3.1.2 Оценка разрешающей способности преобразователя

Применительно к разрабатываемому преобразователю перемещений разрешающая способность определяет величину наименьших деталей шкалы, различаемых при измерении. Разрешающая способность кодовой шкалы ограничивается различимой длиной элемента кода. Кроме данного ограничения на разрешающую способность влияют, во-первых, разрешение оптической системы (объектива, линзы) и, во-вторых, разрешением матрицы ПЗС.

Разрешение оптической системы

Как известно, величина разрешения оптической системы определяется длиной волны источника света, апертурным углом u и коэффициентом преломления n среды:

. ( )

Длина волны λ ≈ 1 мкм даже при использовании инфракрасного источника освещения шкалы. Согласно формуле () для достижения величины τ = 20 мкм необходимо обеспечить величину апертурного угла u ≈ 0,05 рад. При выбранных геометрических параметрах оптической системы R₁ = 35 мм; D = 4,5 мм получаем:

u = arc tg D/(2R₁) ≈ 0,06.

Разрешение, обусловленное дискретностью рецепторного поля фотоприемников

Последнее определяется по сути шагом фоточувствительных ячеек. Этот шаг для известных ФПЗС-приборов [Л] бывает в любом случае менее 10 мкм. Вышеприведенные параметры оптической системы показывают, что размер кадра с фрагментом шкалы и размер площадки фотоприемников близки (4 ÷ 5 мм). Следовательно, линии шкалы толщиной 10 мкм, расположенные, например, с шагом 20 мкм будучи спроецированными на фоточувствительную площадку, окажутся различимыми.

Приведенные оценки позволяют сделать вывод, что заданная разрешающая способность преобразователя в 50 мкм вполне реализуема.

3.2. Оценка быстродействия преобразователя

Быстродействие разрабатываемого оптико-электронного преобразователя линейных перемещений (ОЭПЛП) определяется временем, необходимым для получения в цифровом виде информации об идентифицируемом кадре кодовой шкалы (КШ). Это время складывается из времени накопления зарядов в ячейках ПЗС-прибора и суммарного времени, необходимого для оцифровки сигналов.

Дискретность КШ Δl (т.е. шаг позиций КШ) и время идентификации кадра t_к определяют максимальную допустимую линейную скорость V_max объекта, перемещение которого измеряется:

V_max = Δl / t_к ()

Если эта скорость будет превышена, то за время обработки текущего кадра в поле зрения датчика появится следующий кадр, что приведет к потере информации о данной позиции.

С учетом заданной дискретности КШ (Δl = 0,05 мм) и максимальной скорости перемещения V_max = 5 мм/с время считывания кадра не должно превышать 0,01 с = 10 мс. Для матрицы ПЗС 512×512 и соединенным с нею 8 –ми разрядным АЦП с частотой преобразования 2,5 МГц (при тактовой частоте f_т = 20 МГц) время t_к составляет 0,1 что на порядок больше требуемого времени t_к. Достигнуть величину 0,01 с можно для матрицы размера 256×256 и АЦП меньшей разрядности. Однако это снизит точность работы датчика и сделает более громоздкой электронную схему. Применение же восьмиразрядного АЦП позволит интегрировать его в микросхему блока управления (то есть использовать типовой микроконтроллер с интегрированным в него АЦП).

Кардинальным решением проблемы быстродействия представляется применение ПЗС-линейки. Как известно, есть две разновидности фотоприемников на основе ПЗС: строчные (линейные), воспринимающие за один цикл накопления растр-строку изображения, и матричные (плоскостные), в которые весь кадр записывается сразу.

Восприятие двумерного изображения с применением строчного ПЗС-датчика возможно лишь при осуществлении дополнительного устройства сканирования. Если в ПЗС-линейке происходит электронное сканирование элементов строки (горизонтальное сканирование), то для просматривания всей области кадра требуется вертикальное сканирование. Оно осуществимо, например, с применением специального сканирующего зеркала (как в некоторых сканерах штрих-кода). Число опрашиваемых ячеек ПЗС при таком техническом решении резко сокращается (в тысячи раз). Быстродействие в этом случае может ограничиваться лишь допустимой частотой качания зеркала с электромагнитным приводом. Практика применения подобного рода механизмов показывает возможность достижения частоты в 600-900 Гц. Но даже при частоте в 200 Гц время сканирования всего кадра составляет 2,5 мс, что, согласно формуле (), дает скорость измеряемого перемещения

V_max = 0,05 мм / 0,0025 с =20 мм/с.

Для достижения же заданной максимальной скорости V_max = 5 мм/с достаточна частота качания зеркала 50 Гц.