Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники

Кафедра электронной техники и технологии

РЕФЕРАТ

На тему:

«Датчики перемещений»

МИНСК, 2008

Одним из узлов, определяющих точность работы любой системы позиционирования, являются датчики перемещения. Датчики перемещений предназначены для преобразования величины линейного перемещения или угла оборота ходового винта в унитарный код: простую последовательность одинаковых по длительности и амплитуде электрических импульсов, число которых прямо пропорционально величине углового или линейного перемещения.

Индуктивные датчики

Для преобразования непрерывно изменяющейся величины в дискретные электрические импульсы широко применяются индуктивные и оптические датчики.

Схема индуктивного датчика показана на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема индуктивного датчика.

На подвижной части станка устанавливается тонкая рейка из магнитомягкого материала. Выступы рейки 1 модулируют магнитное сопротивление рабочего зазора при движении. Магнитопровод Ш-образного сердечника 2 имеет две обмотки, включенные навстречу друг другу и питаемые от трансформатора Тр. В диагональ индуктивного моста включен измерительный прибор. В среднем положении измерительный мост сбалансирован и стрелка прибора 3 будет стоят на нуле. Незначительный разбаланс приводит к отклонению стрелки прибора. Хорошо выполненный датчик улавливает перемещения ~2 мкм. Для дискретных схем необходим цифроаналоговый преобразователь (ЦАП).

Фотооптические датчики перемещений.

На ходовом винте располагается диск с большим числом щелей (от 100 до 800). Свет от лампы через цилиндрическую линзу в виде узкого пучка направляется на диск и фотоприемник (фотодиод). При шаге ходового винта 2 мм и количестве щелей на диске 400 каждому электрическому импульсу будет 5. иметь дискретность ~0,001 мм число щелей возрастает до 2000 и диаметр диска возрастает до 600 мм, что неприемлемо.

Можно устанавливать счетный диск не на ходовом винте, а на связанный с ним быстроходный вал. Но при этом уменьшится точность отсчета из-за погрешности передачи.

Прецизионные датчики линейных перемещений

Прецизионные датчики линейных перемещений строятся на основе растровых шкал, метрологических дифракционных решеток и лазерных интерферометров. Первые два вида ДЛП строятся на одинаковом принципе контроля перемещений. Они имеют длинную шкалу в виде периодически нанесенных штрихов и визирную короткую шкалу с таким же или кратным периодом штрихов и отверстий. Если пространственная частота расположения штрихов на шкалах не превышает 50-100 мм^-1, они называются растровыми шкалами, а если выше 100 мм^-1 – метрологическими дифракционными решетками (или дифракционными решетками). Так как дискретность перемещений часто бывает менее 1 мкм, то казалось бы, чем выше частота штрихов, тем легче конструировать схемы формирования электрических импульсов. Однако простая замена растровых шкал дифракционными решетками затрудняется рядом возникающих при этом эффектов, делающих ДЛП чувствительными к изменению расстояния между мерой и визирной шкалой, длиной волны и пр. Системы на основе растровых шкал дифракционных решеток имеют две разновидности – накапливающие системы и системы, использующие эффект муаровых картин.

Накапливающие системы

Накапливающие системы используют систему отражающих или пропускающих оптических решеток. Конструкция оптических ДЛП с отражающей решеткой показана на рис.2. Диафрагма сканирующей головки содержит 4 щели. Щели размещены так, что выходные сигналы фотоприемников сдвинуты на четверть периода измерительной решетки. Так сигналы, из-за смещения щелей сдвинуты по фазе и квазисинусоидальные сигналы фотоприемников. Разрешающая способность таких систем 0.5 мкм, что при общей погрешности не более 1 мкм для измерения перемещений в диапазоне 1-2 см.

Недостаток метода: требуется строгая параллельность линий рисок и линейки двигателя. Вторая система решеток использует метод муаровых полос.

Метод муаровых полос.

Муаровые полосы – система темных зон, образуемых при наложении и подсвечивании двух идентичных слегка смещенных под углом друг относительно друга решеток.

Рисунок 2 - ДЛП перемещений с отражающей решеткой.

1 – источник света, 2 – конденсорные линзы, 3 – стальная шкала с решеткой, 4 - диафрагма, 5 – фотоприемник.

При смещении решеток друг относительно друга зоны (темные и светлые) смещаются друг относительно друга вверх-вниз на расстояние l. Р – шаг решетки, θ – угол наклона.

Основные преимущества способа: (отражательной оптики)

1. муаровая картина не зависит от длины волны света в сравнительно широком диапазоне длин волн. Это позволяет применять в качестве источника света обычные миниатюрные лампы накаливания.

2. сохраняется высокий контраст муаровой картины при относительно больших (до десяти мм) зазорах между решетками.

3. шаг муаровой картины может соответствовать величине перемещений в несколько раз меньше, чем расстояние между штрихами решеток.

Муаровая картина формируется на выходе прозрачной решетки. Линейная ширина периода муаровой картины равна:

, (1)

где, d₁ – постоянная прозрачной решетки, θ – угол разворота штрихов.

Рисунок 3 - Схема образования муаровых полос.

В ДЛП этот угол равен примерно 10^-4, так, что перемещению решетки на 1 мкм соответствует сдвиг муаровой картины на 10 мм, что легко фиксируется фотоприемником.

Обычно достаточно двух фотоприемников. При перемещении в них формируются сигналы:

I₁ = k₁(E₀+ Ecos2πX/ε)(2)

I₂ = k₂(E₀± Esin2πX/ε),(3)

где k₁, k₂ – чувствительность фотоприемника, Е₀ – уровень постоянной составляющей и амплитуды переменной составляющей освещенности муаровой картины, Х – величина перемещения,

- цена периода муаровой картины.

d₂ – постоянная отражающей решетки, q_i – порядок дифракционного максимума.

Поскольку на 2 максимуме отражения при равнобедренных рисках приходится 80% отражающей энергии, то q = 2, ε = d₂/4.

При определении положения с точностью ±ε возникают трудности интерполяции из-за колебаний постоянной освещенности Е₀, которая зависит от многих факторов, в том числе и от колебаний яркости источника света, от изменяющееся отражательной способности решеток и т.д.

Поэтому иногда в ДЛП применяются фотоприемники, расположенные вдоль муаровой картины, со сдвигом на четверть периода и формируются два сигнала, каждый из которых представляет собой разность сигналов двух фотоприемников, расположенных на расстоянии половины периода муаровой картины.

Системы позиционирования с лазерными интерферометрами

Стремление повысить точность систем позиционирования, исключить зависимость их параметров от точности изготовления направляющих и их износа в процессе эксплуатации привело к созданию нового типа систем позиционирования с лазерными интерферометрами.

Поясним качественно не прибегая к формулам, как действует лазерный интерферометр.

Рисунок 4 - Оптическая схема лазерного интерферометра.

1 – лазер, 2 – полупрозрачное зеркало, 3 – неподвижное отражающее зеркало, 4 - отражатель, установленный на перемещающейся детали, 5 – фотоприемник, 6 – электронное устройство обработки данных.

Луч, выходящий из маломощного гелий-неонового лазера расщепляют полупрозрачным зеркалом на два луча – опорный и измерительный. Опорный луч А проходит оптический путь от зеркала 2 до зеркала 3 и далее к фотоприемнику 5. Измерительный луч В идет к отражателю, установленному на перемещаемой детали, а затем возвращается и попадает в фотоприемник. В итоге оба луча встречаются и интерферируют в фотоприемнике. Регистрируемая фотоприемником интенсивность света зависит от разности длин оптических путей обоих лучей.

Δl = L_и – L_o_.(4)

Предположим, что в какой-то момент времени оба луча, опорный и измерительный, встретились в одинаковой фазе. Значит, в этот момент времени фотоприемник зарегистрирует максимум интенсивности света. Но если деталь вместе с отражателем 4 начинает двигаться, длина измерительного пути L_и тоже начинает меняться. Как только Δl изменится на половину длины волны света, генерируемого лазером, сложение лучей в фотоприемнике будет происходить в противофазе и фотоприемник зарегистрирует минимальное излучение – «темноту». Еще на воловину длины волны изменяется путь измерительного луча и в фотоприемнике опять светло, очередная половина длины волны – опять темно. И т.д. – светло-темно, светло-темно.

Таким образом, при изменении Δl на λ/2 интенсивность света в фотоприемнике изменяется от максимума до минимума или наоборот. Если при перемещении отражателя сменились N раз, это означает, что деталь (суппорт) переместилась на расстояние λN/2. Число N подсчитывает электронное устройство 6. Таким образом, перемещение детали измеряется в длинах волн.

С помощью лазерных интерферометров измеряют перемещения от сотых долей мкмк до нескольких десятков метров.

На практике лазерный интерферометр обычно работает в комплекте с устройством программного управления станком. Поэтому одновременно с контролем перемещения осуществляется их автоматическая коррекция.