Импульсные энкодеры

Данные типы энкодеров предназначены для указания направления движения и/или углового перемещения внешнего механизма. Пошаговый энкодер периодически формирует импульсы, соответствующие углу вращения вала. Этот тип энкодеров, в отличие от абсолютных, не формирует выходные импульсы, когда его вал находится в покое. Пошаговый энкодер связан со счетным устройством, это необходимо для подсчета импульсов и преобразования их в меру перемещения вала.

Пошаговый оптический энкодер состоит из следующих компонентов: источника света, диска с метками, фототранзисторной сборки и схемы обработки сигнала. Диск пошагового энкодера подразделен на точно позиционированные отметки. Количество отметок определяет количество импульсов за один оборот. К примеру, если диск поделен на 1000 меток, тогда за 250 импульсов вал должен повернуться на 90 градусов.

Пошаговый энкодер может быть классифицирован в однофазный тип (только канал выход), который может быть использован, чтобы считать сумму импульсов или определять ускорение. Рассматривая интервал между импульсами и квадратурой энкодера (каналов A и выход B), можно также определить направление вращения вала (по-, или против часовой стрелки). Тип энкодера с нулевым индексом выхода (канал N) выдает импульс нулевой отметки за один оборот, чтобы корректировать ошибки в пределах каждого оборота. Более высокое разрешение (в два или в четыре) получается подсчетом как переднего, так и заднего края меток. Канал A и B генерирует импульсы с фазами, смещенными относительно друг друга на 90 градусов.

2.12.4. Принцип действия импульсных
энкодеров с угловым перемещением

Принцип работы преобразователей угловых перемещений основан на регистрации относительной величины прошедшего через растровое сопряжение потока оптического излучения как координатной-периодической функции взаимного углового положения регулярного растра шкалы и растров окон анализатора.

Преобразователь (рис. 2.57) имеет два кинематически связанных функциональных звена: радиальную растровую шкалу 1, жестко связанную с валом преобразователя, и растровый анализатор 2 неподвижного считывающего узла. Радиальная растровая шкала (далее везде лимб) содержит две концентрические информационные дорожки: регулярного растра и референтной метки 8.

Растровый анализатор содержит окна инкрементного считывания и референтную метку 10. Окна позиционно согласованы с дорожкой регулярного растра лимба и имеют внутри растры с шагом, равным шагу регулярного растра лимба. При этом, в каждой паре окон растры смещены друг относительно друга на величину равную половине их шага, а взаимный пространственный сдвиг растров между парами окон составляет четверть шага растров. Последовательно с растровыми окнами расположено прозрачное окно 9. Референтная метка 10 позиционно согласована с дорожкой референтных меток лимба. Считывающий узел решает задачу реализации оптических растровых и кодовых сопряжений, информативно соответствующих величине углового перемещения, и задачу считывания, обработки и анализа текущих значений оптически информативных параметров указанных сопряжений.

Рис. 2.57. Устройство импульсного энкодера углового перемещения:
1 – радиальная растровая шкала; 2 – растровый анализатор;
3, 4 – излучающие диоды; 5, 6 – квадрантные фотодиоды; 7 – конденсор;
8, 10 – референтные метки; 9 – прозрачное окно

Конструктивно эти задачи решает инкрементный узел преобразователя перемещений. Первую из них решает механическая часть этого узла, обеспечивая необходимую точность растрового сопряжения лимба и анализатора, а также соосность последних по отношению к оси вращения вала. Вторую – реализуют осветители, фотоприемники и плата электрической схемы выделения и обработки информации о перемещении. Излучающий диод 3, конденсор 7, формирующий параллельный пучок лучей осветителя, окна анализатора и фотоприемник 6 образуют так называемый канал считывания. Требование повышенной точности преобразователей перемещений диктует применение двух или четырех диаметрально расположенных каналов считывания.

2.12.5. Принцип действия
преобразователей линейных перемещений

В основу работы преобразователей линейного перемещения (рис. 2.58) положен метод оптоэлектронного сканирования штриховых растров. При относительном перемещении шкалы 1 и анализатора 3 сопряжения регулярного растра шкалы с растрами анализатора модулируют проходящий через них потоки излучения, воспринимаемые соответствующими фотоприемниками. Растровая шкала содержит две параллельные информационные дорожки: регулярного растра и референтных меток.

 

Рис. 2.58. Устройство импульсного энкодера линейного перемещения:
1 – шкала; 2 – плата фотоприемников (кремниевые фотодиоды);
3 – растровый анализатор (пластина индикаторная);
4 – плата осветителей (инфракрасные излучатели)

Растровый анализатор содержит 4 окна инкрементного считывания и окно референтной метки Б. Названные выше 4 окна позиционно согласованы с дорожкой регулярного растра шкалы. Шаги растров в окнах равны шагам регулярного растра шкалы (20 мкм или 40 мкм). При этом в каждой паре окон растры смещены друг относительно друга на величину, равную половине их шага, а взаимный пространственный сдвиг растров между парами окон составляет четверть шага растров. Последовательно с растровыми окнами расположено прозрачное окно. Референтная метка Б позиционно согласована с дорожкой референтных меток шкалы (рис. 2.59).

 

Рис. 2.59. Шкала импульсного энкодера линейного перемещения

Считывающий узел (считывающая головка) преобразователя перемещений решает задачу реализации оптических растровых и кодовых сопряжений, информативно соответствующих величине линейного перемещения, а также задачу считывания, обработки и анализа текущих значений оптически информативных параметров указанных сопряжений.

Конструктивно первую задачу решает каретка, жестко связанная с анализатором, находящаяся через подшипники качения в постоянном контакте со шкалой, что делает возможным относительное перемещение шкалы и анализатора. Вторую задачу реализуют платы фотоприемников 2 и осветителей 4, установленные на ту же каретку, и плата электрической схемы выделения и обработки информации о перемещении, расположенная в корпусе считывающей головки. Плата осветителей содержит шесть излучающих диодов, обеспечивающих засветку соответствующих окон анализатора, и пространственно согласованных с ними приемных площадок шести фотодиодов платы 2.

Основные параметры, необходимые для выбора энкодера:

количество импульсов на оборот (обычно от 1 до 5000);

количество бит для абсолютных энкодеров (обычно 10, 12, 13, 25);

диаметр вала или отверстия под вал;

тип выходного сигнала (HTL, TTL, RS422, двоичный код и код Грея, SSI, Profibus DP, CAN и др.);

напряжение питания;

длина кабеля и тип разъёма;

дополнительные требования по крепежу (необходимость муфты, монтажного фланца, крепёжной штанги и др.).

Сейчас все большее распространение получают энкодеры с полым валом – их легче устанавливать, удобнее настраивать и обслуживать. Нужно отметить, что срок службы энкодера при правильном монтаже и подключении должен составлять не менее 50 000 часов, т.е. почти 6 лет.

2.13. Датчики технологических
параметров текстильного производства

2.13.1. ИК измерители влажности
волокнистых материалов

Лучевые методы измерения влажности волокнистых материалов (ВМ) реализуются в основном двумя способами: по отраженному от поверхности ВМ потоку излучения или его поглощению при прохождении через слой ВМ, т. е. по ослаблению потока излучения [16]. На рис. 2.60 приведены кривые значений логарифмов коэффициентов отражения (кривая 1) и пропускания (кривая 2) ИК излучения через ВМ с постоянной влажностью и увеличивающейся плотностью, из которых видно, что интенсивность отраженного ИК потока для поверхностной плотности ВМ до 100 – 150 г/м² возрастает. При дальнейшем увеличении плотности ВМ более 150 г/м² интенсивность отраженного потока практически не изменяется.

 

Рис. 2.60. Зависимость интенсивности отраженного
и прошедшего ИК-излучения от поверхностной
плотности исследуемого материала с постоянной влажностью

Для уменьшения влияния плотности материала на результаты измерений влажности ВМ применяются двухволновые однолучевые влагомеры с разделенными источниками излучения (светодиодами) с длиной аналитической волны излучения l₁ = 1,93 мкм и опорной l₂ = 1,76 мкм. Обобщенная схема такого влагомера представлена на рис. 2.61. Эта схема была взята за основу при использовании в качестве ОЭП плоского световода.

Датчик влагомера состоит из фотоприемника 1 с предусилителем и двух светодиодов 2 и 3, соединенных световодом 4, который образует с фотоприемником оптический канал 5 для измерения влажности исследуемого материала.

Влагомер работает следующим образом [18]: светодиоды через усилители мощности 6 и 7 попеременно подключаются к блоку импульсного питания 8, который также управляет работой ключей схемы селекции 9. На фотоприемник 1 через световод 4 и оптический канал 5 с исследуемым материалом поступают последовательные импульсы светового потока опорной и аналитической длин волн, которые преобразуются в последовательность электрических импульсов и , поступающих на усилитель 10 и затем через схему селекции 9 на регистрирующее устройство 11. Прохождение сигнала через схему селекции определяется пороговым элементом 12, находящимся в режиме контроля влажности в первом устойчивом состоянии. Пороговый элемент 12 открывает ключи 13 и 14 и закрывает ключи 15 и 16.

Рис. 2.61. Схема двухволнового однолучевого влагомера
с разделенными источниками излучения на светодиодах

При выводе исследуемого материала за пределы оптического канала 5 осуществляется автоматическая стабилизация параметров каналов опорного и аналитического сигналов независимо от влияния окружающей среды и старения элементов устройства. Это осуществляется следующим образом. Сигнал на выходе усилителя 10 возрастает до максимального значения , что соответствует световым потокам и . Этот сигнал перебрасывает пороговый элемент 12 во второе устойчивое состояние так, что ключи 15 и 16 открываются, а ключи 13 и 14 закрываются. При этом в ячейках памяти 17 и 18 запоминаются соответственно значения и , а на регистрирующем устройстве сохраняется результат последнего значения контролируемой влажности.

Последовательность электрических импульсов и с усилителя 10 разделяется ключами 15 и 16, управляемыми блоком импульсного питания 8, на составляющие и , которые поступают на ячейки памяти 19 и 20,затем соответственно на блоки сравнения 21 и 22, где сравниваются с опорным сигналом . Сигналы рассогласования с блоков сравнения поступают на входы управления усилителей мощности 6 и 7 и определяют амплитуду импульсов питания светодиодов. Система автоподстройки, таким образом, поддерживает излучение светодиодов так, чтобы сигналы и были постоянными и равными независимо от влияния внешних факторов.

При вводе исследуемого материала в оптический канал 5 уровень сигнала на выходе усилителя 10 уменьшается, что вызывает переброс порогового элемента 12 в первое устойчивое состояние. При этом в ячейках памяти 19 и 20 запоминаются значения и , тем самым во время контроля влажности световые потоки, падающие на исследуемый материал, поддерживаются равными и .

Градуировочной характеристикой влагомера является зависимость показаний прибора от влагосодержания (влажности) исследуемого материала .