🗊Презентация Глава 3_1

ЦИФРОВАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА ГЛАВА 3: ПРОСТРАНСТВЕНАЯ ОБЛАСТЬ ЦИТ В.Г. Кнорринг

ГЛАВА 3. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ОБЛАСТЬ ЦИТ Содержание: Объекты и шкалы пространственнóй области Преобразователи положение→код (абсолютные) с кодовыми масками Преобразователи положение→код (абсолютные) с синусно-косинусными сигналами Преобразователи перемещение→код (инкрементные) с кодовыми масками Преобразователи перемещение→код (инкрементные) с синусно-косинусными сигналами

ОБЪЕКТЫ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОБЛАСТИ В пространственной области мы имеем дело с относительными положениями и относительными перемещениями твёрдых, жидких (в уровнемерах и расходомерах) и газообразных (в анемометрах) тел, а также с положениями векторов физических полей (например, с направлением силы тяжести в инклинометрах).

СХОДСТВО И РАЗЛИЧИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ И ВРЕМЕННǑЙ ОБЛАСТЕЙ ЦИТ Во временнóй области мы рассматривали одномерные явления. Положение события характеризовалось одним числом − датой. В пространственной области положение твёрдого тела характеризуется шестью числами: тремя линейными и тремя угловыми координатами. Однако в ЦИТ непосредственно измеряется какая-то одна координата.

Во временной области ЦИТ рассматривались шкалы стробов для датирования событий и импульсные шкалы для измерения интервалов. Во временной области ЦИТ рассматривались шкалы стробов для датирования событий и импульсные шкалы для измерения интервалов. Аналогично в пространственной области ЦИТ существуют абсолютные преобразователи для определения положений и инкрементные преобразователи для измерения перемещений.

Во временной области большую роль играют колебательные процессы, на основе которых формируются шкалы высокой равномерности. Во временной области большую роль играют колебательные процессы, на основе которых формируются шкалы высокой равномерности. В пространственной области тоже могут использоваться колебательные процессы − в оптических и акустических интерферометрах, в акустооптических преобразователях, разработанных В.И. Телешевским в московском СТАНКИНе. Но они пока не получили массового применения.

Во временной области представление колебательного процесса вращающимся вектором наводило на мысль о возможности использования вещественной и мнимой составляющих сигнала для определения мгновенного положения вектора. Но при этом возникали большие трудности. Во временной области представление колебательного процесса вращающимся вектором наводило на мысль о возможности использования вещественной и мнимой составляющих сигнала для определения мгновенного положения вектора. Но при этом возникали большие трудности. В пространственной области есть устройства с синусно-косинусными сигналами, обработка которых не представляет трудностей.

Во временной области ЦИТ мы рассматривали прямые и обратные преобразования: длительность→код и код→длительность, частота→код и код→частота. Во временной области ЦИТ мы рассматривали прямые и обратные преобразования: длительность→код и код→длительность, частота→код и код→частота. В пространственной области принципы преобразования код→перемещение известны, но практически для задания перемещения подвижной части станка или робота используют шаговые двигатели или перемещают подвижную часть до совпадения измеренного перемещения с заданным. Обратные преобразования для малых перемещений здесь рассматривать не будем.

ВИДЫ ШКАЛ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОБЛАСТИ Бóльшая часть шкал пространственной области представляет собой кодовые маски, получившиеся развитием шкал и лимбов, которые применялись ранее в приборах. Они требуют разметки. Пространственные шкалы можно строить путём обработки синусно-косинусных сигналов различных преобразователей. Выше упоминались естественные шкалы, основанные на волновых процессах. Они близки к предыдущим. В книге: Кнорринг В.Г. Цифровые средства измерений с пространственными инкрементными шкалами. − Л.: Изд-во ЛПИ им. М.И. Калинина, 1977. − 82 с. рассматривались репродукционные шкалы, получающиеся повторным откладыванием некоторого заданного расстояния. Здесь мы не будем их касаться.

ЧТО ЖЕ БУДЕТ РАССМАТРИВАТЬСЯ В ЭТОЙ ГЛАВЕ?

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОЛОЖЕНИЕ→КОД С КОДОВЫМИ МАСКАМИ Преобразователи с масками содержат одну или несколько круговых или линейных дорожек, разбитых на участки, различающиеся физическими свойствами: проводящие и непроводящие; прозрачные и непрозрачные; экранирующие и неэкранирующие и т. п. Эти свойства воспринимаются соответствующими воспринимающими элементами − контактными («щётками»), фотоэлектрическими, трансформаторными... Кодирование может быть выбрано любым; преобразование может быть нелинейным (функциональным).

Рейка, кодированная кодом Грея Светлые участки − двоичные нули, тёмные − единицы

Расщепление воспринимающих элементов (U-расположение) Тёмные участки − двоичные нули, светлые − единицы

Абсолютный энкодер СКБ ИС

Абсолютный энкодер фирмы Autonics

СИНУСНО-КОСИНУСНЫЕ СИГНАЛЫ Пара сигналов постоянного или переменного тока, изменяющихся как Umsinx и Umcosx, позволяет найти измеряемую величину x независимо от возможных изменений Um (логометрическое преобразование). Устройства, формирующие один цикл сигналов в диапазоне измерения, позволяют строить абсолютные преобразователи. Это, например, СКВТ. Если циклов много − строятся инкрементные преобразователи.

Синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы − СКВТ (resolvers)

Следующие иллюстрации − из статьи:

Что такое СКВТ

Сигналы СКВТ

Получение цифрового отсчёта с помощью СКВТ

Принцип обработки сигналов СКВТ следящей системой

Математическая основа обработки

Микросхема с аналоговой обработкой сигналов СКВТ

Навесные элементы аналоговой обработки сигналов СКВТ

Соединение СКВТ с микросхемой AD2S80A

Более современная микросхема

Соединение СКВТ с микросхемой AD2S1210

Имитация сигналов инкрементного энкодера в микросхеме AD2S1210

Следящая система − не единственный способ преобразования сигналов СКВТ Например, возможен перевод пространственной фазы во временную с последующим цифровым измерением угла сдвига фаз. Берём сигналы СКВТ

Наряду с СКВТ для преобразования могут использоваться сельсины Сельсин (synchro) отличается от СКВТ трёхфазной системой выходных сигналов. Её можно преобразовать в двухфазную систему (формат СКВТ) Т-образным трансформатором Скотта (Scott T transformer).

ИНКРЕМЕНТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ Используются, как правило, одноразрядные двоичные шкалы, дающие сигналы в форме меандров.

ПРИМЕНЕНИЯ ИНКРЕМЕНТНЫХ ЭНКОДЕРОВ

Инкрементный энкодер СКБ ИС

Инкрементный энкодер фирмы Autonics

Одноразрядная двоичная шкала в инкрементном преобразователе (по книге: Кнорринг 2003)

Аппаратная обработка квадратурных сигналов

Программная обработка квадратурных сигналов Сигналы инкрементного датчика вводятся в микроконтроллер с такой частотой, чтобы при движении в одну сторону не пропустить двух изменений. Сравниваются текущее и предыдущее состояния сигналов (диаграммы и таблица на следующем слайде). Возможен промежуточный вариант: сочетание регистра и ПЗУ, в котором записывается таблица решений.

Инкрементные преобразователи с синусно-косинусными сигналами Индуктосины Оптические растровые сопряжения Интерферометры

Магнитные инкрементные преобразователи фирмы Balluff

Получение синусно-косинусных сигналов в оптическом растровом сопряжении В настоящее время предпочитают сопряжения с одинаковым периодом штрихов измерительного и индикаторного растров. Для получения синусно-косинусных сигналов индикаторный растр делят на четыре секции, расположенные со смещением на четверть, половину и три четверти периода штрихов.

Интерполяция синусно-косинусных сигналов инкрементных преобразователей Интерполяция путём синтеза сдвинутых сигналов (Вульвет)

Интерполяция путём формирования треугольного сигнала и двух постоянных опорных сигналов (Opton Zeiss)

Интерполяция путём компарирования выпрямленных и делённых сигналов (Кафедра ИИТ ЛПИ)

Растровый преобразователь для Растровый преобразователь для станков с программным управлением при длине измерительного растра 1 м обеспечивает благодаря интерполяции разрешающую способность порядка долей микрометра.