Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки
Кафедра електронної техніки і технології
РЕФЕРАТ
На тему:
«Датчики переміщень»
МІНСЬК, 2008
Одним з вузлів, що визначають точність роботи будь-якої системи позиціонування, є датчики переміщення. Датчики переміщень призначені для перетворення величини лінійного переміщення або кута обороту ходового гвинта в унітарний код: просту послідовність однакових за тривалістю і амплітудою електричних імпульсів, число яких прямо пропорційно величині кутового чи лінійного переміщення.
Індуктивні датчики
Для перетворення безупинно мінливих величини в дискретні електричні імпульси широко застосовуються індуктивні і оптичні датчики.
Схема індуктивного датчика показано на малюнку 1.
Малюнок 1 - Схема індуктивного датчика.
На рухомої частини верстата встановлюється тонка рейка з магнитомягких матеріалу. Виступи рейки 1 модулюють магнітне опір робочого зазору при русі. Муздрамтеатр Ш-образного сердечника 2 має дві обмотки, включені назустріч один одному і живляться від трансформатора Тр. У діагональ індуктивного моста включений вимірювальний прилад. У середньому положенні вимірювальний міст збалансований і стрілка приладу 3 буде стоять на нулі. Незначний розбаланс призводить до відхилення стрілки приладу. Добре виконаний датчик уловлює переміщення ~ 2 мкм. Для дискретних схем необхідний цифроаналоговий перетворювач (ЦАП).
Фотооптичні датчики переміщень.
На ходовому гвинті розташовується диск з великим числом щілин (від 100 до 800). Світло від лампи через циліндричну лінзу у вигляді вузького пучка направляється на диск і фотоприймач (фотодіод). При кроці ходового гвинта 2 мм і кількості щілин на диску 400 кожному електричному імпульсу буде 5. мати дискретність ~ 0,001 мм число щілин зростає до 2000 і діаметр диска зростає до 600 мм, що є неприйнятним.
Можна встановлювати лічильний диск не на ходовому гвинті, а на пов'язаний з ним швидкохідний вал. Але при цьому зменшиться точність відліку через похибки передачі.
Прецизійні датчики лінійних переміщень
Прецизійні датчики лінійних переміщень будуються на основі растрових шкал, метрологічних дифракційних решіток і лазерних інтерферометрів. Перші два види ДЛП будуються на однаковому принципі контролю переміщень. Вони мають довгу шкалу у вигляді періодично завданих штрихів і візирну коротку шкалу з таким же або кратним періодом штрихів і отворів. Якщо просторова частота розташування штрихів на шкалах не перевищує 50-100 мм -1, вони називаються растровими шкалами, а якщо вище 100 мм -1 - метрологічними дифракційними гратами (або дифракційними решітками). Так як дискретність переміщень часто буває менше 1 мкм, то здавалося б, чим вище частота штрихів, тим легше конструювати схеми формування електричних імпульсів. Проте проста заміна растрових шкал дифракційними гратами ускладнюється низкою виникають при цьому ефектів, що роблять ДЛП чутливими до зміни відстані між заходом і візирної шкалою, довжиною хвилі і пр. Системи на основі растрових шкал дифракційних решіток мають два різновиди - накопичують системи та системи, що використовують ефект муарових картин.
Накопичують системи
Накопичують системи використовують систему відображають або пропускають оптичних грат. Конструкція оптичних ДЛП з відзеркалювальною гратами показана на рис.2. Діафрагма скануючої головки містить 4 щілини. Щілини розміщені так, що вихідні сигнали фотоприймачів зрушені на чверть періоду вимірювальної решітки. Так сигнали, через зміщення щілин зрушені по фазі і квазисинусоидального сигнали фотоприймачів. Роздільна здатність таких систем 0.5 мкм, що при загальній похибки не більше 1 мкм для вимірювання переміщень в діапазоні 1-2 см.
Недолік методу: потрібна строга паралельність ліній рисок та лінійки двигуна. Друга система решіток використовує метод муарових смуг.
Метод муарових смуг.
Муарові смуги - система темних зон, утворених при накладенні і підсвічуванні двох ідентичних злегка зміщених під кутом один щодо одного грат.
Малюнок 2 - ДЛП переміщень з відбиває гратами.
1 - джерело світла, 2 - конденсорние лінзи, 3 - сталева шкала з гратами, 4 - діафрагма, 5 - фотоприймач.
При зсуві решіток один щодо одного зони (темні і світлі) зміщуються один відносно одного вгору-вниз на відстань l. Р - крок решітки, θ - кут нахилу.
Основні переваги способу: (відбивної оптики)
муарова картина не залежить від довжини хвилі світла в порівняно широкому діапазоні довжин хвиль. Це дозволяє застосовувати в якості джерела світла звичайні мініатюрні лампи розжарювання.
2. зберігається високий контраст муаровою картини при відносно великих (до десяти мм) зазорах між гратами.
3. крок муаровою картини може відповідати величині переміщень у кілька разів менше, ніж відстань між штрихами грат.
Муарова картина формується на виході прозорою решітки. Лінійна ширина періоду муаровою картини дорівнює:
, (1)
де, d 1 - постійна прозорою решітки, θ - кут розвороту штрихів.
Рисунок 3 - Схема освіти муарових смуг.
У ДЛП цей кут дорівнює приблизно 10 -4, так, що переміщення решітки на 1 мкм відповідає зрушення муаровою картини на 10 мм, що легко фіксується фотоприймачем.
Зазвичай достатньо двох фотоприймачів. При переміщенні в них формуються сигнали:
I 1 = k 1 (E 0 + Ecos2 π X / ε) (2)
I 2 = k 2 (E 0 ± Esin2 π X / ε), (3)
де k 1, k 2 - чутливість фотоприймача, Е 0 - рівень постійної складової і амплітуди змінної складової освітленості муаровою картини, Х - величина переміщення, - Ціна періоду муаровою картини.
d 2 - постійна відбиває решітки, q i - порядок дифракційного максимуму.
Оскільки на 2 максимумі відбивання при рівнобедрених ризики припадає 80% відбиває енергії, то q = 2, ε = d 2 / 4.
При визначенні положення з точністю ± ε виникають труднощі інтерполяції через коливання постійної освітленості Е 0, яка залежить від багатьох факторів, в тому числі і від коливань яскравості джерела світла, від змінюється відбивної здатності грат і т.д.
Тому іноді в ДЛП застосовуються фотоприймачі, розташовані вздовж муаровою картини, із зсувом на чверть періоду і формуються два сигнали, кожен з яких представляє собою різницю сигналів двох фотоприймачів, розташованих на відстані половини періоду муаровою картини.
Системи позиціонування з лазерними інтерферометрами
Прагнення підвищити точність систем позиціонування, виключити залежність їх параметрів від точності виготовлення напрямних і їх зносу в процесі експлуатації призвело до створення нового типу систем позиціонування з лазерними інтерферометрами.
Пояснимо якісно не вдаючись до формул, як діє лазерний інтерферометр.
Рисунок 4 - Оптична схема лазерного інтерферометра.
1 - лазер, 2 - напівпрозоре дзеркало, 3 - нерухоме відображає дзеркало, 4 - відбивач, встановлений на переміщається деталі, 5 - фотоприймач, 6 - електронний пристрій обробки даних.
Промінь, який виходить з малопотужного гелій-неонового лазера розщеплюють напівпрозорим дзеркалом на два промені - опорний та вимірювальний. Опорний промінь А проходить оптичний шлях від дзеркала 2 до дзеркала 3 і далі до фотоприймача 5. Вимірювальний промінь У йде до відбивача, встановленому на переміщуваної деталі, а потім повертається і потрапляє в фотоприймач. У підсумку обидва променя зустрічаються і інтерферують в фотоприймачі. Реєстрована фотоприймачем інтенсивність світла залежить від різниці довжин оптичних шляхів обох променів.
Δ l = L і - L o. (4)
Припустимо, що в якийсь момент часу обидва променя, опорний та вимірювальний, зустрілися в однаковій фазі. Значить, у цей момент часу фотоприймач зареєструє максимум інтенсивності світла. Але якщо деталь разом з відбивачем 4 починає рухатися, довжина вимірювального шляху L і теж починає змінюватися. Як тільки Δl зміниться на половину довжини хвилі світла, що генерується лазером, складання променів у фотоприймачі буде відбуватися в протифазі і фотоприймач зареєструє мінімальне випромінювання - «темряву». Ще на воловине довжини хвилі змінюється шлях вимірювального променя і в фотоприймачі знову світло, чергова половина довжини хвилі - знову темно. І т.д. - Світло-темно, світло-темно.
Таким чином, при зміні Δl на λ / 2 інтенсивність світла в фотоприймачі змінюється від максимуму до мінімуму або навпаки. Якщо при переміщенні відбивача змінилися N раз, це означає, що деталь (супорт) перемістилася на відстань λ N / 2. Число N підраховує електронний пристрій 6. Таким чином, переміщення деталі вимірюється в довжинах хвиль.
За допомогою лазерних інтерферометрів вимірюють переміщення від сотих часток мкмк до декількох десятків метрів.
На практиці лазерний інтерферометр зазвичай працює в комплекті з пристроєм програмного керування верстатом. Тому одночасно з контролем переміщення здійснюється їх автоматична корекція.
1 - робоча головка (тубус), 2, 3 - каретки; 4 - дзеркала; 6 - вимірювальні головки; 7 - роздільник; 8 - лазер; 9 - призма.
Рисунок 5 - Схема координатного столу з лазерним інтерферометром.
На малюнку 5 зображено схема координатного столу з лазерним інтерферометром. У такого столу на верхній каретці встановлені два взаємоперпендикулярних дзеркала, що представляють собою рухливі плечі інтерферометрів. На тубусі робочої головки встановлені два дзеркала нерухомих або інтерферометрів.
Таким чином, інтерферометри відраховують взаємні переміщення по двох осях верхньої каретки відносно нерухомої системи координат. Дзеркала можуть бути виготовлені з досить високою площинність, що укладається в десяті частки мкм. У процесі експлуатації вони не зношуються, так що закладені в них точності зберігаються тривалий час. Для забезпечення взаємної перпендикулярності дзеркал з точність до часток кутових секунд використовуються спеціальні оптичні прийоми. Точність роботи координатного столу в значній мірі залежить від точності роботи інтерферометрів. На точність відліку переміщень впливають два фактори - нестабільність частоти випромінювання лазера і зміна довжини хвилі випромінювання від коливань навколишньої температури, тиску, вологості. Проблема стабілізації частоти лазерного випромінювання в даний час майже вирішена, крім того можлива корекція похибки за рахунок інформації від датчиків температури, тиску, вологості за допомогою ЕОМ.
ЛІТЕРАТУРА
Проектування радіоелектронних засобів: Учеб. посібник для вузів / О. В. Алексєєв, А. А. Головков, І. Ю. Пивоваров та ін; Під ред. О. В. Алексєєва. - М.: Вищ. шк., 2000. - 479 с.
Технологія радіоелектронних пристроїв і автоматизація виробництва: Підручник / А.П. Достанко, В. Л. Ланін, А.А. Хмиль, Л.П. Ануфрієв; За заг. ред. А.П. Достанко. - Мн. Обчислюємо. шк., 2002
Довідник конструктора РЕА: Загальні принципи конструювання / Под ред. Р.Г. Варламова. - М.: Радіо, 2000.