4.3.5. Кодовые датчики перемещения (датчики считывания).

Отличительной особенностью этих ДП является то, что выходным сигналом является непосредственно код. Кодовые ДП в основном выполняются на основе фотоэлектрических преобразователях (ФДП).
Кодовые преобразователи реализуют третий метод кодирования сигнала - параллельное преобразование или считывание [36-39].
В этих ДП кодирование может выполнятся двумя способами, реализующими метод считывания: кодирование за счет электронной схемы считывания (АЦП считывания) и кодирование за счет кодовой шкалы.
Для реализации первого способа выполняют эталонную шкалу, деления которой равномерны и отличаются на квант. Входная величина одновременно сравнивается с делениями шкалы, причем сравнивающих устройств столько, сколько делений шкалы: при «n» разрядах выходного кода сравнивающих устройств 2ⁿ-1. i•ω, где i - номер шкалы ( 0, 1, 2, 3 ... ),ω - шаг шкалы. Метод изготовления шкал не упрощается, но упрощается кодирование, т. к. каждая шкала даст знак разряда кода, причем нужно только n сравнивающих устройств.
Датчик перемещения в этом случае содержит: задающий элемент (квантованную шкалу), чувствительные элементы и схему кодирования сигнала (АЦП считывания).
Кодовые преобразователи второго типа работают по принципу считывания информации с кодовой маски-шкалы. Число считывающих устройств равно числу разрядов кода - дорожек кодовой шкалы.
Фотоэлектрический кодовый ДП в этом случае состоит из задающего элемента, кодовой шкалы (диска), выполненной из оптического стекла, на которую нанесена кодовая маска в виде сочетания прозрачных и непрозрачных участков в соответствии с кодом, чувствительных фотоэлементов, расположенных по радиусу диска, и электронной схемы считывания кода. Считывание в двоичном коде происходит непосредственно с фотоприемников путем их опроса: их состояние зависит от взаимного положения их и участков подвижной шкалы (есть ток в цепи - нет тока).
Достоинства кодовых преобразователей: высокое быстродействие, малый момент инерции, малые потери на трение, малогабаритность, простота и надежность считывающего блока, высокая точность на основе совершенной технологии изготовления шкал и фотоэлементов, отсутствие АЦП.

Кодовый фотоэлектрический датчик угловых перемещений

Кодовый фотопреобразователь изображен на рис 24. Световой поток от источника излучения, находящегося по одну сторону от кодового диска, проходит сквозь прозрачные участки кодовой маски и щелевую диафрагму, находящуюся с другой стороны диска, и поступает на фотоприемники. Сигналы от фотоприемников в виде светового тока усиливаются (наличие сигнала – 1, отсутствие сигнала – 0). Таким образом, каждому углу поворота соответствует своя комбинация электрических сигналов - цифровое выражение данного угла. Фотоприемники располагаются по радиусу диска вдоль диафрагмы формирующей световой луч считывания.
Диск служит для образования трехразрядного двоичного кода. При повороте диска на 450 (0 - 45) свет не падает на ФП (код 000) и т. д. . В зависимости от угла поворота диска освещен тот или иной разрядный фотоэлемент или их сочетания. Для увеличения точности диск выполняется на большее число разрядов. Известны кодирующие 19-ти разрядные диски с разрешающей способностью одна минута.
Прибор с точно изготовленным диском обладает только погрешностью дискретности в зависимости от числа разрядов.
При совпадении линий раздела диска на секторы может возникнуть погрешность считывания. При совпадении линии расположения ФП с линией, отделяющей секторы 001 и 100 могут быть образованны любые коды от 000 до 111.
Рассмотрим подробнее проблемы, связанные с неоднозначностью считывания на примере кодового ФП линейных перемещений (рис. 25). ФП состоит из линейной кодовой шкалы (маски) с нанесенными кодовыми полями по ширине; чувствительного элемента - набора фотодиодов по числу разрядов кода, укрепленных неподвижно на ЛСК (линейке считывания кода) и осветителя. Шкала перемещается вместе с элементами оборудования, ЛСК закреплена неподвижно. Чувствительные элементы фиксируют код в виде тока по разрядам (дорожками шкалы). При одновременной смене символов кода в большом числе разрядов возможна неоднозначность считывания (сечение I) - грубые ошибки.

Методы устранения погрешности считывания.

1. Фиксирование кодовой маски в тот момент, когда ЛСК делит квант младшего разряда пополам. Такая фиксация технически затруднена при непрерывном движении (обработка изделий).
2. Выполнение кодовой маски не в ПДК, а в двоичном рефлексном коде Грея. Особенностью этого кода, как мы уже указывали выше, является то, что при переходе от одного дискретного значения к другому символ меняется лишь в одном разряде. Достоинством этого метода также является то, что при одинаковой дискретности дорожек младшего разряда число различных кодовых комбинаций по сравнению с ПДК удваивается, т. е. вес младшего разряда в 2 раза меньше, чем в двоичном коде - разрешающая способность в 2 раза выше.
Маску кода Грея можно получить из маски ПДК, если сдвинуть кодовые дорожки относительно начала отсчета в направлении положительного перемещения маски на половину «веса» предыдущего разряда (рис.25).
Код Грея можно считывать и с обычной маски ПДК, если сдвинуть чувствительные элементы относительно ЛСК на половину дискрет соответствующих разрядов. Недостаток метода необходимость дополнительного преобразования код Грея?ПДК.
3. Метод основан на использовании маски, выполненной в ПДК, и ЛСК специального вида, имеющей для каждого разряда, кроме младшего, два считывающих ФД, смещенных по линии считывания на 1/4 шага дорожки в каждом разряде (3 на рис. 25).
Считывание производится поочередно с диодов группы А и В каждого разряда. Если в i-м разряде считан «0», то в i+1 разряде информация считывается с диода А, если «1», то с диода В. Таким образом, информация никогда не считывается, кроме младшего разряда, с фотоприемника, переходящего границу кода в любом из разрядов, т. е. полностью устраняемая неоднозначность считывания. В последние годы для создания цифровых датчиков перемещения на базе фотоэлектрических ИП начали использовать лазерные интерферометры, которые представляют собой устройства, преобразующие лазерное излучение в периодическую последовательность фотоэлектрических импульсов («световую шкалу») с пространственным периодом, кратным длине волны. Высокая точность (Δ ≥ 0,5 мкм/м), широкие пределы измерений (до 100 м) и малая дискретность (до 0.1 мкм) сочетаются с высокой стабильностью «световой шкалы», обеспечиваемой свойствами лазерного луча (абсолютное постоянство длины волны, отсутствие инерции, нечувствительность к механическим, тепловым и др. воздействиям).
Бесконтактный принцип измерения и модульность конструкции лазерного интерферометра позволяют разместить его модули вблизи рабочей зоны. Возможность построения двух-трех координатных измерительных систем с использованием одного лазера и возможность стыковки с серийно выпускаемыми УЧПУ и ЭВМ позволяют органично включать лазерные интерферометры в ИПС многокоординатных станков и измерительных машин.