Перспективные направления по увеличению точности преобразования угловых перемещений

ЭЛЕКТРОННЫЕ ДАТЧИКИ УГЛА

Цель работы:изучение устройства цифровых датчиков угла

Современное состояние оптики, механики и электроники позволило создать геодезические приборы - электронные тахеометры и лазерные рулетки, с помощью которых в полевых условиях можно получить информацию об измеряемых горизонтальных и вертикальных углах и расстояниях, автоматически выполнить необходимые вычисления по плановому и высотному положению ситуации При наличии компьютеров процесс может быть автоматизирован, включая получение готовой карты местности. Возможность занесения в запоминающие устройства (ЗУ) допустимых погрешностей измерений (например, циклической погрешности дальномера, коллимационной погрешности, отклонений места нуля, отклонений оси вращения от отвесной линии за счет введения двух-координатных электронных уровней и др.) позволяет повысить точность и производительность измерений.

Встроенное программное обеспечение позволяет выполнить следующие геодезические задачи: обратную засечку, уравнивание теодолитного хода, измерение высот недоступных объектов, вынос в натуру координат точек и линий, вычисление площадей, разбивку кривых и т.д.

На российском рынке тахеометры представляют сегодня такие известные фирмы, как: Leica (Швейцария), Sokkia, Topcon, Nikon и Pentax (Япония), Trimble Navigation (США), Opton (Германия), АГА (Швеция), а также ФГУП "УОМЗ" (Россия, г. Екатеринбург) и др.

УОМЗ выпустил тахеометры 2Та5 со встроенной памятью на 5000 точек и ЗТа5Р, который может работать совместно с программным комплексом "CREDO", обеспечивая безбумажную технологию; тахеометр ЗТаЗР, в отличие от своих предшественников, имеет компенсатор при вертикальном круге и электронный уровень. Тахеометр ЗТаЗРМ имеет два дисплея и лазерный центрир.

Принципы измерения расстояний практически не отличаются от работы светодальномеров; при измерении углов используют кодовые и инкрементальные (накопительные) преобразователи.

В тахеометрах типа Та5 и ТаЗМ используются преобразователи накопительного типа. Здесь рабочей мерой служит нанесенный на стеклянную подложку растровый диск с радиальными штрихами (рис. 1). На стеклянной подложке нанесены две штриховые дорожки с равными угловыми интервалами прозрачной и непрозрачной частей, штрихи одной дорожки сдвинуты относительно другой на четверть периода Т, благодаря чему определяется направление перемещения алидады (реверс). Средний диаметр диска равен 85 мм, количество штрихов растра N = 10 000. Прибор не имеет "абсолютного нуля", нулевое направление задается в момент включения прибора, после выключения прибора его ориентация в горизонтальной плоскости в памяти не сохраняется.

Угловое перемещение прибора преобразуется в амплитуду, фазу, время или частоту электрического сигнала, затем электрическими схемами - в цифровой код. В преобразователях накопительного типа вычисляется целое число периодов растра и оценивается его дробная часть, заключенная между двумя направлениями угла. При этом целое число периодов вычисляется в канале грубого отсчета, дробная часть - в канале точного отсчета.

Рис. 2. Принципиальная схема считывания информации с растрового преобразователя тахеометра ТаЗМ:1 - светодиод; 2 - конденсор; 3 - призма БР-180"; 4 - растровый диск; 5 - призма АР-90"; 6 микрообъективы; 7 - пентапризма; 8 диафрагма; 9 - приемник излучения

Рассмотрим оптическую схему преобразователя ТаЗМ (рис. 2). Свет от светодиода 1 через конденсор 2 и призму 3 освещает штрихи растрового диска 4; изображение штрихов с помощью оптического мостика (призма 5, микрообъективы 6 и пентапризма 7) передается на противоположную сторону растрового диска и через диафрагму 8 считывается приемниками излучения (ПИ) 9. Увеличение оптического мостика {} = 1,0101, поэтому изображение, полученное на противоположной стороне растрового диска, шире штрихов примерно на 1/100. Такое сопряжение называют нониусным.

Период растра для тахеометра ТаЗМ

Т, =360°/10000 =2^´09,6"

соответственно угловой период изображения Т₂ = 2'10,9".При вращении алидады растр и его изображение, образующие муаровую картину, перемещаются навстречу друг другу, что приводит к увеличению разрешающей способности канала грубого отсчета в два раза, тогда:Т = t₁/ 2=1' 04,8".Угловой размер между комбинационными (муаровыми) полосами 1º48´0,64, благодаря чему можно использовать приемник излучения с размером чувствительной площадки порядка одного миллиметра. W_{ и W₂ ~ угловые периоды растра, нанесенного на диске, и его изображения на противоположной стороне соответственно. В тахеометре ТаЗМ используется четырехплощадочный фотодиод ФД20КП (см. рис. 2, поз. 9), размер окна щелевой диафрагмы 8 при этом равен 0,9 мм.

Оптическая схема при вертикальном круге аналогична показанной на рис. 2, однако оптический мостик (элементы 5, 6, 7) расположен на маятниковом подвесе и является одновременно компенсатором наклонов прибора. Вибрации компенсатора гасятся с помощью магнитоиндукционного демпфера.На рис. 3 приведена структурная схема узла считывания информации Пространственный сдвиг окон диафрагмы 8 (см. рис. 4) позволяет на выходе чувствительных площадок приемника излучения иметь токи вида:

I₁ = Iosin φ , I₂ = Iocos φ , I₃ = -I₀sin φ , I₄ = -i₀ cos φ где i₀ - амплитуда сигнала.

Противофазные сигналы поступают на входы операционных усилителей А1 и А2, в результате их попарного сложения

Рис. 3.Принципиальная схема первичного преобразователя кодового датчика угла

на выходе усилителей амплитуда сигналов удваивается, в точках А и В имеют напряжения соответственно (рис. 4

U_{вых 1}= 2Usin φ , U_Bых2=2Ucos. φ

Кроме того, попарное сложение (балансная схема) сигналов позволяет устранить паразитное влияние фоновой засветки, старения элементов электрической схемы и нестабильность излучения источника.

Юстировка преобразователя угловых перемещений заключается в настройке квадратурных сигналов sin и cos после их предварительного усиления в точках А и В (см. рис. 3). Для этого один из сигналов подают на вход X, а другой на вход Y двухлучевого осциллографа. При перемещении алидады тахеометра на экране осциллографа будет смещаться точка. При правильных сдвигах фаз между сигналами (90°) и равных их амплитудах траектория смещения (фигура Лиссажу) будет иметь вид окружности диаметром порядка U = 2,5 вольт (рис. 5,а).

При разных амплитудах сигналов и сдвиге фаз между ними 90° (см. рис. 4) окружность вырождается в эллипс, оси которого совпадают с осями координат осциллографа. При сдвиге фаз, отличном от 90°, фигура Лиссажу наклоняется на соответствующий сдвигу фаз угол (см. рис. 5,б). Дальнейшая настройка преобразователя заключается в юстировке положения призм и микрообъективов оптического мостика (поз. 5, 6, 7 на рис. 2). Окончательная настройка амплитуд квадратурных сигналов может быть осуществлена переменными резисторами промежуточных усилительных каскадов. При электронном методе считывания как таковое понятие рена отсутствует, при этом на погрешность измерения оказывают влияние эксцентриситеты лимба и алидады. Их выявляют по изменению коллимационной погрешности на разных участках горизонтального круга.

Для этого зрительная труба электронного тахеометра фокусируется на бесконечность, тахеометр устанавливается на

прецизионный поворотный столик, напротив располагается (труба в трубу) коллиматор. Совмещая сетки нитей коллиматора и тахеометра, при двух положениях зрительной трубы тахеометра (Л и П) вычисляют коллимационную погрешность. Повернув столик с тахеометром на 15°, снова совмещают его сетку нитей с сеткой нитей коллиматора и вычисляют коллимационную погрешность. Измерения выполняют в пределах полного оборота электронного тахеометра через 15°. Кроме того, наличие эксцентриситетов может быть выявлено по изменениям углового положения фигуры Лиссажу на экране осциллографа.При перемещении алидады происходит подсчет целых периодов в канале грубого отсчета (ГО), точный отсчет выполняется при неподвижной алидаде.

В канале точного отсчета сигналы интерполируются, получая 128 счетных импульсов на период Т, следовательно один отсчетный индекс канала точного отсчета соответствует 0,5 угловым секундам.

Используемая в тахеометре ТаЗМ оптическая схема имеет ряд существенных недостатков:

1) отсутствует нуль-метка инициализации кругов, обнуление счетчика происходит при включении прибора,

2) превышение скорости вращения алидады приводит к сбоям в работе, которые можно выявить только при повторной ориентации прибора на опорное направление,

3) жесткие требования к юстировке оптического мостика, разъюстировка оптического мостика приводит к изменению ширины муаровой полосы и, как следствие, изменению амплитуд и сдвигу фаз, отличному от 90°, измерительных сигналов U_вых1 и U_вых2,

4) разъюстировка преобразователя перемещений приводит к накапливающейся погрешности измерений, которую выявляют по многократному замыканию горизонта при визировании на одну и ту же марку.

Указанные выше недостатки частично устранены в тахеометрах 2Та5, ЗТа5 и 4Та5. В части измерения расстояний в указанных выше тахеометрах использован фазовый метод с измерением временного интервала аналогичный светодально-меру СТ5. В угловых же преобразователях используют схему с двумя сопряженными растрами (в 2Та5 - с односторонним считыванием, в ЗТа5 - с двусторонним считыванием). Схема преобразователя угла приведена на рис. 6

Индикаторные растры имеют структуру, аналогичную измерительному растру, но окна для получения квадратурных сигналов sin и cos пространственно сдвинуты на л/2. Зазоры между измерительным и индикаторными растрами должны быть соизмеримы с периодом растра. На лимбе нанесена специальная нуль-метка, которая инициализируется при включении прибора и может служить началом отсчета.

В настоящее время наибольшей популярностью у геодезистов пользуются электронные тахеометры, в которых при измерении углов в качестве рабочей меры используют кодовые шкалы, а считывание информации с них осуществляется с помощью ccd-сенсоров.

Одним из первых таких тахеометров был электронный тахеометр НР-3820А фирмы "Хьюлетт Паккард" (США). На рис 7 приведена принципиальная схема его углового преобразователя [1, 81].

Рис. 7.Принципиальная схема углового преобразователя тахеометра НР-3820 (США): 1,4- диаметрально расположенные считывающие системы точного отсчета(для устранения влияния эксцентриситета);2 - считывающая система промежуточного (средней точности) отсчета; 3 - считывающая система грубого отсчета

На рис. 126 показан измерительный кодовый диск.

Синусоидальная дорожка имеет 128 периодов длиной по 1080 мкм, в пределах периода установлены четыре ПИ

Рис. 9. Принципиальная схема расположения приемников излучения: а - форма синусоидальной дорожки; б - форма сигнала на выходе ПИ

интервалом, равным периода синусоидальной маски. На выходе ПИ возникают фототоки в соответствии с выражениями:

I₁ = i₀ + i sin φ ;

I₂ = i ₀ + i cos φ ;

I₃ = i₀ - i sin φ ;

I₄ = i₀ - i cos φ .

При попарном включении ПИ (1 + 3 и 2 + 4) на выходе операционных усилителей получаются два сигнала с удвоенной амплитудой, сдвинутые относительно друг друга на 90°:

i₁ – i₃ = 2i sin φ ,

i₂ - i₄ = 2i cos φ ,

позволяющие обеспечить реверс и интерполяцию сигналов с дискретностью периода синусоид маски (21´36").

Рис 10 Структура кодовой дорожки двоичного преобразователя

На рис.10,а показаны линейная развертка кодовой шкалы и расположение над ней чувствительных элементов (приемников излучения), схема имеет существенный недостаток: на границах светлых и темных участков шкалы возникает погрешность из-за неоднозначности считывания, достигающая единицы старшего двоичного разряда. Для устранения неоднозначности используется метод с двумя чувствительными элементами на разряд (кроме младшего), схема приведена на рис. 10,6. Здесь: если с чувствительного элемента младшего разряда считывается код "О", то сигналы для других разрядов считываются с левой колонки, если с младшего разряда считывается "1", то сигналы для других разрядов считываются с правой колонки чувствительных элементов. Метод известен как "метод двойной щетки". Кроме него существуют методы с V-образным расположением чувствительных элементов, а также двоично-сдвинутые кодовые шкалы. Кодовый растровый диск использован, например, в отечественном электронном тахеометре ТС600Е.

В современных электронных тахеометрах при вертикальном круге используются компенсаторы, работающие по принципу электронного уровня: ампула частично заполнена электролизной жидкостью, с противоположных сторон расположены контакты. При отвесном положении оси прибора сопротивления между контактами, расположенными на противоположных сторонах ампулы равны, при наклоне прибора электролизная жидкость с разных сторон перекрывает разные участки между контактами, соответственно изменяя сопротивление между ними. Информация о разных сопротивлениях учитывается микропроцессором в виде поправки за угол наклона прибора. Диапазон работы таких компенсаторов не превышает 3 минут.

тей 19 и окуляра 20.

На рис. 16 в общем виде показана принципиальная схема углового преобразователя накопительного типа, на рис. 17 -принципиальная схема углового кодового преобразователя.

Перспективные направления по увеличению точности преобразования угловых перемещений

Гармонический анализ погрешности преобразования показал , что монотонного убывания амплитуд гармоник с ростом номера гармоники в растровых преобразователях на хромированных решетках не наблюдается, что не позволяет повысить точность преобразования за счет исключения из спектра отдельных гармоник. Одним из путей повышения точности растровых преобразователей является использование в них дифракционных голографических решеток (ДГР) с периодом, соизмеримым с длиной волны когерентного источника излучения. При этом в плоскости ПИ анализируются интерференционные полосы. При линейной записи ДГР на выходе первичного преобразователя наблюдаются только гармоники нулевого и +1-го порядков, поэтому измерительные сигналы sin U_; и cos Uj (см. рис. 122) имеют синусоидальную форму

Известны три схемы построения первичных преобразователей с голографическими решетками, показанные на рис. 12

Рис12Схема первичного преобразователя с одной ДГР. 1-лазер; 2-линза;3- измерительнаядгр; 4-зеркала;5 –четыре ПИ.

В первой схеме свет от когерентного ИИ 1, коллимированный линзой 2, попадает на измерительную решетку 3. Лучи, дифрагировавшие в +1-й порядок дифракции и нулевого порядка, отражаются от зеркал 4 и, проходя повторно решетку 3, попадают на ПИ 5. Преимуществом данной схемы является использование одной решетки. Однако при этом необходимо использовать ИИ с большой длиной когерентности (вызвано дисперсией и неравенством хода лучей в плечах между решеткой и зеркалами). Кроме того, наличие двух зеркал определенным образом затрудняет процесс юстировки преобразователя, увеличивает габариты.

Во второй схеме (см. рис. 13) используют две ДГР. Индикаторная решетка 3 вместе с ИИ 1 образует опорное плечо интерферометра, ПИ 5 расположены в дальней зоне Фраун-гофера В плоскости ПИ, расположенных перпендикуляр- но биссектрисе угла между дифрагировавшими пучками, анализируются узкие интерференционные полосы.

Рис. 13Схема первичного преобразователяи большим двугранным углом ф₂ между решетками:

1 - лазер; 2 - конденсор; 3 - индикаторная ДГР; 4 - измерительная ДГР;5 - четыре ПИ

Преимуществом схемы является более высокий, чем в предыдущей схеме, контраст интерференционных полос. Использование матричного ПИ для анализа узких интерференционных полос уменьшает шумы электронного тракта. Однако данная схема чувствительна к изменению угла между решетками, разность хода лучей до ПИ может меняться из-за отклонений температуры, что приводит к дополнительной погрешности измерения.

Кроме того, габариты преобразователя значительно увеличиваются.

В настоящее время болыпее распространение получила принципиальная схема первичного преобразователя с двумя параллельными ДГР (см. рис. 14). В ней коллимированный линзой 2 световой поток от ИИ 1, отражаясь от зеркала 3, падает под углом Брэгга, равным — (9₀ - угол интерферометра при записи решеток), на индикаторную ДГР 4, затем на измерительную ДГР 5. В результате дифракции на решетках в направлении +1-го порядка дифракции происходит восстановление пучков света, подобных тем, что использовались при записи решеток. При этом в интерференционном поле дифрагировавших на ДГР волн образуется система равноотстоящих изофазных плоскостей (в произвольном сечении, например в плоскости ПИ 6, интерференционных полос). Принципиальная схема имеет два конструктивных решения, относящихся к перемещению измерительной решетки 5 относительно индикаторной решетки 4: индикаторная решетка 4 неподвижно связана с корпусом, в котором перемещается подвижная измерительная решетка 5, индикаторная решетка 4 базируется непосредственно по измерительной решетке 5 и перемещается по ней. Здесь угол между решетками может быть выбран близким к нулю, при этом в плоскости ПИ формируются бесконечно широкие интерференционные полосы. Реверсивный счет полос при их перемещении осуществляется за счет пространственного сдвига участков индикаторной решетки, сопряженных с соответствующими ПИ.

При использовании индикаторной решетки без пространственного сдвига участков изменением двугранного угла между решетками добиваются равенства полуширины интерференционной полосы размеру чувствительной площадки ПИ, расположенного рядом с измерительной решеткой. Две пары ПИ, включенных встречно, следят за изменением постоянной составляющей квадратурных сигналов, вызванным изменением дифракционной эффективности измерительной решетки в диапазоне измерения. В данной схеме может использоваться квазимонохроматический ИИ (полупроводниковый лазер). Преобразователь имеет наименьшие габариты по сравнению с описанными выше преобразователями с ДГР.

Крепление измерительного растра традиционно осуществляется планками. Однако некоторые фирмы крепят его с помощью эпоксидной смолы. Эти методы не выдерживают ухудшенных условий эксплуатации, поэтому в последние годы для крепления измерительного растра стали применять кремний-органические герметики, при этом процесс закрепления осуществляется на инструментальном микроскопе.Кроме совершенствования принципиальных схем преобразователей перемещений угол-код, наблюдается совершенствование конструкции осевых систем прибора, поддерживающих стабильное положение преобразователя в пространстве.

Заслуживает внимания вертикальная осевая система, изобретенная А. Юнтом, X. Лейтцем, Э. Лепнером и Г. Рометшом (рис. 15.В данной конструкции корпус 2 и цилиндрическая ось 3 изготовлены из одной заготовки, между ними находится сепаратор 4 из большого количества шариков 5, смещенных один относительно другого по винтовой линии и равномерно распределенных по всей поверхности сепаратора. Шарики в точках касания претерпевают упругую деформацию (зазор между осью и втулкой примерно на 3 мкм меньше, чем диаметр шарика. В осевом направлении цилиндрическая ось удерживается двумя упорными подшипниками 6.

Рис. 15.Осевая система электронного тахеометра:

1 - измерительный растр; 2 - втулка (корпус); 3 - цилиндрическая ось; 4 -сепаратор; 5 - шарик; 6 - упорный подшипник

По сравнению с другими осевыми системами показанная на рис. 15 конструкция нечувствительна к изменениям температуры, значительно дешевле (в ней используются стандартные шарики нулевого класса вместо шариков второго класса точности). Кроме того, данная осевая система практически не подвержена износу, нечувствительна к изменению вязкости смазки и динамическим воздействиям (ударам).

В МИИГАиКе разрабатывается устройство для аттестации угловых измерительных систем электронных тахеометров, в котором заложены принципы искусственных нейросетей, позволяющих системе самообучаться путем введения соответствующих весовых коэффициентов, полученных при аттестации прибора.

Вопросы для самопроверки:: 1 Что в ЦПУ определяет точность отсчета?

2..Виды ЦПУ

3.Структура погрешности преобразования тахеометров

4.Перспективы увеличения точности преобразования угловых перемещений