Елементами електронних пристроїв автоматики, що використовуються в автоматизованих електроприводах, є фотоелектричні перетворювачі лінійного та кутового переміщень – ФПП Принцип дії його полягає в перетворенні переміщення маски в зміна інтенсивності світлового потоку, реєстрованого фотоелементами і преутвореного ними в електричний сигнал (рис

182) Кутове переміщення – зі або кутове положення – а вимірюються кодовою диском (пластиною) з розрядними кодовими доріжками Джерелом світла зазвичай є світлодіоди, встановлені навпроти кожної розрядної доріжки Їх світловий потік, проходячи через маску і оптичний блок, потрапляє на фотоприймачі (фотодіоди, фототранзистори) Вихідний сигнал виходить у формі двійкового коду, що має стільки розрядів, скільки кодових доріжок на диску

За характером впливу світлового потоку на фотоприймач перетворювачі цього типу поділяють на три основні групи:

– ФПП з перекриттям світлового потоку (імпульсні)

– ФПП з кодовими масками

– растрові ФПП

У кодових ФПП на маску наноситься безпосередньо цифровий растр, який за допомогою фотоприймача зчитується в паралельному коді В імпульсних датчиках на маску наноситься штрихова доріжка При переміщенні маски, фотоприймачі реєструють послідовність світлових імпульсів, за кількістю яких можна оцінити переміщення

У растрових ФПП є оптичний модулятор, що складається з сполучення вимірювального (рухомого) і індикаторного (нерухомого) елементів Залежно від характеру впливу на світловий потік розрізняють растри пропускання і віддзеркалення

Рис 182 Принцип фотоелектріч е з кого перетворення переміщення

Пропускають растри являють собою систему прозорих і непрозорих штрихів Відображають растри виконуються у вигляді грат з елементами, дзеркально відображають світловий потік Конструктивне виконання кодового датчика переміщення представлено на рис 183 Датчик складається з механічної, оптичної та електронної систем, які розміщуються і кріпляться в корпусі 7, і герметично захищені кришкою 8 Механічна система являє собою сукупність механічних вузлів, в яких розташовані світлодіод 2, конденсор 3 оптичної системи, індикаторна пластина 4, що обертається растровий диск 5, закріплені друковані плати 7 Оптична система складається з випромінювача світлового потоку 2, конденсора 3, фокусирующего цей потік, і приймачів світлового потоку 6 (фотодіоди) Електронна система складається з операційних підсилювачів, резисторів, конденсаторів і транзисторів, розташованих на друкованих платах

Рис 183 Конструктивне виконання кодового датчика переміщення

Технологія виготовлення кодових масок має обмежену точність, тому обмежена і розрядність кодових фотоелектричних датчиків Одноот-рахункові датчики, виконані за розглянутою схемою, мають одинадцяти-або дванадцятирозрядний вихідний код, що відповідає роздільній здатності

5 .. 10 (оцінку числа розрядів можна виконати за формулою 360 ° / 2Н, Де п – число розрядів, тобто Для більш точного вимірювання переміщення датчики будуються за двухотсчетной схемою, в якій використовуються два диска Вихідний код датчика формується при обєднанні точного і грубого відліку кута Кодовий диск грубого відліку встановлений безпосередньо на валу, де вимірюється переміщення, а диск точного відліку зєднується з цим валом прецизійним знижуючим редуктором Розрядність вихідного коду таких датчиків досягає 20, що відповідає роздільній здатності порядку 1,5 . Виготовлення кодових масок повязано з вибором системи кодування Двійковий код зручний з тієї точки зору, що він використовується в більшості цифрових пристроїв автоматики і сполучення датчиків з ними не вимагає проміжних перетворень Розглянемо кодову маску для кутового (рис 184) і лінійного (рис 185) ФПП з пяти розрядним двійковим кодом Заштриховані ділянки відповідають коду нуля, незаштриховані – одиниці Аналіз процедури зчитування чисел двійкового коду виявляє істотний недолік, який обумовлений технологічними похибками виготовлення маски і встановлення фотоприймачів Він полягає в неодночасність переходу від числа до числа у всіх розрядних доріжках Наприклад, коли відбувається перехід від числа 15 (01111) до числа 16 (10000), то зміщення меж градацій пропускання світлового потоку в розрядних доріжках може привести до зчитування не числом 16, а, наприклад 20 (10100), якщо в третьому розряді не встигла відбутися зміна 1 на 0 Зявляються нові коди, що вносять помилкові дії в наступних цифрових пристроях Щоб виключити появу помилкових комбінацій розробляються різні методи кодування масок і знімання логічних сигналів Найчастіше використовують однопеременние коди, у яких при переході від числа до числа зміна коду відбувається тільки в одному розряді Наприклад, циклічний код рея Представлення чисел в цьому коді наведено на рис 184 і 185 (пятіразрядний кодова маска)

Рис 14 Кодові маски датчиків кутового переміщення:

Рис 185 Кодові маски датчиків лінійного переміщення: а – для двійкового коду б – для коду Грея

При отриманні інформації за допомогою таких масок виникає завдання переведення її в звичайний двійковий код, що необхідно для сполучення ФПП з іншими цифровими пристроями Виконання цього завдання вирішується створенням відповідних схем Нехай число записується у звичайному двійковому коді як

а в коді Г рея як

де dj і bj – значення розрядів

Переклад числа в коді Грея в звичайний двійковий код здійснюється за формулою, яка дає значення розрядів при додаванні за модулем 2

Прикладом фотоелектронного кодового датчика кута може служити датчик ППК-15 (перетворювач переміщень кодовий 15-розрядний) Датчики такого типу дозволяють створити систему абсолютного відліку кутового або лінійного переміщення Вони виробляють переміщення щодо деякого заданого початкового положення – нуля датчика Значення виміряного переміщення зберігається при припиненні процесу вимірювання і поновлюється з цього значення при відновленні процесу вимірювання Додаткове перетворення інформації при виконанні вимірювань є певним недоліком функціонального і апаратного планів

Імпульсні фотоелектричні датчики позбавлені цього Спосіб кодування маски такого ФПП полягає в тому, що на маску наноситься спеціальний спектр, який являє собою чергування прозорих і непрозорих ділянок (штрихову доріжку, наприклад доріжку А, рис 186) Кількість штрихів визначає роздільну здатність датчиків Для оцінки переміщення необхідно вести рахунок штрихів, що проходять в поле фотоприймача, тобто рахунок фотоімпульсов лічильниками

Рис 1S6 Індикаторна пластина

Імпульсні датчики дозволяють реалізовувати відносний відлік Для визначення повного положення в системі відліку з фіксованим початком необхідно додаткова інформація Для її отримання на растровий диск наноситься додаткова доріжка, на якій є тільки один просвіт (доріжка С) Цей проміжок фіксується фотоприймачем датчика Імпульсні датчики в принципі не дають інформації про направлення переміщення Для визначення знака переміщення на маску наноситься другий штрихова доріжка, у якої штрихи і просвіти зрушені в просторі по фазі щодо першої доріжки на π / 2, тобто на чверть періоду (рис 5, доріжка В) Отриманий комплекс сигналів з од-ної та іншої доріжок за допомогою спеціальної схеми дозволяє визначити напрямок переміщення

В силу технологічних погрішностей виготовлення реєстрового диска, індикаторної пластини, в силу певних характеристик фотоприймачів, їх шумів, а також через їх обмеженого швидкодії, сигнал, знімається з фотоприймачів, має гармонійний характер зміни при фіксуванні світлового потоку через растровий диск і індикаторну пластину, коли їх прозорі штрихи починають збігатися Цей сигнал має постійну складову і спотворення через температурного дрейфу характеристик фотодіодів Для усунення цієї постійної складової, компенсації температурного дрейфу і отримання знакозмінного гармонійного сигналу синусоїдального характеру для зняття одного сигналу використовуються два зустрічно-паралельно включених фотоприймача BLI і BL2 (рис 187), кожен з яких розташований на сусідніх растрових доріжках (доріжках А і В) Отриманий таким чином кожен відеосигнал /еь /е2 або /ео (рис 188) посилюється операційним підсилювачем DA 1, а за допомогою подальшого підсилювача-обмежувача (компаратора) DA2 формується в систему прямокутних імпульсів, наприклад U \ (рис 188) При обробці отриманого відеосигналу мікросхемами DA1 і DA2 використовуються коригувальні їх характеристику АС-ланцюжки і конденсатор С (С8, С5, R6-C4, R3-C3) Стабілізація характеристик по напрузі харчуванню із загальною точкою, досягається використанням конденсаторів С1, С2, С6, С7 Аналогічним чином виходить інша система прямокутних імпульсів U2, зрушена щодо першої на π / 2 (рис 188), що обумовлено зрушенням системи отворів А і В на індикаторної пластині (рис 186) Отвір С на індикаторної пластині дозволяє отримати один імпульс за оборот реєстрового диска Uq

Рис 187 Схема формування сигналу від фотодатчиків

Крім сигналів U1 і U2, електронна система формує групу сигналів, инверсную до відліковим (71 і U2 (рис 188, 189), які згодом необхідні для визначення напрямку переміщення Сформована попередніми каскадами послідовність прямокутних імпульсів по кожному каналу надходить на наступні підсилювальні каскади, наприклад, для сигналу (71 – на транзистори VT4, VT5 – вихід В2, і на VTI, VT2, VT3 для 7/1 – вихід В \

Для отримання досить точної інформації про переміщення доцільно отримати від ФПП якомога більш значне число імпульсів п в тому числі і за один оборот реєстрового диска ζ, оскільки воно пропорційно куту повороту вала ФПП, тобто кутовому переміщенню φ = £ФПП · П, де £ФПП = 360 ° / ζ – коефіцієнт передачі ФПП Це суперечить вимогам, що предявляються до габаритів ФПП такого типу Сучасні ФПП мають діаметр реєстрового диска в межах 50 мм Технологічні обмеження дозволяють нанести на диск не більше 5000 штрихів Однак наявність двох систем прямокутних імпульсів дозволяє за допомогою додаткового схемного рішення отримати систему чотириразових імпульсів по відношенню до вихідної, що збільшує роздільну здатність ФПП Таке учетверение досягається фіксуванням заднього і переднього фронтів імпульсів, отриманих з двох систем сигналів від отвори А і В

Один з варіантів такої процедури наведено на рис 190 У цьому варіанті використана природна тривалість затримки поширення сигналу (4адР = 30 ні) через логічний елемент НЕ (інвертор) і багаторазове інвертування цього сигналу Елемент DD5 формує імпульси по передньому фронту вхідного сигналу A i_b елемент DD6 – за його задньому фронту Ах_2· Сформовані таким чином послідовності імпульсів підсумовуються схемою DD1 в послідовність Ας з учетверенной частотою проходження імпульсів (рис 191)

Рис 190 Схема почетвереній частоти проходження імпульсів

– ·                                                                                                                                                                                                                                      1    1

Логічна схема по учетверенное частоти проходження імпульсів по першому варіанту формує два сигнали X і У Ці сигнали визначаються як логічні функції:

Змінні А, А, В, В є вихідними сигналами ФПП, змінні А , А, В , В формуються за допомогою додаткових логічних елементів DD – реверсивний лічильник, вихідний двійковий код якого відповідає кількістю імпульсів, тобто розі переміщення Прих = А \ ι = 1 лічильник підсумовує імпульси по входу С, при 7 = А ι ι = 1 відбувається віднімання імпульсів по тому ж входу С Застосування ФПП імпульсного типу в порівнянні з ФПП кодового типу вимагає додаткових витрат елементної бази Однак ФПП імпульсного типу мають більш високу роздільну здатність і тому переважно Розглянемо схему, визначальну напрямок переміщення, зокрема напрямок переміщення растрового диска (рис 187) При цьому використовуються дві послідовності прямокутних імпульсів, у яких передні фронти як би міняються місцями при різному напрямку переміщення На епюрах напруги ці фронти виділені жирними лініями Кожна з послідовностей або диференціюється для отримання коротких імпульсів в моменти наявності фронтів або в ці моменти формується короткий імпульс, наприклад, одновіб-ратором Потім за допомогою конюнктор DD 1 і DD2 здійснюється вибір потрібної послідовності коротких імпульсів, що позначають передні фронти Наприклад, для умовно обраного напрямку «Вперед» використовується послідовність імпульсів U \ і продифференцировав послідовність U2

; Рис 191 Епюри напруги, що характеризують учетверение частоти сигналу

Тоді на вхід «+ С» лічильника DD3 надходять імпульси, відповідні переміщенню, прийнятому за напрямок «Вперед», а саме фронти напруги U \, оскільки вони випереджають передні фронти напруги U2 на 90 ° На вхід «- С» цього лічильника імпульси не надходять, т к конюнктор DD2 виявляється замкненим напругою U2 (рис 192, верхня схема), і навпаки, при переміщенні «Назад» виявляється замкненим конюнктор DD1 Імпульси, що позначають передні фронти послідовності, проходять через конюнктор DD2 на вхід «-С» лічильника DD3, віднімаючи з числа, отриманого раніше при вимірі переміщення «Вперед», число, відповідне переміщенню «Назад» (рис 192, нижня схема)

Значення того чи іншого переміщення виставляється лічильником на виходи ГО .. 03 в двійковій-десяткового системі числення Цю кодову комбінацію можна подати на світлові індикатори, наприклад на семисегментний індикатор, і отримати візуальне відображення переміщення Отримана з виходу ФПП послідовність імпульсів може бути використана для побудови цифрового вимірювача швидкості У його основу покладена цифрова реалізація аналітичного виразу ω = άφ dt, де φ – кутове переміщення, вимірюваний датчиком, t – час, за який вимірюється це переміщення Причому реалізація наведеного виразу може бути виконана двома способами Перший спосіб полягає в тому, що здійснюється підрахунок числа імпульсів, пропорційних переміщенню ί / φ, за фіксований інтервал часу dt = Тшм Другий – полягає в тому, що вимірюється інтервал часу dt = Т, за який від датчика надійде деяку кількість імпульсів, пропорційне фіксованому переміщенню η = άφ = const А так, як кількість імпульсів за один оборот валу ФПП відомо, то їм визначається число оборотів цього валу Зразкове схемне рішення першого способу реалізації цифрового вимірювача швидкості наведено на рис 193, а Схема складається з ФПП, генератора еталонної (опорної) частоти G, лічильника DDI, / («-тригера DD2, конюнктор DD3 (2І), вимірювального лічильника DD4 і регістра памяті RG (DD5) Початок вимірювання кутового переміщення, здійснюваного ФПП, задається командою «Уст О », а також командою« Дозвіл на вимір » Команда «Уст О »обнуляє вміст лічильників і регістра памяті Командою «Дозвіл на вимір» тригер DD2 встановлюється в стан, при якому на інверсному його виході є логічна одиниця Ця логічна одиниця виставляється на один з входів конюнктор DD3, дозволяючи проходження однієї з послідовності імпульсів з виходу ФПП, наприклад 7/1, на

вхід + С вимірювального лічильника DD4 Одночасно йде заповнення лічильника DD 1 імпульсами еталонного генератора Після повного його заповнення (на виходах О0 .. ОЗ лічильника виставляється кодова комбінація 1111) на виході> 15 зявляється логічна одиниця Це переводить / / 5-тригер DD2 в стан, при якому на його інверсному виході зявляється логічний нуль, що забороняє кон-юнктору DD3 пропускати імпульси в вимірювальний лічильник DD4 (закінчення виміру)

Рис 193 Схеми цифрового вимірювача швидкості

Логічна одиниця на прямому виході О / / 5-тригера надходить на вхід V регістра памяті RG (DD5) і переводить його в режим зберігання інформації На виході регістра мається кодова комбінація про измеренном переміщенні, оскільки період проходження еталонних імпульсів відомий і робиться дуже точним за значенням, то заповнення лічильника DD \ за часом визначається його заданої розрядністю, тобто фіксованим відрізком часу Кількість імпульсів п, підрахована вимірювальним лічильником DD4, буде пропорційно швидкості – ω = £ ФПП п Даний спосіб має досить високу точність вимірювання при значному вимірюваному кількості імпульсів, тобто при вимірюванні великих швидкостей При вимірі малих швидкостей на результат вимірювання накладається методична помилка, закладена в послідовність імпульсів, сформовану растровим диском Це слід віднести до недоліків першого способу вимірювання швидкості

Зразкове схемне рішення другого способу реалізації цифрового вимірювача швидкості дано на рис 193, б Схема складається з ФПП, генератора еталонної (опорної) частоти G, лічильника DD 1, регістра памяті RG – DD2, вимірювального лічильника DD3 і дізюнктора DD4 (2І) Установка початкового стану вимірювача швидкості здійснюється командою «Уст О » Після цього починається одночасне заповнення лічильника DD \ імпульсами від еталонного генератора G і

лічильника DD3 від ФПП Причому в лічильник DD3 попередньо може бути записано заздалегідь число п = const, визначальне ємність лічильника для вимірювання переміщення Після того як в лічильник DD3 надійде фіксоване кількість імпульсів η = άω = const, що вимірює переміщення, на його виході> 15 зявиться логічна одиниця, яка надійде на вхід R лічильника DD 1, обнуляючи його, і на вхід V регістра памяті DD2, переводячи його в режим зберігання інформації На виході цього регістра буде кодова комбінація, відповідна измеренному переміщенню При різній вимірюваної швидкості період проходження імпульсів буде різним, змінним буде і час, за який наповнюється лічильник DD1 від еталонного генератора, у якого імпульси слідують з постійним періодом Чим менше за значенням вимірювана швидкість, тим за більший проміжок часу здійснюється заповнення вимірювального лічильника DD3 заданою кількістю імпульсів і тим більша кількість імпульсів від еталонного генератора G надійде в лічильник DD 1 Таким чином, очевидно, що виміряний переміщення назад пропорційно кількості імпульсів, що у лічильник DD 1 і, отже в регістр DD2, тобтоЦя властивість слід віднести до недоліків другого способу побудови цифрового вимірювача швидкості

Джерело: Бєляєв В П, Шуляк Р І, «Електронні пристрої поліграфічного обладнання», Білоруський державний Технологічний університет, Мінськ, 2011 р