3.1.3. Фотоэлектрические датчики положения

Наиболее эффективный метод измерения взаимного положения подвижных кинематических пар, входящих в состав цифровых следящих систем основан на использовании фотоэлектрических (оптических) ДПП. Современные оптические ДПП (ОДП) обеспечивают более высокую разрешающую способность, надеж­­ность и точность, чем ПДП и ЭДП тех же размеров.

Лучшие из существующих ОДП измеряют абсолютное угловое положение с разрешением 10^-6 относительно полного оборота входного вала. Это позволяет получить 20 - 21 разрядный выходной цифровой сигнал, что соответствует разрешению по углу менее 1". В отличие от аналоговых датчиков, требующих стабилизации питающих напряжений и ЭДП, чувствительных к электромагнитным помехам цифровые ОДП значительно проще в эксплуатации. Так, например, для обеспечения допустимой погрешности ПДП ~ 10^-5 (0,01%) требуется, обеспечить стабильность опорного напряжения номиналом 10 В в пределах ± 0,05 мВ. При оцифровке аналогового сигнала с такого датчика без потери точности требуется прецизионный АЦП с погрешностью не более 0,002%.

ОДП обладают и другими достоинствами. Так, в отличие от ПДП и ЭДП для них характерна независимость метрологических параметров от нагрузки, а также высокая помехозащищенность.

Основой ОДП является оптическая система, включающая источник света, кодирующий элемент (диск или линейка) и блок фотоприемников. В качестве источников света используются твердотельные оптронные пары и осветители в виде ламп накала с вольфрамовой нитью. Для обеспечения равномерной освещенности области кодирующего элемента применяются коллимационные линзы (коллиматор). Самым ответственным узлом ОДП, в наибольшей степени определяющим его характеристики, является кодирующий диск. Большинство дисков изготавливается фотоспособом, с использованием метода контактной печати с диска-эталона, на котором с высокой точностью выполнена маска. Тип маски определяет способ кодирования.

Диски-эталоны изготавливаются круговой делительной машиной, наносящей на него радиальные линии с погрешностью до 0,067" [ ]. Точность ОДП с кодирующими дисками, использующими эти эталоны, достигает ~ 10^-6 %. Машина может прог­раммироваться на создание эталонов как с наиболее распространенными унитарными кодами и двоичными кодами Грея, так и с циклическими кодами, а также синусно-коси­нусными, логарифмическими и двоично-десятич­ными кодами. (Наиболее известны де­лительные машины фирм Baldwin Elec­tronics Inc., США и Vactric Con­trol Equipment, Ан­г­­лия). Технология изготовления дисков обеспечивает не только высокую точность выполнения заданной геометрии кодовых масок, но и резкие границы переходов от непрозрачных участков к прозрачным. Для обеспечения четких переходов на границах и ограничения шума в допустимых пределах при выполнении кодовых масок используются фотоэмульсии с ничтожной зернистостью структуры.

При построении оптических систем применяют две основные схемы (рис. 3.34).

1. В соответствии с первой (рис. 3.34а), оптическая система содержит лампу и линзу, через которую освещается одна сторона диска. Приемники подсве­чиваются через узкую щель диафрагмы, установ­ленную строго по линии считывания.

2. Оптическая система второго типа (рис. 3.34б), формирует один линейный пучок, проецируемый по линии считывания диска (диафрагма располагается перед диском).

Как показывает опыт при использовании стандартных светодиодов, обе системы позволяют применять кодирующие диски, на дорожках которых по окружности размещается до 2500 оптических сегментов. Если же использовать лампы со специальной тонкой нитью накаливания, то на диске с диаметром 100 мм можно различать свыше 5000 таких сегментов. Дальнейшее увеличение разрешения достигается электрическими способами. Каждая дорожка диска имеет свой оптический канал: источник, например, электролюминесцентный диод и приемник - фототранзистор. Выходной сигнал с приемника напряжением до 100 мВ при нагрузке 10 кОм служит для формирования логического сигнала заданного уровня. С этой целью обычно применяются триггеры Шмитта на базе операционных усилителей, создающие на выходной шине напряжения логического 0 или 1. Диапазон допустимых изменений выходного напряжения с приемников, при котором сохраняется требуемый уровень срабатывания, составляет ~ 5 ... 80 мВ.

ОДП классифицируются по двум основным при­знакам.

1. По форме выходного сигнала: накапливающие (преобразователи пе­ре­меще­ний) и абсолютные (преобразователи счи­тывания).

1. По способу кодирования: растровые, импульсные и кодовые.

Накапливающие (циклические) преобразователи используют датчик и счетную систему, суммирующую отдельные приращения, а также репер (метку), относительно которого эти приращения суммируются.

Датчики абсолютных значений не содержат ре­пера и выполняются либо одношкальными, либо в виде систем ГО и ТО.