3.1.3.1. Растровые оптические датчики положения

Растровые фотоэлектрические датчики (РОДП) предназначены для преобразования линейных и угловых перемещений в цифровой код на основе использования растрового сопряжения. Принцип действия РОДП подобен РЭДП. Оптический растр представляет собой совокупность однотипных непрозрачных элементов, об­разующих периодическую структуру и воздействующих на поток лучистой энергии как единое целое. Растр формируется при сопряжении кодирующих элементов датчика. Расположенные на них растровые решетки модулируют световой поток на пути от источника света к приемнику. Конструктивно растровая решетка - это прозрачная пластина, на которую нанесено большое количество непрозрачных штрихов различной формы, обычно равноудаленных и параллельных.

Растры ОДП классифицируются по двум основным признакам:

1. по характеру воздействия на лучистый поток;

2. по геометрической структуре образующих элементов.

В соответствии с первым признаком различают пропускающие и отражающие растры. Пропускающие растры пре­дставляют собой решетку из прозрачных и непрозрачных элементов, отражающие - решетку из элементов, зеркально отражающих свет.

В соответствии со вторым признаком различают растры, формируемые параллельными, сеточными, радиальными, кольцевыми и спиральными оптическими структурами. Для измерения линейных перемещений обычно используются сопряжение двух плоских параллельных растров, а для измерения угловых - сопряжение радиальных растров.

Растровое сопряжение получается наложением растровых решеток с малым постоянным зазором между ними (рис. 3.35а). При этом, штрихи одной решетки накладываются на штрихи другой, уменьшая площадь прозрачных участков сопряжения. При совпадении темных штрихов площадь прозрачных штрихов растра остается без изменения. Возникающие темные и светлые полоски весьма малы, однако они группируются и образуют различные, но достаточно широкие полосы, называемые комбинационными или муаровыми (рис. 3.35б). Положе­ние, форма и шаг ко­м­бинационных полос зависят от параметров сопрягаемых растров и их взаимного расположения. Собственно «му­­­­ар-эффект» является результатом интерферен­ции световых лучей от разных участков решетки. Он проявляется в виде волнис­тых или полосатых узоров, и особенно заметен при воспроизведении изображений регулярной стру­ктуры: типа «солнца с лучами» или «диктора в полосатой рубашке». (В устройствах оцифровки изображений, например, сканерах «муар-эф­фект» вреден. Он возникает, когда в изображении содержатся элементы, размер которых лежит на границе зоны разрешения).

Основу РОДП составляет растровое преобразующее звено. Оно включает блок осветителя, создающий параллельный пучок света, растровое сопряжение из по­движного (измеритель­ного) и не­по­движного (инди­катор­ного) растров и блок фотоприемников. Моду­ли­рующие свойства растрового сопряжения определяются структурой растра и характеризуются пропускающей способностью t = Ф/Ф₀, где Ф₀, Ф - значения светового потока, соответственно падающего на растровое сопряжение и прошедшее через него в пределах зрачка фотоприемника. В современных конструкциях величина t достигает 0,9 …0,95. В простейших параллельных растрах кроме t выделяют еще два параметра: W - шаг шкалы и g - относительное угловое смещение шкал. Амплитуда Ф зависит от величины относительного перемещения растров практически синусоидально, во всяком случае выбором параметров сопряжения можно получить синусный характер изменения лучистого потока Ф. В ряде схем, наоборот, стремятся получить линейный закон изменения Ф от q в пределах некоторой зоны перемещений. Для таких РОДП функцию преобразования можно представить в виде

где j - пространственная фаза комбинационной полосы.

Одним из наиболее известных принципов построения РОДП является применение однодо­ро­жеч­ных пропускающих или отражающих решеток. На рис. 3.36 представлен пример промышленного РОДП с отражающей растровой решеткой. Он относится к датчикам накапливаю­щего типа и для определения абсолютного значения перемещения требует использования счетных импульсов.

На рис. 3.36 пунктиром показана сканирующая головка с четырьмя фотоприемниками. Диафрагма сканирующей головки содержит четыре щели, размещенные так, что выходные сигналы фотоприемников сдвинуты на четверть периода измерительной решетки(рис. 3.37а). Следствием этого смещения является сдвиг по фазе и квази­сину­соидальных сигналов фотоприемников. Так, компонента E₂₁ сдвинута на 90^о относи­тельно E₁₁, а компоненты E₁₂ и E₂₂ имеют сдвиг на 180^о по отношению к сигналам E₁₁ и E₂₁ (рис. 3.37б). Фотоприемники соединены друг с другом попарно и дифференциально, так что в результате образуются двухтактные схемы E₁₁/E₁₂ и E₂₁/E₂₂. Далее сигналы с этих схем поступают на соответствующий элект­ронный каскад, вклю­чающий в себя форми­­рователи пря­моуго­льных импульсов (три­­­г­­геры Шм­итта), усилители и инверторы, преобразую­щие их в про­ти­во­фаз­ные сигналы пря­моугольной формы. В результате выходные сигналы схем E₁₁/E₁₂ имеют 90⁰ фазовый сдвиг по отношению к выходным сигналам схем E₂₁/E₂₂ (рис. 3.38).

Здесь же пред­ставлены диа­г­ра­­ммы выходных напря­жений РОДП. Верхние кривые - сигналы, форми­руемые фотоприемниками. После­дующие графики отражают временные соотношения между различными сигналами.

Особенностью данной схемы является формирование нес­кольких счетных импульсов за один шаг решетки W. С этой целью применяются одновибраторы, запускающиеся на положительных фронтах прямоугольных импульсов, образуя один, два либо четыре счетных импульса за один шаг. Максимальное быстродействие такого датчика ограничивается скоростью счета реверсивного счетчика импульсов. Так, при четырех импульсах на шаг и частоте счетчика равной f, Гц, граничная скорость датчика составит 4 W f, мм/с.

Во всех схемах, дополнительно к измерительной решетке предусматривается еще одна короткая дорожка для формирования фиксированной опорной мет­ки абсолютного положения. (Она обозначается как метка начала отсчета). Этот маркер привязан к квазиабсолютной системе отсчета и используется для восстановления показаний после вклю­чения питания.

Точность РОДП определяется минимальным расстоянием между растрами фазных шкал (шагом) и количеством растровых полос на 1 мм/рад. (Это расстояние достигает у лучших датчиков 3 ... 5 мкм, а количество полос - 1000 на 1 мм).

Разрешающая способность линейных РОДП соста­вляет 1 ... 2 мкм.

В таблице 3.11 представлены основные характеристики некоторых известных моделей РОДП.

Таблица 3.11. Примеры промышленных РОДП

Модель	Тип	Uип, В	Диапазон 0, мм	W, мкм	e , мкм	Æ, мм	l, мм	m, кг
LID 300	Линейный	5	3000	10	1
LIDА 225	Линейный	5	30000	100	3

Примечание. Датчики разработаны фирмой Heidenhain, Германия.

К достоинствам РОДП относятся простая и технологичная конструкция, а также малые размеры и масса. К недостаткам накопление ошибок от сбоев и помех в цепях реверсивного счетчика, потеря информации о перемещении при отказе в цепи питания, а также необходимость периодичного определения нулевого отсчета (для получения достоверного абсолютного значения измеряемого перемещения).