Двухфазная система измерительных сигналов

Для реализации реверсивного отсчета перемещений необходимо формирование, по крайней мере, двухфазной системы квадратурных измерительных сигналов. Электрическая диаграмма работы такой системы показана на рисунке 9.

Учитывая однозначную связь между пространственным периодом измерительного сигнала и шагом растра, отсчет величины перемещения сводится к отсчету периодов измерительного сигнала (шагов растра) и их долей. Из диаграммы видно, что для приведенной системы измерительных сигналов можно отсчитывать перемещения с дискретностью до 1/4 шага растра. Формировать счетные импульсы целесообразно в точках перехода функции через уровень постоянной составляющей (фазы 0° и 180°), поскольку эти точки имеют максимальное значение производной. Результат перемещения определяется количеством счетных импульсов, записанных счетчиком, с учетом реверсивного принципа счета и соответствующей разрешающей способности (дискретности) измерения.

Следует помнить, что в силу различного рода причин (изменения тока осветителя, температурного и временного дрейфа светодиода и фотоприемника, изменения зазора в растровом сопряжении, среза амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) фотоприемника и усилителя и пр.) амплитудные значения измерительных сигналов могут изменяться. При этом изменяются и связанные с ними постоянные составляющие. Следовательно, возникают дополнительные погрешности измерения, являющиеся следствием неравномерности распределения счетных импульсов по пространственной координате l.

Для компенсации этой составляющей погрешности необходимо выделять некоторое напряжение, эквивалентное величине постоянной составляющей, которое будет использоваться в качестве опорного для определения момента перехода измерительных сигналов через указанные фазы. Обычно для этой цели используется либо ток светодиода осветителя, либо ток дополнительного фотоприемника. Указанный недостаток двухфазной системы измерительных квадратурных сигналов ограничивает ее практическое применение.

Учитывая вышесказанное, следует стремиться к такой структуре первичного преобразователя, которая бы позволила получить двухфазную систему измерительных квадратурных сигналов преобразователя, лишенную постоянных составляющих. Такой путь известен, хотя он и приводит к некоторому усложнению конструкции первичного преобразователя.

Четырёхфазная система измерительных сигналов

Для формирования четырехфазной системы измерительных квадратурных сигналов преобразователя необходимо иметь индикаторный растр, состоящий из четырех групп штрихов, сдвинутых в пространстве на 1/4 шага растра.

Электрическая диаграмма измерительных сигналов показана на рисунке 10.

Из диаграммы видно, что все четыре квадратурных сигнала имеют одинаковые амплитуды и постоянные составляющие. Этого можно добиться в том случае, если все четыре фотоприемника будут работать в одинаковых условиях. Самым простым является использование одного (общего) светодиода и исключение, по возможности, клиновидности в растровом сопряжении.

На практике в конструкциях всегда имеется некоторое несоответствие в амплитудах и постоянных составляющих измерительных сигналов, однако коррекция этих параметров возможна относительно простыми способами, о которых мы поговорим ниже.

Если взять разность противофазных сигналов (попарно), то получим результирующие сигналы преобразователя, которые будут также находиться в квадратуре и не иметь постоянных составляющих. Кроме того, амплитудное значение этих сигналов удваивается.

Как уже говорилось выше, наиболее целесообразной является продольная схема расположения фотоприемников. Линейная погрешность относительного смещения растровых звеньев, расположенных вдоль оси перемещения, возникающая вследствие погрешности перекоса, может быть выражена простой зависимостью, вытекающей из диаграммы на рисунке 11. Если расстояние между растровыми фотоприемниками равно а, то погрешность перекоса  приводит к развороту растровых звеньев и относительному линейному смещению фотоприемников по оси измерения. Тогда линейная погрешность смещения:

l = a(1 – cos()) (12).

Как видим из рисунка 11, указанная погрешность не зависит от параметров растра и определяется лишь расстоянием между растровыми звеньями и погрешностью перекоса растров. При a = 1 и  = ±1', l = 1^.10^-8мм. Учитывая малую величину погрешности, можно считать, что продольная схема расположения фотоприемников практически не чувствительна к погрешности перекоса растровых мер при перемещении.

Реализовать конструкцию преобразователя с продольным расположением растровых звеньев с использованием единого осветителя (светодиода) затруднительно вследствие относительно большой протяженности расположения фотоприемников. Это приведет к необходимости увеличения светового пятна осветителя (введения оптических элементов) и нерациональному использованию светового потока. С этой точки зрения целесообразно располагать растровые звенья как можно компактнее. Отсюда напрашивается их квадрантное расположение.

Среди многообразия вариантов расположения фаз индикаторных звеньев можно выделить два принципиально различных варианта, как это показано на рисунке 12.

Для анализа структуры расположения растровых звеньев удобнее представлять электрические измерительные сигналы фотоприемников в векторной форме. Назовем систему векторов фазовой диаграммой исходных измерительных сигналов, систему векторов обработанных сигналов (без постоянных составляющих) — фазовой диаграммой результирующих измерительных сигналов.

Если фазовая диаграмма исходных измерительных сигналов идеальна, т.е. векторы строго квадратурны и имеют одинаковую амплитуду, как это показано на рисунке 13, то формирование результирующей системы векторов сводится к вычислению разности противофазных (векторы R₁, R₂) или квадратурных (векторы r₁, r₂) сигналов преобразования. Обе системы векторов оказываются также квадратурны. При этом первая разность предпочтительней, поскольку амплитуды результирующих сигналов удваиваются, во втором случае увеличиваются только в . Следует отметить также, что разворот второй системы векторов на угол 45° не имеет никакого значения, поскольку он определяет лишь начальную фазу измерительного сигнала.

На практике в конструкциях, в силу указанных выше причин, возникает погрешность фазирования системы исходных сигналов в растровых звеньях, расположенных перпендикулярно оси перемещения. При этом вследствие образования явления муара возникает дополнительный фазовый сдвиг  (забег фазы). Для квадрантного расположения растровых звеньев, согласно рисунку 12 а, получим фазовую диаграмму, изображенную на рисунке 14.

Из диаграммы видно, что при вычислении разности противофазных сигналов преобразования получим результирующую систему векторов с отклонением от квадратурности (векторы R₁, R₂) на величину . Иными словами, погрешность фазирования исходных сигналов преобразования полностью воспроизводится в системе результирующих сигналов.

Вычисляя разность квадратурных сигналов (векторы r₁, r₂), приходим к квадратурной системе результирующих сигналов преобразования (угол между векторами прямой, поскольку он опирается на диаметр окружности). При этом разворот системы результирующих векторов (погрешность фазы счетного импульса) происходит не на , а на /2. Следовательно, рассматриваемая система векторов ослабляет влияние погрешности фазирования, а значит, и погрешности перекоса растровых мер вдвое.

Однако из фазовой диаграммы следует, что сохранение квадратурности системы результирующих сигналов ведет к диспропорции их амплитудных значений. Модуль вектора r₁ > r₂. Последнее обстоятельство является недостатком рассматриваемой схемы формирования системы результирующих сигналов.

Для квадрантного расположения растровых звеньев, на рисунке 12 б, получим фазовую диаграмму, изображенную на рисунке 15.

Из фазовой диаграммы видно, что в системе векторов r₁, r₂ нарушен принцип квадратурности: вектор r₁ развернут относительно идеальной системы на угол , а вектор r₂ — на угол /2. Следовательно, угол между векторами острый и отличается от прямого на величину /2. Кроме того, модули векторов различны. Модуль вектора r₂ равен , а модуль вектора r₁ несколько больший и возрастает с увеличением погрешности фазирования системы исходных сигналов преобразования.

Система векторов R₁ и R₂ строго квадратурна, модули векторов R₁ и R₂ одинаковы и близки по величине к удвоенному значению. Фазовый разворот системы векторов, относительно идеальной (см. рисунок 12), происходит на величину /2, что свидетельствует об ослаблении влияния погрешности фазирования вдвое.

Таким образом, результаты анализа принципов формирования системы результирующих измерительных сигналов преобразования позволяют сделать основные выводы.

1. Наиболее целесообразной, с точки зрения точности измерительной системы, является четырехфазная система исходных измерительных сигналов преобразования.

2. Квадрантное расположение растровых звеньев и фотоприемников максимально удовлетворяет принципу компактности и позволяет использовать единый источник световой энергии.

3. Среди многообразия компоновок растровых звеньев рациональной является компоновка, при которой квадратурные звенья располагаются по оси измерения.

4. Рациональная компоновка с выделением разности противофазных сигналов позволяет сформировать строго квадратурную систему результирующих сигналов преобразования с амплитудными значениями, близкими к удвоенным.

5. Рациональная компоновка вдвое ослабляет влияние погрешности перекоса растровых мер на точность измерительной системы, что позволяет рассматривать ее как альтернативную продольной схеме расположения растровых звеньев (фотоприемников).

Механические погрешности растрового сопряжения

К механическим погрешностям, которые влияют на прохождение информационного сигнала от осветителя до фотоприемника, можно отнести клиновидность в растровом сопряжении и угловое и линейное смещения фотоприемника относительно оптического информационного поля растровых звеньев. Эти погрешности являются следствием неточности обработки деталей и сборки отдельных узлов преобразователя перемещений.

Клиновидность растрового сопряжения.

Клиновидность растрового сопряжения сказывается при значениях, соизмеримых с величиной рабочего зазора. Если рабочий зазор значителен, то влиянием клиновидности можно пренебречь. Для преобразователей с малым шагом растров клиновидность приводит к развороту волнового фронта всех порядков дифракции, и в этом случае влияние клиновидности растрового сопряжения необходимо учитывать.

Рассмотрим влияние клиновидности растрового сопряжения на примере четырехфазной системы исходных измерительных сигналов с квадрантным расположением и рациональной компоновкой растровых звеньев. На практике в конструкциях датчиков линейных перемещений клиновидность растрового сопряжения может возникнуть в силу различных причин. Следует различать два типа клиновидности: поперечную, когда образующие клина расположены поперек оси перемещения, и продольную, когда образующие клина расположены по оси измерения.

Поперечная клиновидность приводит к различному результирующему зазору в растровых звеньях, расположенных поперек оси измерения. Это вызывает различие амплитудных значений, а, следовательно, и постоянных составляющих противофазных измерительных сигналов. Выравнивание постоянных составляющих сводится к выравниванию амплитуд измерительных сигналов в каждой паре, что само по себе не сложно, но предписывает введение дополнительных регулировочных элементов. Если индикаторные растровые звенья расположены продольно, то поперечная клиновидность одинаково влияет на все измерительные сигналы и существенного значения не имеет.

Продольная клиновидность не вызывает различия в зазоре звеньев противофазных пар, а приводит лишь к разнице амплитудных значений результирующих сигналов этих пар. Поэтому выравнивание амплитуд результирующих сигналов является более простой операцией.

Таким образом, при разработке конструкции первичного преобразователя линейных перемещений в отдельных случаях необходимо предусматривать юстировочные элементы, обеспечивающие точную регулировку клиновидности растрового сопряжения.