Измеритель абсолютных линейных перемещений

Основным конструктивным элементом существующих измерителей абсолютных перемещений на основе кодовых оптических линеек является шкала, состоящая из набора растров. При перемещении подвижной части, на которой закреплено оптическое устройство считывания, относительно неподвижной шкалы при пересечении растровых отметок вырабатывается кодовый сигнал, соответствующий определенному перемещению. Каждый растр кодовой шкалы соответствует одному биту в коде абсолютного перемещения. Количество растров определяется числом состояний, которые должны различаться на заданном диапазоне. Таким образом, при точности измерений порядка 1 мкм и диапазоне до 1 м необходимо 20 двоичных разрядов в коде перемещений. Изготовление шкал с таким количеством растров технологически сложно, поэтому измерители абсолютных перемещений на основе кодовых шкал имеют высокую стоимость.

Число растров на кодовой шкале можно уменьшить, если из одного растра в каждом положении получать более одного бита информации. Этого можно достичь, во-первых, использованием оптических дифракционных элементов, обеспечивающих угловое отклонение считывающего светового пучка в каждой точке измерительной шкалы [24]. Однако изготовление подобных линеек с необходимыми метрологическими свойствами является пока весьма сложным и трудно реализуемым процессом. Во-вторых, использованием методов специального кодирования измерительных сигналов в модифицированных измерителях относительных перемещений на основе фотоэлектрических растровых преобразователей. На этом принципе разработан датчик абсолютных перемещений с применением метода целочисленного кодирования [30].

Для определения абсолютного перемещения предлагается использовать фотоэлектрический преобразователь, обеспечивающий считывание синусоидальных и косинусоидальных сигналов с различными периодами при перемещении подвижной части измерителя относительно неподвижной. Информацию о перемещении можно извлечь из текущей фазы информационного сигнала. Для этого измеряются амплитуды синусного и косинусного сигналов, по которым определяется фаза.

где A_s и А_с — амплитуды синусного и косинусного сигналов. Поскольку arctg — периодическая функция, фаза ср может быть определена только в пределах периода. Фаза, соответствующая абсолютному перемещению, определяется суммированием числа полных периодов Ф = 27ш + (р, где п — число полных периодов. Поэтому такие приборы называются преобразователями накопительного типа. Величину абсолютного перемещения определяют из следующего выражения:

Однако процесс накопления часто приводит к ошибкам, вызванным единичными сбоями. Используя аппарат целочисленной арифметики, можно вычислять величины полной фазы по значениям, известным с точностью до периода, определенным в одной выбранной точке. При переходе от системы фаз к системе остаточных функций возникают эффекты квантования. Для их устранения необходимо использовать аналогово-цифровые преобразователи с согласованным уровнем квантования. Набор остатков функций с различными периодами позволяет однозначно восстановить абсолютные значения перемещения. Это можно сделать, воспользовавшись теоремой об остатках. При одновременном измерении фазы гармонических сигналов, периоды которых соотносятся как взаимно простые числа, в диапазоне, ограниченном произведением периодов, набор фаз никогда не повторится. Следовательно, этот набор будет определять одно уникальное значение в этом периоде.

Из теоремы об остатках следует, что диапазон измерения перемещений можно расширить, увеличивая число сравнений при различных модулях либо абсолютные значения модулей. Увеличение абсолютных значений модулей эквивалентно повышению точности измерений.

Таким образом, если одновременно измерять несколько периодических сигналов с разными периодами, то совокупность фаз определяет единственное значение абсолютного перемещения. Например, для нахождения абсолютного перемещения в диапазоне до 1 м необходимы три системы сравнений с различными периодами размером порядка 100 мкм. В пределах каждого из периодов необходимо отличать не менее 100 точек. При использовании четырех растров и размере растра 30…40 мкм можно выбрать шкалу с периодами растров 29, 31, 37, 41. При этом точность измерения перемещений должна составить не менее 1 мкм. Диапазон измерения абсолютных перемещений в этом случае составит 1.363 м. Конкретные значения периодов определяются из условия взаимной простоты чисел, соответствующих периодам, и из технологических условий изготовления оптических линеек. Возможность получения нескольких взаимосвязанных гармонических функций с различными периодами существует, так как в настоящее время промышленность выпускает преобразователи линейных перемещений последовательного счета, в которых при перемещении подвижной части относительно неподвижной вырабатываются сигналы, по форме близкие к синусоидальным. Принцип работы преобразователя показан на рис. 6.33, а его общий вид — на рис. 6.34.

Рис. 6.33. Структурная схема преобразователя линейных перемещений:

/ - осветитель; 2 — индикаторный растр; 3 — измерительный растр; 4 — фотоприемник Свет от осветителя проходит через измерительный и индикаторный растры, расположенные в непосредственной близости друг от друга. Модулированный по амплитуде световой поток поступает на фотоприемник, который вырабатывает пропорциональный по освещенности фототок. Измеритель состоит из подвижной и неподвижной частей. При перемещении измерительной меры относительно индикаторного растра за счет эффекта оптического наложения возникает периодическое изменение интенсивности проходящего света, которое детектируется фотодиодами.

Рис. 6.34. Общий вид преобразователя.

Индикаторный растр и растр на оптической линейке имеют одинаковую форму и представляют собой чередующиеся прозрачные и непрозрачные промежутки равного размера, при этом период растра исследуемого преобразователя равен 20 мкм. Регистрируемый сигнал при прохождении через растровое сопряжение, выполненное с зазором около двух растровых периодов, за счет дифракционных эффектов и пространственного усреднения по 100 периодам приобретает форму, близкую к гармонической [30].

Значения интенсивности света считываются с помощью четырех фотодиодов, которые сдвинуты друг относительно друга на четверть периода. Фотодиоды, сдвинутые на половину периода, соединяются параллельно по два для исключения постоянной составляющей сигнала. Таким образом, с выходов фотодиодов выделяются токовые сигналы, имеющие синусоидальную и косинусоидальную формы. Выбором геометрии и размера растров можно добиться синусоидальной формы сигналов, снимаемых с фотоприемника. Для определения точной формы сигнала и исследования метрологических характеристик измерителей линейных перемещений была разработана интерференционная система [30] (рис. 6.35). Штриховыми линиями показан ход оптических лучей.

Система состоит из интерферометра Тваймана — Грина, интерферирующие пучки в котором отражаются от зеркал, закрепленных на подвижной и неподвижной частях измерителя. Схема построена так, чтобы обеспечить измерение относительных перемещений подвижной и неподвижной частей. Наблюдаемая интерференционная картина имеет структуру параллельных полос с шагом 0.5 длины волны. Перемещение подвижной и неподвижной частей оптического преобразователя осуществлялось с помощью управляемого от компьютера шагового двигателя, передающего усилие на стальную струну, связанную с подвижной частью линейки. Это позволило вследствие снижения «дребезга» интерференционных полос, вызванного вибрациями шагового двигателя, уменьшить измеряемый шаг перемещения до 0.05 длины волны. При этом интерференционные полосы перемещались пропорционально заданному шаговым двигателем сдвигу. Интерференционная картина с помощью устройства ввода оптических изображений вводилась в компьютер для контроля за точностью задаваемого перемещения. Использовалось устройство ввода на основе телевизионной камеры с форматом 768×576×8 бит. Расстояние между полосами определялось выделением пиков после пространственного усреднения по нескольким полосам. Аналоговый сигнал с выхода измерителя поступал на вход двухканального двенадцатиразрядного АЦП для.

Рис 6.35. Система для измерения качества сигналов датчика линейных перемещений:

I — неподвижная часть преобразователя линейных перемещений; 2 — перемещаемая часть; 3 — АЦП; 4 — устройство ввода оптических изображений; 5 — шаговый двигатель с устройством управления; 6 — зеркала; 7 — стальная струна; 8 — лазер, 9 — компьютер регистрации в компьютере синусоидального и косинусоидального сигналов с выхода датчика. В компьютере производилось цифровое сравнение значения сигналов с преобразователя со значениями перемещений, полученных в интерферометре. Экспериментальная установка обеспечивала измерения амплитуды информационных сигналов синуса и косинуса с разрешением 4096 отсчетов. При этом линейная точность измерения перемещений составляла около.

0.05 мкм. Для устранения влияния внешних факторов на повторяемость результатов измерений были приняты специальные меры по температурной стабилизации установки, исключению турбулентности воздушной среды и защите от вибраций.

В результате исследований было определено, что форма выходных сигналов близка к гармонической. Разброс значений фаз информационного сигнала для взаимно соответствующих точек периода на измеряемой длине линейки, равной 150 мм, составляет не более 0.5%. Это соответствует возможности использования 200 отсчетов на измеряемом периоде 20 мкм. Такая повторяемость достаточна для реализации алгоритма целочисленного кодирования. Таким образом, серийно изготавливаемые измерители линейных перемещений имеют характеристики, достаточные для изготовления на их основе измерителей абсолютных перемещений.

Измеритель абсолютных перемещений может быть выполнен на основе преобразователей накопительного типа. Схема такого измерителя показана на рис. 6.36.

Рис. 6.36. Структурная схема измерителя абсолютных перемещений:

1 — шкала измерительных растров; 2 — шкала индикаторных растров; 3 — осветитель Устройство работает следующим образом. Свет, излучаемый осветителем 3, проходит через измерительный 1 и индикаторный 2 растры, расположенные в непосредственной близости. Модулированный по амплитуде световой поток поступает на фотоприемник 4, который вырабатывает пропорциональный по освещенности фототок. Фототок поступает на вход АЦП 5, где преобразуется в цифровой код, который поступает в блок целочисленной обработки 6, где производятся расчет перемещения и выдача результатов в блок индикации 7. Предложенный измеритель имеет в отличие от других измерителей абсолютных перемещений меньшее количество растровых шкал. По сравнению с преобразователями последовательного счета в нем не требуются накопления, определенные на предыдущих шагах значений, а используются лишь локальные измерения. Кроме того, абсолютное перемещение определяется по измерениям в одной точке шкалы. Процесс измерения не связан с перемещением растров, поэтому достоверность и скорость измерения существенно увеличиваются.