Фотоэлектрические первичные преобразователи перемещений

2.1. Общие сведения

Как уже указывалось, принцип действия фотоэлектрического первичного преобразователя (ФПП) перемещений состоит в преобразовании линейного X или углового 9 перемещения в изменение интенсивности светового потока, поступающего на приемник излучения (фотоприемник).

Исходя из этого определения, практически все существующие ФПП пере­мещений по характеру воздействия светового потока на фотоприемник можно разделить на три основные группы: 1) ФПП с перекрытием светового потока; 2) растровые ФПП; 3) ФПП с кодовыми масками.

Первые две группы используются в ЦПП последовательного счета как в накапливающих, так и в циклических. Третья группа ФПП относится к ЦПП считывания.

По виду выходного сигнала ФПП, как и датчики других типов, могут выть непрерывными и дискретными (как с импульсным, так и с квантованным выход­ным сигналом).

Из всего многообразия существующих ФПП здесь будут рассмотрены только основные типичные структуры построения ФПП и будет дан их сравни­тельный анализ.

2.2. ФПП С ПЕРЕКРЫТИЕМ СВЕТОВОГО ПОТОКА

Наиболее простым и надежным является амплитудный ФПП с перекры­тием светового потока посредством заслонки, шторки или флажка [2,6]. Схема одного из вариантов построения такого ФПП представлена на рис. 2.1 [2].

Шток 4, связанный одним концом с объектом, линейное перемещение X которого необходимо измерить, имеет на другом конце заслонку 3. Перемещение

заслонки 3 перекрывает отверстие диафрагмы 2, в результате чего изме­няется величина светового потока, иду­щего от источника излучения ИИ с кон­денсором I к объективу 5 и фотоприемнику ФП и далее на усилитель У. Та­ким образом, на выходе датчика име­ем сигнал, амплитуда которого пропор­циональна перемещению X. Недостат­ками рассмотренной схемы являются

Для определения угловых перемещений с учетом направления часто используют простую схему накапливающего типа, представленную на рис. 2.4 [9].

Схема работает следующим образом. Кодовый диск с прорезями жестко закреплен на валу, угловое положение 9 которого необходимо измерить. С обеих сторон КД установлены источники света ИИ1, ИИ2 и фотоприемники

ФП1 и ФП2.

Когда между i-м фотоприемником ФП и источником ИИ окажется просвет в диске КД при его повороте на определенный угол в, то на выходе соответ­ствующего ФП появится импульс, который поступает на один из входов логи­ческой схемы ЛС. На другой вход ЛС поступает импульс со второго ФП. Схема ЛС сравнивает очередность поступления этих импульсов, определяя направление поворота диска КД {т.е. знака приращения 9). Фотоприемники конструктивно расположены так, что в случае вращения КД в положительном направлении первым выдает импульс ФП1, а при отрицательном (противопо­ложном) направлении — ФП2. При получении пары импульсов от, ФП1 и ФП2 логическая схема выдает один импульс на счетный вход реверсивного счетчика PC и одновременно — сигналы на два входа управления направлением счета. Таким образом, рассмотренная схема подсчитывает все изменения угла 9 на величину квантаалгебраически суммируя их с учетом знака.

Достоинствами схемы, как, впрочем, и других схем накапливающего типа, измеряющих только приращения, являются высокое быстродействие и простота практической реализации. Время преобразования накапливающего ФПП прак­тически равно времени съема показаний со счетчика. Однако у накапливаю­щих ФПП имеется существенный недостаток — принципиальная возможность появления систематической погрешности. Действительно, если, например, при какой-либо неисправности произойдет или кратковременный перерыв в передаче импульсов счетчику, или сброс информации счетчика, то возникнет ошибка, которая не устраняется до тех пор, пока схема не будет искусственно приве­дена в начальное состояние. Эта ошибка может быть в некоторой степени устранена, если в схеме предусмотреть периодическую установку входного вала в положениеи сброс всех триггеров счетчика в 0. Кроме того, рассмотрен-

ная схема обладает малыми помехоустойчивостью и надежностью, поскольку в случае поступления на счетчик лишних импульсов, вызванных, например,

электромагнитными помехами, возник­шая ошибка не устраняется до тех пор, пока схема не будет искусственно при­ведена в начальное состояние.

Последнего недостатка лишена схема ФПП, приведенная на рис. 2.5 [а.с. 1173715 (СССР)]. Переменные сигналы с выходов ФП1 и ФП2, сдвинутые на я/2 относительно друг друга, сравниваются на компараторе К1, на выходе которого формируются импульсы Ui{t). На компараторе К2 производится сравнение переменных сигналов, поступающих с ФП1 и фазоинвертора ФИ. На выходе К2 формируются импульсы Ut(t). При наличии электронных помех синфазные сигналы помехи, поступающие на оба входа K1, подавляются в его входной дифференциальной цепи. Парафазные сигналы помехи на входах К2 могут вызвать его переключение, но такое срабатывание К2 будет воспринято логической схемой ЛС и счетчиком PC как прохождение окна кодового диска через оптическую ось ФПП сначала в одном, а затем в другом направлении. Таким образом, сигнал помехи не вызовет ложной регистрации импульсов в счетчике.

2.3. РАСТРОВЫЕ ФПП ПЕРЕМЕЩЕНИЯ

2.3.1. ФПП счета муаровых полос (накапливающие ПП)

Основным узлом любого растрового ФПП является оптический модулятор, состоящий из сопряжения измерительного (радиального или линейного) и инди­каторного (неподвижного) элементов. По типу применяемого сопряжения раз­личают растровые, дифракционные и интерференционные звенья [1,2,4,91-

Между перечисленными звеньями много общего, так как они обладают рядом сходных признаков. Все они имеют периодическую структуру. Переме­щение измерительного элемента относительно индикаторного на некоторую ве­личину вызывает повторение показаний выходного сигнала чувствительного элемента (фотоприемника). Наименьшая величина перемещения, при которой показания повторяются, является периодом звена.

Совершенно аналогично понятию характеристики пропускания растрового сопряжения понятие характеристики распределения освещенности в интерферен­ционном поле интерференциального звена.

При сопряжении штриховых растров образуются комбинационные фигу­ры (полосы), шаг, форма и направление которых определяются взаимным расположением штрихов сопрягаемых растров.

При сопряжении двух систем волн образуются интерференционные фигуры (интерференционные полосы), шаг, форма и направление которых определяются взаимным расположением волновых структур.

В зависимости от характера воздействия на лучистый поток различают растры пропускающие, и отражающие. Пропускающие растры представляют собой систему прозрачных и непрозрачных элементов. Отражающие растры выполняются в виде решеток с элементами, зеркально отражающих свет [1,9}. Принцип действия растровых ФПП заключается в следующем.

При перемещении (угловом или линейном) измерительного растра относи­тельно неподвижного индикаторного растра происходит модуляция светового потока по амплитуде в функции перемещения, т. е. периодическое изменение освещенности чувствительного элемента, расположенного за полем растрового сопряжения.

При этом освещенность фотоприемника максимальна при совпадении штрихов измерительного и индикаторного растров в минимальна, когда

штрихи одного растра закрывают прозрачные участки другого. Полный цикл изменения освещенности фотоприемника произойдет при перемещении растра на величину шага. Считая число таких циклов, можно измерять линейные в угловые перемещения с точностью до шага растра.

Если расположить растры так, чтобы между штрихами образовался неко­торый угол, то возникнут отчетливо видимые широкие темные и светлые полосы. Эти полосы называются комбинационными (или муаровыми) полосами. Пере­мещение измерительного растра относительно индикаторного в направлении, перпендикулярном штрихам, на величину шага растра вызовет перемещение комбинационных полос в поперечном направлении (вдоль штрихов) на вели­чину шага полос. При этом шаг муаровой полосы связан с шагом растра следующим соотношением [9]:

(2.1)

где —шаг муаровой полосы;—шаг растра;—угол сдвига измеритель­ного растра относительно индикаторного.

Аналогичным образом (как в случае параллельного расположения растров), считая число муаровых полос, можно измерять перемещения с точностью до шага растра.

Описанный принцип действия позволяет строить достаточно простые схемы растровых ФПП, например со счетом числа муаровых полос [1,Э]. Одна из схем такого ФПП накапливающего типа представлена на рис 2.6. Рассмотрим принцип ее действия [1].

Для того чтобы обеспечить реверсивный счет, растровый модулятор РМ (рис. 2.в.а), состоящий из конденсора /, растровых решеток РР, диафрагмы Д и двух объективов 2, должен выдавать два сигнала, сдвинутых по пространст­венной фазе на я/2 относительно друг друга, т. е. находящихся в квадратуре. Это достигается соответствующим размещением диафрагм в растровом поле или сдвигом индикаторных растров относительно друг друга [1,6,10]. От фотоприемников ФП1 и ФП2 синусоидальные сигналы I и II (рис. 2.6,6), сдвину­тые по пространственной фазе на п/2, поступают на формирователи Ф1 и Ф2. Каждый из формирователей имеет по два выхода. С одного выхода формиро­вателя снимается прямоугольное напряжение с той же фазой, что и входной синусоидальный сигнал, а с другого выхода снимается инвертированный сигнал. В результате имеем четыре прямоугольных напряжения А, В и А, В, три из которых сдвинуты относительно каждого предыдущего на я/2 по прост­ранственной фазе. Выходные сигналы А и А подаются на дифференцирующие цепи ДЦ1 и ДЦ2. Продифференцированные импульсы А' и А' поступают на соответствующие входы схем совпадения И1 — И4, на вторые входы которых подаются соответствующие сигналы с выходов Ф1 а Ф2. Для показанной на схеме коммутации входов и выходов схем совпадений И1 — И4 импульсы вырабатываются на шине прямого хода и подаются на вход (+) реверсивного счетчика PC, если измерительный растр движется в прямом направлении. При Движении в обратном направлении счетные импульсы являются на шине обрат­ного хода и затем подаются на вход (—) PC. При перемещении растра на один шаг на счетчик PC подаются два импульса, т. е. рассмотренная схема ФПП обладает разрешающей способностью, соответствующей 1/2 шага растра. Принцип действия схемы иллюстрируется временными диаграммами (рис. 2.6,6").

Усложнением блока выработки счетных импульсов можно увеличить разре­шающую способность до 1/4 и даже до 1/8 шага растра (т.е. в 4 раза). Схемы эти известны [1,6,9] и здесь приводиться не будут. Отметив только, что выпускаемые в настоящее время промышленностью линейные н цифровые интегральные микросхемы (ИМС) позволяют создавать растровые накапливаю­щие ФПП с 1/3 шага, удовлетворяющие всей требованиям в отношении точ­ности интерполяции и надежности работы. При этом получают разрешающую способность в 1—2 мкм для растров с шагоми делением шага растра

на 4 или 8 частей.

Одним из способов построения растровых накапливающих ФПП с разре­шающей способностью, равной десятым долям микрометра, является примене­ние промежуточной интерполяции на электронно-лучевой трубке. Этот способ

достаточно подробно изложен в [1] и здесь рассматриваться не будет. Отме­тим только, что с помощью электронно-лучевого интерполятора можно осу­ществить дробление шага растра, например, на 40 частей, если на входе реверсивного счетчика PC имеется схема деления на 4. Однако из-за опреде­ленной сложности и достаточно высокой стоимости этот способ широкого применения не получил.

Другим способом получения более высокой разрешающей способности ФПП счета муаровых полос является применение дифракционных решеток с малым шагом штрихов. Однако изготовление таких решеток в достаточной степени дорого и связано с определенными технологическими трудностями. Поэтому обычно накапливающие ФПП счета муаровых полос применяют в качестве датчиков грубого отсчета, используя в них дифракционные решетки с относи­тельно крупным шагом.