4.11. Оптические датчики

Схема  любого оптического датчика состоит  из следующих элементов: источника излучения (И), приемника излучения (П). среды передачи (М), организованного оптического канала (ОК) и объекта. Измеряемый параметр объекта меняет характеристику оптического канала, которая измеряется приемником.

Рис. 43. Схема оптического датчика

Рис. 43. Схема оптического датчика

Все оптические датчики можно поделить на три группы:

  1. датчики наличия и отсутствия,
  2. датчики положения и перемещения,
  3. датчики параметра среды, влияющего на прозрачность/поглощение.

Примером датчиков первой группы являются датчики серии А3. Оптические датчики серии А3 функционируют по трем принципам и делятся на три типа:

Отражающие оптические выключатели, которые излучают и принимают отраженный от объекта свет, находящегося в зоне действия датчика. Как только улавливается определенная световая энергия, на выходе устанавливается соответствующий логический уровень. Величина дистанции от датчика до объекта зависит от размеров улавливаемого предмета, от его цвета, шероховатости и т.д. и может достигать 2м. Конструктивно излучатель и приемник выполнены в одном корпусе.

Отражающие от световозвращателя, которые излучают и принимают свет, отраженный от специального отражателя (рефлектора) и при прерывании луча объектом выдается выходной сигнал. Дальность действия зависит от состояния среды (пыль, дым и т.д.) и может достигать 5 м. Конструктивно излучатель и приемник выполнены в одном корпусе.

Датчики сквозного типа, которые имеют раздельные конструктивно источник света и приемник, расположенные соосно друг напротив друга. Любой предмет попадающий в зону светового потока прерывает его и вызывает изменение выходного логического уровня. Дальность действия может достигать 20 м.

4.11.1. Фотоэлектрические 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.

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.

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

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.

4.11.2. 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. 44.

Рис. 44. Схема растрового оптического датчика

Рис. 44. 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).

4.11.3. 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). 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. 45).

Рис. 45. Вид кодовой маски

Рис. 45. 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.

Вид конструктивной схемы КОДП определяется, главным образом, числом разрядов шкалы и способом кодирования  и  считывания. В КОДП, наиболее часто используются две схемы: КОДП с прямым двоичным кодом и КОДП с кодом Грея.

Шкалы с прямым двоичным кодом представляют собой оптические рейки или диски, разделенные на равновеликие площадки - полосы для реек и сектора - для дисков, на которых записаны бинарные слова, соответствующие прямому  двоичному коду. Число площадок N определяет разрешающую способность КОДП: Da =  L/N или  Da =  3600/N . (Здесь L - длина рейки).

Рис. 46. Шкала с прямым двоичным кодом

Рис. 46. Шкала с прямым двоичным кодом

Несмотря на простоту кодирования и считывания шкалам с обычным двоичным кодом присущ крупный недостаток, связанный с появлением ложных кодов. Эта особенность обусловлена невозможностью изготовления идеальных шкал и проявляется во время движения шкалы, в момент изменения «1» на «0» или «0» на «1» одновременно в нескольких разрядах. Так, при изменении кода 7 на 8, т.е. 0111 на 1000 происходит замена значений сразу в четырех разрядах. Если же, случайно (из-за погрешностей шкалы), например, во 2 разряде, не происходит изменение «1» на «0», тогда вместо значения «8» будет считано «10» (1010). Существенно, что величина ошибки превышает цену деления шкалы, равную одному младшему значащему разряду (МЗР). Вероятность возникновения неоднозначности считывания информации в КОДП особенно велика при высоких скоростях движения шкалы.

Для устранения неоднозначности считывания применяются специальные методы считывания и специальные коды. Большинство выпускаемых промышленно КОДП используют код Грея, при котором ошибка считывания не превышает величины МЗР, независимо от того, в каком из разрядов произошла ошибка. Недостатком датчиков, использующих шкалы с кодом Грея, является необходимость последующей дешифрации кодов Грея в стандартный двоичный код.

Для преобразования числа из двоичного кода в код Грея используют выражение:

gk  = bk+1 Å  bk        (mod 2),

где число в двоичном коде, представлено, как B = bn bn-1 ... b2 b1 , а в коде Грея как  G = gn gn-1 ... g2 g1.

Рис. 47. Шкала с кодом Грея

Рис. 47. Шкала с кодом Грея

Промышленно выпускаются одношкальные и двухшкальные КОДП. Самые современные датчики первого типа имеют 12 … 16 разрядную шкалу, двухшкальные КОДП содержат две  7… 9 разрядных шкалы. И та и другая схемы позволяют получить 16 разрядный двоичный код и гарантировать разрешающую способность до 20 ".

Некоторые модели КОДП представлены в табл.. 5.

Таблица 5. Примеры  промышленных  КОДП

Модель

n, разряд

K , шкал

N, об

Da, ‘

w, об/мин

Æ, мм

l, мм

m, кг

ППК-15

15

2

16

10,5

900

50

160

0,8

ROC 717

17

1

 

0,2

 

 

 

0,6

TSI-200

20

2

 

0,5

 

70

75

0,4

В настоящее время все самые современные системы измерения перемещений строятся на основе КОДП. Их достоинства связаны с возможностью непосредственного получения двоичного кода и высокой точностью измерений. Недостатки этих датчиков обусловлены технологической сложностью и высокой стоимостью, а также значительными габаритами.

Технические средства автоматизации и управления


*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.