2.3.2. Растровые интерполяторы

В целях получения более высокой разрешающей способности в настоящее время чаще всего используют ФПП с внутришаговой интерполяцией, т. е. с использованием метода определения положения муаровой полосы в долях шага растра. Этот метод позволяет применять растры с шагом более 50—70 мкм. Такие растры легко воспроизводятся фотографическим путем и, следователь­но, достаточно дешевы. Дифракционные эффекты при образовании муаровых комбинационных полос у них имеют пренебрежимо малое значение. Оптические системы определения положения муаровой полосы получаются более простыми, и допуски на детали и узлы в таких системах во много раз больше, чем в си­стемах с дифракционными решетками [1,9].

ФПП, построенные на методе интерполирования, или, иначе, растровые интерполяторы (РИ),_ можно разделить на амплитудные РИ и_фазовые РИ. Амплитудные РИ определяют положение муаровой полосы по амплитудам сигналов, снимаемых с фотоприемников. Разрешающая способность таких интерполяторов сравнительно невелика: 1/2*— 1/2^S, что, конечно, не удовлетво­ряет современным требованиям. Основным достоинством амплитудных РИ является высокое быстродействие, зависящее практически только от скорости срабатывания пороговых схем. Амплитудные РИ не получили широкого при­менения. Они достаточно полно описаны в [1,3,9] и здесь рассматриваться не будут.

Из всех существующих растровых ФПП наибольшей точностью и разре­шающей способностью, обладают фазовые РИ, в которых положение, подвиж­ного измерительного растра определяется по пространственной фазе муаровой картины.

Разработке и исследованию фазовых РИ (или, как их иначе называют

фазовых растровых ФПП) посвящено много научных работ [1,9,17,27,28].

Наиболее широкое применение в ФПП нашли растровые фазовращатели

с электрической модуляцией. По способу построения такие преобразователи

разделяют на две группы:

1) ФПП, основанные на амплитудной модуляции световых потоков при прохождении их через систему подвижного (измерительного) и нескольких неподвижных (индикаторных) растров, на преобразовании световых потоков в электрические сигналы, которыми модулируют амплитуды несущих колебаний,

образующих в общем случае n-фазную систему, с последующим суммированием этих сигналов;

2) ФПП, основанные на амплитудной модуляции промодулированных сиг­налами несущей "частоты световых потоков, образующих в общей случае п-фазную систему, при прохождении их через систему измерительного и нескольких индикаторных растров, на преобразовании световых потоков в электрические сигналы с последующим суммированием этих сигналов.

Достоинством второй группы является то, что все элементы схем этого типа преобразователей работают на переменном токе, недостатком — сложность схемной реализации.

Недостатком первой группы является возможность появления дрейфа нуля в связи с работой ряда элементов на постоянном токе, но при этом схемная реализация преобразователей получается несколько проще [1, 9, 17, 27, 28].

По числу фаз несущего сигнала преобразователи как первой, так и второй группы делятся на двух-, трех- и п-фазные. Наибольшее применение в настоящее время нашли двух- и трехфазные растровые ФПП.

Рассмотрим более подробно принцип действия фазовых растровых ФПП на примере трехфазных преобразователей.

По сравнению с многофазными они имеют более простую схему, а по сравнению с двухфазными — большую точность.

На рис, 2.7 представлена схема трехфазного растрового ФПП с введением несущих колебаний в электронной части [10]. Преобразователь работает сле­дующим образом. Постоянный световой поток от источника света ИИ посту­пает на растровый модулятор РМ. Конструктивно РМ состоит из оптической системы 1,5, измерительного растра 2, связанного с перемещающимся объек­том, трех индикаторных растров 3, сдвинутых относительно друг друга в пространстве на 2п/3 шага растра и повернутых относительно измерительного растра на уголсогласно (2.1), а также трех диафрагм4. Таким образом, в данном РМ. имеется три канала модуляции, образованных тремя растровыми сопряжениями 2,3. Период изменения светового потока в каждом растровом сопряжении равен шагу растров, фаза зависит от относительного начального сдвига индикаторных растров, а форма — от конструктивных параметров раст­ров, диафрагм и апертуры оптической системы.

В частной случае законы модуляции РМ могут быть синусоидальными и характеристика прозрачности растрового сопряжения имеет вид [1,9,10]

(2.2)

где —средняя составляющая прозрачности и глубина модуляции перемещением=• 1,2,3 — порядковый, номер каналов модуляции.

Световые потоки, сфокусированные на входных зрачках фотоприемников ФПи в этом случае определяются выражением

Выходные напряжения ФП усиливаются и подаются на модуляторы М1—МЗ, в которых модулируют напряжение, поступающие от фазорасщепителя несущих колебаний ФРН. Фазорасщепитель преобразует сигнал генератора несущей частоты ГИЧ таким образом, что с выхода ФРН снимаются три напря­жения, сдвинутые по фазе относительно друг друга на

(2.3) С выходов модуляторов снимаются напряжения

где К — чувствительность фотоприемников ФПг; Ку — коэффициент усиления усилителя У1,—коэффициент модуляции модулятора Mi.

Выходные напряжения модуляторов М1 суммируются в суммирующем устройстве СУ. При этом суммарный сигналопределяется выражением

где

После несложных преобразований выражения (2.4) с учетом прохождения сигналачерез полосовой фильтр на выходе преобразователя получаем

(2.5)

где

Таким образом, при выбранных параметрах преобразователя амплитуда вы­ходного напряжения ФПП постоянна, а фаза линейно зависит от перемещения Х. При этом с увеличением коэффициентов глубины модуляции тх амплитуда выходного сигнала возрастает.

Использование трехфазного источника синусоидального напряжения высокой частоты или, в общем случае, п-фазного источника является одним из недостат­ков ФПП рассмотренного типа, поскольку соблюдение точного фазирования каж­дого синусоидального напряжения связано с определенными трудностями при схемной реализации. Этого можно избежать, если в качестве генератора несущих колебаний использовать генератор импульсов, сигналы с Которого посту-

пают на импульсный Фазорасщепитель (ИФР). Выходные напряжения такого ИФР, сдвинутые относительно друг друга по фазе в общем случае на(где а=1 для двухфазного ИФР и а=2 для трех- и п-фазного), подаются на управляющие входы ключевых схем, на вторые входы которых поступают сигна­лы с фотоприемников [1, 9, 28]. Достоинством таких схем является относитель­ная простота электронной части за счет применения импульсных устройств, не­достатком — необходимость применения полосового фильтра на выходе преобра­зователя, вносящего погрешности при изменении частоты и изменении его па­раметров, а также ухудшающего динамические свойства преобразователя.

Схемотехника преобразователей второй группы растровых ФПП с модуля­цией излучения источника света также достаточно разнообразна [!, 3, 9]. На рис. 2.8 представлена функциональная схема трехфазного растрового ФПП с мо­дуляцией излучения источника света [10]. Преобразователь работает следующим образом. Сигнал с генератора ГНЧ подается на Фазорасщепитель ФРН, с выхо­да которого снимаются три напряжения вида (2.3). Эти напряжения поступают на управляемые генераторы токанагрузкой которых служат источника све­та

Промодулированные в генераторах токасветовые потоки

где— коэффициент модуляции, поступают на растровый модуляторРМ, кото­рый конструктивно выполнен так же, хак н в преобразователе (рис. 2.7). При этом в частном случае при синусоидальном законе модуляции характеристика прозрачности растровых сопряжений PCi описывается выражением (2.2). Про­ модулированные де по амплитуде перемещением X в РМ световые потоки сумми­руются на входном зрачке фотоприемника ФП и имеют вид

Усиленное выходное напряжение фотоприемника при этом

Где — амплитуда переменной составляющей выходного сигнала

ФПП;— постоянная составляющая.

Переменная составляющая выходного напряжения преобразователя, таким образом, описывается выражением, аналогичным (2.5), и, следовательно, при выбранных параметрах преобразователя амплитуда его выходного напряжения постоянна, а фаза линейно зависит от перемещения X.

Существует большое количество модификаций рассмотренной схемы (рис 2.8): двух-, четырех- и п-фазные, основным назначением которых является повышение точности преобразователя и уменьшение его погрешностей [1, 7, 9, а. с. 387286, 442504 (СССР)]. При этом используются как аналоговые, так и импульсные фазорасщелители несущих колебаний. Кроне того, в целях некоторого упроще­ния структуры построения и уменьшения количества источников излучения часто применяют схемы ФПП с использованием одного модулированного источника вместо нескольких [1, 9, а. с. 262519 (СССР)]. Однако в этом случае в отличие от рассмотренной схемы (рис. 2.8) число фотоприемников приходится увеличи­вать до двух- трех или в общем случае делать равным выбранному числу кана­лов модуляции перемещением, что вносит свои погрешности лри измерении.