Оптические датчики положения

Современные оптические датчики положения (ОДП) обеспечивают наиболее высокую разрешающую способность, надежность и точность, ОДП обладают и другими достоинствами. Для них характерна независимость метрологических параметров от нагрузки, а также высокая помехозащищенность.

Фотоэлектрический

По физическому принципу работы этот преобразователь относится к классу фотоэлектрических датчиков. Фотоэлектрические датчики Фотоэлектрические датчики используют фотоэлектрический эффект - явлении испускания электронов веществом под действием света, открытым 1887 Г.Герцем. Во время работы фотоэлектрического датчика происходит непрерывное преобразование света в электрический сигнал. Основными элементами фотоэлектрических датчиков СКБ ИС являются: источник света (лазеры, светодиоды), оптические среда и приемник светового луча (фотоприёмники, ПЗС матрицы). По сравнению с другими физическими принципами, фотоэлектрический более требователен к технологии производства, условиям эксплуатации, размерам конструкции и т.д., однако обладет большим потенциалом по точности и разрешению. Как правило, стоимость фотоэлектрических датчиков, по сравнению с магнитными, выше. Оптоэлектронные датчики Боллее современное название фотоэлектрических датчиков - оптоэлектронные. Оптоэлектроника - направление электроники, охватывающее оптические и электрические методы обработки информации. Поэтому преобразователи, использующие такую электронику, называют иногда оптоэлектронными датчиками. Название "оптоэлектронный датчик" не популярно. Оптронные датчики Оптоэлектроника развивалась в двух направлениях. Ту часть оптоэлектроники, которая основана на фотоэлектрическом преобразовании оптического сигнала в электрический, называют оптроника. Поэтому преобразователи СКБ ИС иногда называют оптронными датчиками. Как и "оптоэлектронный датчик", название "оптронный датчик" также не популярно. Оптические датчики Еще одно название датчиков СКБ ИС - оптические датчики. Название "оптические датчики", хотя весьма популярно, но не несет достаточно информации о физическом принципе работы и является слишком общим.

Основой ОДП является оптическая система, включающая источник света, кодирующий элемент (диск или линейка) и блок фотоприемников. В качестве источников света используются оптронные пары и осветители в виде ламп накала с вольфрамовой нитью. Для обеспечения равномерной освещенности области кодирующего элемента применяются коллимационные линзы. Самым ответственным узлом ОДП, в наибольшей степени определяющим его характеристики, является кодирующий диск, на котором с высокой точностью фотоспособом выполнена маска. Тип маски определяет способ кодирования.

Обычно используют кодирующие диски, на дорожках которых по окружности размещается до 2500 оптических сегментов. Если же использовать лампы со специальной тонкой нитью накаливания, то на диске с диаметром 100 мм можно различать свыше 5000 таких сегментов.

ОДП классифицируются по двум основным при­знакам.

1. По форме выходного сигнала: относительные (накапливающие) и абсолютные.

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

Накапливающие (циклические) преобразователи используют датчик и счетную систему, суммирующую отдельные приращения, а также репер (метку), относительно которого эти приращения суммируются.

Датчики абсолютных значений не содержат репера и выполняются либо одношкальными, либо в виде систем грубого и точного отсчета.

Импульсные (инкрементальные) цифровые датчики перемещений. Ин­крементальные цифровые датчики отображают измеряемое положение ко­личеством импульсов, которые затем подсчитываются с учетом направления перемещения.

Датчики этого типа мало подвержены дестабилизирующим факторам окружающей среды, имеют большую долговечность, очень высокую точность, но и относительно высокую стоимость. Их применение оправдывается там, где нужны точность и надежность.

Импульсные датчики перемещений формируют на своем выходе после­довательности импульсов напряжения электрического тока, параметры ко­торых (сумма импульсов, фазовый сдвиг, частота) или их комбинация позво­ляют оценить наблюдаемые переменные. Импульсы формируются за счет модуляции потоков энергии — световой, электромагнитной и т. п. — и пре­образования сигналов приемников этой энергии в электрические импульсы. Импульсные датчики, как правило, имеют относительную шкалу отсчета, и при запуске привода с таким датчиком применяют алгоритмы базирования по сигналам датчиков конечных положений (ДКП) или референтным шкалам.

Импульсные датчики используются в виде типовых комплектующих бло­ков (энкодеры, линейные датчики) либо встраиваются подетально в конст­рукцию мехатронного устройства.

Примеры компоновочных решений типовых импульсных датчиков и спо­собов их крепления приведены на рис.

Рис.

Типовые импульсные датчики:

а, б, в, г — преобразователи углового перемещения; д — преобразователи линейного перемещения.

Рис. 64

Импульсные датчики перемещений:

а — индуктивный импульсный датчик; б — фотоимпульсный датчик; в — трехрастровый фотодатчик на тонкосетчатых штриховых растрах и диаграммы изменения сигналов на выходе фотодатчиков растров a, b, с.

Импульсные фотоэлектрические датчики положения

Датчик импульсный фотоэлектрический предназначен для преобразования угла поворота вала датчикав количество импульсов и угловой скорости вала в частоту следования импульсов, для формирования релейного сигнала ограничения скорости.

Принцип действия.Датчик представляет собой фотоэлектрический пpеобpазователь, в котором поток инфpакpасного излучения, модулированный механическим модулятором, пpеобpазуется в последовательность электрических импульсов, количество которых пpопоpционально угловому перемещению вала датчика, а частота следования импульсов пропорциональна угловой скорости вращения вала.

В последнее время наиболее распространенным типом импульсных оптических датчиков положения в мехатронных системах стали инкрементные энкодеры (однофазные и квадратурные). Их назначение — измерять относительноелинейное и угловое перемещение рабочего органа, а также его скорость.На выходе датчика формируется унитарныйкод, т. е. последовательность импульсов, число которых пропорционально углу поворота входного вала.

Рис. 6. Внешний вид энкодера абсолютного типа серии EP58

В настоящее время импульсные ОДП являются наиболее распространен­ным типом ДПП. Гальваническая развязка информационных цепей, а также простота и надежность конструкции импульсных ОДП обусловили преиму­щественное использование их в типовых задачах измерения перемещений. В то же время следует помнить, что для них характерно накопление ошибок при сбоях питания и необходимость периодического определения нуля отсчета.

Растровые оптические датчики положения.

Растровые оптические датчики (РОДП) предназначены для преобразования линейных и угловых перемещений в цифровой код на основе использования растровой решетки. 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.

Для измерения линейных перемещений обычно используются сопряжение двух плоских параллельных растров, а для измерения угловых - сопряжение радиальных растров.

РОДП включает блок осветителя, создающий параллельный пучок света, растровое сопряжение из подвижного (измерительного) и неподвижного (индикаторного) растров, блок фотоприемников и электронный блок обработки. Блок обработки состоит из логической схемы и реверсивного счетчика, используемого в качестве накапливающего сумматора.

Рис. Схема растрового оптического датчика.

Диафрагма сканирующей головки содержит четыре щели, размещенные так, что выходные сигналы фотоприемников сдвинуты на четверть периода измерительной решетки. Количество импульсов определяет величину перемещения, а логическая схема определяет направление перемещения, используя последовательность поступления импульсов.

Точность РОДП определяется минимальным расстоянием между растрами 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.

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).

Другие типы импульсных датчиков перемещений

Кодовые оптические датчики положения

Рассмотренные ранее датчики формируют выходной сигнал 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).

Датчики этого типа формируют на выходе re-разрядный двоичный, па­раллельный или последовательный цифровой код, измеряющий перемеще­ние входного звена преобразователя в абсолютной шкале отсчета.

Абсолютные цифровые датчики — это рейки для линейных перемеще­ний или диски для угловых перемещений, разделенные на N равновеликих площадок (полос — в случае рейки, секторов — в случае диска), на которых записаны бинарные слова, соответствующие определенному положению. Поэтому при сбоях в работе, включении, прерывании питающих напряже­ний или предельной частоты работы на выходе датчика имеется точная по­зиция положения. Чаще всего используют помехозащищенную двоичную Грей-кодировку, при которой за каждый шаг измерения изменяется лишь один знак кодовой информации, и при этом легко контролируются ошибки передачи сигнала. Распространено также двоичное и двоично-десятичное кодирование. Имеются датчики с механическим и бесконтактным съемом информации.

Шкала кодовых датчиков угла поворота не превышает 360°, и для изме­рения неограниченных углов поворота применяют алгоритмы счета прохож­дения полных шкал по сигналам датчиков конечных положений или рефе­рентным меткам.

Чаще всего в проекты МУ закладывают типовые конструкции импульс­ных кодовых датчиков, выбирая их по следующим параметрам: количество разрядов, длина шкалы, цена деления шкалы, тип выходного кода (парал­лельный или последовательный), тип интерфейса, уровень выходных сигна­лов, предельная скорость смещения, напряжение питания, потребляемая мощность, способ крепления корпуса и входного вала, ОТП.

Применение нетиповых встраиваемых кодовых датчиков также возмож­но при точном технико-экономическом обосновании.

Ввод информации из кодовых датчиков в цифровой контроллер осущест­вляется через параллельные порты.

Оптические системы КОДП и РОДП 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. Количество дорожек, как правило, определяет разрядность выходного двоичного кода. В момент съема информации луч, проходя через прозрачные сегменты кодовых дорожек шкалы и ограничивающую щелевую диафрагму, освещает фотоприемники (фотодиодные линейки) (рис. 7).

Рис. . Вид кодовой маски.

Отсутствие сигнала с фотоприемника соответствует двоичному нулю, наличие – двоичной единице. В результате каждому перемещению соответствует определенная комбинация двоичных единиц и нулей, являющаяся его цифровым кодом.

Пример. Датчик ЛИР

ЛИР-ДА158 Абсолютные угловые фотоэлектрические датчики положения (абсолютные энкодеры)

Просмотр: 1     Абсолютный датчик углового положения (абсолютный энкодер). Принцип действия - фотоэлектрический. Отличительные особенности: Диаметр корпуса 58 мм. Цельный вал. Разрешающая способность - до 17 разрядов на оборот. Способ выдачи данных - параллельный, параллельно-байтовый или последовательный SSI. Возможные напряжения питания - +5 В; +12 В; +24 В. Может быть использован для замены импортных датчиков. Синонимы: абсолютные датчики, датчик перемещения, датчик угловой, датчик поворота, датчик угла, датчик угловых перемещений.

Рис. Внешний вид энкодера абсолютного типа серии EP58