Фотоэлектрический датчик угла поворота накапливающего типа

Известны два типа фотоэлектрического датчика угловых перемещений: абсолютного считывания значений и с суммированием приращений относительно некоторого начального отсчета – репера. Второй тип называют датчиком накапливающего типа. Благодаря простоте конструкции, меньшей массе и габаритам, высокой надежности он широко применяется в микропроцессорных локальных системах.

Структурная схема фотоэлектрического датчика накапливающего типа отличается от структурной схемы индукционного цифрового датчика (рисунок 2.12) тем, что вместо вращающегося трансформатора используется фотоэлектрический преобразователь (рисунок 2.13).

Рисунок 2.13

В состав преобразователя входят следующие элементы: источник света; оптическая система, создающая параллельный пучок света; подвижный измерительный растр; неподвижный индикаторный растр; четыре фотоприемника и два балансных усилителя.

Подвижный измерительный растр представляет собой диск с равномерно чередующимися прозрачными и темными (светопоглощающими) элементами. Ось диска кинематически связана с осью выходного вала локальной системы.

Индикаторным растром является неподвижная диафрагма с четырьмя
щелями, шаг которых на 1/4 меньше шага темных элементов измерительного растра. Растровое сопряжение со стороны фотоприемников показано на рисунке 2.14, где –шаг штрихов (темных элементов) измерительного растра.

Такая конструкция растрового сопряжения позволяет сформировать четыре элементарных световых потока, которые фиксируются фотоприемниками и преобразуются в напряжения E₁, E₂, E₃, E₄.

Рисунок 2.14

На рисунке 2.15 показаны зависимости напряжений E₁, E₂, E₃, E₄ на выходах фотоприемников при повороте измерительного растра на угол j_вых, эквивалентный шагу решетки .

Рисунок 2.15

Попарным вычитанием напряжений E₁ и E₂, E₃ и E₄ балансные усилители формируют сигналы

,

.

При этом устраняются постоянные составляющие и четные гармоники, присутствующие в выходных сигналах фотоприемников.

Структурная схема фотоэлектрического преобразователя угла поворота j_вых в напряжения U_s и U_c показана на рисунке 2.16.

Рисунок 2.16

В микропроцессорных локальных системах применяют различные типы фотоэлектрических датчиков: с аналоговыми sin/cos сигналами и напряжением 5 В; с импульсными сигналами разрешением 1000, 2500 и 5000 имп/об и напряжением 10…30 В; с цифровыми кодированными сигналами разрядностью от 8 до 16 разрядов и напряжением 24 В.

При расчете фотоэлектрического датчика накапливающего типа ориентируются на диапазон изменения выходной переменной j_вых, допустимую погрешность локальной системы d_max и наименьшее число дискрет датчика N. Причем при большом диапазоне изменения переменной, ограниченном, например, верхним пределом [j_вых]_в= 90º, этот диапазон разбивают на поддиапазоны [∆j_вых], каждому из которых должен соответствовать один оборот делительного диска. Для локальных систем обычно принимают [∆j_вых] = 18^о.

Примечание. Для систем с прямолинейным перемещением нагрузки, например, в станочных приводах подач, поддиапазон [∆S] принимают равным 2 мм: [∆S]= 2мм.

Расчет проводят с помощью следующих формул:

Допустимая ошибка измерения

d_изм = (0,3…0,5) d_max.

Шаг квантования по уровню

h = k·d_изм,

где 0 < k < 1. Обычно полагают k = 1/3.

Требуемое число дискрет на один оборот делительного диска датчика

.

Из ряда стандартных значений N, равных 1000, 2500 и 5000 дискрет/об. выбираем наименьшее значение N, удовлетворяющее условию N ³ N_тр.

Число разрядов реверсивного счетчика

.

Средняя квадратическая погрешность

Пример. Технологический стол с четырьмя деталями нужно каждые 30 с поворачивать на угол 90º. Требуется рассчитать круговой фотоэлектрический датчик накапливающего типа, если допустимая погрешность ∆ позиционирования составляет 2 мм, отнесенная к наружному диаметру стола D, равному 2000 мм.

Решение.

а) допустимая погрешность позиционирования, отнесенная к углу поворота

угловых минут;

б) допустимая ошибка измерения

d_изм = (0,3…0,5) d_max = 0,48×6,9 = 3,3 угловых минут;

в) шаг квантования по уровню (цена дискреты) при k = 1/3

угловых минут;

г) требуемое число дискрет на один оборот делительного диска при [∆j_вых] = 18^о

дискрет /об.

По цене дискреты и требуемому числу дискрет выбираем датчик ВЕ-178 четвертого класса точности с числом N = 1000 дискрет/оборот.

д) число разрядов реверсивного счетчика

;

е) средняя квадратическая погрешность

угловых минут.

Вопросы для проверки усвоения материала