2.3.6. Цифровые дп

Цифровые ДП преобразуют линейное или угловое перемещение в цифровой код. Они точнее аналоговых – разрешающая способность цифрового кодирования перемещений может быть весьма высокая.

Обобщенная структура ЦДП представлена на рис. 2.27.

Рис. 2.27. Структурная схема цифрового датчика перемещения: НК – носитель кода перемещения; ЧЭ – чувствительный (считывающий) элемент; ИЦП – импульсно-цифровой преобразователь; х – перемещение объекта; N – цифровой код перемещения

Элементы НК – ЧЭ могут быть выполнены различными способами (рис. 2.28).

КЩ – контактные щетки; 1, 2, 3 – носители кода (линейки, диски, магнитная лента); ФИ, ФП – фотоизлучатель, фотоприемник (свето- и фотодиод); УС – усилитель; МГ – магнитная головка.

При перемещении объекта на выходе ЧЭ (считывающего элемента) образуются электрические импульсы. Преобразование этих импульсов в цифровой код может быть осуществлено абсолютными или относительными шифраторами (рис. 2.29). В первом случае каждому значению перемещения х объекта на выходе шифратора образуется соответствующая кодовая комбинация (код), а во втором варианте выходной код соответствует приращению измеряемого перемещения (при включении всякий раз отсчет начинается с нуля).

В абсолютных шифраторах на носители записывают позиционный код (например, код Грея), а в относительных шифраторах используют унитарный код.

В качестве примера рассмотрим устройство и принцип действия трехразрядного фотоэлектрического цифрового ДП (рис. 2.30).

Рис. 2.28. Способы кодирования и считывания перемещений: а – с электропроводящим участками; б – со светопроводящими участками; в – с магнитными участками

Рис. 2.29. Способы импульсно-цифрового преобразования: а – с абсолютным шифратором; б – с относительным шифратором (счетчиком)

Датчик содержит линейки источников 1 и приемников 2 света, закрепленные так, что каждый фотодиод получит свет от расположенного напротив светодиода. Между линейками 1 и 2 располагается непрозрачный кодирующий диск 3, в котором вырезаны секторы в соответствии с используемым позиционным кодом.

Рис. 2.30. Фотоэлектрический цифровой датчик углового перемещения: 1 – линейка светодиодов; 2 – линейка фотодиодов; 3 – кодирующий диск; φ – угол поворота объекта

При повороте диска 3 объектом одни фотодиоды воспринимают свет, другие – нет. Соответственно углу поворота φ изменяется код на выходе датчика (рис. 2.31).

В зависимости от числа фотодиодов и размещения секторов на диске 3 число кодовых комбинаций за 1 оборот диска составляет 2ⁿ , где n – число разрядов датчика. Для трехразрядного ЦДП выходной код определяется выражением: N=U₀2⁰+U₁2¹+U₂2². Характеристика управления ЦДП показана на рис. 2.31, б.

Рис. 2.31. Диаграммы напряжений на входе шифратора (а) и характеристика управления трехразрядного ЦДП (б)

Разрешающая способность этого датчика равна

.

2.3.7. Локационные датчики (лд)

ЛД предназначены для измерения расстояний до объектов, скорости движения и их размеров, обнаружения препятствий, а также для определения зазоров, перекосов, проскальзываний, внутренних дефектов, толщины материала, твердости, механических напряжений, площади, ориентации относительно заданной точки.

Методы измерения дальности, используемые в ЛД:

∙ Акустический (ультразвуковой на частоте менее 20 кГц);

∙ Магнитный;

∙ Оптический (обнаруживают объекты по отраженному свету, например лазерные дальномеры);

∙ Радиационный;

∙ Радиоволновой;

∙ Тепловой;

∙ Электромагнитный;

∙ Пневматический.

Далее рассматриваются в качестве примеров локационные датчики, получившие широкое распространение в промышленных системах автоматизации.

Ультразвуковые ЛД (УЛД)

УЛД использует способность ультразвуковых волн (частота меньше 20 кГц) распространяться в твердых, жидких и газообразных средах с отражением от неоднородностей сред.

Схема УЛД представлена на рис. 2.32. Датчик работает следующим образом: генератор 1 вырабатывает импульсы f = 35 кГц, которые через коммутатор 2 (переключатель режима излучения в режим приема ультразвуковых импульсов) поступают в излучатель и передаются излучателем на объект. Отраженные от объекта импульсы воспринимаются микрофоном М и через коммутатор 2 передаются в усилитель-формирователь 4. В преобразователе 5 их сравнивают по фазе с излучаемыми импульсами и определяют время Δt прохода импульсом расстояния 2L. Расстояние до объекта вычисляется по уравнению , где V – скорость распространения ультразвука в среде.

УЛД обеспечивают измерение перемещений с погрешностью 2 % в диапазоне 2–2000 м в воздухе, 0,5–10⁴ м в жидкости, измерение скорости с погрешностью 2 % менее 2 мм/с в воздухе, менее 10 мм/с в жидкости. Недостаток УЛД состоит в том, что они не могут измерять расстояния до звукопоглощающих объектов (пористая резина, ткань и др.).

Лазерные дальномеры (ЛЗД)

ЛЗД используют метод оптической локации.

Они определяют время прохождения или сдвиг по фазе прямого и отраженного световых импульсов. ЛЗД могут использовать режим импульсного излучения (расстояние до объекта определяют по числу импульсов, поступивших в счетчик за время между прямым и отраженным импульсами), либо режим непрерывного излучения (рис. 2.33): расстояние до объекта оценивается по разности Δφ излучаемого и отраженного лучей.

При импульсном излучении лазера вместо фазометра используется счетчик импульсов.

ЛЗД обладают высокой точностью и разрешением, но сложны и громоздки, не могут работать при появлении преград для луча.

Радиолокационные дальномеры (РЛД)

РЛД работают на сверхвысоких частотах (около 4 ГГц), измеряя дальность до 1500 м с погрешностью до 10 %. Расстояние оценивают по времени задержки отраженного радиосигнала относительно прямого.

РЛД не чувствительны к шуму, вибрации, запыленности, влажности, но стоят дорого. Могут работать через непрозрачное неметаллическое окно.

Рис. 2.32. Ультразвуковой ЛД

Рис. 2.33. Лазерный дальномер: 1 – лазерный излучатель; 2 – фотоприемник отраженного импульса; 3 – видеоусилитель; 4 – фазометр (измеряет Δφ – разность фаз излучаемого и отраженного импульса)