4.4.3 Фотоэлектрические датчики

Фотоэлектрический линейный преобразователь лишён недостатков, присущих индуктосину. Он предназначен для преобразования измеряемого перемещения в последовательность электрических сигналов, содержащих информацию о величине и направлении этих перемещений для последующей обработки в СЧПУ.

О дной из первых систем измерения перемещений была система английской фирмы «Ферранти», основой которой являются две дифракционных решетки с штрихами, толщина которых равняется расстояния между ними (рис. 3.16). Частота - 200 штрихов/мм. Решетка 4 - недвижимая, а решетка 3 крепится на подвижной части станка, например, на суппорте. Световые импульсы от источника 5, попадая на фотоэлемент 1 или 2, превращаются в пульсирующий электрический ток, причем частота импульсов будет зависеть от скорости рабочего органа. Для этого, чтобы фиксировать направление перемещения ставят не один, а два фотоэлемента. При следовании решетки 3 по стрелке (влево) сначала затемнится фотоэлемент 2, а потом 1. Импульсы, которые возникают в фотоэлементах, будут смещены по фазе. При обратном направлении движение будет обратный сдвиг фаз.

На рис.4.17 показан цифровой датчик положения с кодированными дисками и фотоэлементами. Плоский луч света от источника 1 сквозь узкую щель-светофильтр 2 попадает на вращающийся стеклянный диск 3, который имеет кольца с чередующимися темными и светлыми участками, а дальше через диафрагму 4 на фотоэлементы 5 (по одном на каждое кольцо). Кольца на дисках соответствуют разрядам чисел в избранной системе исчисления (например, двоичной), а чередование темных и светлых участков на кольце - значениям коэффициента при данном разряде: 0 или 1. На диске может быть нанесено до 13 разрядов колец отсчета, который дает разрешенную способность 2¹³ =1/8192 части оборота.

Рисунок 4.17 – Цифровой датчик с дисками

Фотоэлектрический преобразователь

П ринцип работы фотоэлектрических преобразователей основан на фотоэлектрическом считывании растровых кодовых сопряжений (рис. 4.18). В состав преобразователя входит растровое измерительное звено, состоящее из подвижного измерительного растра 1 в виде линейки для линейных ДОС или диска для круговых, и неподвижного индикаторного растрового анализатора в виде пластины или диска 2. Шаг растров 20 или 40 мкм. Датчик постоянно освещен источником инфракрасного излучения 3. С другой стороны растровага звена расположены определённым образом светоприёмники – фотодиоды 4 (5,6), которые преобразовывают импульсы от источника света в электрические импульсы отсчёта.

Рисунок 4.18 Схема фотоэлектрического датчика обратной связи:

а – кругового; б - линейного

При относительном перемещении растровой шкалы и индикаторной пластины ее поля считывания реализуют два идентичных канала приема излучения А и В. В состав каждого канала входят два поля считывания А, , В, соответственно, растры которых имеют пространственный сдвиг относительно друг друга на ½ шага растра, и по два осветителя и фотоприемника. Поля считывания канала А имеют пространственный сдвиг растров относительно растров полей считывания В, равный 1/4 шага растра.

Параллельный световой поток, сформированный осветителем, проходя через растровое сопряжение, анализируется четырехквадрантным фотоприемником 5. Соединенные определенным образом токоприемники, позволяют получать два ортогональных токовых сигнала Ia и Iб, постоянная составляющая которых не зависит от уровня освещенности.

Наличие двух сигналов позволяет определить направление перемещения. Сигнал Ia опережает сигнал Iб при вращении по часовой стрелке измерительного лимба, жестко связанного с валом преобразователя

Кроме измерительных сигналов перемещения преобразователь имеет сигнал референтной метки (Р и М). Этот сигнал вырабатывается один раз за один оборот вала и позволяет использовать преобразователь как датчик положения. При полном совпадении кодовых растров Е и Д световой поток, принимаемый одной из секций фотоприемника 6 в 3-4 раза больше, чем при любом другом взаимном положении растров.

Фотоэлектрические преобразователи типа ВЕ-164, устанавливаемые на станки, выпускаются с линейными размерами 500х1000х1500мм.

Эти датчики обладают высокой точностью. Цена импульса может достигать 0,5 мкм. Фотоэлектрические ИП позволяют обеспечить высокую стабильность отсчета и лучше согласуются с системами ЧПУ, поэтому получили преимущественное применение в новых системах.