8.2 Интерференционный датчик перемещения

С появлением компактных и эффективных источников когерентного излучения – твердотельных оптических квантовых генераторов (ОКГ) открылась возможность создания очень точных и стабильных датчиков перемещения основанных на волновой природе световых волн. Одним из вариантов схемы такого датчика является интерферометрический датчик на основе интерферометра Майкельсона, показанный на рис. 83.

Рис. 83.

Схема интерференционного датчика перемещения.

Луч ОКГ (твердотельного или газового лазера) с помощью светоделителя (например, полупрозрачного зеркала) направляется на два зеркала, одно из которых неподвижно, а другое перемещается на измеряемое расстояние х. Отраженные от этих зеркал лучи с помощью полупрозрачного зеркала направляются на фотоприемник ФП. Эти световые волны когерентны и интерферируют друг с другом, образуя суммарную волну. Амплитуда суммарной волны зависит от амплитуд слагаемых волн и сдвига фаз между ними. Если световые волны приходят на фотоприемник в одной фазе их амплитуды складываются, если в противофазе – вычитаются. Разность оптического хода лучей зависит от положения подвижного зеркала. Поэтому при перемещении подвижного зеркала суммарная амплитуда будет периодически изменяться с шагом равным половине длины волны излучения ОКГ(рис. 84, сплошная линия).

Рис. 84

Выходной сигнал фотоприемника интерференционного датчика.

Сигнал с фотоприемника может быть обработан также как сигнал в случае растрового датчика перемещения накапливающего типа и использован в режиме «подсчета полос».

При использовании ОКГ излучающего красный свет (λ=0,653 мкм) «цена деления» равна 0,3265 мкм, поскольку свет проходит расстояние до подвижного зеркала дважды, и сохраняется стабильной при изменении температуры и в процессе старения. Для организации реверсивного подсчета полос необходим второй сигнал, сдвинутый по отношению к первому на ¼ периода. Этот сигнал формируется вторым фотоприемником, установленным рядом с первым. На второй фотоприемник один из интерферирующих лучей (обычно от неподвижного зеркала) пропускается через специальный оптический элемент – четвертьволновую пластинку, которая сдвигает фазу проходящей световой волны на четверть длины волны. Сигнал второго канала показан на рис 84 пунктиром.

Обработка сигналов от этих двух каналов производится также как в оптоэлектронном датчике перемещения накапливающего типа. Возможно применение приема электронного дробления фазы, что еще больше увеличивает точность измерения.

8.3 Оптико-электронный датчик перемещения считывающего типа (абсолютный энкодер)

Развитие элементной базы оптоэлектроники (миниатюризация фотоприемников) и технологии изготовления точных растровых решеток с большим числом полос позволили создать другой тип оптоэлектронного датчика перемещения – датчик считывающего типа, свободный от недостатков датчиков накапливающего типа. Схема датчика считывающего типа показана на рис. 85.

Рис. 85

Схема оптоэлектронного датчика перемещения считывающего типа.

Датчик содержит осветитель 1 с оптической системой 2,3 формирующий узкий пучок света, кодовую линейку 4 или кодовый диск и линейку фотоприемников 5. Световой поток от осветителя через кодовую линейку поступает на линейку фотоприемников. Сигнал от конкретного фотоприемника будет зависеть от прозрачности участка кодовой линейки находящегося перед фотоприемником. Рабочая поверхность кодовой линейки разделена на дорожки по числу фотоприемников, ориентированные вдоль перемещения линейки. На рис. 86 показан пример четырехразрядной кодовой линейки, на которой прозрачными и непрозрачными участками закодировано перемещение линейки относительно считывающего светового луча /12/.

Рис. 86

Четырехразрядная кодовая линейка с прямым двоичным кодом.

За каждой дорожкой кодовой линейки установлен отдельный фотоприемник, сигнал которого после необходимого усиления поступает на компаратор. Компаратор формирует сигнал логического нуля, если фотоприемник затемнен, и сигнал логической единицы, если фотоприемник освещен. Сигналы с четырех (в рассматриваемом примере) компараторов образуют двоичное число, соответствующее положению кодовой линейки.

В датчике считывающего типа отсутствуют все недостатки, свойственные датчику накапливающего типа – проблемы с учетом направления перемещения и началом отсчета. В любой момент времени без дополнительных операций датчик дает действительное положение кодовой линейки и, соответственно, величину измеряемого перемещения. На рис. 86 для кодирования положения решетки использован прямой двоичный код, но может быть применен и любой другой двоичный код.

С началом разработки и использования первых датчиков считывающего типа (еще электромеханических) обнаружился принципиальный недостаток этих датчиков. При попадании считывающего устройства (электромеханического или оптоэлектронного) на границу двух соседних чисел возникали ошибки считывания, достигающие половины полной шкалы. Рассмотрим причину этого явления на примере оптоэлектронного считывания.

Компараторы, формирующие логические разрядные сигналы имеют на входе аналоговые сигналы и сравнивают их с опорными напряжениями.

На рисунке 87 показан в увеличенном масштабе переход между двумя со-

Рис.87

Появление ошибки считывания при использовании прямого кода.

седними числами, например 7(0111) и 8(1000) для кодовой линейки показанной на рис.86.

Теоретически число 7(0111) должно перейти в число 8(1000). За счет разброса параметров аналоговых сигналов на входах в компараторы и уровней опорных напряжений в реальных устройствах смена нулей и единиц происходит не во всех разрядах одномоментно на границе между 7 и 8. В показанном на рис. 87 примере при движении кодовой линейки на выходе последовательно возникают числа

7(0111) → 5(0101) → 1(0001) → 9(1001) → 8(1000).

При других сочетаниях разброса параметров аналоговых сигналов на входах в компараторы и уровней опорных напряжений между числами 7 и 8 может появиться любое число (код) от 0000 до 1111. Ошибка выходного сигнала, достигающая половины шкалы неприемлема, т.к. может вызвать сбои и аварию в системе управления использующей этот датчик. Для устранения такой огромной ошибки предложены несколько способов ее исключения.

Первый способ основан на методе «двойного считывания». По этому методу во всех разрядах кодовой линейки кроме младшего устанавливается по два фотоприемника, смещенных симметрично от линии считывания на расстояние равное половине младшего разряда (рис. 88).

Рис. 88

Метод двойного считывания.

Количество первичных сигналов увеличивается почти в два раза, т.к. число фотоприемников и, соответственно, усилителей и компараторов, в этой схеме равно

N_ДВ.СЧ=2N_ИСХ - 1.

Для исключения неправильного результата используется то обстоятельство, что старшие разряды считывания (a,b,c) искусственно смещены от линии смены чисел за границу зоны неопределенности считывания. Правильное число в этом случае определяется состоянием младшего разряда d. Если в младшем разряде читается единица, то правильное число a1-b1-c1-d. Если в младшем разряде ноль, то правильное число a2-b2-c2-d. При такой логике работы датчика ошибка при считывании не может превысить единицу младшего разряда, что вполне приемлемо. Обеспечить требуемую логику работы можно аппаратным или программным способом.

Аппаратный способ реализации метода двойного считывания требует построения логической схемы воспринимающей все N_ДВ.СЧ логических сигналов и формирующей двоичное число с N_ИСХ разрядами. Пример такой логической схемы показан на рис. 89.

Рис. 89

Схема обработки сигналов по методу двойного считывания.

Программный способ применим в том случае, если в системе используется микропроцессор или микроконтроллер. По заложенной в нем программе считываются все N_ДВ.СЧ логических сигналов и обрабатываются в соответствии с рассмотренным выше алгоритмом, получая на выходе правильное двоичное число.

К недостаткам метода двойного считывания можно отнести усложнение конструкции считывающего устройства, в котором количество фотоприемников (а также каналов электроники) увеличивается почти вдвое по сравнению с числом разрядов.

Второй способ устранения недопустимой ошибки при считывании состоит в изменении кодировки позиций на кодовой линейке. Поскольку причиной возникновения рассматриваемой ошибки является одновременное изменение состояния сразу в нескольких разрядах при переходе между соседними числами, следует подобрать такую кодировку, при которой таких переходов не существует. Таких кодов разработано много видов, наиболее широко распространенным из них является код Грея. Вид четырехразрядной кодовой линейки с кодом Грея показан на рис. 90.

Рис. 90

Четырехразрядная кодовая линейка с кодом Грея.

Четырехразрядный код Грея также как и прямой код имеет 2⁴ = 16 состояний, т.е. разрешающая способность кода сохраняется. Но чередование кодовых сочетаний таково, что любые два соседних числа отличаются только в ОДНОМ из разрядов. Взаимное соответствие десятичного, шестнадцатиричного, двоичного прямого и двоичного кода Грея показано в Табл.4. Отметим, что первый и последний коды Грея в таблице тоже отличаются в одном разряде.

Таблица 4

«10»	«16»	Прямой код	Код Грея
0	0	0000	0000
1	1	0001	0001
2	2	0010	0011
3	3	0011	0010
4	4	0100	0110
5	5	0101	0111
6	6	0110	0101
7	7	0111	0100
8	8	1000	1100
9	9	1001	1101
10	A	1010	1111
11	B	1011	1110
12	C	1100	1010
13	D	1101	1011
14	E	1110	1001
15	F	1111	1000

При использовании кода Грея необходимое число каналов (фотоприемник, усилитель, компаратор) равно числу разрядов. При этом гарантировано, что ошибка не превысит единицы младшего разряда.

Существенным недостатком кода Грея является то, что его нельзя использовать в арифметических вычислениях. Дело в том, что арифметически - логические устройства (АЛУ) современных процессоров рассчитаны на представление чисел в прямом, обратном или дополнительном коде и использование кода Грея в этих АЛУ будет давать абсурдные результаты. Для исправления этого недостатка числа в коде Грея перед использованием их в арифметических и логических операциях необходимо преобразовать (перекодировать) в прямой, обратный или дополнительный код.

Такое преобразование может быть выполнено двумя способами – аппаратным и программным.

Аппаратный способ состоит в использовании дополнительного оборудования– дешифратора, специальной микросхемы имеющей n входов и n выходов (n – число разрядов кода), в которой жестко «зашито» соответствие между числами в коде Грея и числами в требуемом коде. При подаче на вход дешифратора числа в коде Грея на выходе будет сформирован прямой (обратный или дополнительный) код этого числа, который уже может использоваться в АЛУ.

Программный способ не требует дополнительного оборудования и заключается в том, что с помощью специальной программы, хранящейся в памяти процессора, числа в коде Грея должны быть перекодированы в удобный для использования прямой (обратный или дополнительный) код.

Достоинства и недостатки этих двух способов традиционны – аппаратный способ обеспечивает максимальное быстродействие преобразования (один машинный такт), а программный дает экономию аппаратуры, но требует для реализации больше времени (десятки и сотни машинных тактов). Потому выбор способа преобразования должен для каждого случая быть индивидуальным, ориентированным на условия работы.

Современная промышленность выпускает оптоэлектронные датчики считывания с числом разрядов 8 – 12 – 16, обеспечивая до 2¹⁶=65536 дискрет. Для примера на рис.91 представлен восьмиразрядный кодирующий диск (2⁸=256 дискрет), на котором числа записаны в прямом коде.

В случае кодового диска с диапазоном измерения 360⁰ имеющего 16разрядов величина, одного дискрета составит 0,33′ ≈ 20″. Для дальнейшего увеличения разрешающей способности датчика можно увеличивать число разрядов кодового диска, что требует более высокого уровня технологии, а можно обратить внимание на то, что в младшем разряде равномерно чередуются прозрачные и непрозрачные участки, образуя растровую решетку. Если в младшем разряде установить несколько (до четырех) фотоприемников, то возможно организовать «электронное дробление фазы» и получить дополнительно до 5 – 7 двоичных разрядов в дополнение к n разрядам кодового диска.

Рис. 91

Восьмиразрядный кодирующий диск с прямым двоичным кодом.

Оптоэлектронные датчики являются одними из наиболее точных современных датчиков перемещений как линейных, так и угловых. Промышленностью освоено производство датчиков с числом дорожек (разрядов) до 16 -18, что обеспечивает 2¹⁶ – 2¹⁸ (65536 – 262144) дискрет. У датчика с диапазоном измерения 360⁰ величина одного дискрета составит в этом случае . Для дальнейшего увеличения разрешающей способности применяется электронное дробление фазы. Так в одном из датчиков использован диск, имеющий всего 2500 дискрет, и за счет электронного дробления фазы точность отсчета увеличена в 200 раз до 500000 дисрет.