Если между источником света и фотоэлементом находиться прозрачная площадка диска, то фотоэлемент будет находиться в проводящем состоянии, что соответствует наличию единицы в данном разряде. Если же между источником света и фотоэлементом будет находиться непрозрачная площадка, то последний не будет проводить, и его состояние соответствует наличию нуля в данном разряде.

Из этого общего описания видно, что фотоэлектрические преобразователи состоят из следующих основных частей: источника света, оптической системы, формирующей луч считывания, кодового диска, чувствительных элементов (фотодиодов), вспомогательных схем, служащих для питания источника света, диодов, устройства считывания и усиления выходных сигналов.

Для считывания многоразрядного кода с кодового диска фотоэлектрических преобразователей в основном минимально допустимым размером луча (шириной щели). Основные условия выбора ширины площадки единицы младшего разряда l₀ заключается в выполнении неравенства l₀>l_Щ, где l_Щ – ширина щели. Так как возможные минимальные размеры щели значительно меньше размеров контакта щетки, то и диски для фотоэлектрических преобразователей имеют меньшие размеры, чем диски для контактных преобразователей. Так, например, если у контактных преобразователей диск на 10 разрядов имеет диаметр 94 мм, то диаметр аналогичного диска у фотоэлектрических преобразователя равен 60 мм. В настоящее время изготавливаются диски для фотоэлектрических преобразователей на 16 двоичных разрядов, имеющие диаметр порядка 255 мм.

Так как у фотоэлектрических преобразователей контактных устройств нет, то требуемый для вращения момент будет значительно меньше, чем у контактных преобразователей (0,6…0,8 г×см вместо 50…60 г×см)

Фотоэлектрические преобразователи «угол-код» весьма часто делают нелинейными вследствие удобства изготовления кодовых дисков. Примером такого преобразователя может служить серийно выпускаемый фотоэлектрический синусно–косинусный преобразователь.

Имеются фотоэлектрические преобразователя, у которых на кодовый диск нанесен 16-разрядный двоичный код. Разрешающая способность такого преобразователя около 10¹¹. Частота преобразования до 60 Гц. На кодовом диске нанесено 16 кодовых дорожек, диаметр дорожки старшего разряда 125, младшего – 250 мм. В этом преобразователе используются: импульсный источник света и фототриоды. Между кодовым диском и чувствительными элементами на расстоянии 76 мкм от диска помещена оптическая щель, имеющая ширину 5 мкм. Положение каждого из фототриодов регулируется с помощью отдельного микрометрического винта. Для регулировки яркости источника света используется отдельный фототриод. Размеры преобразователя: диаметр 280 мм, высота 216 мм, масса 4,9 кг.

2.8.3 Электромагнитные преобразователи «угол-код»

К электромагнитным преобразователям «угол-код» относятся индуктивные и трансформаторные преобразователи, преобразователи с кольцевыми ферритовыми чувствительными элементами и емкостные преобразователи. Из них достаточно широкое распространение получили лишь трансформаторные преобразователи «угол‑код».

В трансформаторных преобразователях «угол-код» в основе принципа действия системы съема кода лежит изменение величины взаимоиндукции между первичной и вторичной обмоткой чувствительного элемента, причем магнитная цепь состоит их двух ферромагнитных сердечников (рис. 2.35), разделенных воздушным зазором. Изменение коэффициента взаимоиндукции между первичной и вторичной обмотками достигается

благодаря перемещению магнитного экрана внутри зазора между сердечниками.

Задающая система трансформаторных преобразователей, играющая роль магнитного экрана, представляет собой тонкий диск из диамагнитного материала хорошо проводящего электрический ток (медь, серебро). На диск наносится рисунок кода, аналогичный рисунку кодовых дисков контактных и фотоэлектрических преобразователей.

Чувствительный элемент в трансформаторных преобразователях представляет собой пару идентичных катушек, вы полненных на
П–образных сердечниках из ферромагнитного материала (например, оксифера). Сердечники располагаются в одной плоскости с обеих сторон диска напротив соответствующего разрядного кольца точно друг против друга. На катушку опроса (КО) поступает опрашивающий импульс. При этом в зависимости от того, находиться ли в этот момент между катушками опроса и считывания воздушный зазор или материал диска, являющийся магнитным экраном, на выходе катушки считывания (КС) будет меняться амплитуда импульса. Если между катушками находиться материал диска, то в нем возникают вихревые токи, оказывающие размагничивающее действие, т.е. создающие поток, направленный навстречу основному потоку. При этом магнитное поле в обмотке считывания мало и сигнал на выходе значительно меньше, чем для случая, когда между половинками трансформатора находиться воздушный зазор. Большая амплитуда импульса определяет наличие единицы в данном разряде, а малая – наличие нуля. Зазор между сердечниками катушек выбирается минимально возможным, так как в этом случае представляется возможность повысить уровень сигнала на выходе катушек считывания или уменьшить размеры сердечников, а тем самым и диаметр диска, т.е. габаритные размеры устройства. Величина минимально возможного зазора определяется толщиной диска и возможной тщательностью выполнения устройства, толщина диска – его прочность. Выполняемые в настоящее время диски трансформаторных преобразователей имеют толщину 0,5…1 мм. Это позволяет обеспечить зазор между сердечником катушек 0,8…1,1 мм.

Известны конструкции трансформаторных преобразователей «уголкод» и с дисковыми кодирующими устройствами.

Трансформаторные преобразователи имеют меньшие моменты трения и инерции, чем все ранее рассмотренные, включая и фотоэлектрические типы преобразователей. Однако в трансформаторных преобразователях значительно труднее, чем в фотоэлектрических, обеспечит большое число разрядов при относительно небольших габаритных размерах, в силу чего они обычно выполняются многошкальными, причем каждая ступень имеет не более 7…8 двоичных разрядов.

Наиболее существенный недостаток преобразователей этого типа – малое отношение сигнал/шум, порядка 3…4.