4. Разработка и расчёт узлов

4.1 Расчёт первичного преобразователя

Первичный преобразователь является датчиком малых угловых перемещений. Световые импульсы датчика преобразуются в электронные. Всего используется 10 светодиодов и десять фотодиодов.

1. Светодиод АЛ107А

Характеристики АЛ107А :

Uпр.		P			Θ, град
В	при Iпр, мА	мВт	при Iпр, мА
2	100	6	100	25

2. Фотодиод ФД-256

Характеристики фотодиода:

Размер фоточувствительного элемента, мм	Рабочее напряжение, Up, В	Темновой ток Iт, мкА, не более	Интегральная токовая чувствительность S1 инт., не менее
Ø 1.37мм	10	0,1	0,6 А/Вт при λ = 0,9 мкм

3. Резистор 30 Ом

Расчет параметров первичного узла преобразователя:

Для нормальной работы светодиода АЛ107А ток через него должен быть равен Iпр =100мА. В связи с тем, что при изменении управляющего напряжении ток через светодиод резко меняется, установим компенсационный резистор R1 и увеличим управляющее напряжение до 5 В. Рассчитаем значение номинала резистора R1:

Iпр*R1 + Uр = Еп

R1 = 30 Ом

+5В

R1

-10В

HL1

VD1

На преобразователь ток-напряжение.

Рис. 4. На рисунке представлен участок принципиальной схемы, соответствующий первичному преобразователю.

Необходимо обеспечить измерения углов с погрешностью не более 0.1% на оборот. Весь оборот равен 360 градусам. Следовательно, погрешность составляет (360/100)*0.1=0.36 градуса. Для удобства расчёта и увеличения точности измерений примем погрешность в 0.25 градуса. Следовательно, необходимо использовать 360*4=1440 комбинаций кода Грея. Тогда количество наименьших щелей (расположенных по наибольшему радиусу) в диске будет равно 1440/2=720 (наименьшая щель соответствует 0.5 градуса из-за особенности кода Грея). На каждой последующей дорожке щели будут иметь длину в два раза большую, чем на предыдущей.

Рис. 5. Кодовый диск

Расчёт площади наименьшей щели.

Возьмём длину окружности, на которой расположены щели наименьших размеров, в 360 мм (т.е. на каждый градус приходится 1 мм длины окружности).

Найдём радиус этой окружности:

L=2*π*R R=360/(2*π)=57.2995мм

Возьмём высоту щели в 1 мм. Следовательно, нижняя часть щели будет лежать на радиусе меньшем R на 1мм равном 56.2995мм=r.

Найдём площадь одной щели через разность площадей окружностей радиуса R и r делённую на их количество :

Sщели=(S1-S2)/360=(π*R²- π*r²)/360=0.9913мм²

Sщели соответствует отверстию для 0.5 градуса.

Найдём площадь половины отверстия (для 0.25 градуса): S0.25= Sщели/2=0.4956мм²

Найдём ширину M равную половине щели при её высоте равной H=1мм:

M= S0.25/H=0.4956мм

Найдём площадь чувствительного элемента фотодиода:

Sфд=(Rфд)²=1.8769

Очевидно, что площадь чувствительного элемента фотодиода значительно больше площади щели в кодовом диске. Следовательно, всё излучение светодиода попадёт на фотодиод. Для большей точности определения положения кодового диска наложим на все фотодиоды маску с отверстием, шириной 0.25мм (т.е. равно половине ширины наименьшего отверстия в диске и соответствует одному разряду) и высотой 1мм.

Рассчитаем ток фотодиода при облучении.

Расстояние между светодиодом и диском 0.7 мм, между фотодиодом и диском – 0.7 мм, толщину решетки не учитываем.

По данным светодиода диаграмма направленности =50 градусов, при мощности 10 мВт.

Площадь, облучаемая светодиодом на расстоянии 1.4 мм, равна при мощности 10 мВт.

Иллюстрация расчёта показана на рисунке 6.

Рис. 6.

Следовательно, на фотодиод попадает мощность:

=5 мВт при

Найдем ток фотодиода:

На рисунках 7 и 8 представлены графики изменения мощности на фотодиодах в зависимости от угла поворота кодового диска.