42. Фотоэлектрический преобразователь перемещения
Элементами электронных устройств автоматики, используемых в автоматизированных электроприводах, являются фотоэлектрические преобразователи линейного и углового перемещений – ФПП. Принцип действия его состоит в преобразовании перемещения маски в изменение интенсивности светового потока, регистрируемого фотоэлементами и преобразуемого ими в электрический сигнал. Источником света обычно являются светодиоды, установленные напротив каждой разрядной дорожки. Их световой поток, проходя через маску и оптический блок, попадает на фотоприемники (фотодиоды, фототранзисторы). Выходной сигнал получается в форме двоичного кода, имеющего столько разрядов, сколько кодовых дорожек на диске.
По характеру воздействия светового потока на фотоприемник преобразователи этого типа разделяют на три основные группы:
– ФПП с перекрытием светового потока (импульсные);
– ФПП с кодовыми масками;
– растровые ФПП.
В кодовых ФПП на маску наносится непосредственно цифровой растр, который с помощью фотоприемника считывается в параллельном коде. В импульсных датчиках на маску наносится штриховая дорожка. При перемещении маски, фотоприемники регистрируют последовательность световых импульсов, по количеству которых можно оценить перемещение.
В зависимости от характера воздействия на световой поток различают растры пропускания и отражения. Пропускающие растры представляют собой систему прозрачных и непрозрачных штрихов. Отражающие растры выполняются в виде решеток с элементами, зеркально отражающими световой поток.
Примером фотоэлектронного кодового датчика угла может служить датчик ППК-15 (преобразователь перемещений кодовый 15-раз-рядный). Они производят перемещения относительно некоторого заданного начального положения – нуля датчика. Значение измеренного перемещения сохраняется при прекращении процесса измерения и возобновляется с этого значения при восстановлении процесса измерения.
В силу технологических погрешностей изготовления растрового диска, индикаторной пластины, в силу определенных характеристик фотоприемников, их шумов, а также из-за их ограниченного быстродействия, сигнал, снимаемый с фотоприемников, имеет гармонический характер изменения при фиксировании светового потока через растровый диск и индикаторную пластину, когда их прозрачные штрихи начинают совпадать. Этот сигнал имеет постоянную составляющую и искажения из-за температурного дрейфа характеристик фотодиодов. Для устранения этой постоянной составляющей, компенсации температурного дрейфа и получения знакопеременного гармонического сигнала синусоидального характера для снятия одного сигнала используются два встречно-параллельно включенных фотоприемника BL1 и BL2, каждый из которых расположен на соседних растровых дорожках (дорожках А и В). Полученный таким образом каждый видеосигнал Ie1, Ie2 или Ie0 усиливается операционным усилителем DA1, а с помощью последующего усилителя-ограничите- ля (компаратора) DA2 формируется в систему прямоугольных импульсов, например U1.
Наличие двух систем прямоугольных импульсов позволяет с помощью дополнительного схемного решения получить систему четырехкратных импульсов по отношению к исходной, что увеличивает разрешающую способность ФПП. Такое учетверение достигается фиксированием заднего и переднего фронтов импульсов, полученных из двух систем сигналов от отверстия А и В.
Логическая схема по учетверению частоты следования импульсов по первому варианту формирует два сигнала Х и У. Эти сигналы определяются как логические функции:
Переменные
являются выходными сигналами ФПП,
переменные
формируются с помощью дополнительных
логических элементов. DD – реверсивный
счетчик, выходной двоичный код которого
соответствует количеству импульсов,
т. е. углу перемещения.
Причем реализация приведенного выражения может быть выполнена двумя способами. Первый способ состоит в том, что осуществляется подсчет числа импульсов, пропорциональных перемещению dφ, за фиксированный интервал времени dt = Tизм. Второй – заключается в том, что измеряется интервал времени dt = Т, за который от датчика поступит некоторое количество импульсов, пропорциональное фиксированному перемещению n = dφ= const.
Решение первого способа реализации цифрового измерителя скорости приведен на рис. 1.93, а. Схема состоит из ФПП, генератора эталонной (опорной) частоты G, счетчика DD1, RS-триггера DD2, конъюнктора DD3 (2И), измерительного счетчика DD4 и регистра памяти RG (DD5). Начало измерения углового перемещения, осуществляемого ФПП, задается командой «Уст. 0», а также командой «Разрешение на измерение». Команда «Уст. 0» обнуляет содержимое счетчиков и регистра памяти. Командой «Разрешение на измерение» триггер DD2 устанавливается в состояние, при котором на инверсном его выходе имеется логическая единица. Эта логическая единица выставляется на один из входов конъюнктора DD3, разрешая прохождение одной из последовательности импульсов с выхода ФПП, например U1, на вход +С измерительного счетчика DD4. Одновременно идет заполнение счетчика DD1 импульсами эталонного генератора. После полного его заполнения (на выходах Q0…Q3 счетчика выставляется кодовая комбинация 1111) на выходе >15 появляется логическая единица. Это переводит RS-триггер DD2 в состояние, при котором на его инверсном выходе появляется логический ноль, запрещающий конъюнктору DD3 пропускать импульсы в измерительный счетчик DD4 (окончание измерения).
Логическая единица на прямом выходе Q RS-триггера поступает на вход V регистра памяти RG (DD5) и переводит его в режим хранения информации. На выходе регистра имеется кодовая комбинация об измеренном перемещении, поскольку период следования эталонных импульсов известен и делается весьма точным по значению, то заполнение счетчика DD1 по времени определяется его заданной разрядностью, т. е. фиксированным отрезком времени. Количество импульсов n, подсчитанное измерительным счетчиком DD4, будет пропорционально скорости – ω =kфпп · n. Данный способ имеет достаточно высокую точность измерения при значительном измеряемом количестве импульсов, т. е. при измерении больших скоростей. При измерении малых скоростей на результат измерения накладывается методическая ошибка, заложенная в последовательность импульсов, сформированную растровым диском. Это следует отнести к недостаткам первого способа измерения скорости.
Примерное схемное решение второго способа реализации цифрового измерителя скорости дано на рис. 1.93, б. Схема состоит из ФПП, генератора эталонной (опорной) частоты G, счетчика DD1, регистра памяти RG – DD2, измерительного счетчика DD3 и дизъюнктора DD4 (2И). Установка начального состояния измерителя скорости осуществляется командой «Уст. 0». После этого начинается одновременное заполнение счетчика DD1 импульсами от эталонного генератора G и счетчика DD3 от ФПП. Причем в счетчик DD3 предварительно может быть записано заранее число n = const, определяющее емкость счетчика для измерения перемещения. После того как в счетчик DD3 поступит фиксированное количество импульсов n = dω = const, измеряющее перемещение, на его выходе >15 появится логическая единица, которая поступит на вход R счетчика DD1, обнуляя его, и на вход V регистра памяти DD2, переводя его в режим хранения информации. На выходе этого регистра будет кодовая комбинация, соответствующая измеренному перемещению. При разной измеряемой скорости период следования импульсов будет различным, переменным будет и время, за которое наполняется счетчик DD1 от эталонного генератора, у которого импульсы следуют с постоянным периодом. Чем меньше по значению измеряемая скорость, тем за больший промежуток времени осуществляется заполнение измерительного счетчика DD3 заданным количеством импульсов и тем большее количество импульсов от эталонного генератора G поступит в счетчик DD1. Таким образом, очевидно, что измеренное перемещение обратно пропорционально количеству импульсов, поступающих в счетчик DD1 и, следовательно в регистр DD2, т. е. ω=kфпп · 1/n. Это свойство следует отнести к недостаткам второго способа построения цифрового измерителя скорости.