Плотников В.С. Геодезические приборы

Подождите немного. Документ загружается.

вателях пространственных перемещений получили распространение толь-

ко два первых метода. Поэтому в соответствии с этими двумя методами

преобразователи "перемещение-цифра" подразделяют на преобразова-

тели последовательного счета и преобразователи считывания.

В преобразователях последовательного счета ведется последователь-

ный счет числа единиц младшего разряда, составляющих значение изме-

ряемой величины, в результате получается числовой эквивалент. К пре-

образователям последовательного счета относятся фотоэлектрические

преобразователи с рабочими мерами в виде растра или растровых сопря-

жений. Классификация и принципы действия преобразователей этого

типа будут рассмотрены в § 54.

В преобразователях считывания измеряемая величина сравнивается

с заранее заготовленным набором числовых эквивалентов. В зависимо-

сти от значения измеряемой величины происходит считывание определен-

ного числового эквивалента. Преобразователи этого типа используют

в качестве рабочих мер линейные кодовые шкалы (в случае измерения

линейных перемещений) и круговые кодовые шкалы или кодовые дис-

ки при измерении угловых перемещений.

В дальнейшем будут рассмотрены преобразователи угла в код, так

как основные выводы для этого типа устройств справедливы и для пре-

образователей линейных перемещений в коды.

Принцип действия преобразователя считывания сводится к следую-

щему. На кодируемом валу (рис. 79), угловое положение которого

необходимо измерить, жестко закреплен кодовый диск - стеклянное

основание с нанесенной на него кодовой маской, обычно представля-

ющей из себя концентрические кодовые дорожки с прозрачными и не-

прозрачными сегментами. По одну сторону кодовой шкалы помещается

осветитель У, а по другую - диафрагма со щелью 3 и фотоприемники

4, 5, число которых обычно равно числу кодовых дорожек.

В момент съема информации лучи света, проходящие через прозрач-

ные сегменты дорожки, освещают фотоприемники, сигналы с которых

принимаются за двоичные единицы. При этом с фотоприемников, пере-

крытых непрозрачными сегментами, сигналы отсутствуют, что соответ-

ствует двоичных нулям. Изменению положения кодовой шкалы на не-

которую дискретную величину соответствует новая комбинация светлых

и темных участков на дорожках кодового диска, находящихся против

щелевой диафрагмы. В результате происходит кодирование углового

положения вала. Для измерения угла необходимо снять два отсчета, при-

чем установка кодовой шкалы на нулевой отсчет не обязательна.

Формирование числового эквивалента измеряемой непрерывной

величины - угла поворота кодируемого вала происходит путем опроса

фотоприемников с последующей обработкой полученных с них сигналов.

В преобразователях считывания осуществляется как одновременный

опрос всех чувствительных элементов, тогда он носит название преобра-

зователя параллельного считывания, так и поочередный опрос фотопри-

емников, и в этом случае его называют преобразователем последова-

тельного считывания.

Рис. 79. Принципиальная схема фото-

электрического преобразователя счи-

тывания:

У — осветитель; 2 — кодовый диск;

3 — диафрагма со щелью; 4 — блок

фотоприемников; 5 — электронный

блок

Рис. 80. Круговая двоичная кодовая

шкала

Параметры фотоэлектрического преобразователя считывания зави-

сят от вида принятого кода.

При двоичном кодировании весь диапазон измеряемой непрерыв-

ной входной величины (*

max

- *min) разбивают на интервалы, кратные

Ахр,

и каждому интервалу ставят в соответствие определенное двоичное

число.

На рис. 80 показан пример двоичной кодовой шкалы датчика угло-

вых перемещений. Коду нуля соответствуют заштрихованные участки,

коду единицы — светлые. Младшему разряду двоичных чисел соответ-

ствует внешнее кольцо, а старшему разряду — внутреннее. В двоичной

системе счисления для получения "я"-го разрядного числа необходимо

иметь "я" кодовых дорожек (колец). Если кольцам присвоить поряд-

ковые номера, начиная с внутреннего, то число светлых и темных участ-

ков в каждой дорожке можно подсчитать по формуле

= N

= 2

где N

и N

— число темных и светлых участков соответственно, к —

номер кольца.

Необходимое число комбинаций N

можно рассчитать по формуле

= 2",

(9.29)

где п

—

число разрядов.

Выбор числа разрядов для круговой кодовой шкалы производят,

исходя из заданного предела разрешения преобразователя Д*

. При

этом приращение входной величины, соответствующее приращению

вы-

ходной величины

на

единицу младшего разряда, составит

360° 360°

Ах,

= = —-— ,

откуда можно получить выражение

для

вычисления необходимого

числа разрядов шкалы:

360°

log

—

. (9.30)

Ах

Ниже приведены соотношения между числом разрядов

дискрет-

ным отсчетом положения вала (пределом разрешения преобразова-

теля

Дхр).

7 8 9 10

12 13

Д*

. 2°48'45"

1-24'22"

42'll"

2Гб"

ю'зз"

5'1б"

2'38"

Г19"

39"

. . . .

18 19

22 23

Дх

20"

10"

2,5"

1,25"

0,62" 0,31"

OAS-

0,08"

По приведенным данным можно определить необходимое число раз-

рядов кодовой шкалы

для

достижения заданного предела разрешения.

Однако значения величин разрядов

"/Г' на

практике ограничивают-

ся

по

двум причинам:

1) частота следования линий

младшем разряде

не

может быть

меньше

3 мкм, так как, как

было сказано выше

(§ 47),

пределом тех-

нологических возможностей

при

изготовлении лимбов является размер

толщины штриха, равный

1,5 мкм;

2) диаметр кодовой дорожки

D по

конструктивным соображениям

практически ограничивается величиной порядка

350-400 мм для

уни-

кальных установок.

большинстве случаев

он

должен быть существенно

меньше.

С учетом сказанного максимальное значение разряда кодового диска

max

можно вычислить

по

формуле

я£>Ю

Вычисленное значение

тах

при D = 400 мм, с

учетом округления

его

до

целого числа, составит

тах

= 19.

Известна технология изготов-

ления 16-разрядных кодовых дисков

ценой деления

угловой

ме-

ре ~~

20'. Для

получения более высокой разрядности преобразователя

используют интерполяцию младшего разряда

дополнительные построе-

ния, например муаровый эффект.

Считывающие элементы круговой кодовой шкалы располагаются

по радиусу.

На

выходе преобразователя

такой шкалой получается сра-

зу

код

двоичного числа,

что

является достоинством шкал такого типа.

Однако

эти

-преобразователи обладают существенным недостатком, свя-

занным

неопределенностью считывания

на

границе темного

светлого

участков

по

всем разрядам.

Неопределенность считывания возникает из-за конечной ширины

луча считывания.

При

прохождении через

луч

считывания передней

или

задней границы сектора маски происходит постепенное изменение лучис-

того потока

на

поверхности чувствительных элементов всех разрядов,

т.е.

появляется интервал

6, в

котором равновероятны

оба

значения

и единицы,

нуля. Этот интервал называется зоной неопределенности

сигнала, которая увеличивается

при

увеличении ширины луча считыва-

ния

ц.

Неопределенность может привести

грубой ошибке

на

величину,

равную единице старшего разряда.

[34]

показано,

что для

исключения возможности появления лож-

ных кодов необходимо обеспечить условие,

при

котором зона неопре-

деленности сигнала

для

каждого положения кодовой маски была

бы

только

каком-либо одном разряде.

Это

условие выполняется, если

ширина луча считывания

равна

или

меньше длины дуги

кванта

по старшему разряду, которая определяется

из

формулы

= Ч = ~- • (9-31)

где

— внутренний диаметр кодовой зоны старшего разряда,

—

число

разрядов.

Условие

(9.31)

является условием оптимального считывания инфор-

мации

двоичного кодового диска.

С учетом условия

(9.31) и рис. 81

запишем формулу

для

вычисле-

ния диаметра кодового диска преобразователя

D в

виде

= ц + 2hn + 2А,

где

—

ширина кодовой зоны;

—

ширина нерабочей зоны диска.

Принимая

А = ft,

будем иметь

^— -

+ 2

(я + 1). (9.32)

Приведем основные этапы расчета преобразователя "угол —код",

использующего круговую двоичную шкалу.

Вначале

по

заданному пределу разрешения преобразователя

А*

вычисляют необходимое число разрядов

"я"

кодового диска. Затем

результате энергетического расчета преобразователя определяют ширину

луча считывания

р. И

наконец, зная размер

фотодатчика

по

высоте,

определяют диаметр диска

Для устранения ошибок неоднозначности считывания

двоичной

ко-

довой шкалы применяются

два

метода:

1) использование

во

всех разрядах, кроме младшего, двух рядов

Рис. 81. Круговая кодовая маска пре- Рис. 82. Круговая шкала с колом Грея

образователя

фотоприемников с последующей логической выборкой сигнала с них;

2) использование кодов, в которых переход от одного числа к со-

седнему сопровождается переменой кода только в одном разряде (одно-

переменные коды).

При установке дополнительных считывающих элементов в каждом

разряде двоичной кодовой шкалы появляется избыточная информация,

которая позволяет осуществить логический выбор для каждого разря-

да одного из двух фотоприемников. Существует два основных метода

установки и логического выбора считывающих элементов - метод

"двойной щетки" и метод " ^-расположения считывающих элементов.

При "

"-расположении фотонриемники симметрично смещаются

относительно опорной линии считывания (см. рис. 80), причем оптималь-

ная величина смещения каждого считывающего элемента, с точки зре-

ния симметричных допусков на неточности изготовления кодовой

шкалы и установки считывающих элементов, равна 1/4 длины кодового

участка соответствующей разрядной дорожки кодовой шкалы. При

этом величина кодового участка при переходе к соседнему старшему

разряду возрастает вдвое, что ведет к возрастанию допусков. Это явля-

ется достоинством "К"-расположения. Однако код самого старшего

разряда может быть определен только после определения кодов всех

предыдущих разрядов, т.е. происходит последовательное считывание,

при котором увеличивается время преобразования, что является недос-

татком такого расположения.

В методе считывания "двойной щетки" (см. рис. 80) считывающие

элементы располагаются симметрично относительно линии считывания

элемента младшего разряда на расстоянии, равном половине длины ко-

дового участка младшего разряда. Съем сигналов осуществляется одно-

временно со всех разрядов - с отстающего ряда фотоприемников, если

код младшего разряда 1, и с опережающего ряда, если код младшего раз-

ряда 0. При этом значительно сокращается время преобразования, что

является достоинством параллельного метода считывания "двойной

щетки

. Недостаток этого метода заключается

более жестких допусках

ни расположение кодовой маски старших разрядов

установку фото-

приемников.

Устранить неоднозначность считывания сразу

нескольких разря-

дах можно применением такого кода,

котором переход

от

одного числа

к соседнему сопровождается изменением только

одном разряде,

или

одноперсменного кода.

числу одноперемеиных кодов относится цик-

лический двоичный

код

Грея, получивший наибольшее распространение.

Код строится гаким образом,

что шаг

шкалы кодовой дорожки каждо-

го старшего разряда

в два

раза больше

по

сравнению

шагом кодовой

дорожки предыдущего разряда. Темные участки соседнего старшего раз-

ряда получаются посередине темного

светлого участков дорожки млад-

шего разряда.

При

этом неопределенность считывания

при

переходе гра-

ницы темного

светлого участков или, наоборот,

не

превышает единицы

младшего разряда.

На

рис. 82

показана круговая шкала

кодом Грея. Ниже представ-

лены изображения десятичных чисел кодом Грея

обычным двоичным

кодом.

Десятичный

код 0 12345678910

Код Грея

0000 0001 ООН 0010 0110 0111 0101 0100 1100 1101 1111

Двоичный

код .. 0000 0001 0010 ООП 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010

Для перевода двоичного числа

циклический

код

Грея необходимо

сдвинуть

это

двоичное число

на

один разряд вправо (при этом младший

разряд теряется)

выполнить поразрядно сложение сдвинутого

и не-

сдвинутого чисел

по

правилам сложения двоичной системы.

резуль-

тате будет получено число

циклическом двоичном коде

1001 -

число

двоичном коде

100(1)

сдвинутое число

1101

число

циклическом коде.

Информация, полученная

со

шкалы, построенной

коде Грея, спе-

циальными логическими устройствами преобразуется

двоичный

код.

Считывание информации

коде Грея можно получить

обычной

кодовой шкалы, расположив соответствующим образом считывающие

элементы каждой разрядной кодовой дорожки

[34].

Применение кодов

основанием больше двух позволяет уменьшить

число разрядных дорожек

на

кодовой шкале

по

сравнению

двоичным

кодом

при том же

объеме информации, наносимой

на

шкалу. Недостат-

ком такого типа является увеличение числа считывающих элементов,

причем относительное положение всех этих элементов должно быть^вы-

держано

допуском

по

углу

не

больше половины наименьшего отсчет-

ного деления. Кроме того, увеличение числа фотоприемников приводит

к усложнению электронной части преобразователя,

необходимость

Рис.

83.

Линейная шкала

двоично-десятичным циклическим

кодом

перевода полученного кода

двоичную систему ведет

к увеличению количества электронного оборудо-

вания.

В системах,

где

необходима связь между вычис-

лительным устройством

человеком, конечный

ре-

зультат нужно получить

десятичной системе.

Для

этой цели можно пользоваться специальными схема-

ми перевода двоичной системы

десятичную. Однако

такие схемы являются довольно сложными, поэтому

для отсчета

десятичной системе счисления лучше

воспользоваться двоично-десятичным циклическим

кодом.

На рис. 83

приведена шкала, построенная

в соответствии

двоично-десятичным кодом. Каждая

десятичная цифра двоично-десятичного кода опреде-

ляется четырьмя разрядами двоичного кода.

Переход

двоичного кода

десятичный

систе-

мах считывания производится

потерей двоичных

единиц, число

которых зависит

от

числа десятич-

ных разрядов

п и

определяется формулой

= 2

" - 10",

из которой следует,

что

переход

двоичного кода

на

четырех дорожках,

дающих

единиц

одноразрядный десятичный

код,

приводит

потере

-10

= 6 ед. В

двух десятичных разрядах такая потеря составляет

- 10

= 156 ед. в

трех десятичных разрядах

- 10 = 3096 ед. и

т.д.

Это

является недостатком двоично-десятичного кода,

так как

избыточность двоичных единиц приводит

необходимости иметь более

широкую шкалу.

54.

Обтюрационно-растровые

муаровые отсчетные системы

Уменьшение предела разрешения фотоэлектрических преобразователей

считывания

за

счет увеличения числа разрядности

их

рабочих

мер в

виде

кодовых линеек

дисков требует применения весьма узких щелей,

что ведет

уменьшению светового потока, попадающего

на

фотоэлект-

рический приемник. Применение более сильных источников света

этом

случае вызывает температурные погрешности, которые

не

позволяют

увеличить точность отсчета

при

увеличении числа разрядов кодового

датчика. Уменьшение

же

предела разрешения преобразователя

за

счет

увеличения

его

разрядности

на

один двоичный разряд при той

же

ширине

луча считывания кодовых

зон

вызывает значительное увеличение диа-

метра кодового диска

[формула (9.32)]. Существующие фотоэлект-

рические преобразователи по методу считывания с кодовой маски имеют

предел разрешения

0,02-0,05

мм при линейных измерениях и

10—20"

—

при угловых.

Меньший предел разрешения можно получить в фотоэлектрических

преобразователях последовательного счета, основанных на использова-

нии растров и растровых сопряжений в качестве рабочих мер.

Растр представляет собой совокупность подобных элементов, обра-

зующих периодическую структуру. В зависимости от характера воздей-

ствия на лучистый поток различают растры пропускающие и отражаю-

щие.

Пропускающие растры представляют собой систему прозрачных и

непрозрачных подобных элементов, а отражающие растры состоят из эле-

ментов, зеркально отражающих свет.

Растр можно нанести на любую поверхность, например на плоскую,

сферическую, цилиндрическую, коническую и др. Растровые измеритель-

ные решетки бывают амплитудными и фазовыми. Амплитудный растр

изменяет амплитуду падающей волны излучения, а действие фазового

сводится к изменению фазовых соотношений.

Основными оптическими характеристиками измерительных раст-

ров (рис. 84) являются шаг W (период) и пропускание П. Шаг растра -

это линейное или угловое расстояние между осями двух соседних эле-

ментов растра. Пропускание растра характеризуется отношением шири-

ны "я " прозрачного элемента растра к периоду

т.е. П = а/

что по-

казывает, какая доля светового потока проходит через растр.

Рис. 84. Амплитудные растры:

а, б, в - плоские параллельные; г

—

радиально-центральный; д - радиально-нецент-

ральный; е - спиральный

жсиия

На рис. 84 показаны некоторые виды амплитудных растров. Для

измерения линейных перемещений применяют плоские параллельные

растры с постоянным шагом (рис. 84, я), параллельные растры с изменя-

ющимся шагом (рис. 84, в) и растры с прямоугольными прозрачными

элементами (рис. 84, б).

Для измерения угловых перемещений используют радиально-цент-

ральные растры (рис. 84, г), радианьно-нецентральные растры (рис. 84, д)

и спиральные растровые решетки (рис. 84, е).

Для пояснения основного принципа работы преобразователя после-

довательного счета рассмотрим схему простейшего датчика угла поворо-

та (рис. 85). Работа датчика основана на счете числа импульсов фото-

тока, получаемых при модуляции светового потока от источника 1 через

конденсор 2 измерительным растром 3, жестко скрепленным с валом,

угол поворота которого необходимо измерить. В данной схеме углу по-

ворота вала ставится в соответствие подсчитанное число периодов растра.

Эта схема на практике не получила распространения, так как точность ее

невелика и, кроме того, она несовершенна в энергетическом отношении,

так как лучистый поток проходит только через одну ячейку растра.

Световой поток, поступающий на фотоприемник 4, можно увели-

чить,

применив диафрагму в виде части растра, закрепленную неподвиж-

но.

Эту диафрагму называют индикаторным растром.

В общем случае измерительный и индикаторный растры могут иметь

разные параметры и занимать различное положение относительно друг

друга. При наложении двух растровых решеток темные штрихи одной

из них, накладываясь на светлые штрихи другой, уменьшают площадь

этих участков растра. В местах же пересечения темных полос они, накла-

дываясь друг на друга й совмещаясь, сохраняют площадь светлых полос

растра без изменения. Группируясь, светлые и темные участки образуют

отчетливо видимые широкие полосы, которые называют комбинацион-

ными или муаровыми.

Муаровую картину можно представить как геометрическое место

точек пересечения двух наложенных друг на друга семейств растровых

линий.

Пусть функции

F (х, у) и G (х, у)

определяют форму отдельных

кривых,

функции

f(h ) и g (к) -

положение этих кривых

каждом

семействе. Тогда уравнения первого

второго семейств растровых

линий можно записать

как

где

х и у -

координаты любой точки

на

плоскости семейства кривых;

Инк- параметры, характеризующие номер линий соответственно

в первом

втором семействах.

Результирующая муаровая картина является пронумерованным

семейством кривых,

при

этом номер

какой-либо линии семейства

удовлетворяет характеристическому уравнению

которое

для

большинства комбинационных растровых картин, исполь-

зуемых

растровых датчиках положения, имеет

вид

Таким образом, совокупность линий растров образует семейство линий

одного параметра

р = 0, 1, 2,3,.. .,

причем

является порядковым

но-

мером комбинационной полосы

(рис. 86).

Рассмотрим простейшие случаи применения параметрического

ме-

тода

для

определения муаровых картин

некоторых частных случаях,

встречающихся

на

практике.

геодезических приборах

для

измерения

угловых перемещений используются сопряжения радиальных

спираль-

ных растров.

При сопряжении двух радиально-центральных растров наибольший

интерес представляют

два

случая:

1) сопряжение двух радиальных растров, имеющих разные угловые

шаги,

совмещением

их

центров

нониусная комбинационная картина;

2) сопряжение двух радиальных растров

равными угловыми шага-

ми

разнесением

их

центров

—

сеточный

тип

комбинационных муаровых

полос.

Проведем анализ работы сопряжения двух радиально-центральных

растров

первом случае.

Для

этого запишем уравнения семейств ради-

альных прямых, образующих первый

второй растры,

полярной систе-

ме координат

где Wj

и w

—

угловые шаги соответственно первого

второго растров.

Решая совместно

(9.34) и (9.35),

получим уравнение результирую-

щей муаровой картины

виде

(9.33)

v (А, к) = р

- к = р.

(9.34)

(9.35)