28.Датчики и методы измерения линейной скорости

Рассмотрим наиболее распространенные методы измерения линейных

скоростей движущихся твердых тел: аэрометрический, компенсационный, термодинамический, турбинный, корреляционный, допплеровский, электро­магнитный, инерциальный и др.

Аэрометрический метод (схема 1 в табл. 1) основан на измерении ско­ростного (динамического) напора, функционально связанного со скоростью тела, движущегося в воздушной среде.

Скоростной набор как разность полного и статического дельта р_ст давлений, измеряемых трубками 2 и 1, равен для дозвуковых скоростей

(1)

где к - показатель адиабаты, - скорость звука, - ускорение силы

тяжести, R - газовая постоянная; T1 - абсолютная температура

Аэрометрический измери­тель скорости:

1  - приемник статического давления;

2    - приемник полного давления; 3 - трубопроводы; 4 - корпус; 5 - мано­метрическая коробка; 6 - стрелка

Манометрический изме­ритель скорости 1 - турбинка; 2 -пневмореле; 3 - электродвигатель

Термодинамический изме­ритель скорости

1 - открытая термопара; 2 экра­нированная термопара; 3 - сум­матор; 4 - делитель

Корреляционный измери­тель скорости:

БРЗ - блок регулируемой за­держки, реализующий функции

1 и

2 - приемные элементы; О - из­лучатель; 3 - умножитель; - фильтр; Ус - усилитель; ИО - исполнительный орган; 4 - дви­жущийся объект

Доплеровский измеритель скорости:

а - схема однолучевого измери­теля; б - сплошной спектр отра­женного сигнала; в - схема че- тырехлучевого измерителя; W - путевая скорость; в - угол сноса

Турбинный измеритель скорости

а - тангенциальная турбинка; б - аксиальная турбинка

29.Датчики и методы измерения углового положения

Датчик углового перемещения. В оптоэлектронных растровых преобразователях перемещений заключается в использовании в качестве меры длины радиальной шкалы, являющейся носителем регулярного и кодового растров. Возможность нанесения штрихов растров с субмикронной точностью, стабильность их геометрического положения, высокая степень защищенности конструктивного исполнения и высокая устойчивость к внешним воздействиям обеспечили растровым преобразователям перемещений широкое применение. Принцип работы преобразователей угловых перемещений основан на регистрации относительной величины прошедшего через растровое сопряжение потока оптического излучения как координатной-периодической функции взаимного углового положения регулярного растра шкалы и растров окон анализатора.

Рис.95. Считывающий узел

(1 - Растровая шкала, 2 - Растровый анализатор, 3,4 - Излучающий диод, 5,6 - Квадрантный фотодиод, 7 - Конденсатор)

Источник: http://www.skbis.ru/userfiles/sc1.gif

Преобразователь имеет два кинематически связанных функциональных звена: радиальную растровую шкалу 1, жестко связанную с валом преобразователя, и растровый анализатор 2 неподвижного считывающего узла. Радиальная растровая шкала - лимб содержит две концентрические информационные дорожки: регулярного растра и референтной метки Б.

Растровый анализатор содержит окна инкрементного считывания и референтную метку Д. Окна позиционно согласованы с дорожкой регулярного растра лимба и имеют внутри растры A, А, B, В с шагом, равным шагу регулярного растра лимба. При этом, в каждой паре окон растры смещены друг относительно друга на величину равную половине их шага, а взаимный пространственный сдвиг растров между парами окон составляет четверть шага растров. Последовательно с растровыми окнами расположено прозрачное окно Г. Референтная метка Д позиционно согласована с дорожкой референтных меток лимба. Считывающий узел решает задачу реализации оптических растровых и кодовых сопряжений, информативно соответствующих величине углового перемещения, и задачу считывания, обработки и анализа текущих значений оптически информативных параметров указанных сопряжений.

 

Абсолютный датчик углового положения

Среди обширного класса измерительных преобразователей угловых перемещений абсолютные датчики углового положения занимают особое место. Эти датчики позволяют решать задачи прецизионных измерений не только величин угловых перемещений, но и без потери точности могут обеспечить «жесткую» координатную привязку различного рода позиционируемых объектов при их статическом положении. Часто абсолютные датчики углового положения называют абсолютными энкодерами, преобразователями считывания углового положения или преобразователями угол-код.

 

Абсолютные датчики углового положения каждому значению углового положения вала (преобразуемого угла) ставят в соответствие значение числового эквивалента, который формируется на выходе датчика, как правило, в виде сигнала цифрового кода. При этом указанное взаимно однозначное соответствие сохраняется, как при движении вала, так и при его неподвижном положении и не требует возвращения вала в начальную позицию. Таким образом, значение кода не теряется после выключения и включения питания датчика, восстанавливается после прохождения помехи или превышения допустимой скорости вращения вала, ограничиваемой правильным считыванием кода. Приведённые свойства выгодно отличают абсолютные датчики углового положения от инкрементных угловых преобразователей.

 

Эталоном угловой меры в абсолютных датчиках служит установленный на входном валу измерительный лимб с кодовой шкалой, имеющей однодорожечную или многодорожечную кольцевую структуру. Упрощенное изображение измерительного лимба с 9-ти дорожечной кодовой шкалой изображен на рис.96.

Рис.96. Измерительный лимб

 

Источник: http://www.skbis.ru/userfiles/3.gif

 

В основе принципа действия таких датчиков лежит анализ позиционного сочетания уровней сигналов дискретных фотоприемников_, располагаемых в формируемой светотеневой картине соответствующих концентрических кольцевых кодовых дорожек или на одной дорожке (в случае однодорожечного кода).

 

Совокупность указанных фотоприемников образует считывающее фотоприёмное устройство (матрицу считывающих фотопремников), конкретное выполнение которого определяется структурой используемого кода и конструкцией датчика. В абсолютных датчиках углового положения увеличение количества кодовых разрядов соответствует увеличению их угловой разрешающей способности.

 

Как правило, для многодорожечных шкал датчиков положения используют позиционные коды. Их особенность заключается в том, что в отличие от обычных кодов, они обладают свойством непрерывности бинарной комбинации (так называемая «одношаговость кода»): изменение кодируемого числа на единицу соответствует изменению кодовой комбинации только в одном разряде (рис.97).

 

 

Рис.97. Позиционные коды

 

Источник: http://www.skbis.ru/userfiles/sc0016_exposure_resize.jpg

 

Это свойство позволяет свести погрешность считывания кода к значению младшего разряда_, обеспечив_, тем самым_, высокую информационную надёжность преобразования угол-код. Наибольшее распространение среди кодов этого класса получил код Грея. Этот код обладает способностью зеркального отображения информации_, то есть инвертированием старшего бита можно менять направление счета и, таким образом_, задавать направление вращения вала датчика. Для осуществления дальнейшей обработки Грей-кода на основе законов двоичной математики его преобразуют в двоичный код. Реализацию такого кодового преобразования легко осуществить с помощью логических элементов «исключающее или» аппаратным или программным способами. По диапазону измерений абсолютные датчики углового положения делятся на однооборотные и многооборотные. В датчиках первого типа кодирование углового положения вала осуществляется в пределах изменения угла поворота от 0°до 360°. В многооборотных датчиках рабочий диапазон превышает 360°. Они строятся на основе абсолютных однооборотных датчиков, последовательно соединённых между собой через двоичные понижающие редукторы. Как правило, используется один датчик точного отсчёта и один или несколько датчиков грубого отсчёта. Точный отсчёт используется для преобразования в цифровой код в пределах одного оборота вала, а грубые - для счёта числа оборотов.

 

Принцип работы преобразователей угловых перемещений основан на регистрации относительной величины прошедшего через растровое сопряжение потока оптического излучения как координатной-периодической функции взаимного углового положения регулярного растра шкалы и растров окон анализатора.

 

Рис.98. Считывающее устройство

(1 - Излучающий диод, 2 - Конденсатор, 3 - Анализирующая маска, 4 - Дискретный фотоприемник. 5 - Линейка фотодиодов)

 

Источник: http://www.skbis.ru/userfiles/11.gif

 

Формируемый осветителем 1 и конденсатором 2 пучок лучей создаёт в плоскости анализирующей маски 4 теневое изображение кодовой шкалы 3. Анализирующая маска, представляет собой совокупность щелевых диафрагм, выделяющих необходимые для анализа участки изображения кодовой шкалы. За каждой диафрагмой по ходу лучей установлен дискретный фотоприемник, располагаемый в зоне теневого изображения соответствующей кольцевой дорожки кодовой шкалы, В распространённом случае считывающее фотоприемное устройство представляет собой анализирующую маску в виде одной узкой щелевой диафрагмы с установленной за ней линейкой фотодиодов 5.

 

Конструктивно абсолютный датчик включает в себя оптико-механический узел, оптико-электронное считывающее устройство, а также электронную схему выделения и обработки сигналов фотоприёмников.

 

Оптико-механический узел датчика представляет собой корпусную деталь с прецизионными направляющими, обеспечивающими вращательное движение вала и жестко связанного с ним измерительного лимба, центрированного по отношению к оси вращения вала.

 

Оптико-электронное считывающее устройство содержит узел осветителя и считывающее фотоприемное устройство (матрицу фотоприемников с установленной перед ней анализирующей маской), а также электронную схему выделения и обработки сигналов фотоприемников. В общем случае, считывающее фотоприемное устройство содержит матрицу пространственно распределённых фотоприемников с установленной перед ними анализирующей маской. Для получения значений кода на один оборот вала, кратных одному угловому градусу, используют укороченный код Грея, начальное значение которого не соответствует нулевой позиции обычного кода Грея, а имеет значение некоторого смещения, позволяющего при замыкании кодовой последовательности сохранить основные его свойства. В зависимости от уровня сигналов, снимаемых с фотоприемников, им присваиваются значения 0 или 1, то есть получаемые кодовые комбинации являются бинарными кодами.