Преобразователи угла в код, построенные по методу последовательного счета

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ УГЛА В КОД, ПОСТРОЕННЫЕ ПО МЕТОДУ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО СЧЕТА

Преобразователи угла в код, в которых используется метод последовательного счета, делятся на две группы: накапливающие, суммирующие приращения входного угла, и циклические, преобразующие полные значения входного угла.

В первой группе преобразователей, измеряющих при­ращения, движение входной оси условно разбивается на единичные приращения – кванты, на появление которых реагирует чувствительный элемент. При изменении вход­ного угла на квант чувствительный элемент вырабатыва­ет импульс, который поступает на счетчик. Таким обра­зом, код на счетчике характеризует сумму приращений, т.е. угловое положение входной оси, относительно неко­торого положения, принимаемого за начальное. Из прин­ципа работы накапливающего преобразователя следует, что счетчик всегда должен быть подключен к чувствитель­ному элементу, что исключает возможность построения многоканального АЦП этого типа.

Наиболее существенным недостатком накапливающих преобразователей является возможность появления си­стематической ошибки при пропадании одного или не­скольких сигналов чувствительного элемента. Важно, что систематическая ошибка будет иметь место во всех результатах преобразований, следующих за потерей сигналов чувствительного элемента. Из-за этой особенности преобразователи накапливающего типа использу­ются сравнительно редко, в основном когда необходимо определять не абсолютную величину перемещения, а его приращение.

Поскольку все сигналы, характеризующие появление приращения угла, равного кванту, имеют один и тот же вид, только с помощью счетчика могут быть получены данные о числе приращений относительно некоторого положения входной оси, принимаемого за нулевое. Единст­венной характеристикой единичного перемещения явля­ется его знак, говорящий о направлении движения. Следовательно, необходимо усложнить схему и конструкцию чувствительного элемента, с тем чтобы он реагировал на знак перемещения и переключал   счетчик с режима сложения на режим вычитания и наоборот.

Таким образом, основными элементами накапливаю­щего преобразователя угла в код являются: задающий элемент или квантованная шкала, разбитая на соответ­ствующее число единичных участков; чувствительный или считывающий элемент; элемент, определяющий на­правление движения входной оси; реверсивный счетчик. Рассмотрим принципы построения отдельных элементов преобразователей угла в код, основанных на методе на­копления.

Задающий и чувствительный элементы. Эти основные элементы преобразователя угла в код мо­гут строиться на основе самых различных физических явлений, связанных с наличием или отсутствием контак­та, светового луча, магнитного потока и пр. С помощью задающего элемента создается изменение состояния чув­ствительного элемента, характерное для используемого физического явления; чувствительный элемент должен в соответствии с изменением состояния выдать сигнал в выходную цепь преобразователя.

По принципу работы наиболее простыми являются контактные преобразователи, в которых задающий эле­мент состоит из проводящих и непроводящих участков, а чувствительными элементами являются щетки. Контактные преобразователи обладают рядом недостатков, главными из них являются малый срок службы, значи­тельный момент трения входной оси и возможность по­мех при плохом контакте щетки с задающими элементами. Из-за указанных недостатков контактные накапливающие преобразователи практически не ис­пользуются.

Значительно большее, распространение получил пре­образователь угла в код, построенный на основе много­полюсного индуктивного задающего элемента. Этот прибор обычно называют индуктосином. Принцип дей­ствия индуктосина иллюстрируется рис. 1. Ток от генератора высокой частоты протекает через проводники, нанесенные на каком-либо диэлектрике. Если длина волны колебаний, создаваемых генератором, много боль­ше, чем длина проводника, то в любой момент времени токи в двух соседних проводниках   сдвинуты   на    180° (мгновенные направления этих токов показаны стрел­ками на рис. 1). В этом случае напряженность поля будет максимальной вблизи проводников и будет равна нулю в середине интервала между проводниками. Если такие проводники расположить на диске, угол поворо­та которого нужно преобразовать в код, и на определен­ном расстоянии от диска расположить чувствитель­ный элемент в виде рам­ки, то при перемещениях диска ток в рамке будет изменяться. Максималь­ное значение тока полу­чится, когда рамка будет находиться против про­водника (положение 1 на рис. 1), а минималь­ное – при расположении ее между   проводниками (положение 2 на рис. 1). Детектируя сигнал с рамки и отмечая моменты пе­рехода синусоидальных колебаний через нуль, можно фиксировать единичные перемещения диска, а значит, и входной оси.

В индуктосине вместо рамки применен диск, анало­гичный закрепленному на входной оси и расположенный параллельно ему. Благодаря замене рамки на диск уси­ливается связь между неподвижной и вращающейся час­тями индуктосина, что обеспечивает увеличение выход­ного сигнала индуктосина. Кроме того, использование диска вместо рамки позволяет повысить точность изме­рения угла поворота, так как происходит своеобразная статистическая обработка (усреднение) выходных сиг­налов, связанная с тем, что появление каждого нуля вы­ходного сигнала является следствием суммарного воз­действия всех проводников обоих дисков. При этом уменьшается влияние технологических допусков и усред­няются частные ошибки в расположении проводников. Для определения знака единичного перемещения на не­подвижном диске располагаются две системы проводни­ков, сдвинутые одна относительно другой на четверть промежутка между соседними проводниками.

Подача питания на подвижный диск осуществляется с помощью трансформатора без железа, вторичная обмотка которого нанесена на подвижный диск и враща­ется вместе с ним. Такая конструкция цепи подачи питания позволяет уменьшить момент трения входной оси. Оба диска изготовляются методом фотокопирования. При этом на 1 мм окружности размещаются 1–2 секции. Частота генератора, питающего обмотку индуктосина, примерно 1 МГц.

Преобразователи накапливающего типа могут быть выполнены и на основе использования фотоэлектриче­ских явлений. При этом кодирующая шкала состоит из чередующихся прозрачных и непрозрачных участков, что позволяет с помощью источника света и фотоэле­мента снять сигналы, соответствующие приращениям уг­ла. В принципе фотоэлектрические преобразователи на­капливающего типа представляют собой упрощенный ва­риант фотоэлектрических преобразователей считывания, которые будут рассмотрены далее в данной главе. По­этому здесь можно ограничиться описанием только од­ного из наиболее совершенных вариантов фотоэлектри­ческих преобразователей – преобразователей с дифракционными решетками, в которых в основном используется метод последовательного счета.

В преобразователях угла в код, использующих ди­фракционные решетки, могут быть применены три типа Дифракционных решеток: сеточные, верньерные и муаро­вые, различающиеся методами нанесения непрозрачных участков (рисок) на диски. Во всех вариантах этих пре­образователей имеются два диска: неподвижный и по­движный, закрепленный на входной оси.