Traductoare optice. 1. Traductoare numerice pentru deplasări unghiulare

Transcript

1 . Traductoare numerice pentru deplasări unghiulare Numele de traductoare numerice este justificat din faptul că acestea sunt singurele traductoare pur numerice (care nu necesită conversie intermediară). Elementul sensibil propriu-zis îl constituie un disc codat, iar prelucrarea informaţiei numerice este specifică modului de codificare. În esenţă se disting două tipuri importante: discuri codate absolut, la care în orice moment dispozitivul de măsurare oferă informaţii asupra poziţiei unghiulare în raport cu un punct de referinţă, exprimată printr-un număr de cuante, şi discuri incrementale, care oferă o succesiune de impulsuri în raport cu ultima poziţie atinsă, fiecare impuls constituindu-se în cuantă (increment) de deplasare. Fiecare cuantă de deplasare echivalează cu o variabilă binară şi aduce un bit de informaţie (0 sau )... Traductoare numerice absolute pentru măsurări unghiulare Principiul realizării unui disc codat absolut se bazează pe împărţirea domeniului de măsurare într-un număr de cuante elementare (cuanta elementară determină rezoluţia), alegerea unui cod de exprimare a valorilor cuantificate şi găsirea unei metode de înscriere pe disc a informaţiei şi implicit de citire a acesteia. Astfel, în fig. este prezentat un disc Fig.. Disc codat absolut codat care acoperă 360º cu 32 de coduri, deci având rezoluţía de aproximativ 5. Codul utilizat este cod binar natural. Discuri absolute cu contact. Pe un astfel de disc pistele concentrice Sunt codificate formând zone conductoare sau izolante. Suprafeţele conductoare sunt legate electric printr-o perie fixă la un inel colector (pistă de energizare) care serveşte la alimentarea electrică a colectorului. Pistele sunt testate de o serie de perii colectoare localizate la diferite distanţe radiale, fiecare perie fiind conectată prin conductor separat. La rotirea discului periile se conectează la tensiunea comună de alimentare acolo unde au contact cu o zonă metalică conductoare, ceea ce înseamnă,," logic. Pistele trebuie să fie astfel realizate încât tranziţia de la o suprafaţă izolantă la una conductoare să se facă lin, iar uzura pe suprafaţa discului să fie aceeaşi în orice poziţie. De regulă, pistele sunt aurite, iar periile de asemenea. Periile sunt miniaturale, deschiderea unei perii este de 0,003". Rezoluţia discului este determinată de numărul de piste. Un disc cu 0 piste asigură o rezoluţie de : 024;

2 pentru reyoluţii mai mari se pot utiliza sisteme cu mai multe discuri, cuplate prin reductoare adecvate, care furnizează la o rotaţie completă peste de combinaţii. În fig. 2 se prezintă o secţiune prin pistă disc. Cele mai răspândite coduri binare sunt: - codul binar natural este cel mai răspândit în tehnica digitală. Are dezavantajul modificării mai multor biţi simultan la trecerea Fig. 2. Secţiune prin pista unui disc absolute cu de la un cod la altul; contact. - codul BCD (binar codificat zecimal); este folosit în special când traductorul este cuplat cu alte elemente de automatizare discretă ce lucrează în cod BCD, nefiind necesare blocuri de conversie suplimentare; - codul Gray; are proprietatea că două coduri consecutive diferă prin valoarea unui singur bit. Aceasta simplifică sistemul de testare şi decodificare, înlăturând dezavantajul codului binar natural. Necesită o logică pentru convertirea semnalului de ieşire în codul dorit (BCD, binar natural, etc.), întru-cât codul Gray este neponderat. Eroarea totală a acestor traductoare este determinată de: - eroarea de cuantizare, inerentă ori de câte ori o funcţie liniar variabilă este discretizată printr-un număr finit de cuante. Prin această codificare se produce o eroare de ±/2 din valoarea bitului cel mai puţin semnificativ. Această eroare inevitabilă poate fi redusă numai prin mărirea numărului de diviziuni ale discurilor; - eroarea de tranziţie, determinată de erorile de execuţie a discurilor codificate, a planeităţii concentricităţii acestora, de calitatea lagărelor, cilindricitatea axului şi perpendicularitatea acestuia faţă de disc. - eroarea de ambiguitate, provocată de faptul că două comutaţii "izolant/conductor" nu se produc simultan pe mai multe piste; eroarea de ambiguitate se elimină prin tehnicile de testare menţionate; - zgomotul generat de variaţia rezistenţei de contact. El apare în mod evident la trecerea dintr-o stare logică în alta, în regimurile tranzitorii, şi este mai evident la trecerea din,,0" în,,". Limitele de funcţionare impuse de caracteristicile electrice sunt limitări ale lungimii cablului de legătură şi de viteză. Aceste limitări sunt impuse de parametrii electrici. Astfel, considerând tensiunea de alimentare U a = 2 V şi curentul la perii I p = ma, rezultă necesitatea unei rezistenţe de sarcină de 2 k Ω. Considerând un cablu cu capacitanţă c = 50 pf/m, rezultă că întârzierea în linie pentru o lungime l = 00 m este τ = 0,7 lcr = 0,25 ms. Aceasta înseamnă o frecvenţă de 2

3 repetiţie maximă de 400 Hz şi, ca atare, la un disc cu 8 piste (256 combinaţii) viteza maximă la care se păstrează precizia este de 400/250 =,25 rot/s. Discuri absolute optice. Majoritatea traductoarelor numerice absolute utilizate în prezent se bazează pe principii optice şi conversie fotoelectrică. Discul codat este realizat din sticlă specială pe care sunt trasate spaţii transparente şi opace corespunzător zonelor conductoare şi izolante de la discurile cu contact. La disc se asociaza o sursă luminoasă cuplată cu un sistem optic şi în final, o matrice de fotoelemente dispuse radial. Configuraţia de bază este indicată în fig. 3. Fig. 3. Disc optic absolut. Ca şi la celelalte tipuri de discuri, performanţele sunt dictate de calitatea realizării discurilor. La execuţia acestora se utilizează tehnici de reproducere fotografică de înaltă calitate, putându-se ajunge la linii radiale distanţate cu 0,067 secunde de arc, ceea ce corespunde la o rezoluţie de :0 8, În afară de codul Gray binar, se mai utilizează codul binar natural, coduri ciclice, coduri BCD, precum şi coduri ce simulează diferite funcţii: sin, cos, log. Ca emiţător de lumină se folosesc în general diode luminiscente Galliu-Arseniu (GaAs) cu durata de viaţă lungă (> 0 5 ore). În fig. 4 sunt prezentate cele două modalităţi mai răspândite de iluminare a discului folosind o singură sursă luminoasă (un bec cu incandescenţă) asociată cu un sistem optic care polarizează corespunzător lumina în dreptul fiecărei piste. În fig 4.a, sistemul bec-lentilă iluminează o faţă a discului, iar senzorii sunt dispuşi în dreptul unei fante situate în dreptul liniei de citire. În fig. 4.b, sistemul optic produce o singură linie luminoasă, care se proiectează pe linia de citire de pe disc. Cu filamente speciale, pe un disc cu diametrul de 50 mm se pot citi până la biţi. 3

4 Fig. 4. Modalităţi de iluminare a discurilor optice: a cu fantă; b cu colimator. Nivel de prag + - Ieşire Nivel de prag Fig. 5. Formator de semnale. Receptorul este realizat cu fototranzistori sau fotodiode, eventual celule fotovoltaice, urmate de circuite de amplificare şi formare adecvate. Astfel, pentru o celulă fotovoltaică cu siliciu se obţine o tensiune de mv pe o rezistenţă de sarcină de 0 kω şi apoi se amplifică cu circuite de tip Trigger-Schmitt care oferă o ieşire semnal logic,,,0" sau,," în funcţie de zona opacă sau transparentă. În fig. 5 se prezintă un astfel de circuit de formare cu un nivel de prag de circa 0 mv (8 mv 2 mv) pentru fiecare pistă. O eroare specifică acestor sisteme de citire optice (este eroarea de histerezis, provocată de diferenţa în nivel de tensiune între trecerea din zona întunecoasă în zona transparentă faţă de trecerea inversă. Acest fenomen este ilustrat în fig. 6 şi apare ca o deplasare δ între poziţiile reale şi cele detectate. Aceasta însă poate fi şi un avantaj, pentru că, prin măsuri adecvate, poate asigura corecţia erorilor ce apar datorită vibraţiilor, tehnică asupra căreia se va insista la traductoarele incrementale, unde se vor prezenta şi alte metode de baleiere a discurilor optice. 4

5 0 0 0 δ Disc codat Ieşire ideală Ieşire la deplasare dreapta Ieşire la deplasare stânga Fig. 6. Eroare de histerezis la traductoare optice incrementale. Discurile codate se pot folosi şi la măsurarea deplasărilor liniare prin transformarea mişcării de translaţie în mişcare de rotaţie. Ţinând seama şi de viteza de deplasare a elementului a cărui deplasare se măsoară, doar discurile optice sunt recomandate, întru-cât asigurarea măsurării cu precizie 0-2 mm la o viteză de 0 m/min implică o frecvenţă de cel puţin 20 khz pe pista cea mai puţin semnificativă. În fig. 7 este prezentată schema de principiu pentru un astfel de traductor, conceput să fie antrenat de organul mobil printr-un pinion care se roteşte pe o cremalieră de măsură solidară cu suportul pe care se execută deplasarea. Domeniul acoperit este de 4 m, cu precizie 0 µ, sau la măsurare directă de unghi - 360, cu precizia 0,8. Sistemul conţine 3 discuri, primul disc având 000 de coduri BCD (trei decade distincte), ceea ce corespunde la un increment unghiular de 0,8. Pe următoarele două discuri antrenate prin reductoare în raportul 20: sunt dispuse celelalte 3 decade (pe discul 2 sunt dispuse pe cele 20 de poziţii distincte decada a IV-a şi prima jumătate din decada a V-a). Sistemul foloseşte o singură sursă de lumină pentru toate cele 3 discuri. Fig. 7. Traductor absolut cu mai multe discuri..2. Traductoare numerice inerementale pentru deplasări uughiulare Traductoarele de acest tip sunt proiectate astfel încât să genereze un număr fix de impulsuri pentru fiecare unitate de rotaţie unghiulară (increment unghiular) a discului codat. Procedeul de sesizare a deplasării poate fi magnetic sau optic, cel optic fiind în prezent cel mai răspândit datorită 5

6 unei simplităţii constructive şi a unor facilităţi de prelucrare a semnalelor. Circuitul electronic asociat discului trebuie să conţină un numărător care să ofere o ieşire numerică, într-un anume cod dependent de numărul de fante de pe disc. De asemenea este necesar să se indice direcţia de rotaţie, care nu mai e cuprinsă în informaţia oferită de numărător. Discul codat conţine o reţea optică de zone transparente (reflectorizante) şi opace. Citirea este realizată prin contorizarea impulsurilor provenite de la traductorul optic. a) Procedeul diascopic. La acest procedeu reţeaua este dispusă pe un disc de sticlă şi constă în zone transparente alternate cu interstiţii opace. Lumina lămpii este dirijată printr-un sistem de lentile optice paralel prin disc spre reticulul adaptor (fig.8,a). Când discul se roteşte în raport cu capul de citire, intensitatea luminoasă ce acţionează asupra fotoelementelor variază periodic, variaţiile de intensitate sunt transformate de fotoelemente în semnale electrice, fiecare fotoelement baleind mai multe fante ale reţelei simultan. Prin aceasta fluxul luminos rezultat este mai puternic, iar micile imperfecţiuni sau impurităţi locale nu falsifică rezultatul măsurării. Fig. 8. Procedee de citire fotoelectrică: a diascopic; b episcopic. b) Procedeul episcopic. La acest procedeu reţeaua de măsură este aplicată pe un disc inoxidabil şi constă din striaţii reflectorizante. Lumina lămpii cade oblic prin sistemul colimator pe disc, este reflectată de acesta şi după ce retraversează interstiţiile transparente ale concentratorului acţionează asupra fotoelementelor (fig. 8.b). Deplasarea discului în raport cu sistemul optic produce variaţii luminoase asemănătoare cu cele obţinute prin procedeul diascopic, maximul de intensitate fiind atins atunci când interstiţiile transparente ale reticulului coincid cu zonele reflectorizante de pe disc. 6

7 Fig. 9. Procedeu de scanare multiplă: a amplasarea fotoelementelor; b diagrama de semnal. Sistemul de obţinere şi prelucrare a semnalelor este acelaşi indiferent de procedeul de măsurare utilizat. Cel mai răspândit sistem de citire constă în utilizarea unei grile de scanare, având patru ferestre poziţionate astfel încât ieşirile fotoelementelor sunt decalate cu un sfert de perioadă (fig. 9.a), ceea ce duce la obţinerea a patru semnale sinusoidale decalate fiecare cu 90 (fig. 9.b). Cele patru fotoelemente asociate sistemului optic sunt cuplate pe perechi, în montaj diferenţial, astfel că de la fiecare pereche de fotoelemente, (E /E 2 ) respectiv (E 2 /E 22 ) se obţin două semnale cvasisinusoidale U e şi U e2 defazate cu 90 electrice între ele. În plus, se generează un semnal de zero la un număr întreg de diviziuni utilizat la controlul impulsurilor false sau pentru generarea unei poziţii de referinţă. Semnalele furnizate de capul optic de citire sunt introduse întrun bloc electronic de prelucrare a impulsurilor unde sunt trigger-ate şi adaptate ca nivel pentru logica TTL. În fig. 0 se prezintă schema bloc a circuitelor electronice de adaptare şi diagrama de semnal. Cele 4 trenuri de impulsuri dreptunghiulare oferite de traductor pot fi utilizate în mai multe scopuri: a) Sesizarea sensului de deplasare, utilizând semnale obţinute prin derivarea fronturilor pozitive şi negative ale semnalelor U al şi U a2, şi anume: A l = pentru front negativ la U al ; A 2 = pentru front pozitiv la U al ; B l = pentru front negativ la U a2 şi B 2 = pentru front pozitiv a U a2. Folosind relaţiile logice: D S t r = AU = AU a2 a2 + B U + B U a a + A U B U a2 a2 + B U 2 + B U a a () se obţin impulsuri,," la deplasarea spre dreapta şi,,0" la deplasarea spre stânga pe ieşirea D r, respectiv,," la deplasarea spre stânga şi,,0" la deplasarea spre dreapta pe ieşirea S t. b) Exploatarea multiplă a semnalelor, în sensul că pentru acelaşi increment se pot obţine două, patru sau mai multe impulsuri printr-o logică adecvată. Astfel, relaţiile () permit obţinerea de 7

8 Fig. 0. Adaptor pentru traductor optic incremental. a schema bloc; b diagrama de semnal. impulsuri cu frecvenţa de 4 ori mai mare decât a semnalelor U al, U a2. În fig. 0.b, ultima caracteristică reprezintă o soluţie simplă de dublare a frecvenţei, cu relaţia: S = U a U a2 e) Corectarea impulsurilor parazite. Aceste impulsuri provin în special din două cauze mai importante: vibraţiile sistemului mecanic de antrenare a discului şi suportului cititorului optic şi respectiv câmpurile electrice şi electromagnetice exterioare. Pentru combaterea vibraţiilor se poate folosi schema din fig..a la care cele 2 trenuri de impulsuri de ieşire decalate cu 90 sunt prelucrate astfel încât la mişcări vibratorii în numărătorul reversibil NR se adună şi se scad acelaşi număr de impulsuri. Pentru combaterea impulsurilor parazite, pe lângă măsurile de ecranare şi separare galvanică a circuitelor de măsurare faţă de cele de curenţi tari, se poate utiliza schema de principiu din fig..b, bazată pe ideea că un impuls parazit afectează ambele căi de transmisie a informaţiei. Datorită robusteţii, simplităţii constructive şi costului redus, posibilităţilor de a fi realizate în variante protejate la impurităţi şi vibraţii, rezoluţiei ridicate până la de impulsuri pe rotaţie, traductoarele incrementale rotative sunt cele mai utilizate şi în domeniul măsurării indirecte a deplasărilor liniare, singura restricţie fiind legată de existenţa unor jocuri prea mari în sistemul mecanic de transformare a mişcării de rotaţie în translaţie. 8

9 Fig.. Mijloace de protecţie la impulsuri parazite: a combaterea vibraţiilor; b combaterea impulsurilor parazite. 2. pentru deplasări liniare mari Deplasări mari de ordinul metrilor sau zecilor de metri se întâlnesc în procese industriale din industria constructoare de maşini, metalurgie, materiale de construcţii, etc. Aceste deplasări se pot măsura direct cu elemente sensibile liniare sau indirect, apelând la elemente senbsibile unghiulare. Pentru măsurări corecte trebuie luate precauţii speciale de combatere a jocurilor, a histerezisului mecanic, etc. Traductoarele pentru măsurarea directă a deplasărilor liniare mari sunt de tip riglă, dispusă de regulă pe suportul pe care se deplasează elementul mobil (rigle optice), sau fac apel la tehnicile de interferometrie cu laser. Rigle optice. Riglele optice se realizează şi funcţionează după principii asemănătoare cu discurile fotoelectrice codate. Ca atare, putem avea rigle absolute şi rigle incrementale. Riglele absolute se pot realiza pentru domenii de circa m cu precizie de micron, fiind cele mai precise traductoare industriale de deplasare. Costul unor astfel de rigle este foarte ridicat, iar problemele de asigurare a rectiliniarităţii şi a pasului constant fac imposibilă utilizarea acestor rigle pe domenii mari. În plus, ele sunt foarte sensibile la impurităţi (nu pot fi capsulate atât de etanş cum sunt discurile absolute). De aceea în cazul în care se doreşte o măsurare absolută pe domeniu mare, se apelează la scheme de măsurare indirecte cu discuri absolute, iar în celelalte cazuri se apelează la măsurare directă incrementală. În fig. 2 este prezentată schema de principiu pentru o riglă incrementală, soluţiile de prelucrare a semnalului fiind aceleaşi ca la traductoare incrementale rotative optice. 9

10 Fig. 2. Citire pe o riglă incrementală. Principalele probleme tehnice sunt legate de asigurarea unei montări corecte şi a protecţiei adecvate. În fig. 3 se prezintă modul de montare şi protecţie a unui traductor fotoelectric incremental cu riglă de măsurat din sticlă. Carcasa din aluminiu profilată protejează rigla de măsurat. Blocul de măsurare este compus din capul optic de citire, montat pe un cărucior mobil pe rulment de precizie, care se deplasează în interiorul carcasei pe rigla de măsurat şi din blocul de legătură cu elementul mobil a cărei deplasare se măsoară. Acest bloc este cuplat cu capul de citire printr-un braţ de fixare etanşat la ieşirea din carcasă cu benzi flexibile rezistente la ulei, apă, şpan etc. Riglele optice incrementale se utilizează cu succes pentru lungimi de până la 3m. Pentru lungimi mai mari se utilizează rigle de oţel (procedeul de citire episcopic). Pentru mărirea preciziei se pot folosi tehnici de multiplicare electronică (interpolare în cadrul unui pas), ca şi la discurile optice incrementale. Bloc de fixare Carcasa din aluminiu profilată Rigla de măsură Cuplaj elastic Capul de testare Braţ de fixare Benzi flexibile cu etanşare Bloc de legătură cu elementul mobil Fig. 3. Construcţia riglelor incrementale 0

11 3. Lucrări de efectuat în laborator. Se studiază rigla absolută în cod binar natural în comparaţie cu rigla incrementală. Se observă şi se notează succesiunea codurilor false. Se trasează grafic caracteristica de transfer a riglei absolute, urmărind valorile unde se schimba codul corect al acesteia şi se determină eroarea de neliniaritate şi sensibilitatea. 2. Se înlocuieşte rigla absolută în cod binar cu rigla în cod Gray. Se urmăreşte succesiunea corectă a codurilor. Se trasează caracteristica de transfer a acesteia şi se determină eroarea de neliniaritate şi sensibilitatea.