Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследование оптоэлектронного аналого-цифрового преобразователей перемещений фазового типа 19
1. Вывод выражения функции преобразования многомодуляторного оптоэлектронного АЦП перемещений фазового типа 20
2. Определение источников погрешностей устройства 25
Выводы по главе 1: 25
Глава 2. Методы и средства непосредственного преобразования перемещения во временной интервал 27
1. Метод непосредственного преобразования перемещения во временной интервал 27
2. Оптоэлектронный преобразователь перемещения во временной интервал. 30
3. Способы обеспечения свойств оптоэлектронного преобразователя перемещений во временной интервал, учитывающие специфические особенности его функционирования 33
Выводы по главе 2 56
Глава 3. Построение оптоэлектронных аналого-цифровых преобразователей перемещений временного типа 59
1. Классификация одномодуляторных оптоэлектронных аналого-цифровых преобразователей перемещений временного типа 59
2. Разработка и исследование одномодуляторного оптоэлектронного аналого-цифрового преобразователя перемещений временного типа последовательного считывания с синфазированием сигналов и постоянными частотами 60
3. Разработка и исследование одно модуляторного оптоэлектронного АЦПП временного типа последовательного считывания с постоянными фазами и синхронизацией частот с помощью делителя частоты 69
4, Разработка и исследование одномодуляторного оптоэлектронного АЦПП временного типа последовательного считывания с синфазированием сигналов и с синхронизацией частот с помощью умножителя частоты 78
5. Разработка и исследование одномодуляторного оптоэлектронного АЦПП временного типа последовательного считывания с синфазированием сигналов и синхронизацией частот с помощью делителя частоты 87
6. Разработка и исследование одномодуляторного оптоэлектронного АЦПП временного типа параллельного считывания с синхронизацией частот и постоянными фазами 96
7. Разработка и исследование одномодуляторного оптоэлектронного АЦПП временного типа параллельного считывания с синхронизацией частот посредством умножителей частоты без устройства синфазирования сигналов 106
8 Разработка и исследование одномодуляторного оптоэлектронного АЦПП временного типа параллельного считывания с синхронизацией частот с помощью делителя частоты с синфазированием сигналов 115
9 Разработка и исследование одномодуляторного оптоэлектронного АЦПП временного типа параллельного считывания со стабильными частотами с синфазированием сигналов 126
10 Разработка и исследование одномодуляторного оптоэлектронного АЦПП временного типа параллельного считывания с коррекцией частотной погрешности методом автоподстройки 138
Выводы по главе 3: 146
Глава 4. Экспериментальные исследования 147
1. Описание макета преобразователя 147
2.Принцип работы устройства 149
3. Описание устройства позиционирования (задатчика) 150
4. Основная задача эксперимента 153
5. Идентификация закона распределения результатов измерений в точке Х=50.01мкм 155
6. Идентификация закона распределения результатов измерений в точке Х=125.01мкм 158
7. Идентификация закона распределения результатов измерений в точке Х=200.01мкм 160
8. Определение рабочих характеристик устройства 164
Выводы по главе 4: 165
Заключение - выводы по диссертации 166
Список литературы 167
Приложение 173
- Оптоэлектронный преобразователь перемещения во временной интервал.
- Способы обеспечения свойств оптоэлектронного преобразователя перемещений во временной интервал, учитывающие специфические особенности его функционирования
- Разработка и исследование одномодуляторного оптоэлектронного АЦПП временного типа последовательного считывания с синфазированием сигналов и с синхронизацией частот с помощью умножителя частоты
- Разработка и исследование одномодуляторного оптоэлектронного АЦПП временного типа параллельного считывания с синхронизацией частот посредством умножителей частоты без устройства синфазирования сигналов
Введение к работе
Развитие высокопроизводительных технологических процессов и их автоматизация с применением современных цифровых систем автоматики и управления требуют создания разнообразных аналого-цифровых преобразователей физических величин с расширенными функциональными возможностями [55].
В общем комплексе аналого-цифровых преобразователей физических величин важное место занимают аналого-цифровые преобразователи перемещений (АЦПП), предназначенные для преобразования линейных или угловых перемещений объекта в цифровой эквивалент и служащие для ввода аналоговой информации об объекте в различные цифровые системы автоматического управления, в том числе содержащие управляющие цифровые ЭВМ [36,37,52].
Широкое применение АЦПП связано с тем, что угловые и линейные перемещения относятся к числу главных параметров, характеризующих состояние объекта. В связи с этим АЦПП широко используются практически во всех системах управления движущимися объектами (самолетами, кораблями и т.д.), в системах слежения за космическими телами, в системах дальней связи и т.д. Они являются неотъемлемой частью систем управления режимом работы энергетических установок, реактивных и ракетных двигателей. АЦПП широко применяют, кроме того, в системах автоматического управления в металлургии, в машиностроении, точном приборостроении, робототехнике и многих других областях.
Поскольку АЦПП являются измерительными устройствами, то от качества решения ими своих функциональных задач существенно зависят технические показатели систем управления, в которые они поставляют информацию. Поэтому современные тенденции развития АЦПП определяются такими требованиями, как точность и надежность их работы, широкий диапазон измеряемых перемещений, низкая чувствительность к влиянию дестабилизирующих факторов, высокое быстродействие, компактность и малая стоимость [69,71].
Вопросам теории и расчета аналого-цифровых преобразователей перемещений посвящены труды известных ученых: Домрачева В.Г., Преснухина Л.Н., Шаньгина В.Ф., Мироненко А.В., Конюхова Н.Е., Смирнова Ю.С., Матвеевского В.Р., Кутяниной В.Н., Рубиной В.Б., Холомонова А.А. и др.
Оптоэлектронный преобразователь перемещения во временной интервал.
Оптоэлектронными преобразователями перемещений называются устройства, в которых измеряемая величина (линейное X или угловое 8 перемещение) модулирует поток излучения, воспринимаемый приемниками, и преобразуется в сигнал на выходе преобразователя. При этом модуляция обычно осуществляется сопряжением подвижного (модулирующего) и неподвижного (индикаторного) элемента, которые в зависимости от перемещения Хили 0 имеют переменную прозрачность и располагаются на пути потока излучения от источника к приемнику. По типу применяемого сопряжения различаются растровые, дифракционные и интерференционные звенья [57]. Основным элементом перечисленных звеньев, кроме интерференционных, является растр или иначе растровая решетка. При сопряжении двух растров и перемещении (угловом или линейном) измерительного растра относительно неподвижного индикаторного растра происходит модуляция светового потока по амплитуде в функции перемещения, т. е. происходит периодическое изменение освещенности фотоприемника, расположенного за полем растрового сопряжения. При этом освещенность фотоприемника максимальна при совпадении штрихов измерительного и индикаторного растров и минимальна, когда штрихи одного растра закрывают прозрачные участки другого. Полный цикл изменения освещенности фотоприемника произойдет при перемещении растра на значение шага.
Если расположить растры так, чтобы между штрихами образовался некоторый угол, то возникнут отчетливо видные широкие темные и светлые полосы. Эти полосы называются комбинационными (или муаровыми) полосами. Все многообразие существующих структур ОЭПП по структуре построения можно разделить на две основные группы; одномодуляторные и многомодуляторные [36].
Принципиальное отличие одномодуляторных ОЭПП от многомодуляторных заключается в том, что в них измерительно-преобразующий узел (растровый модулятор) представляет собой лишь одно растровое модуляторное звено, состоящее из источника излучения, измерительного и индикаторного растров и фотоприемника. При этом одномодуляторные ОЭПП свободны от недостатков многомодуляторных схем, что является их преимуществом перед последними.
По способу введения сигнала несущей частоты различают ОЭПП с введением сигнала несущей частоты в цепь источника излучения и в электронную часть схемы. По числу фаз питающего напряоюения ОЭПП делят на однофазные и многофазные. Сигналы несущей частоты могут быть как непрерывными, так и импульсными.
Амплитудную модуляцию светового потока перемещением X в ОЭПП осуществляют с помощью растровых, дифракционных и интерференционных модуляторных звеньев. При этом по способу растрового сопряжения различают обтюрационные, муаровые и нониусные РМ [53,56].
В обтюрационном растровом сопряжении измерительный и индикаторный растры имеют равные шаги и одинаковое направление прозрачных и непрозрачных участков. В нониусном растровом сопряжении в отличие от обтюрационного измерительный и индикаторный растры имеют разные шаги. При этом направление штрихов у обоих сопрягаемых растров также одинаковое.
Наиболее часто на практике используется муаровое растровое сопряжение, при котором штрихи индикаторного растра повернуты на некоторый, сравнительно малый, угол относительно штрихов измерительного растра. При этом обычно оба растра имеют равные шаги. Одним из наиболее перспективных направлений в разработке АЦПП является разработка оптоэлектронных АЦПП с преобразованием входной измеряемой величины во временной интервал.
В общем комплексе фазовых преобразователей перемещений наилучшими характеристиками обладают оптоэлектронные АЦПП фазового типа (ОЭ ФПП), в которых измеряемая величина (линейное или угловое перемещение) преобразуется в фазовый сигнал, который может быть преобразован в цифровой код. В таких преобразователях главным преобразующим элементом является оптоэлектронный фазовращатель [15,24,36,48].
Принцип построения таких ОЭФПП основан на амплитудной модуляции световых потоков при прохождении их через систему измерительного и индикаторного растров растрового модулятора РМ. Конструктивно РМ состоит из системы линз, и растров: одного измерительного растра, который непосредственно связан с подвижным объектом, и п индикаторных неподвижных растров.
Далее световые потоки преобразуются в электрические сигналы с помощью фотоприемников ФП, которыми с помощью модуляторов М модулируют сигналы несущей частоты (ФСН) с последующим суммированием этих сигналов. При этом фаза выходного сигнала линейно зависит от измеряемой величины X.
К основным недостаткам данной схемы следует отнести относительную сложность оптико-механической части схемы за счет следующих факторов: большого числа (в общем случае п) растровых модуляторных звеньев, которые должны быть строго ориентированы в пространстве относительно друг друга (неидентичность этих звеньев и неточность их взаимного расположения приводят к появлению соответствующих погрешностей); большого числа фотоприемников (изменение темновых напряжений которых вносит погрешность) или источников излучения (неидентичность параметров которых также вносит погрешность); определенной сложности оптической системы, состоящей из нескольких конденсоров или фокусирующих линз (в общем случае п). Погрешность работы оптоэлектронного АЦПП фазового типа, в основном определяется погрешностью работы фазовращателя. Эта погрешность, как правило, определяет основную погрешность устройства.
Очевидно, что погрешность аналого-цифрового преобразования может быть уменьшена исключением данного этапа преобразования.
Оптоэлектронные АЦПП временного типа (без этапа преобразования «перемещение-фаза») с непосредственным преобразованием перемещения во временной интервал выгодно отличаются от ОЭАЦПП фазового типа, т.к. они обладают более высокой точностью и простой реализации.
Способы обеспечения свойств оптоэлектронного преобразователя перемещений во временной интервал, учитывающие специфические особенности его функционирования
Как видно из условий (2.2.10) и (2.2.11) идеальной работы одномодуляторного ОЭ ППВИ одними из главных условий работы являются: 1) Напряжение источника постоянного напряжения компенсирующее постоянную составляющую выходного сигнала с выхода усилителя должно быть величиной постоянной :U0=ky-кФП -(p0-S0+ky- 11ФПй Нестабильность этого напряжения приводит к возникновению погрешности в работе АЦПП. Даже при выполнении условия стабильности этого напряжения, изменение величины темнового напряжения фотоприемника иФт ("дрейф" нуля фотоприемника) приводит к возникновению погрешности формирования временного интервала. 2) Отношение jrJM-dVVgir. = 1 должно быть величиной постоянной (ку-кФП-Ф0-30-тх=исУ1Я).
Нестабильность величины Ф0 светового потока и амплитуды Um генератора несущей частоты приводят к нарушению выполнения этого условия и, следовательно, к возникновению погрешности преобразования. Данные погрешности характерны только для преобразователей перемещений временного типа. Эти погрешности приводят к неправильному формированию временного интервала (Рис. 2.3.1). Таким образом, необходимо разработать схемы компенсации этих погрешностей [45,49]. Для определения характера этих погрешностей нужно воспользоваться тем свойством, что временной интервал можно преобразовать в выходной фазовый сигнал, разработать преобразователь с искусственным фазовым выходом, затем исследовать погрешности и разработать компенсационные схемы. Функциональная схема оптоэлектронного фазового преобразователя представлена на рис. 2.3.2 Устройство содержит ; источник света ИС, растровый модулятор РМ, фотоприемник ФГТ, усилитель У, сумматор СУ, нуль-орган НО, формирователь импульсов ФИ, полосовой фильтр ПФ, генератор несущей частоты ГНЧ, источник постоянного напряжения ИПН [47]. Устройство работает следующим образом: Постоянный световой поток Фо от источника света поступает на растровый модулятор, где модулируется по периодическому закону в функции перемещения X. Характеристика прозрачности растрового модулятора определяется где So, rax - средняя составляющая прозрачности растрового модулятора и глубина модуляции, g - шаг растра. Анализ работы растрового модулятора показывает, что в исходном состоянии (при Л О) измерительный растр установлен относительно индикаторного растра со смещением х0 = -g. Световой поток на выходе растрового модулятора преобразуется с помощью фотоприемника в пропорциональное напряжение согласно формуле которое усиливается усилителем согласно формуле где кФП - коэффициент преобразования фотоприемника, UФПТ темновое напряжение фотоприемника, ку - коэффициент усиления усилителя. Напряжение с выхода усилителя 4 подается на первый вход сумматора, на второй вход которого подается отрицательное постоянное напряжение U0 предназначенное для компенсации постоянной составляющей выходного напряжения усилителя. Напряжение с выхода сумматора, равное подается на первый вход нуль-органа, на второй вход которого подается напряжение с выхода генератора несущей частоты, равное где Um,co- амплитуда и частота напряжения генератора. В момент tH равенства напряжения Ucy мгновенному значению напряжения UH4 определяемый из уравнения нуль-орган выдает импульс. Из выражений (2.3.5) и (2.3.6) вытекает, что или с учетом выражений (2.3.1)-(2.3.4): Формирователь выдает прямоугольные импульсы с выходным напряжением, равным
Разработка и исследование одномодуляторного оптоэлектронного АЦПП временного типа последовательного считывания с синфазированием сигналов и с синхронизацией частот с помощью умножителя частоты
Источник света ИС, растровый модулятор РМ, фотоприемник ФП, усилитель У, сумматор СУ, источник постоянного напряжения ИПН, генератор несущей частоты ГНЧ (источник питания ИП, фильтр Ф), нуль-органы Н01 и Н02, триггер Т, элемент сравнения И, умножитель частоты УЧ, двоичный счетчик ДС. Устройство работает следующим образом: Постоянный световой поток Фо от источника света ИС поступает на растровый модулятор РМ, где модулируется по периодическому закону в функции перемещения X. Характеристика прозрачности растрового модулятора определяется выражением где So — средняя составляющая прозрачности растрового модулятора РМ тх - глубина модуляции, g - шаг растра. Световой поток на выходе растрового модулятора преобразуется с помощью фотоприемника ФП в пропорциональное напряжение, определяемое выражением: ФПО где кфд- коэффициент преобразования фотоприемника ФП, иФП0 - темновое напряжение фотоприемника. Напряжение с выхода фотоприемника усиливается усилителем У. Напряжение на выходе усилителя определяется выражением: где ку- коэффициент усиления усилителя У. Напряжение с выхода усилителя подается на первый вход сумматора СУ, на второй вход которого подается постоянное напряжение UQ ОТ источника постоянного напряжения ИПН с целью компенсации постоянной составляющей в сигнале с усилителя (постоянная составляющая, возникающая из-за наличия постоянных составляющих в выходных сигналах растрового модулятора и фотоприемника) Напряжение на выходе сумматора равно: g Напряжение на выходе источника питания в общем случае представляет собой сумму гармоник, кратных основной частоте о; Наличие высших гармоник приводит к погрешности в работе устройства. С целью уменьшения этих погрешностей на выходе ИП устанавливается фильтр Ф пропускающий основную частоту и отсеивающий более высокие гармоники.
Напряжение на выходе фильтра Ф равно: афк - фазовый сдвиг сигнала k-й гармоники на выходе фильтра. Нуль-орган Н01 срабатывает от напряжения иф с выхода фильтра, принятого за опорное: Момент срабатывания нуль-органа HOI определяется выражением: где іНЇ — момент времени, соответствующий равенству мгновенного значения напряжения 17ф порогу UHI срабатывания нуль-органа HOI: t)n - собственное время срабатывания нуль-органа НО 1. Нуль-орган Н02 срабатывает в момент равенства напряжений Ucy и иф с учетом порога срабатывания нуль-органа Н02 Um- Момент его срабатывания определяется выражением: где t\n - момент времени, соответствующий равенству напряжений Ucy и иф с учетом порога срабатывания нуль-органа Н02 Um . иСУ+и1П=иф, (3.4.10) t"m — собственное время срабатывания нуль-органа Н02 Из выражений (3.4.6),( 3.4.8),( 3.4.10) определим tm и /Я2: Для нуль-органа HOI: нуль-органа Н02: От сигнала нуль-органа Н01 срабатывает триггер Т. Сигналом с нуль-органа Н02 триггер Т возвращается в исходное состояние. Импульс с выхода триггера, длительность которого пропорциональна входной величине X преобразователя, подается на первый вход элемента И, на второй вход которого поступают счетные импульсы с выхода умножителя частоты. Умножитель частоты работает следующим образом; На вход умножителя частоты поступает гармонический сигнал с выхода фильтра, который является опорным (частотой питания - со. С выхода умножителя частоты снимаются счетные импульсы частота которых равна произведению величины частоты питания на 2N, где N - число разрядов АЦП. Элемент И пропускает сигналы с генератора импульсов ГИ в течении времени tT равного: г= 2- .+ 0- с (3.4.14) где с, t0 - времена срабатывания и отпускания триггера Т. Вследствие этого на выходе элемента И формируется пачка импульсов, число которых пропорционально длительности сигнала триггера, которая поступает на вход двоичного счетчика. Выходная величина двоичного счетчика - число Nx, является выходной величиной АЦПП.
Разработка и исследование одномодуляторного оптоэлектронного АЦПП временного типа параллельного считывания с синхронизацией частот посредством умножителей частоты без устройства синфазирования сигналов
Макет содержит устройство позиционирования, растровые решетки (измерительный и индикаторные растры), фотоприемник и электронную часть макета. Рабочий диапазон измеряемой величины-0... 245.76 мкм Число разрядов АЦП - 1 б Реально используемое число разрядов - 14 Шаг дискретности исследуемого АЦП (п)- 0.015 мкм 1 - индикатор начала преобразования; 2 - индикатор результата преобразования; (2.1 - 15-й бит; 2.2 - 8-й бит; 2.3 - 7-й бит; 2.4 - 0-й бит); 3 -переключатель режима калибровки (2-3) и нормальной работы (1-2); здесь и далее выводы всех разъемов и перемычек нумеруются слева направо и сверху вниз; 4 - разъем внешнего питания устройства (полностью совместим с разъемом питания 5.25 дисковода: +5В, OB, OB, +12В); 5 - разъем для установки дополнительного замедляющего конденсатора ( минус слева); 6 -регулятор смещения входного напряжения (по часовой стрелке - ближе к земле); 7 - разъем питания внешнего ИК-светодиода (1 - 0В, 2 - Unm,aHanOT. через 1К, 3 0В); 8 - Микросхема-усилитель TL071; 9 - разъем для подключения источника измеряемого напряжения (OB, UM3M) 0В); 10 - регулятор коэффициента усиления усилителя TL071 (по часовой стрелке - уменьшение); 11 - выход усилителя TL071.
При его отсутствии может использоваться как аналоговый вход преобразователя (0В, иизмерЯемое» ипит.аналог.); 12 - Батарея внешнего питания аналоговой части (CR-2032 или CR-2016); 13 - индикатор внешнего питания аналоговой части; 14 - индикатор питания от батарей аналоговой части; 15 переключатель питания аналоговой части (12 - от батарей; 34 - от +12В с разъема 4). 8 устройстве так же предусмотрена передача данных в ЭВМ по последовательному интерфейсу. Устройство работает следующим образом. С приходом положительного фронта тактового сигнала обнуляется микросхема ИР31, выходы данных D0-D15 которой подключены к адресным входам ПЗУ А1-А16. Таким образом, на адресные входы ПЗУ подается в двоичном коде адрес "0". С помощью вспомогательной схемы (ТМ2, ЛАЗ) с ПЗУ считывается 16-ти разрядное слово данных в 2 регистра ИР37. С выходов ИР37 данные поступают на 16-ти разрядный ЦАП, с выхода которого напряжение поступает на второй (инверсный) вход дифференциального усилителя. Дифференциальный усилитель одним своим каналом усиливает напряжение с фотоприемника, а другим сравнивает его с напряжением с выхода ЦАП. На втором канале отсутствует обратная связь, поэтому если напряжение с ЦАП будет больше измеряемого хотя бы на 2.4 10"5 В, то выходной сигнал с этого канала изменится с лог."0" на лог. Ч".1 Сначала, из-за того, что напряжение с ЦАП меньше, чем с фото приемника, усилитель вторым каналом выдает лог."0". Тем временем схема, собранная на триггере ТМ2 и регистре ИРЗ1 начинает подряд перебирать адреса ПЗУ, и напряжение на выходе ЦАП изменяется по тому же закону, по которому меняется напряжение с выхода фотоприемника первичного преобразователя. В тот момент, когда напряжение с ЦАП становится больше измеряемого, сигнал с усилителя перепадает с лог. "О" на лог. Ч", и регистры ИР37 защелкивают адрес, который был в тот момент на ПЗУ.2 А поскольку адрес менялся линейно, то таким образом линейность возвращается к измеряемой величине.
