2.4.3. Волоконно-оптические функциональные преобразователи

Волоконно-оптические функциональные цифровые преобразователи переме­щения (ЦПВ) относятся к классу оптоэлектронных ЦПП геометрического (про­странственного) кодирования и представляют собой устройства, осуществляющие преобразование углового в или линейного X перемещения сформированного светового луча границы двух оптических сред и изображения светящихся или подсвечиваемых объектов в электрические коды функция f(X) или в совокупно­сти оптических сигналов, однозначно определяющих результат преобразования [8, 19—21].

Они делятся на преобразователи параллельного и последовательного считы­вания [8]. В основу построения этих преобразователей положены следующие способности волоконных световодов: 1) канализировать энергию оптического излучения из одной области в одну или несколько других областей пространства по криволинейным траекториям; 2) передавать изображение из одной области пространства в другую по криволинейным траекториям с одновременной транс­формацией его масштабов я формы; 3) одновременно передавать оптическую информацию в двух взаимно противоположных направлениях [21, 47].

Носителем информации в оптическом узле функциональных ЦПВ является излучение, распространяющееся по волоконным световодам от входа этого узла к его выходу.

В ЦПВ параллельного считы­вания входные величины — переме­щения X (рис. 2.12)—задаются ко­ординатами входного сформирован­ного луча 9, которые квантуются, а соответствующие им уровни кванто­вания кодируются в волоконно-оп­тическом преобразователе ВОП с учетом заданной функции преобразо­вания [19].

Квантование координат X вход­ного луча 9 осуществляется на вход­ном торце 2 ВОП при помощи квантующей линейки, образованной входными полированными торцами жгутов 10 гибких световодов — простейших кодирующих элементов ВОП. Кодирование значений функций преобразования при заданных координатах входного луча осуществляется в ВОП путем расщепления энергии луча гибкими жгутами волоконных световодов простейших коди­рующих элементов. Преобразование выходных оптических кодов 3 и 4 ВОП в электрический код 5 и совокупность оптических сигналов 6, предназначенную для визуального считывания результатов преобразователя, производится соответ­ственно блоками фотоэлектрических преобразователей ФЭПi и отсчетными устройствами ОУi. Электронно-логические схемы ЭЛС_t обрабатывают код 5 с целью исключения неоднозначности кодирования, стабилизируют уровни вы­ходных сигналов отдельных рядов кода 7 и выполняют функцию «Память», необходимую для сохранения выходной информации преобразователя при пере­сечении входным лучом границы смежных торцов простейших кодирующих эле­ментов на входе ВОП или остановке его на этой границе. Управление схемами ЭЛСi производится сигналами 8 оптоэлектронного блока управления БУ, вы­являющего совместно с оптической схемой ИЛИ указанное положение входного луча. Устройство Ф обеспечивает формирование входного луча ЦПВ (стабили­зацию геометрических размеров сечения в плоскости входного горца ВОП, модуляцию, дискретизацию движения, формирование спектра излучения). Не­обходимые изменения функций преобразования ЦПВ осуществляются изменением формы или положения входного торца ВОП регулировочным устройством РУ по внешнему воздействию г. Это устройство имеет механическую связь 1 с входным торцом ВОП.

Оптический код или изображения цифр' на выходе ВОП для каждого зна­чения координат входного луча Л (рас. 2.13) представляются комбинацией излучающих и неизлучающих световые потоки 4 выходных торцов 3, каждому из которых приписывается определенный разряд выходного позиционного кода. Раскладка торцов отдельных жгутов 2 простейших кодирующих элементов / по выходным торцам 3 отдельных разрядов ВОП определяется либо таблицей кодов кодируемых значенийфункции преобразования либо схемой

ВОП, которые могут быть получены на ЭВМ по исходным данным: точности, диапазону и функции преобразования. Переход от одного вида кода к другому осуществляется заменой разрядов, приписываемых выходным торцам 3 ВОП, и соответствующей сменой раскладки жгутов 2 простейших кодирующих элемен­тов 1 (рве. 2.13,а—3) 18.21].

Описанный принцип квантования перемещения входного луча в оптическое кодирование значений заданных функций этого перемещения позволяют осу­ществлять равномерное или неравномерное квантование перемещения входного луча, одновременно получать оптические н электрические коды значении различ­ных функций, а также различные оптические и электрические коды значения одной функции преобразования перемещения входного луча. Частным случаем реализации указанных возможностей является построение ЦПВ со шкалами или цифровыми табло для визуального считывания координат входного луча [8, 37, а. с. 1012831 (СССР)].

Ошибки от неоднозначности кодирования перемещения, присущие ЦПП про­странственного кодирования, в функциональных ЦПВ являются следствием одновременной частичной засветки входным лучом двух смежных входных тор­цов простейших кодирующих элементов на входе ВОП, что приводит к совме­щению двух оптических кодов или изображений цифр на его выходе, т. е. обра­зованию ложного оптического кода или изображения цифр. Для снятия огра­ничений на способы квантования входного торца ВОП (т. е. аргумента функции преобразования) и выбор кода при представлении значений функции исполь­зуются четыре метода устранения неоднозначности кодирования перемещения [8, 19].

1. Метод специального кодирования — состоит в исключении возможности появления недопустимой погрешности преобразования использование при коди­ ровании функций преобразования специальных двоичных кодов (кодов Грея, Баркера н т. д.). Применение этого метода в функциональных ЦПВ требует равномерного шага между кодируемыми значениями и приводит к необходимо­сти неравномерного квантования входного торца ВОП.

2. Метод дискретного положения входных торцов простейших кодирующих элементов — состоит в исключении возможности одновременной частичной за­ светки световым лучом двух смежных входных торцов простейших кодирующих элементов, которая достигается их соответствующим расположением.

3. Метод логической обработки информации о координатах светового луча — состоит в возможности логической обработки оптических кодов или изображений цифр на выходах ВОП по признакам, характеризующим положение входного луча на входном торце ВОП относительно границ смежных входных торцов простей­ших кодирующих элементов.

4. Метод дискретизации движения светового луча — состоит в исключении возможности одновременной частичной засветки входным лучом двух смежных входных торцов простейших кодирующих элементов путем дискретизации дви­жения указанного луча, осуществляемой дискретизатором по сигналам схем управления ЦПВ.

Основные конструктивные особенности рассматриваемых преобразователей определяются требованием формирования входного луча, осуществлением надеж­ного оптического контакта между выходом ВОП и блоком фотоприемников в возможностью использования оптического трансформатора перемещения входно­го луча для повышения точности преобразователей. При этом повышение точно­сти ЦПВ достигается увеличением числа шагов квантования входного торца ВОП при заданных размерах входных торцов простейших кодирующих эле­ментов и диапазоне перемещения входного луча [8, 21].

В зависимости от технических условий применения ЦПВ для построения ВОП могут использоваться стеклянные и полимерные световоды, серийно вы­пускаемые отечественной промышленностью. Слабая зависимость светопропускания светодиодов от длинысветовой волны примкм позволяет применять в ЦПВ различные источники и приемники оптического излучения. Элек-

тронно-логические схемы и схемы управления легко синтезируются на микро­схемах различных серий.

Существенным недостатком функциональных ЦПВ параллельного считыва­ния является сложность ВОП и формирователя входного луча. При этом создан­ные в настоящее время конструкции ЦПВ характеризуются сравнительно невы­сокой разрешающей способностью (100—200 мкм при преобразовании линейных перемещений без использования оптического рычага).

Упрощение конструкции и повышение разрешающей способности (до несколь­ких микрометров при преобразовании линейных перемещений) достигается в функциональных ЦПВ последовательного считывания. В этих ЦПВ угловые или линейные перемещения задаются координатами X входного луча 1 (рис. 2.14) или границами раздела свет — тень. Получение заданных нелинейных преобра­зований в ЦПВ последовательного считывания достигается профилированием входного торца 2 ВОП, т. е. его установкой по пространственной или плоской линии в координатных осях XUV (рис. 2.14,а), XV (рис. 2.14,6) или XU (рис. 2.14,в). При этом ВОП выполняется по представленной на рис. 2.13,а схеме из стеклянных или полимерных ленточных световодов в виде преобразо­вателя строка — строка, строка — окружность, строка — кадр и т. д. [а. с. 1012831 (СССР)].

Преобразование оптических кодов 1 (рис. 2.15) на выходах ВОП в ЦПВ последовательного считывания в последовательности оптических 2 и электриче­ских 3 (рис. 2.15,а) или электрических 3 (рис. 2.15,6) сигналов осуществляется соответственно оптико-механическими сканирующими устройствами и ФЭП

или фотоэлектрическими сканирующими устройствами ФЭ.СУ [а. с. 938026, 805234 (СССР)]. Обработка сигналов 3 [счет числа электрических импульсов, соответ­ствующего числу выходных торцов простейших кодирующих элементов до край­него или первого излучающего торца, его деление или умножение на коэффи­циент и вычитание или сложение с граничным значением диапазона преобразования функцийс целью образования выходных последовательныхи параллельных кодов 4 функции преобразования] осуществляется ЭЛС. Управ­ление ЭЛС производится сигналами 6 БУ. Эти сигналы поступают в ЭЛС син­хронно с электрическими сигналами 3. Необходимая синхронизация работы ЭЛС н УС_К или ФЭСУ достигается при помощи механической 5 (рис. 2.15,а) или элек­трической 7 (рис. 2.15,6) связи. Функция преобразования ЦПВ последовательного считывания [20]

где К_э — коэффициент преобразования ЭЛС; Е-символ целой части первого слагаемого;— первые производные функции

укладки входного торца ВОП —шаг квантования входного торца 8 ВОП; Хо — минимальное значение перемещения входного луча 9. Отыскание линия укладки входного торца ВОП при заданной функции преобразованияЦПВ

производится с помощью уравнения

При этом минимальное значение модуля первой производной заданной функции преобразования

В качестве фотоэлектрических сканирующих устройств ЦПВ последовательного считывания могут использоваться серийно выпускаемые отечественной про­мышленностью интегральные фотоматрицы, например МФ-14 и МФ-16, линейные В матричные приборы с зарядовой связью, а также другие сканисторы.

Изменение функции преобразования в ЦПВ последовательного считывания

достигается изменением профиля входного торца ВОП путем использования на­бора жестких или гибких формирователей.

Кодирование входного перемещения в оптическом канале ЦПВ н представ­ление информации е форме излучения, которое может быть преобразовано в электрический сигнал или непосредственно воспринято человеком, открывает возможности создания на основе ЦПВ как автоматических, так и неавтомати­ческих приборов и устройств.

Совершенствование неавтоматических контрольно-измерительных приборов стационарного и переносного типов возможно путем применения ЦПВ, обеспе­чивающих трансформацию размеров и форм шкал отсчетных устройств приборов с представлением результатов в аналоговой, аналого-дискретной, дискретной или цифровой форме, наиболее полно соответствующей условиям эксплуатации, на­пример цеховым условиям машиностроительных предприятий [20].

Одно- и двухкоординатные функциональные ЦПВ можно применять для построения автоматических приборов и устройств контроля размеров и простран­ственного положения светящихся или подсвечивающих объектов в различных областях науки и техники: в металлургии, машиностроении, астрономии, авиации [21, 47].

Конструктивным объединением функциональных ЦПВ с приборами и устрой­ствами, например со светолучевыми приборами или автоматическими мостами и потенциометрами, преобразующими электрические я неэлектрические величины в угловые или линейные перемещения подвижного элемента или светового луча, можно достичь взаимного расширения их эксплуатационных возможностей и областей применения [8].

В настоящее время функциональные ЦПВ являются одним из новых на­правлений приборостроения и находятся в стадии разработки опытных образцов и партий. Обзорные сведения о конкретных немногочисленных разработках раз­личных зарубежных фирм в области ЦПВ приведены в [21, 47].

ГЛАВА ТРЕТЬЯ