Измерение угловых и линейных перемещений

Измерение перемещений в цифровой форме является распространенной операцией. В связи с тем, что линейное перемещение без труда преобразу­ется в угловое, обычно разрабатываются цифровые измерители углового перемещения, представляющие собой аналого-цифровые преобразовате­ли углового перемещения.

Наиболее простыми преобразователями являются преобразователи накапливающего типа, называемые еще преобразователями последова­тельного счета. Общий принцип построения накапливающих преобразо­вателей состоит в квантовании измеряемой величины и подсчете числа квантов. Квантование может быть осуществлено на различных физиче­ских принципах, например, использованием зубчатого или перфориро­ванного диска, механически связанного с контролируемым валом - рис. 9.10. В этом случае шаг зубца определяет угловой квант измерения кон­тролируемого угла а_х. Для считывания квантов применяется фотодатчик, состоящий из осветителя Л и фотоэлемента ФЭ. При использовании дру­гих методов квантования привлекаются другие датчики. Например, при квантовании путем нанесения равномерно расположенных магнитных меток на ферромагнитный диск или барабан, применяют магниточувствительные считывающие датчики. Выходной сигнал датчика формируется формирователем Ф в прямоугольный импульс, поступающий на счетный вход счетчика импульсов. Количество импульсов, накопленных счетчиком с моменча начала преобразования пропорционально углу поворота кон­тролируемого вала x_х . Код N отображает это количество в определенной системе счисления. Этот код может индицироваться цифровым отсчетным устройством, а также использоваться в цифровых регуляторах движением управляемого механизма.

Л ФЭ Ф ^{СЧЕТЧИК} N

^{ИМПУЛЬСОВ}

α_х

Рис. 9.10. Нереверсивный накапливающий аналого-цифровой

преобразователь углового перемещения.

Преобразователь по схеме рис. 9.10 является нереверсивным и мо­жет быть применен только при однонаправленном движении контроли­руемого вала.

Для создания реверсивных аналого-цифровых преобразователей углового перемещения необходимо использовать реверсивный счетчик импульсов и обеспечить формирование сигнала реверса счетчика. Кон­троль направления вращения требует использования не менее двух датчи­ков, сдвинутых по фазе относительно шага квантования φ, как это пока­зано на рис. 9.11. При двух датчиках, они смешены на φ/4, а при трех на φ/6. Тогда по очередности срабатывания датчиков можно судить о на­правлении вращения. Кроме того, увеличение числа датчиков позволяет уменьшить квант измерения угла без уменьшения шага квантования носи­теля (диска). При двух датчиках квант измерения угла будет φ/4, а при трех - φ/6. Логическое устройство, выполняюшее задачу формирования счетного импульса и сигнала реверса по двум (или более) последователь­ностям импульсов, поступившим от путевых датчиков, называют сигнум-датчиком. В зависимости от количества путевых датчиков сигнум-датчики могут быть двух, трех и более фазными.

Ф₁ ^{СЧЕТ СЧЕТЧИК} N

Σ ^{ИМПУЛЬСОВ}

датчик

реверс

Ф₂

Ф₁

Рис. 9.11. Реверсивный преобразователь

Ф₂ углового перемещения.

φ

В реверсивном преобразователе происходит автоматическое изме­нение направления счета счетчика импульсов при изменении направления вращения контролируемого вала. Код счетчика N однозначно определяет угол поворота вала α_х относительно исходного состояния, при котором произвели обнуление счетчика.

Все преобразователи перемещения накапливающего типа страдают существенным недостатком: подверженностью помехам. Сбой счетчика даже в одном разряде, особенно если этот разряд старший, непоправимо искажает результат преобразования.

От этого недостатка свободны преобразователи параллельного ти­па. Эти преобразователи не используют разбиение контролируемого па­раметра на элементарные участки кванты и не подсчитывают их. В парал­лельных преобразователях код угла формируется в каждый момент вре­мени непосредственно датчиками. На рис. 9.12 показан вариант реализа­ции параллельного 3-х разрядного (обычно они многоразрядные) преоб­разователя угла с кодирующим диском КД.

При использовании фотодат­чика кодирование производится выфрезеровкой дуг в определенном сек­торном угле. Число позиций кодирующего диска (уровнен кодовых отверстий по радиусу) и число считывающих датчиков равно числу разрядов кода цифрового выражения угла. Состояние формирователя датчика оп­ределяет значение соответствующего разряда.

кД кД

Л _Ф 1р

_Ф 2р N

ф 3р

Рис. 9.12. Параллельный преобразователь углового перемещения

с кодирующим диском.

Обычно кодирующий диск кодируется не в двоичной системе, как это показано на рис. 9.12, а в специальном коде Грея. Этот код обеспечи­вает высокую надежность преобразования за счет того, что одновременно может измениться состояние только одного разряда.

Системы счисления, коды.

В цифровых измерительных приборах и преобразователях измеряемая величина представлена в виде кода. Код может быть представлен в раз­личной системе счисления. В зависимости от очередности передачи эле-ментов кода все коды делятся на последовательные и параллельные. В по­следовательных кодах его элементы передаются по одному каналу после­довательно во времени один за другим. У параллельного все элементы кода передаются одновременно, параллельно по n каналам, где n - число разрядов кода.

Физически элементы кода могут быть представлены амплитудой электрического сигнала, полярностью, фазой относительно опорного сиг­нала и другими признаками. Чаще всего используется амплитудное пред-ставление значения разряда кода. Так в двоичной системе единичное зна­чение разряда может отображаться наличием сигнала, а нулевое - отсутст-вием его. На рис. 9.13 показана осциллограмма сигнала 11-ти разрядного двоичного кода 1000101100 1 с указанием веса каждого разряда.

U 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1

t

2¹⁰ 2⁹ 2⁸ 2⁷ 2⁶ 2⁵ 2⁴ 2³ 2² 2¹ 2⁰

Рис. 9.13. Последовательный двоичный код.

В цифровых измерительных приборах и преобразователях цифро-вое выражение измеряемой величины может быть представлено число-импульсным или позиционным кодом.

Число-импульсный код соответствует единичной системе счисления. Таким образом, для передачи числа, например 902, потребуется последо­вательная передача 902 импульсов, что громоздко и требует значительно­го времени.

В позиционных кодах значение числа определяется не только значением элемента кода, но и его положением на разрядной сетке. Так, в десятичной позиционной системе счисления цифра 1 может означать и единицу, и десять и сто, в зависимости от положения этой цифры в многоразрядном числе. В общем виде число в десятичной системе счисления выражает­ся следующим образом:

_n

N ═ Σ K₁10^{l – 1}

^l=1

Здесь n - число разрядов; К₁- коэффициент, принимающий одно из десяти возможных значений 0, 1,2. .... 9; 10 - основание системы счисления. Чис­ло 1902 в этой системе выглядит следующим образом:

N = 1*10³ + 9*10² +0*10¹ + 2*10⁰

Для краткости пишут только последовательность K₁ без основания системы счисления. Физическая реализация позиционной десятичной системы счисления требует наличия элементов, обладающих 10 различными состояниями. Как правило, десятичная система представления величин используется только там, где происходит взаимодействие измерительной аппаратуры с человеком-оператором: при индикации результатов или при вводе установок.

Большая часть преобразований цифровой информации осуществля­ется в двоичной позиционной системе счисления, требующей наличия элементов, обладающих только двумя состояниями (0 и 1). Такими элементами являются триггеры и другие бистабильные электронные устрой­ства. В этой системе число выражается по степени основания системы, т.е 2:

_n

N ═ Σ K₁10^{l – 1}

^l=1

гдеК₁= 0,1.

Двоичное выражение некоторых десятичных чисел показано в следующейтаблице

Десятичное число	Двоичное число

Находит применение и двоично-десятичная система счисления. При этом расположение десятичных разрядов сохраняется, но цифра каждого десятичного разряда представлена четырехразрядным двоичным кодом. Десятичное число 902 в двоично-десятичной системе будет выглядеть сле­дующим образом: 1001 00000010.

Для создания цифровых преобразователей физических величии ис­пользуется специфическая элементная база: логические элементы, тригге­ры, счетчики, регистры, схемы сравнения, шифраторы и дешифраторы, сумматоры и др., изучаемые в разделе цифровой электроники дисципли­ны "Электроника и мнкросхемотехника".