3.1.3.2. Импульсные оптические датчики положения

Импульсный фотоэлектрический датчик (ИОДП) преобразует значение перемещения исполнительного механизма в унитарный код, т.е. последовательность импульсов, число которых про­порционально перемещению.

Оптическая шкала ИОДП является модификацией растровой шкалы и содержит несколько дорожек разбитых на дискретные (активные и пассивные) участки.

Современные ИОДП, как правило, включают те же основные модули, что и РОДП: оптико-механическую систему (первич­ный преобразователь), электрическую схему считывания, а также схему определения знака (реверсивную схе­му).

Оптико-механические системы простейших ИОДП выполнялись безредукторными и содержали блок осветителя, кодирующую шкалу и фотоэлемент. В современных конструкциях ИОДП шкала содержит несколько дорожек и смещенных на нецелое число шагов фотоэлементов. При такой схеме значительно умень­шается цена управляющего импульса, определяющая разрешающую способность датчика. Так, например, в датчиках фирмы Fer­ranti используются шкалы с 1250 ... 10000 штрихами и два фотодиода, причем штрихи дорожек смещены друг относительно дру­га на четверть шага (рис. 3.39). Одновибраторы измерительной схемы ИОДП формируют и подают на счетчик два импульса с обеих дорожек - по переднему и заднему фронту каждого штриха, и поэтому, при вращении вала на один оборот шкалы возбуждается импульсов в 4 раза больше числа делений. Для шкалы с 1250 штрихами это соответствует 5000 импульсам на оборот.

Для определения направление вращения вала (што­ка) используются шкалы, относительное смещение штрихов на дорожках которых составляет четверть шага. В этом случае, выходной сигнал с одновибратора внешней дорожки будет опережать сигнал одновибратора внутренней для одного направления движения и отставать для другого. Для определения числа целых оборотов используется репер, формирующий импульс начала отсчета. Он также используется для возврата счетчика в 0.

Фотоприемники сдвинуты друг относительно друга на расстояние L, равное:

L = (m + 1/4) W,

где W - шаг диска, m - целое число.

Знак направление движения исполнительного органа определяется логической схемой, вызывающей срабатывание соответствующего ключа (рис. 3.40).

В данной схеме используются два канала измерения, связанные с каждой дорожкой кодовой шкалы. Триггеры Шмитта Т₁, Т₂, открыты в то время, когда сигналы с усилителей У₁, У₂ имеют положительную полярность. Это соответствует прозрачному участку кодирующей шкалы. В соответствии с расположением фотоприемников Ф₁ и Ф₂ сигналы с триггеров сдвинуты друг относительно друга на 1/4 периода следования, соответствующего периоду синусоидального сигнала усилителя. Дифференцирующие цепи О₁, О₂ (для этой цели могут использоваться одновибраторы) формируют короткие импульсы в момент переброса триггера Т₂ по переднему и заднему фронту. На выходе схемы совпадения И₁ появляется сигнал только тогда, когда на ее входах есть одновременно сигналы с О₁ и Т₁, а на выходе И₂ - с О₂ и Т₁. Следовательно, на выходе схемы И₁ сигналы появляются при движении, например, «вперед», а на выходе И₂ - «назад». Количество импульсов определяет саму величину перемещения. В качестве накапливающего сумматора используется реверсивный счетчик.

Частотные характеристики ИОДП определяются количеством штрихов-сегментов на дорожке и длитель­­ностью импульсов одновибратора, которая обычно составляет ~1/4 периода штри­ха. Например, для датчиков угла, с кодирующими шкалами, формирующими 1250 импульсов на оборот максимальная скорость вращения составит 5000 об/мин, 5000 импульсов - 2000 об/мин. Увеличение количества сегментов требует соответствующего увеличения и размеров шкал. В частности, типовые промышленные ИОДП содержат диск диаметром до 150 мм, на котором размещают 5000 сегментов. Разрешающая способность такого датчика составит 1:20000 на оборот, или ~ 1'.

В табл. 3.12 приведены примеры некоторых популярных моделей ИОДП.

Таблица 3.12. Примеры промышленных ИОДП

Модель	Uип, В	N*, имп/об	w, об/мин	e, ‘	Æ, мм	l, мм	m, кг
ВЕ-178	± 15	2500	6000	5	50	106	0,7
ПУФ-МИНИ	5	1024	6000	11	30	61	0,2
ROD 800	5	36000	0,5	0,06	170	50	0,8
mini-ROD-450	5	3600	3000	10	36	33	0,1
TSI-110	± 15	12000	6000	1	70	75	0,3

Примечание. Датчики моделей ROD разработаны фирмой Heidenhain, Германия, TSI-110 - фир­­мой Tama­gawa, Япония.

ИОДП в настоящее время является наиболее распространенным типом ДПП. Достоинства ИОДП - гальваническая развязка информационных цепей, а также простота и надежность конструкции обусловили подавляющее преимущество этих ДПП в типовых задачах измерения перемещений. В то же время положение измерять с помощью ИОДП затруднительно, т.к. для них характерно накопление ошибок при сбоях питания и необходимость периодического определения нуля отсчета.