Информационные устройства систем управления

Лекционный материал по курсу по «Информационные устройства систем управления» Информационные устройства в производстве и бизнесе. Современный этап развития робототехники определяется исследованиями, направленными на создание, совершенствования и внедрение в производство новых типов роботов – адаптивных, которые принять относить ко второму и третьему поколениям. Особенностью данных роботов является способность функционирования в условия изменения внешней среды. Непременным условием эффективного функционирования адаптивных роботов является наличие достаточно развитой и совершенной системы очувствления. Назначением данной системы является сбор информации необходимой для функционирования робота и приведение ее к форме пригодной для использования в системе управления роботом. Информация – любые сведения о каком-либо событии (объекте). Данное понятие родственно понятию отображения в диалектическом материализме, которое присуще не только объектам, но и процессу. В робототехнике в системе управления отображаются всевозможные изменения состояния внешней среды, объекта манипулирования, внутреннего состояния робота, задающих сигналов (в самом общем случае в форме всевозможных целеуказаний) на основе чего формируются управляющие сигналы для исполнительных систем (приводов) робота с целью наиболее успешного решения поставленной перед ним задачи. Это предполагает выполнение как минимум двух функций: сбор информации и фиксацию ее в определенной форме, т.е. формирование сообщения, преобразование сообщений в тот или иной вид сигнал и передача его в систему управления. При этом для соответствия между сообщением и сигналом, последний формируется по определенным правилам. Этот процесс носит название кодирования сообщения. Реализация данных функций в робототехнических устройствах возлагается на информационную систему, в состав которой входят датчики, своего рода аналоги органов чувств человека, преобразователи сигналов и линии связи. С точки зрения устойчивости и структуры формируемых и передаваемых сигналов, все информационные системы можно подразделить на сигналами, непрерывные (аналоговые) и дискретные, как по аргументу, так и по значению функции. Чтобы оценить значение информационной системы в организации эффективного функционирования робототехнических систем рассмотрим роль органов чувств человека в производственной деятельности. 1. Основные понятия, термины, определения. 1.1. Роль органов чувств человека в производственной деятельности. Чтобы оценить значение информационной системы в организации эффективного функционирования робототехнических систем рассмотрим роль органов чувств человека в производственной деятельности. Анализ сенсорных систем человека представляет интерес для создателей роботов с точки зрения построения технических систем восприятия по образу и подобию органов чувств животных и человека. Роботы с развитыми сенсорными системами начали создаваться сравнительно недавно, поэтому исследователи попытались копировать самого совершенного "интеллектуального робота"- человека. Для этого необходимо выяснить механизмы получения информации об окружающей среде органами чувств человека. В таблице 1.1 приведены данные о количестве нейронов, связанные с работой основных органов чувств. Таблица 1.1 Вид восприятия Число нейронов Процент от общего числа нейронов Зрение 2∙108 90.6 Слух 3∙104 0.1 Осязание тактильное чувство Обоняние Вкус 5∙104 чувство боли 3∙104 чувство тепла 1∙104 чувство холода 1∙104 1∙107 0.3 4.5 4.5 Из таблицы следует, что свыше 90 % всей информации поступает человеку через зрение. Исследования показывают, что глаза производят селекцию информации, отсеивая случайные помехи, шумы и передают в мозг примерно сотую долю получаемой информации. Человеческое зрение обеспечивает восприятие двух смещенных изображений обстановки, отражающих форму предметов, цвет, тени. По этим изображениям человеческий мозг восстанавливает объемную картину, позволяющую решить вопрос о взаимном расположении видимых предметов. Механизм человеческого зрения натолкнул исследователей на мысль об использовании бинокулярных телевизионных систем с триангуляционными методами восстановления объемной картины окружающей среды. В производственной деятельности зрение является важнейшим органом чувств человека. Важное место в информационном обеспечении человека занимают обоняние и вкус, однако технические аналоги этих органов чувств пока не нашли использования в действующих и проектируемых системах роботов. Очевидно, что это является следствием того, что пока не созданы надежные, быстродействующие, малогабаритные датчики информации о физико-механическом составе жидкостей и газов. Особое место занимает чувство осязания. Доля информации, обеспечиваемая с помощью осязания, ничтожно мала - всего около 0,3 %, однако, играет немаловажную роль в производственной деятельности. Чувство тепла и холода могут быть использованы для защиты от перегрева и чрезмерного охлаждения при работе в условиях высоких и очень низких температур. Чувство боли может послужить защитой от перенапряжения в аварийных ситуациях. Для непосредственной производственной деятельности исключительно важную роль играет тактильное чувство. Оно позволяет человеку ощущать контакт с внешним объектом, выполнять сборочные операции, операции со связными объектами. Это чувство позволяет человеку манипулировать самыми различными объектами: от тонких стеклянных предметов до тяжелых и громоздких поковок. Тактильные рецепторы делятся на две группы. Часть из них находится около поверхности кожи и служит источником информации, другая часть расположена глубоко под кожей и является датчиком нагрузок. Распределение рецепторов и их соединений с нервными пучками значительно отличается на различных участках кожи. Так, на концах пальцев рук, рецепторов больше, а их соединения обеспечивают разрешающую особенность около 0,1 мм. На других участках разрешающая способность значительно ниже (около 4 мм). Способность человеческих пальцев тонко различать текстуру поверхности предметов связано с особым построением кожи пальцев рук. Сканирование пальцев по поверхности позволяет воспринимать ее шероховатость. К сожалению, в исследованиях тактильного чувства человека остается много неясного, поэтому существующие роботы, снабженные аналогами органов чувств осязания, далеки от человека по способности ж ощущению окружающей среды. 1.2. Принципы построения информационных устройств роботов, классификация датчиков очувствления Изучение органов чувств человека дает богатейший материал для построения средств очувствления роботов. Однако построение технических систем восприятия по образу и подобию органов чувств животных и человека не дало существенных преимуществ, и исследователи были вынуждены отказаться от идеи непосредственного копирования органов восприятия человека и пойти по пути создания чисто технических систем, ориентированных на выполнение конкретных технологических операций. В истории техники немало примеров, когда попытки человека сделать так, как делает природа, приводили к неудачам. Попытки создать шагающие машины до сих пор не увенчались успехом. Четырех и шестиногие шагающие машины оказались неуклюжими и медлительными, не способными сохранять устойчивость даже на слабопересеченной местности. В то же время первый автомобиль появился в прошлом веке, а самодвижущиеся тележки на колесном ходу еще раньше. Ничего похожего на колесо в естественной природе не известно. Аналогичная картина наблюдается и при создании роботов: максимальных успехов удалось достичь с использованием чисто технических систем. Технические системы (лазерные: ультразвуковые, радиолокационные и др.) позволяют измерять с высокой точностью расстояния до отдельных точек поверхности объектов, датчики инфракрасного излучения позволяют роботу ориентироваться в полной темноте. Под информационным обеспечением робототехнических систем понимают совокупность датчиков внешней и внутренней информации, а также устройств ее предварительной обработки для принятия решений об изменении движений или действий робота. Информационные системы в значительной мере определяют функционирующие возможности роботов, сложность решаемых роботами задач, предопределяет адаптивные возможности робототехнических систем, эксплуатационную надежность и эффективность их использования в производственных условиях. В зависимости от функционального назначения и принципа действия, характера решаемых задач информационные системы могут быть условно разделены так, как показано на рис 1.1. Очевидно, что иерархический уровень системы управления определяет использование соответствующих информационных устройств, поэтому верхний уровень классифицирует информационные устройства по назначению. Следующий уровень классификаций разделяет информационные устройства по функциональному принципу сбора и обработке информации. Нижний уровень классифицирует информационные устройства по принципу действия или назначению в пределах данного класса. Все информационные устройства можно разделить на две больше группы: датчики внутренней и внешней информации. Датчики внутренней информации это традиционные датчики исполнительных систем: датчики тока, напряжения, скорости и положения (углового или линейного), крутящего момента» Они используются для обеспечения функциональных возможностей и требуемых показателей качества систем управления на исполнительном уровне. Датчики внешней информации используются в основном в системах управления более высоких уровней: тактическом, стратегическом. Они обеспечивают функциональные возможности не отдельной исполнительной системы, одной степени подвижности, а робота в целом. По наличию или отсутствию датчиков внешней информации можно судить об адаптивных возможностях робота в целом. Датчики внешней информации можно разделить на следующие 2-е группы: - датчики, применяемые в системах управления тактического уровня управления, - датчики, применяемые в системах стратегического уровня управления. Информационные устройства роботов Датчики внутренней информации (исполнительный уровень управления) Датчики тока Датчики напряжения Датчики скорости Датчики внешней информации Тактического уровня управления Тактильные Силомоментные Постоянного тока Переменного тока Датчики положения Оптические Локационные Стратегического уровня управления Системы технического зрения и распознавания образов Электроннолучевые трубки Приборы с зарядовой связью Фотодиодные преобразователи Датчики контроля качества Сельсины ВТ Редуктосины Индуктосины Емкостные Индуктивные Датчики крутящего момента Каждая группа имеет свой принцип действия, свой информационный признак, свои алгоритмы обработки информации и свое назначение в контуре управления робототехническими системами. ИС характеризуются большим разнообразием датчиковой аппаратуры (часто в литературе встречается другое их название – первичные преобразователи), которые строятся на различных физических и структурных принципах. В свези с этим классификацию ИС часще удобнее проводить по различию применяемых в них датчиков. Существующие типы датчиков можно классифицировать по различным признакам основными из которых являются следующие (см. таблицу). Датчики с последовательным преобразованием имеют следующую схему: Х U1 ЧЭ U2 УПЗ UВЫХ ВУ ЧЭ – Чувствительный элемент, УПЗ – усилительно-преобразующее звено, ВУ – выходное устройство является согласующим элементам с входным устройство СУ станка или робота. Преимущества: простота, надежность. Недостатки: 1) наличие ничем не скомпенсированных погрешностей мультипликативных – за счет нестабильности чувствительности узлов датчика (внутренние), и аддитивные – за счет действия внешних возмущений. 2) и как следствие этого низкая точность измерений. Датчики с дифференциальной схемой измерений характеризуются наличием двух последовательных измерительных цепочек: U 11 Х ЧЭ1 ЧЭ2 U 21 УП31 U111 УП32 U3 U211 ОС U4 ПрП UВЫХ ВУ ОС – орган сравнения, ПрП – промежуточный преобразователь. ОС настраивается таким образом, чтобы в нем полезные сигналы суммировались, а помехи вычитались. Первичный преобразователь (датчик) Функциональное назначение С последовательным преобразованием Кодо-импульсные Число-импульсные Время-импульсные Частотно-импульсные Амплитудно-импульсные механотронный реостатный электроконтактный Со считывающими элементами компенсационнный дискретные фазовые чвастотные электромеханический дифференциальные непрерывные амплитудные электромагнитный распределительный электроаккустический пьезоэлектрический электростатический емкостной фотоэлектрический Преимущества: 1) возможность компенсации постоянных составляющих сигнала и ряда аддитивных погрешностей и за счет этого более высокая 2) точность измерений, 3) линейность выходной характеристики, 4) чувствительность. Компенсационные датчики, характеризуются наличием цепи обратной связи ЦОС. U1 Х ЧЭ U2 УП3 U3 ОС U4 ПрП U5 UВЫХ ВУ ЦОС ЦОС – цепь обратной связи. Выходной сигнал органа сравнения определяется выражением: U3 U2 U5 Здесь ЦОС формирует компенсирующий сигнал U5 В органе сравнения (ОС) измеренный и преобразованный параметр “X” сравнивается с компенсирующим сигналом U5 Разностный сигнал поступает через промежуточный преобразователь в выходное устройство (ВУ). Преимущества: 1. здесь осуществляется компенсация мультипликативных погрешностей. При этом точность измерений определяется в основном стабильностью параметров ЦОС. 2. высокая линейность выходной характеристики. 3. возможность существенного усиления входного сигнала как по амплитуде так и по мощности. Недостатки: 1. 2. относительно сложная конструкция. влияние на результат измерений аддитивных погрешностей. 1.3. Требования к датчикам очувствления, их метрологические характеристики. Как следует из приведенной классификации ИУ строятся на разных физических и структурных принципах. При этом используется огромное число конкретных схематических решений. Вместе с тем как уже говорилось в конструкции любого датчика можно выделить два основных узла: это относительно простой, насколько это возможно из условия обеспечения заданной точности, электромеханический первичный преобразователь, непосредственно воспринимающий контролируемый параметр, и электронный блок, обрабатывающий полученную информацию и представляющий ее в требуемой форме. Электромеханический преобразователь как правило является прецизионным устройством и должен удовлетворять самым разнообразным и очень высоким техническим требованиям. К их числу в первую очередь относятся следующие: высокая точность; быстродействие; низкое энергопотребление; устойчивость к эксплуатационным факторам; высокая надежность; технологичность; малогабаритность и простота конструкции; хорошая встраиваемость (прежде всего для МР); отсутствие вредных воздействий на человека и простота обслуживания; высокая перегрузочная способность; избирательность к внешним воздействиям; высокая помехоустойчивость; обеспечение заданных метрологических характеристик; унифицированность и взаимозаменяемость; и т.д. Следует отметить, что диапазон этих требований настолько широк, что существенно усложняет выполнение последнего из перечисленных, а именно унификации конструкций и взаимозаменяемости датчиков. Это усугубляется так же и тем, что датчики обычно работают по разомкнутой схеме, что создает серьезные трудности по последующей корректировке выдаваемой информации. Это предъявляет к таким изделиям дополнительные требования по достоверности выходной информации. В связи с этим на сегодняшний день унификация конструкций датчиков является организационно – технической задачей первостепенной важности. Метрологические характеристики датчиков. Метрологические характеристики являются важнейшими показателями пригодности датчиков для эксплуатации в составе того или иного устройства. Остановимся на основных из них. Статическая характеристика датчика или его функция преобразования это функциональная зависимость выходной величины от входной. Статическая характеристика может быть представлена аналитически, таблично или графически. Обычно стремятся получить линейную характеристику. Для описания линейной статической характеристики α=φ(x)=α0 +SΔx достаточно двух параметров, начального значения выходной величины α0, соответствующего нулевому значению входной величины x, и показателей относительного наклона характеристики называемого чувствительностью датчика. Статическая чувствительность - это отношение малых приращений выходной величины к соответствующим приращениям входной, т.е. в пределе - производная Размерность чувствительности определяется размерами выходной и входной величин, например, для датчика усилий единица чувствительности - Н/В, а для датчика момента - Н∙м/В, В динамике под чувствительностью подразумевается отношение скоростей изменения выходной и входной величин Порог чувствительности датчика - минимальное изменение измеряемой величины, вызывающее изменение выходной. Динамический диапазон датчика - отношение предела измерений к порогу чувствительности Номинальная статическая характеристика усредненная статическая характеристика серии однотипных датчиков, приводимая в технической документации этой серии. Погрешности датчика бывают статическими и динамическими. Статические погрешности датчика можно рассматривать как разность между номинальной и реальной статическими характеристиками. Различают систематические, прогрессирующе и случайные погрешности датчиков. Систематическая погрешность является не изменяющимися во времени функциями тех или иных параметров. Эта погрешность может быть устранена внесением соответствующих поправок. Систематические погрешности трудно выявляемы, обычно их можно обнаружить лишь путем поверки с помощью образцовых средств. Прогрессирующие погрешности - это погрешности, медленно изменяющиеся во времени. Они чаще всего связаны с процессами старения компонентов датчика. Для повышения точности датчика необходима передаточная коррекция прогрессирующих погрешностей. Случайными называются погрешности, в появлении и изменении которых не удается установить какой-либо закономерности. Они определяются сложной совокупностью причин, трудно поддающихся анализу. Наличие случайных погрешностей легко обнаружить по разбросу результатов многократных измерений одного и того же значения контролируемой физической величины. Эти погрешности характеризуются типом случайного закона распределения и его параметрами. Основным способом повышения точности измерений является многократное повторение измерений и осреднение результата. При метрологическом анализе датчиков в динамике основным параметром является динамическая погрешность, т.е. мгновенная разность между значением входной величины, рассчитанным по соответствующему значению выходной с помощью номинальной статической характеристики, и истинным значением входной величины в данный момент времени. По уравнению динамической погрешности и ее максимальному допустимому значению для конкретного датчика можно определить предельные параметры измеряемой величины. Динамическая функция преобразования датчика определяет значения выходной величины при быстрых изменениях входной. Динамическая функция может выражаться дифференциальным уравнением, связывающим входную и выходную величины, импульсной и переходной характеристиками, передаточной функцией, совокупностью амплитудно- и фазо-частотных характеристик. Информационные устройства систем исполнительного уровня управления. Датчики скорости. Тахогенераторы (ТГ) постоянного тока. Тахогенераторы постоянного тока – это небольшие генераторы постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов, с не6зависимым возбуждением. Конструктивно они не отличаются от обычных машин постоянного тока малой мощности. Рассмотрим принцип действия машин постоянного тока с не6зависимым возбуждением. Машина постоянного тока имеет обмотку возбуждения расположенную на явновыраженных полюсах статора. 1.-обмотка возбуждения 2.-главные полюсы 3.-якорь 4.- обмотка якоря 5.-щетки 6.-корпус Сердечник якоря якорь щетки подшипники вал коллектор Обмотка возбуждения По обмоткам возбуждения проходит постоянный ток I6, которое создает магнитное поле возбуждения Ф6 (по правилу буравчика). На роторе расположена обмотка, в которой при вращении ротора индуктируется ЭДС. Таким образом ротор машины постоянного тока является якорем. При заданном направлении вращения якоря направление ЭДС, индуктируемой в его провках, зависит только от того, под каким полюсом находится проводник. Поэтому во всех проводниках расположенных под одним полюсом, направление ЭДС одинаковое и определяется по правилу правой руки. При вращении якоря проводники обмотки перемещаются от одного полюса к другому; ЭДС, индуктируемая в них, меняет знак, т.е. в каждом проводнике наводится переменная ЭДС. Однако количество проводников, находящийся под каждым полюсом, остается неизменным. При этом суммарная ЭДС, индуктируемая в проводниках, находящийся под одним полюсом, так же неизменна по направлению и постоянна по величине. Эта ЭДС снимается с обмотки якоря при помощи скользящего контакта. Обмотка якоря выполняется замкнутой. При отсутствии внешней нагрузки ток по обмотке не проходит, т.к ЭДС, индуктируемые в различных частях обмотки взаимно компенсируются. N Iя Е Е Iя S Rн Если щетки, осуществляющие скользящий контакт с обмоткой якоря, расположить на геометрической нейтрали, то при Rн=00 к щекам будет приложено напряжение Е, равное ЭДС, индуктированной в каждой из половин обмоток. Это напряжение практически неизменно, хотя и имеет некоторую переменную составляющую. При большом количестве проводников пульсации напряжения незначительны. При подключении Rн через обмотку будет проходить постоянный ток, направление которого определяется направлением ЭДС Е. Для обеспечения токосъема, щетки скользят не по проводникам обмотки якоря (как это было на заре электромашиностроения), а по коллектору, выполненному в виде цилиндра, который набирается из медных пластин, изолированных одна от другой. К каждой паре соседних коллекторных пластин часть обмотки якоря, состоящего из одного или нескольких витков. Эта часть называется секцией обмотки якоря. Если машина работает в генераторном режиме, то коллектор со щетками является механическим выпрямителем. ТГ с возбуждением от постоянных магнитов работают аналогично, только вместо обмотки возбуждения используются постоянные магниты. ТГ предназначены для преобразования механического вращения в электрический сигнал. Основные требования: линейность выходной характеристики крутизна выходной характеристики напряжения на коллекторе нечувствительности характеристика – зависимость U=f (n) - большая - минимум пульсаций - минимум зоны Выходная U=f (w) Для обеспечения линейности должна быть сохранена строгая пропорциональность между выходным напряжением U и скоростью вращения. n n я я u ов - Rн u Rн d ; U = C1n или U= kw =k dt C1 и k - крутизна выходной характеристики, представляет собой U C1 =  n При х.х. т.е. когда Rн = Ея = СnФв = СIn Фв – магнитный поток возбуждения С – постоянная Т Г: С = Р/60*N/a Р- число пар полюсов N – число проводников обмотки якоря а – число пар ветвей При нагрузке напряжения на зажимах уменьшается на величину падения напряжения на обмотке: U = Eя – Iя Rя (1) где = U/Rн; Rн – сопротивление нагрузки Подставив Iя в выражение (1) получим Rя U = Eя – U Rн Ея Rя 1 Rн отсюда U = С n Rя 1 Rн CФв n Rя 1 Rн Чем больше С, Фв, Rн и меньше Rя тем больше крутизна. Нагрузка не влияет на линейность, а влияет только на крутизну. u Rн1>Rн2 Rн = ∞ Rн1 Rн2 n Однако практически выходная характеристика отклоняется от линейной из-за намагничивающей силы реакции якоря, ослабляющий поток возбуждения Фв. При подключении Rн в обмотке якоря течет ток, который создает свой собственный магнитный поток Фр, который направлен встречно магнитному потоку возбуждения Фв. Воздействие магнитного поля якоря на основное возбуждения называется реакцией якоря. Тогда результирующий поток U Ф = Фв-Фр. C (Фв - Фр) n Rя 1 Rн U Здесь Фр= С1 Iя = С1( Rн ) С1- коэффициент пропорциональности Итак: Ф I 1. RH = ∞ ⟶ я = 0, р = 0 ⟶ Ф = ФВ - выходная характеристика линейна Ф I 2.При уменьшении RH , я ↑, р ↑ и U=f (n) отличается от линейной, т.к U уменьшается U Ф I 3. При увеличении n, U↑ следовательно ↑ я = Rн что приводит к ↑ р и уменьшению U. Т.е с уменьшением RH и ↑n выходная характеристика отклоняется от линейного закона. С3 n Точнее формула следующая U= 1 C4 n RH Другая погрешность – наличие щеточного контура (т.е передаточного контура между коллектором и щетками), обуславливающего Rщ : I Падение напряжения на щеточном контакте Rщ = я Rщ =const Если не учитывать реакцию якоря, то U= U Eя Uщ I я Rя Uщ Rя 1 RH Eя Rя 1 RH Eя Uщ U Eя Uщ Rя RH C1 n Uщ Т.е напряжение на щетках появляется не при n=0, а при некотором значении скорости Uщ когда С1n > вследствие чего появляется зона нечувствительности, в пределах которой на вых. вращающегося ТГ напряжение =0. Напряжение на выходе ТГ имеет пульсации: 1.Зубцовые пульсации, обуславливается зубцовым строением якоря, вследствие пульсации магнитной проводимости воздушного зазора 2. Якорные пульсации – обуславливается изменением магнитного потока за время одного оборота вследствие эллиптичности, эксцентриситета якоря или магнитной анизотропии его материала. 3. Коллекторные пульсации – периодичное изменение числа секций в параллельных ветвях якоря, вибраций щеток и замыканием накоротко части секции при коммутации. u ∆ Uщ n Передаточная функция ТГ Если пренебречь размагничивающим действием реакции якоря, то уравнение для якорной цепи ТГ в переходном режиме имеет вид: U eя i я Rя Lя di я dt (1) eя c1n k Где характеристики на xα. d dt , C1 , k - статический коэффициент передачи ТГ или нагрузка выходной L я , R я - индуктивность и омическое сопротивление обмотки якоря i я - ток якоря Если к ТГ подключено активное сопротивление нагрузки RН , то ток якоря: U i я = Rн di я dt производная тока: (2) 1 dU RH dt (3) Подставив (2) и (3) в уравнение (1) получим: Lя Rя dU dt RH U kRH R я RH d dt (4) Эквивалентная схема Rя Lя ТГ Rн Rн Ея α или Т dU dt Lя где Т = R я RH ; U КТ d dt (5) kRH К Т = R я RH Т - постоянная времени якорной цепи К Т - статический коэффициент передачи ТГ при нагрузке Изображение по Лапласу (при нулевых начальных условиях) для уравнения (5) имеет вид Т рU ( p) U ( p) K T p ( p) Отсюда передаточная функция ТГ: WТГ ( p) U ( p) ( p) KT p Tp 1 (6) т.о если входным параметром является угол поворота вала, то ТГ представляет собой инерционное (реальное) дифференцирующее звено. Обычно у ТГ L я - мало, а RH - велико, тогда Т – мало и его можно не учитывать, то WТГ ( p) U ( p) ( p) КТ р ; т.е идеальное (безынерционное) дифференцирующее звено. Если входным параметром является угловая скорость поворота вала, то WТР ( p) U ( p) ( p) KT Tp 1 или без учета Т : WТР ( p) U ( p) ( p) КТ Применение ТГ в системах автоматического управления В замкнутой системе регулирования ТГ является основным звеном контура обратной связи по скорости вращения. ТГ предназначен для того, чтобы обеспечить скорость вращения (или перемещения) ИМ U пропорциональной сигналу задания З . Для этого напряжение проступающие с ТГ сравнивается в устройстве сравнения УС с напряжением задания и их разность подается на усилитель. У – предварительный усилитель, УМ – усилитель мощности (современные тиристорные или транзисторные преобразователи) , к которому подключен двигатель. Чем выше коэффициент усиления по напряжению У и коэффициент усиления по мощности УМ, тем меньше будет E U З U ос разность напряжения , чтобы обеспечить заданную скорость вращения двигателя и тем точнее будет поддерживаться пропорциональность между скоростью вращения и U напряжением З . УС Устройство задания сигн. U3 У Uос УМ ИД Uтг Ф ТГ ИМ Тахогенераторы переменного тока. В замкнутой системе регулирования ТГ является основным звеном контура обратной связи по скорости вращения. ТГ предназначен для того, чтобы обеспечить скорость вращения (или перемещения) ИМ пропорциональной сигналу задания U З . Для этого напряжение проступающие с ТГ сравнивается в устройстве сравнения УС с напряжением задания и их разность подается на усилитель. Бывают двух типов: - синхронные - асинхронные Преимуществом ТГ переменного тока является отсутствие коллектора и щёток. Синхронные ТГ Состоит из неподвижного статора 2, в пазах которого размещена обмотка 3. Якорь 1 представляет собой постоянный магнит с несколькими полюсами. При вращении якоря (постоянного магнита) в обмотке статора наводится переменная э.д.с. Э.Д.С имеет синусоидальную форму, с амплитудой и частотой пропорциональной скорости вращения якоря. Временные диаграммы изменения выходного сигнала тахогенератора приведены на рисунке. Из временных диаграмм следует: 1) При n=0 U вых =0 2) n= n1 и n=2 n1 При увеличении скорости вращения якоря в два раза - амплитуда выходного напряжения увеличилась в два раза, - частоты выходного напряжения увеличилась в два раза. Поэтому синхронный ТГ не получил большого распространения: - частота выходного напряжения зависит от скорости вращения якоря - при изменении направления вращения якоря фаза выходного напряжения не меняется, т.е ТГ нечувствителен к изменению направления вращения. Синхронные ТГ используются лишь в качестве индикаторных тахометров для непосредственного измерения скорости вращения различных механизмов. Выходное напряжение при этом выпрямляется выпрямителем. Uвых n=0 t Uвых n = n1 t Uвых n = 2n1 t Временные диаграммы изменения выходного сигнала синхронного тахогенератора. Асинхронный ТГ. Конструктивно подобен двухфазному асинхронному двигателю с тонкостенным полым немагнитным ротором 1 2 3 4 На рисунке обозначено: 1- внешний статор 2- внутренний статор 3- ротор, выполненный в виде полого немагнитного цилиндра 4- корпус Статоры 1 и 2 (как и в любой электрической машине) набираются из изолированных друг от друга листов электротехнической стали. В пазах статора 1 располагаются 2 обмотки: - обмотка возбуждения ОВ; подключена к сети; - обмотка генераторная ОГ или выходная с которой снимается выходное напряжение; ОВ и ОГ изолированы друг от друга либо соединенным по мостовой схеме и сдвинуты в пространстве на угол 90˚. Статор 2 служит для уменьшения магнитного сопротивления на пути основного (рабочего) магнитного потока, проходящего через воздушный зазор. Полный ротор 3 выполняется в виде тонкостенного стакана из немагнитного материала – чаще всего из сплавов алюминия. Ас. ТГ в зависимости от расположения обмоток делятся: - с обмотками только на внешнем статоре; - с обмотками только на внутреннем статоре; - с одной обмоткой на внешнем, с другой – обычной обмоткой возбуждения – на внутреннем статоре; Принцип действия тахогенератора состоит в следующем. Переменный ток возбуждения создает пульсирующий поток ФВ , который, пересекая полный ротор, наводит в нем э.д.с трансформаций контуры токов ротора от этой э.д.с., располагаются в плоскостях, перпендикулярных потоку возбуждения ФВ . Эти токи создают магнитный поток ротора Ф , направленный навстречу потоку возбуждения. Разность этих потоков Ф= ФВ - Ф образует результирующий продольный поток, который при неподвижном роторе не наводит э.д.с. в генераторной обмотке ОГ, поэтому выходное напряжение =0. При вращении стенки полого ротора пересекают результирующий поток Ф: Ф= ФВ - Ф и в них, кроме э.д.с трансформации, наводится еще э.д.с вращения. Под действием э.д.с. вращения по ротору протекают токи, контуры которых при большом активном сопротивлении ротора практически совпадают с осью потока возбуждения ФВ . Эти токи создают магнитный поток ротора Фq , который направлен по поперечной оси ТГ. Е вых Магнитный поток Фq наводит в ОГ э.д.с . Т.к поток Фq изменяется с частотой сети, то и частота выходного э.д.с. равна частоте сети и не зависит от скорости вращения ротора. ОВ Uв ОГ Ф2 Е=0 n=0 Zн ОВ Uв ОГ Фq Е=0 n=0 Zн Выходная Э.Д.С пропорциональна скорости вращения: Евых сФ П Евых или КТ КТ d dt - угловая скорость вращения вала, равная первой производной от α. К Т - коэффициент передачи. Передаточная функция ТГ: Евых ( p) ( p) W ( p) КТ если за каждую величину принята угловая скорость вращения ротора. Т dU вых dt U вых КТ Т Т= эм - определяется в основном скоростью протекания электромагнитных процессов, т.е активным и реактивным сопротивлением машины и нагрузки Т эм Т LТГ RТГ LH LH ; Е вых ( p) ( p) W ( p) КТ ТР 1 Если за входящую величину принять угол поворота ротора, то передаточная функция представляет идеальное дифференцирующее звено: W ( p) Выходные напряжения генераторной обмотке U вых Е вых ( p) ( p) меньше рК Т Е вых на величину падения напряжения в U вых Ip Eвых I p Z p - ток в генераторной обмотке Зависимость U вых f( ) называется выходной характеристикой асинхронного ТГ. Отклонение реальной от идеальной называется амплитудной (скоростной) погрешностью U. При изменении направления вращения ротора АС ТГ меняется фаза выходного сигнала на 180˚ по отношению к фазе ОВ. Однако здесь также существует погрешность. Осцилограммы выходного сигнала асинхронного тахогенератора для различных скоростей вращения ротора имеют следующий вид: n=0 uвых t n=n1 uвых t n=2n1 uвых t Выходная характеристика представлена на рисунке 2 Uвых 1 Uвых н wн 1-реальная выходная хар-ка 2- идеальная выходная хар-ка w Недостатки асинхронного ТГ. 1.Фаза выходного напряжения не совпадает с фазой ОВ и не остается постоянное при изменении скорости вращения. Отклонение U вых.н называется фазовой погрешностью ТГ. отрицательна при низших и положительных при высоких скоростях вращения. Определяется индуктивным сопротивлением ротора и обмоток статора. 2. Другим недостатком является зависимость амплитуды и фазы U вых от величины и характера нагрузки Z H . Активная и индуктивная нагрузки снижают U вых , а емкостная увеличивают. Следовательно, меняется крутизна выходной характеристики. 3. Следующим существенным недостатком Ас.ТГ является несимметричность выходной характеристики: напряжение U вых при вращении в противоположных направлениях имеет различную величину. В основном несимметричность выходной характеристики объясняется Е (остаточной) э.д.с О , т.е э.д.с наводимой в ОГ при неподвижном роторе. нулевой Причины: U В и Г должны иметь а). Теоретически при =0 ⟶ вых =0 , т.к обмотки В и Г пространственный сдвиг друг относительно друга на 90˚. Однако он отличается от 90˚; б). несимметрия магнитной цепи ( неравенство магнитных проводимостей в различных радиальных направлениях); в). неравномерность воздушного зазора; г). неодинаковая толщина стекол стакана ротора; Нулевая или остаточная Э.Д.С имеет постоянную и переменную составляющие Uo max Uo min U ovar Uo const U o var U o max U oconst U o min 3÷7 мВ 25-100 мВ U Для уменьшения oconst ОВ и ОГ размещают на разных статорах – одну на внешнем, другую на внутреннем. При сборке ТГ внутренний статор поворачивают, находят положение при U котором вых близко к нулю. 4. малая выходная мощность при значительных габаритах и массе; Достоинствами асинхронного ТГ с полым ротором является: - бесконтактность, -малая инерционность, -высокая надежность, -незначительный момент сопротивления. Диапазон измеряемых скоростей: 0÷10000 об/мин Если к ОВ подвести не переменное, а постоянное напряжение, то Э.Д.С на выходе ТГ пропорциональна ускорению Евых КТ d dt =const, то поток возбуждения Фd постоянен, э.д.с вращения в роторе Е Р = Фd =const, то и ротор const; и поток Фq , наводимый током постоянный. 1) Если след-но э.д.с в ОГ не наводится ЕГ = - Г dФ dt q = 0 2) Скорость вращения переменная =var Э.Д.С вращения в роторе Е Р = Фd пропорциональна ; ток ротора и возбуждаемый им поток ротора Фq также пропорциональны . Следовательно, в ОГ наводится э.д.с пропорциональный скорости : ЕГ = - Г dФ d dt q = ± dt или Евых КТ d dt т.е. асинхронный ТГ в этом режиме является датчиком ускорений. Способы компенсации погрешностей отображения: 1.Компаундирование нагрузки емкостными и индуктивными сопротивлениями 2.Повышение синхронной скорости вращения 3.Увеличение активного сопротивления ротора (фосфористая бронза) Способы компенсации остаточной Э.Д.С.: 1.Размещение ОВ и ОГ на разных статорах и регулировка машины при ее сборке 2.Повышение точности изготовления и сборки (большие технологические трудности). Датчики положения. Предназначены для измерения угловых и линейных перемещений рабочих органов машин.В машиностроении наиболее широкое применение нашли электромашинные и фотоэлектрические датчики положения. Электромашинные датчики положения. Сельсины Сельсины-индукционные электрические машины переменного тока синхронной связи. Служат для синхронного и синфазного поворота или вращения двух или несколько осей, механически не связанных между собой. Устройство Имеют 2 обмотки: -первичную или обмотку возбуждения; -вторичную или обмотку синхронизации. Зависимости от числа фаз обмотки возбуждения различают одно и трехфазные сельсины; обмотка синхронизации в обоих типах сельсинов выполняется по типу трёхфазной. Трёхфазные сельсины имеют такую при конструкции, как трёхфазные асинхронные двигатели с контактными кольцами на роторе; их применяют только в системе электрического вала. В системах автоматизации используют однофазные контактные и бесконтактные сельсины. Принцип действия сельсина не зависит от места расположения каждой из обмоток. Однако чаще всего в сельсинах обмотку синхронизации размещают на статоре, а обмотку возбуждения - на роторе (для уменьшения количества контактных колец и повышения надёжности работы). Однофазные контактные сельсины аналогичны асинхронным машинам малой мощности. Они могут быть: - явнополюсными (индикаторными); - неявнополюсными (трансформаторные). Обмотка синхронизации всегда выполняется распределённой. Фазы соединяют в звезду Недостатком контактных сельсинов является наличие скользящих контактов, переходное сопротивление которых меняется. Это снижает надёжность и приводит к увеличению погрешностей. В явнополюсных бесконтактных системах обмотка синхронизации и обмотка возбуждения расположены на статоре. Магнитный поток создаваемый обмоткой возбуждения замыкается через ротор. При повороте ротора изменяется положение оси магнитного потока относительно обмоток синхронизации, поэтому ЭДС , индуктируемая в фазах обмотки синхронизации зависит от угла поворота ротора. 1 2 3 4 С явновыраженными полюсами ротора 1 2 3 4 С явновыраженными полюсами статора 1 2 3 4 неявнополюсный На приведенных рисунках обозначено 1-статор, 2-обмотка статора, 3-ротор, 4-обмотки ротора. Контактные кольца В системах синхронной связи, работающих на повышенной частоте (400-1000 Гц), применяют неявнополюсные бесконтактные сельсины с кольцевым трансформатором. В этих сельсинах обмотка синхронизации расположена в позах статора, а обмотки возбуждения подается посредством кольцевого трансформатора, смонтированного в общем корпусе с сельсином. Такой сельсин подобен контактному сельсину, но вместо колец и щеток в нём примем кольцевой трансформатор. Работа сельсинов в индикаторном режиме. Целью является передача угла на расстояние при незначительном моменте сопротивления приёмника. В этом режиме сельсин-приёмник (СП) самостоятельно отрабатывает угол, задаваемый сельсином-датчиком (СД), не требуя дополнительных усилительных и исполнительных устройств. Uв Ф Ф α α' 1 1' 3' 3 2' 2 СД СП Принцип действия всех сельсинов одинаков. Рассмотрим однофазные сельсины с обмоткой возбуждения на статоре. Индикаторный режим заключается в следующем: если повернуть ротор СД на угол α, то ротор СП сам повернётся примерно на тот угол α' и в ту же сторону. Разность α- α'=0, называется углом рассогласования или ошибочной в повороте. Системы с индикаторными передачами называется дистанционными. Пологая, что -распределение индукции вдоль воздушного зазора синусоидальное. -машина не насыщена -магнитный поток имеет постоянную величину можно считать, что действующие значения ЭДС, наводимых потоком возбуждения в обмотках ротора, являются синусоидальными функциями угла поворота ротора. При повороте ротора СД на угол α в его обмотках наводятся ЭДС: где - максимальное значение ЭДС в обмотке, которое наводится при α=0: F-частота питающей сети, ω, -число витков и обмоточный коэффициент обмотки ротора, -максимальное значение потока возбуждения. Приёмник повернётся на угол α', ЭДС в его обмотках: ' Т.к одинаковые обмотки СД и СП включены встречно, то между одноимёнными концами обмоток действуют разностные ЭДС: =… Обозначив через Z сопротивление фазной обмотки сельсина и пренебрегая сопротивлением проводов связи, найдём токи датчика и приёмника: Алгебраическая сумма токов: Проходя по трём роторным обмоткам сельсина, сдвинутым в пространстве на 120˚ друг относительно друга токи создают три намагничивающие силы сдвинутые в пространстве на 120˚: Геометрическая сумма их в пространстве даёт результирующую Н.С. направление которой зависит от положения ротора. Результирующая Н.С. Имеет 2 составляющие: -продольную , направленную вдоль оси обмотки возбуждения; -поперечную , направленную перпендикулярно к ней. Синхронизирующий момент СП (т.е. момент, стремящийся повернуть ротор СП с угла α' на α, т.е.в согласованное с ротором СД состояние) создаётся в результате взаимодействия поперёчной составляющей Н.С. с потоком обмотки возбуждения. Продольная составляющая этого момента не участвует. в создании Для сельсина - приёмника: Подставляя выражение через токи, получим: Синхронизирующий момент пропорционален Т.о. зависимость статического синхронизирующего момента носит синусоидальный характер. : от угла рассогласования 0 Мсинх. А А' 360 180 В В' Причём при повороте ротора до 180˚(т.А, А') сельсин находится в устойчивом состоянии равновесия, т.к. стремится вернуть ротор начальное установившееся состояние т.е. уменьшить 0. При 0 > 180˚ СП находятся в неустойчивом положении равновесия, т.е. СП стремится увеличить угол 0. Мы рассматривали статический индикаторный режим (Ω=0). Сельсины могут работать в динамическом режиме: -Ω=const-при равномерном вращении (равномерной заводки); -Ω=var-при неравномерном вращении. Тогда динамический момент: C увеличением частоты питающий сети f возрастает. Как правило для возбуждения сельсинов используются напряжения с частотами f=50,400,500,1000 Гц. Работа сельсинов в трансформаторном режиме. Принимается для измерения углового положения. Напряжение возбуждения подаётся на сельсин-датчик, а выходное напряжение снимается со статорной обмотки сельсина- приёмника. При трансформаторном режиме от СД к СП передаётся незначительный по мощности сигнал. Поэтому при использовании в системах автоматического управления сигнал от СП усиливается, затем преобразовывается и подаётся на двигатель. Схема включения сельсинов имеет следующий вид (см. рисунок) U˜ Uвых > Выпр. α 1' 1 2 3 СД 2' 3' СП При повороте ротора СД на угол 0 обмотки 1,2 и 3 смещаются относительно оси 0 возбуждения. Тогда ЭДС в обмотках: Токи: Каждый из токов создаёт в СП намагниченную силу (Н.С.): Продольная составляющая результирующей Н.С. в СП равна сумме проекций Н.С. отдельных фаз ( ) на ось обмотки возбуждения. Эта Н.С. создаёт магнитный поток, пронизывающий выходную обмотку СП и наводит в ней ЭДС. Тогда выходное напряжение: , где -коэффициент пропорциональности между пропорционально косинусу угла 0. и . Т.о. выходное напряжение СП Если за исходное принять положение выходной обмотки повернутое на 90˚, то пропорционально sin 0: будет Если0 10˚, то В станкахках преобразователь. с ЧПУ вместо ЦАП сельсина-датчика используют Uвых цифро-аналоговый > На вход ЦАП поступает двоичный код, который преобразуется в соответствующие напряжения каждой обмотки соответствующие величинам ЭДС в цепи синхронной связи в зависимости от требуемой величины перемещения. Если угол поворота двигателя не совпадает с напряжениями от ЦАП, то на выходе существует , которое подаётся на двигатель. Якорь двигателя поворачивается до тех пор пока не будет =0, т.е. до тех пор пока вал сельсинаприёмника СП не повернётся на угол компенсирующий напряжения с выхода ЦАП. Частота вращения сельсинов ограничена и должна быть не более 3-5% частоты вращения магнитного потока возбуждения. На точность работы сельсинов влияют: -фазовая асимметрия сельсинов, т.е. неравенство сопротивлений фазовых обмоток; -магнитная несимметрия - различная магнитная проводимость в разных направлениях пакетов статора и ротора; -зубчатые гармоники - магнитная проводимость воздушного зазора, вследствие зубчатого строения статора или ротора, при повороте ротора не остаётся постоянной, а периодически изменяется; В зависимости от точности изготовления сельсины делятся на 3 класса: 1,2 и 3. Погрешности измерения угла, град: 1-0÷ 0.25 ; 2; 3Для увеличения точности измерения углового положения следящих систем применяют каналы грубого и точного отсчётов. Ротор СД грубого отсчёта непосредственно соединён с валом и ротором СД точного отсчёта – через редуктор i=10÷35 . При больших углах рассогласования напряжения снимается с СП грубого отсчёта, а при малых с СП точного отсчёта. Uвых=К"sin0≈К"0 U˜ Ф СДГр СПГр Uвых=К"sini0≈К"i0 U˜ Ф i0 СДТ СПТ Основные требования предъявляемые к передачам на сельсинах: 1.Высокая статическая и динамическая точность. Статическая точность определяется погрешностью следования в режиме медленного поворота вала датчика. Динамическая- в режиме вращения с меняющейся по заданному закону угловой скоростью. 2.Способность к самосинхронизации при высоких угловых скоростях и наличие в системе нескольких приёмников. 3.Способность самосинхронизации в пределах одного оборота, т.е. свойства системы на сельсинах занимать только одно устройство, согласованное положение в пределах оборота. Погрешность следования- отклонение угла поворота ротора сельсина-приёмника от угла поворота сельсина- датчика в положении согласование. Для её уменьшения необходимо стремится увеличивать удельный и максимальный синхронизирующие моменты и уменьшать время успокоения ротора приёмника. 4.Для трансформаторных – максимально возможная крутизна при заданном сопротивлении и минимальное выходное сопротивление приёмника. Преобразователи с электрической редукцией Дальнейшее увеличение точности систем измерения и передачи угла связано с большими технологическими и конструктивными трудностями. И возможно за счет введения механического редуктора через который соединяется вал ВТ или сельсина. Однако редукторы имеют также конструктивные погрешности: зазоры(люфты), непостоянство передаточного отношения, моменты трения, которые вносят зону нечувствительности. Поэтому существуют преобразователи с электрической редукцией, который заключается в том, что за малый угол поворота входной оси преобразователя выходной его параметр (амплитуда или фаза) изменяется за один период, а при повороте ротора на 3600 число периодов равно передаточному отношению эмитрической редукции. Из индукционных преобразователей с эмитрической редукцией применение получили индукционные редуктосины и индуктосины. широкое Погрешность системы передачи угла с многопериодными преобразователями уменьшается в число раз, равное передаточному отношению эмитрической редукции. Кроме того, в многопериодных преобразователях происходит ослабление влияния технологических погрешностей изготовления, в том числе из-за неравномерностей воздушного зазора за счет осреднения. Однако в преобразователях с эмитрической редукцией увеличивается отклонение выходного напряжения от синусоидального закона. Многополюсные ВТ В индукционных преобразователях получение эмитрической редукции сводится к увеличению числа пар полюсов роторной и статорной обмоток. Могут быть различные пути создания многополюсных СКВТ. Один из них – применение многополюсных обмоток на пакетах статора и ротора двухполюсных преобразователей. Другой путь – увеличение числа зубцов при одновременном увеличении числа пар полюсов на роторе и статоре таким образом, чтобы число пазов на полюс и фазу для двухи многополюсных ВТ было одинаковым. Индукционный редуктосин Представляет собой бесконтактный СКВТ с эмитрической редукцией. Статор собирается из пластин эл.технической стали с большим числом зубцов, а ротор может быть выполнен в виде зубчатого колеса из эл.технической стали или также собран из пластин. Соотношение зубцов статора и ротора может быть любым. Для пояснения принципа работы редуктосина рассмотрим наиболее простой случай, когда отношение числа зубцов статора и ротора равно 4/3 или 5/4. Первичная 1-1 и две вторичные обмотки 2-2, 3-3 размещены на пакете статора. Первичная обмотка наматывается на все зубцы статора, вторичные через один зубец. При питании первичной обмотки синусоидальным напряжением во вторичных обмотках наводятся э.д.с., амплитуды которых изменяются в функции угла поворота с пространственным сдвигом, равным 900 или зубцового деления ротора. Повороту ротора на угол равный одному зубцовому делению, соответствует полный период изменения амплитуды выходного напряжения. А при повороте ротора на один оборот число периодов амплитуды выходного напряжения равно числу зубцов ротора. Форма кривой выходного напряжения определяется главным образом угловыми размерами зубцов ротора и статора, а также величиной зазора между ними. При определенных соотношениях этих величин можно получить близкую к синусоиде форму кривой изменения амплитуды переменной составляющей проводимости воздушного зазора в функции угла поворота. Если к первичной обмотке подведено напряжение то выходные напряжения обмоток 2 и 3 : где Где – максимальное значение напряжения на вторичных обмотках – активное и индуктивное сопротивления первичной обмотки статора – передаточное отношение эмитрической редукции = числу зубцов ротора – число витков первичной и вторичной обмоток: - амплитудное значение переменной составляющей магнитной проводимости; Коэффициент трансформации редуктосинов не превышает 0,25, а у ВТ 0,5 0,65. Тем не менее чувствительность редуктосинов гораздо выше, чем у ВТ, т.к крутизна на линейном участке увеличивается в раз, что эквивалентно соединению ВТ через повышающий редуктор с передаточным отношением i = . Выключение обмоток редуктосина в фазовом режиме аналогично выключению ВТ. И фаза выходного напряжения пропорциональна углу поворота ротора . Индуктосины Индуктосин – индукционный датчик угла или положениея с плоскими печатными обмотками. Особое широкое применение получил в системах ЧПУ металлорежущими станками.Более 24 станков с ЧПУ оснащено индуктосинами. Индуктосин представляет собой разновидность многополюсного поворотного трансформатора с обмотками, выполненными фотохимическим методом. Высокая точность обусловлена возможностью получения большого коэффициента электрической редукции, значение которого может достигать 300 и более при сравнительных небольших габаритах датчика. Основными деталями кругового индуктосина является 2 диска: ротор и статор из изоляционного материала (керамика, стекло и т.п). Один из дисков соединяется с валом, угловое положение которого подлежит измерению (ротор), второй (статор) неподвижен. На торцовых поверхностях обращенных друг к другу, диски несут печатные обмотки имеющие вид радиального ротора, составленного из плоских проводников. Существуют : - угловые - линейные Угловые представляют собой диски из изоляционного материала, расположенные соосно и параллельно, на которых печатным способом нанесены проводящие линии или обмотки. На роторе расположена однофазная многополюсная обмотка. На статоре – двухфазная многополюсная секционированная обмотка. Линейные представляют собой две параллельно близко (воздушный зазор 0,1мм) расположенные пластины одна из которых-статор, другая – ротор. Обмотки статора сдвинуты друг относительно друга на ¼ или ¾ шага.Первичная обмотка составлена из 2х проводников. При подключении переменного напряжения к зажимам этой обмотки в пространстве, окружающем обмотку, возникает переменное электромагнитное поле и в каждом витке вторичных обмоток индуктируется Э.Д.С. При вращении ротора вокруг вертикальной оси будут меняться как амплитуда, так и направление вектора электромагнитной индукции. Поэтому Э.Д.С. при взаимном угловом перемещении изменяется от максимально положительного до максимального отрицательного значений и т.д. Период повторения кривой равен раз, где р – число пар проводников (полюсов). Электромагнитную связь в обмотках имеют не только радиально расположенные проводники, но и лобовые части. Мгновенные значения тока во всех лобовых частях однофазной обмотки всегда совпадают по направлению, поэтому Э.Д.С. индуктируется в лобовых частях вторичной обмотки, при взаимном угловом перемещении обмоток никогда не проходит через нуль. Постоянная составляющая этой Э.Д.С. не зависит от угла поворота и является паразитным сигналом. Для ее исключения вторичную обмотку выполняют секционированной. Секции сдвигают относительно друг друга на у а постоянная составляющая уничтожается. Возможны и другие варианты компенсации Э.Д.С. лобовых частей.На рис. обмотки сдвинуты друг относительно друга на 1/4 шага (или на 3/4 шага). Фактически индуктосин является воздушным трансформатором. Коэффициент индуктивной связи очень низок, поэтому происходит значительное ослабление выходного сигнала (даже при повышенной частоте источника питания). Так например: воздушный зазор 0,1мм . В этом основной недостаток индуктосинов. Достоинство: печатный способ выполнения обмоток и вследствие этого возможность получения значительного передаточного отношения эмитрической редукции при сравнительных малых габаритах, благодаря чему существенно повышается точность преобразователя. В системах управления станков с ЧПУ используют: - в амплитудном режиме - фазовом режиме Чаще используется при работе в фазовом режиме: на первичные обмотки подаются ортогональные напряжения. Напряжение на выходе снимаемое с однофазной обмотки: т.е в идеальном случае на выход с двухфазного фазовращателя возникает напряжение, фаза которого пропорциональна перемещению ротора , а амплитуда выходного напряжения не меняет своей величины. Если в круговых индуктосинах период α [0,2π] то в линейных от 0 до t (t – шаг обмотки). Таким образом индуктосины являются циклическими датчиками. Точность измерения линейных идуктосинов 1мм, угловых – 1-5 угл.сек. Для связи индуктосинов с системой ЧПУ сигнал фазы индуктосина переведется в числовой код. Сравнительная характеристика многополюсных ВТ, редуктосинов и индуктосинов. 1. ВТ характеризуется малым коэффициентом ослабления выходного сигнала ( . Недостаток – наличие контактных колец. 2. Редуктосины – бесконтактные машины, но имеют большой коэффициент ослабления выходного сигнала ( . 3. ВТ и редуктосины отличаются сложностью наметки обмоток. 4. Индуктосины – простота и высокая технологичность и точность изготовления, недостаток – очень большой коэффициент ослабления выходного напряжения (Uввоз=40 В, Uвых=3-4 В) ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ ПОЛОЖЕНИЯ 2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Как уже указывалось, принцип действия фотоэлектрического первичного преобразователя (ФПП) перемещений состоит в преобразовании линейного X или углового φ перемещения в изменение интенсивности светового потока, поступающего на приемник излучения (фотоприемник). Исходя из этого определения, практически все существующие ФПП перемещений по характеру воздействия светового потока на фотоприемник можно разделить на три основные группы: 1) ФПП с перекрытием светового потока; 2) растровые ФПП; 3) ФПП с кодовыми масками. Первые две группы используются в ЦПП последовательного счета как в накапливающих, так и в циклических. Третья группа ФПП относится к ЦПП считывания. По виду выходного сигнала ФПП, как и датчики других типов, могут быть непрерывными и дискретными (как с импульсным, так и с квантованным выходным сигналом). Из всего многообразия существующих ФПП здесь будут рассмотрены только основные типичные структуры построения ФПП и будет дан их сравнительный анализ. 2.2. ФПП С ПЕРЕКРЫТИЕМ СВЕТОВОГО ПОТОКА Наиболее простым и надежным является амплитудный ФПП с перекрытием светового потока посредством заслонки, шторки или флажка [2,6]. Схема одного из вариантов построения такого ФПП представлена на рис. 2.1 [2]. Шток 4, связанный одним концом с объектом, линейное перемещение X которого необходимо измерить, имеет на другом конце заслонку 3. Перемещение заслонки 3 перекрывает отверстие диафрагмы 2, в результате чего изменяется величина светового потока, идущего от источника излучения ИИ с конденсором I к объективу 5 и фотоприемнику ФП и далее на усилитель У. Таким образом, на выходе датчика имеем сигнал, амплитуда которого пропорциональна перемещению X. Недостатками рассмотренной схемы являются Для определения угловых перемещений с учетом направления часто используют простую схему накапливающего типа, представленную на рис. 2.4 [9]. Схема работает следующим образом. Кодовый диск с прорезями жестко закреплен на валу, угловое положение 9 которого необходимо измерить. С обеих сторон КД установлены источники света ИИ1, ИИ2 и фотоприемники ФП1 и ФП2. Когда между i-м фотоприемником ФП и источником ИИ окажется просвет в диске КД при его повороте на определенный угол в, то на выходе соответствующего ФП появится импульс, который поступает на один из входов логической схемы ЛС. На другой вход ЛС поступает импульс со второго ФП. Схема ЛС сравнивает очередность поступления этих импульсов, определяя направление поворота диска КД {т.е. знака приращения 9). Фотоприемники конструктивно расположены так, что в случае вращения КД в положительном направлении первым выдает импульс ФП1, а при отрицательном (противоположном) направлении — ФП2. При получении пары импульсов от, ФП1 и ФП2 логическая схема выдает один импульс на счетный вход реверсивного счетчика PC и одновременно — сигналы на два входа управления направлением счета. Таким образом, рассмотренная схема подсчитывает все изменения угла 9 на величину кванта алгебраически суммируя их с учетом знака. Достоинствами схемы, как, впрочем, и других схем накапливающего типа, измеряющих только приращения, являются высокое быстродействие и простота практической реализации. Время преобразования накапливающего ФПП практически равно времени съема показаний со счетчика. Однако у накапливающих ФПП имеется существенный недостаток — принципиальная возможность появления систематической погрешности. Действительно, если, например, при какой-либо неисправности произойдет или кратковременный перерыв в передаче импульсов счетчику, или сброс информации счетчика, то возникнет ошибка, которая не устраняется до тех пор, пока схема не будет искусственно приведена в начальное состояние. Эта ошибка может быть в некоторой степени устранена, если в схеме предусмотреть периодическую установку входного вала в положение и сброс всех триггеров счетчика в 0. Кроме того, рассмотренная схема обладает малыми помехоустойчивостью и надежностью, поскольку в случае поступления на счетчик лишних импульсов, вызванных, например, электромагнитными помехами, возникшая ошибка не устраняется до тех пор, пока схема не будет искусственно приведена в начальное состояние. Последнего недостатка лишена схема ФПП, приведенная на рис. 2.5 [а.с. 1173715 (СССР)]. Переменные сигналы с выходов ФП1 и ФП2, сдвинутые на я/2 относительно друг друга, сравниваются на компараторе К1, на выходе которого формируются импульсы Ui{t). На компараторе К2 производится сравнение переменных сигналов, поступающих с ФП1 и фазоинвертора ФИ. На выходе К2 формируются импульсы Ut(t). При наличии электронных помех синфазные сигналы помехи, поступающие на оба входа K1, подавляются в его входной дифференциальной цепи. Парафазные сигналы помехи на входах К2 могут вызвать его переключение, но такое срабатывание К2 будет воспринято логической схемой ЛС и счетчиком PC как прохождение окна кодового диска через оптическую ось ФПП сначала в одном, а затем в другом направлении. Таким образом, сигнал помехи не вызовет ложной регистрации импульсов в счетчике. 2.3. РАСТРОВЫЕ ФПП ПЕРЕМЕЩЕНИЯ 2.3.1. ФПП счета муаровых полос (накапливающие ПП) Основным узлом любого растрового ФПП является оптический модулятор, состоящий из сопряжения измерительного (радиального или линейного) и индикаторного (неподвижного) элементов. По типу применяемого сопряжения различают растровые, дифракционные и интерференционные звенья [1,2,4,91Между перечисленными звеньями много общего, так как они обладают рядом сходных признаков. Все они имеют периодическую структуру. Перемещение измерительного элемента относительно индикаторного на некоторую величину вызывает повторение показаний выходного сигнала чувствительного элемента (фотоприемника). Наименьшая величина перемещения, при которой показания повторяются, является периодом звена. Совершенно аналогично понятию характеристики пропускания растрового сопряжения понятие характеристики распределения освещенности в интерференционном поле интерференциального звена. При сопряжении штриховых растров образуются комбинационные фигуры (полосы), шаг, форма и направление которых определяются взаимным расположением штрихов сопрягаемых растров. При сопряжении двух систем волн образуются интерференционные фигуры (интерференционные полосы), шаг, форма и направление которых определяются взаимным расположением волновых структур. В зависимости от характера воздействия на лучистый поток различают растры пропускающие, и отражающие. Пропускающие растры представляют собой систему прозрачных и непрозрачных элементов. Отражающие растры выполняются в виде решеток с элементами, зеркально отражающих свет [1,9}. Принцип действия растровых ФПП заключается в следующем. При перемещении (угловом или линейном) измерительного растра относительно неподвижного индикаторного растра происходит модуляция светового потока по амплитуде в функции перемещения, т. е. периодическое изменение освещенности чувствительного элемента, расположенного за полем растрового сопряжения. При этом освещенность фотоприемника максимальна при совпадении штрихов измерительного и индикаторного растров в минимальна, когда штрихи одного растра закрывают прозрачные участки другого. Полный цикл изменения освещенности фотоприемника произойдет при перемещении растра на величину шага. Считая число таких циклов, можно измерять линейные в угловые перемещения с точностью до шага растра. Если расположить растры так, чтобы между штрихами образовался некоторый угол, то возникнут отчетливо видимые широкие темные и светлые полосы. Эти полосы называются комбинационными (или муаровыми) полосами. Перемещение измерительного растра относительно индикаторного в направлении, перпендикулярном штрихам, на величину шага растра вызовет перемещение комбинационных полос в поперечном направлении (вдоль штрихов) на величину шага полос. При этом шаг муаровой полосы связан с шагом растра следующим соотношением [9]: (2.1) где —шаг муаровой полосы; растра относительно индикаторного. —шаг растра; —угол сдвига измерительного Аналогичным образом (как в случае параллельного расположения растров), считая число муаровых полос, можно измерять перемещения с точностью до шага растра. Описанный принцип действия позволяет строить достаточно простые схемы растровых ФПП, например со счетом числа муаровых полос [1,Э]. Одна из схем такого ФПП накапливающего типа представлена на рис 2.6. Рассмотрим принцип ее действия [1]. Для того чтобы обеспечить реверсивный счет, растровый модулятор РМ (рис. 2.в.а), состоящий из конденсора /, растровых решеток РР, диафрагмы Д и двух объективов 2, должен выдавать два сигнала, сдвинутых по пространственной фазе на я/2 относительно друг друга, т. е. находящихся в квадратуре. Это достигается соответствующим размещением диафрагм в растровом поле или сдвигом индикаторных растров относительно друг друга [1,6,10]. От фотоприемников ФП1 и ФП2 синусоидальные сигналы I и II (рис. 2.6,6), сдвинутые по пространственной фазе на п/2, поступают на формирователи Ф1 и Ф2. Каждый из формирователей имеет по два выхода. С одного выхода формирователя снимается прямоугольное напряжение с той же фазой, что и входной синусоидальный сигнал, а с другого выхода снимается инвертированный сигнал. В результате имеем четыре прямоугольных напряжения А, В и А, В, три из которых сдвинуты относительно каждого предыдущего на я/2 по пространственной фазе. Выходные сигналы А и А подаются на дифференцирующие цепи ДЦ1 и ДЦ2. Продифференцированные импульсы А' и А' поступают на соответствующие входы схем совпадения И1 — И4, на вторые входы которых подаются соответствующие сигналы с выходов Ф1 а Ф2. Для показанной на схеме коммутации входов и выходов схем совпадений И1 — И4 импульсы вырабатываются на шине прямого хода и подаются на вход (+) реверсивного счетчика PC, если измерительный растр движется в прямом направлении. При Движении в обратном направлении счетные импульсы являются на шине обратного хода и затем подаются на вход (—) PC. При перемещении растра на один шаг на счетчик PC подаются два импульса, т. е. рассмотренная схема ФПП обладает разрешающей способностью, соответствующей 1/2 шага растра. Принцип действия схемы иллюстрируется временными диаграммами (рис. 2.6,6"). Усложнением блока выработки счетных импульсов можно увеличить разрешающую способность до 1/4 и даже до 1/8 шага растра (т.е. в 4 раза). Схемы эти известны [1,6,9] и здесь приводиться не будут. Отметив только, что выпускаемые в настоящее время промышленностью линейные н цифровые интегральные микросхемы (ИМС) позволяют создавать растровые накапливающие ФПП с 1/3 шага, удовлетворяющие всей требованиям в отношении точности интерполяции и надежности работы. При этом получают разрешающую способность в 1—2 мкм для растров с шагом и делением шага растра на 4 или 8 частей. Одним из способов построения растровых накапливающих ФПП с разрешающей способностью, равной десятым долям микрометра, является применение промежуточной интерполяции на электронно-лучевой трубке. Этот способ достаточно подробно изложен в [1] и здесь рассматриваться не будет. Отметим только, что с помощью электронно-лучевого интерполятора можно осуществить дробление шага растра, например, на 40 частей, если на входе реверсивного счетчика PC имеется схема деления на 4. Однако из-за определенной сложности и достаточно высокой стоимости этот способ широкого применения не получил. Другим способом получения более высокой разрешающей способности ФПП счета муаровых полос является применение дифракционных решеток с малым шагом штрихов. Однако изготовление таких решеток в достаточной степени дорого и связано с определенными технологическими трудностями. Поэтому обычно накапливающие ФПП счета муаровых полос применяют в качестве датчиков грубого отсчета, используя в них дифракционные решетки с относительно крупным шагом. 2.3.2. Растровые интерполяторы В целях получения более высокой разрешающей способности в настоящее время чаще всего используют ФПП с внутришаговой интерполяцией, т. е. с использованием метода определения положения муаровой полосы в долях шага растра. Этот метод позволяет применять растры с шагом более 50—70 мкм. Такие растры легко воспроизводятся фотографическим путем и, следовательно, достаточно дешевы. Дифракционные эффекты при образовании муаровых комбинационных полос у них имеют пренебрежимо малое значение. Оптические системы определения положения муаровой полосы получаются более простыми, и допуски на детали и узлы в таких системах во много раз больше, чем в системах с дифракционными решетками [1,9]. ФПП, построенные на методе интерполирования, или, иначе, растровые интерполяторы (РИ),_ можно разделить на амплитудные РИ и_фазовые РИ. Амплитудные РИ определяют положение муаровой полосы по амплитудам сигналов, снимаемых с фотоприемников. Разрешающая способность таких интерполяторов сравнительно невелика: 1/2*— 1/2S, что, конечно, не удовлетворяет современным требованиям. Основным достоинством амплитудных РИ является высокое быстродействие, зависящее практически только от скорости срабатывания пороговых схем. Амплитудные РИ не получили широкого применения. Они достаточно полно описаны в [1,3,9] и здесь рассматриваться не будут. Из всех существующих растровых ФПП наибольшей точностью и разрешающей способностью, обладают фазовые РИ, в которых положение, подвижного измерительного растра определяется по пространственной фазе муаровой картины. Наиболее широкое применение в ФПП нашли растровые фазовращателис электрической модуляцией. По способу построения такие преобразователи разделяют на две группы: 1) ФПП, основанные на амплитудной модуляции световых потоков при прохождении их через систему подвижного (измерительного) и нескольких неподвижных (индикаторных) растров, на преобразовании световых потоков в электрические сигналы, которыми модулируют амплитуды несущих колебаний,образующих в общем случае n-фазную систему, с последующим суммированием этих сигналов; 2) ФПП, основанные на амплитудной модуляции промодулированных сигналами несущей "частоты световых потоков, образующих в общей случае п-фазную систему, при прохождении их через систему измерительного и нескольких индикаторных растров, на преобразовании световых потоков в электрические сигналы с последующим суммированием этих сигналов. Достоинством второй группы является то, что все элементы схем этого типа преобразователей работают на переменном токе, недостатком — сложность схемной реализации. Недостатком первой группы является возможность появления дрейфа нуля в связи с работой ряда элементов на постоянном токе, но при этом схемная реализация преобразователей получается несколько проще. По числу фаз несущего сигнала преобразователи как первой, так и второй группы делятся на двух-, трех- и п-фазные. Наибольшее применение в настоящее время нашли двух- и трехфазные растровые ФПП. Рассмотрим более подробно принцип действия фазовых растровых ФПП на примере трехфазных преобразователей. По сравнению с многофазными они имеют более простую схему, а по сравнению с двухфазными — большую точность. На рис, 2.7 представлена схема трехфазного растрового ФПП с введением несущих колебаний в электронной части. Преобразователь работает следующим образом. Постоянный световой поток от источника света ИИ поступает на растровый модулятор РМ. Конструктивно РМ состоит из оптической системы 1,5, измерительного растра 2, связанного с перемещающимся объектом, трех индикаторных растров 3, сдвинутых относительно друг друга в пространстве на 2п/3 шага растра и повернутых относительно измерительного растра на угол согласно (2.1), а также трех диафрагм 4. Таким образом, в данном РМ. имеется три канала модуляции, образованных тремя растровыми сопряжениями 2,3. Период изменения светового потока в каждом растровом сопряжении равен шагу растров, фаза зависит от относительного начального сдвига индикаторных растров, а форма — от конструктивных параметров растров, диафрагм и апертуры оптической системы. В частном случае законы модуляции РМ могут быть синусоидальными и характеристика прозрачности растрового сопряжения имеет вид (2.2) где перемещением —средняя составляющая прозрачности и глубина =• 1,2,3 — порядковый, номер каналов модуляции. модуляции Световые потоки, сфокусированные на входных зрачках фотоприемников ФПи в этом случае определяются выражением Выходные напряжения ФП усиливаются и подаются на модуляторы М1—МЗ, в которых модулируют напряжение, поступающие от фазорасщепителя несущих колебаний ФРН. Фазорасщепитель преобразует сигнал генератора несущей частоты ГИЧ таким образом, что с выхода ФРН снимаются три напряжения, сдвинутые по фазе относительно друг друга на (2.3) С выходов модуляторов снимаются напряжения где К — чувствительность фотоприемников ФПг; Ку — коэффициент усиления усилителя У1, —коэффициент модуляции модулятора Mi. Выходные напряжения модуляторов М1 суммируются в суммирующем устройстве СУ. При этом суммарный сигнал определяется выражением где После несложных преобразований выражения (2.4) с учетом прохождения сигнала через полосовой фильтр на выходе преобразователя получаем (2.5) где Таким образом, при выбранных параметрах преобразователя амплитуда выходного напряжения ФПП постоянна, а фаза линейно зависит от перемещения Х. При этом с увеличением коэффициентов глубины модуляции тх амплитуда выходного сигнала возрастает. Использование трехфазного источника синусоидального напряжения высокой частоты или, в общем случае, п-фазного источника является одним из недостатков ФПП рассмотренного типа, поскольку соблюдение точного фазирования каждого синусоидального напряжения связано с определенными трудностями при схемной реализации. Этого можно избежать, если в качестве генератора несущих колебаний использовать генератор импульсов, сигналы с Которого посту- пают на импульсный Фазорасщепитель (ИФР). Выходные напряжения такого ИФР, сдвинутые относительно друг друга по фазе в общем случае на (где а=1 для двухфазного ИФР и а=2 для трех- и п-фазного), подаются на управляющие входы ключевых схем, на вторые входы которых поступают сигналы с фотоприемников. Достоинством таких схем является относительная простота электронной части за счет применения импульсных устройств, недостатком — необходимость применения полосового фильтра на выходе преобразователя, вносящего погрешности при изменении частоты и изменении его параметров, а также ухудшающего динамические свойства преобразователя. Схемотехника преобразователей второй группы растровых ФПП с модуляцией излучения источника света также достаточно разнообразна. На рис. 2.8 представлена функциональная схема трехфазного растрового ФПП с модуляцией излучения источника света. Преобразователь работает следующим образом. Сигнал с генератора ГНЧ подается на Фазорасщепитель ФРН, с выхода которого снимаются три напряжения вида (2.3). Эти напряжения поступают на управляемые генераторы тока нагрузкой которых служат источника света Промодулированные в генераторах тока световые потоки где — коэффициент модуляции, поступают на растровый модулятор РМ, который конструктивно выполнен так же, хак н в преобразователе (рис. 2.7). При этом в частном случае при синусоидальном законе модуляции характеристика прозрачности растровых сопряжений PCi описывается выражением (2.2). Про модулированные де по амплитуде перемещением X в РМ световые потоки суммируются на входном зрачке фотоприемника ФП и имеют вид Усиленное выходное напряжение фотоприемниква пр этом Где — амплитуда составляющей выходного сигнала ФПП; переменной — постоянная составляющая. Переменная составляющая выходного напряжения преобразователя, таким образом, описывается выражением, аналогичным (2.5), и, следовательно, при выбранных параметрах преобразователя амплитуда его выходного напряжения постоянна, а фаза линейно зависит от перемещения X. Существует большое количество модификаций рассмотренной схемы (рис 2.8): двух-, четырех- и п-фазные, основным назначением которых является повышение точности преобразователя и уменьшение его погрешностей. При этом используются как аналоговые, так и импульсные фазорасщелители несущих колебаний. Кроне того, в целях некоторого упрощения структуры построения и уменьшения количества источников излучения часто применяют схемы ФПП с использованием одного модулированного источника вместо нескольких. Однако в этом случае в отличие от рассмотренной схемы (рис. 2.8) число фотоприемников приходится увеличивать до двух- трех или в общем случае делать равным выбранному числу каналов модуляции перемещением, что вносит свои погрешности лри измерении. 2.4. ФПП СЧИТЫВАНИЯ 2.4.1. Общие принципы построения Отличительной особенностью ФПП считывания является то, что выходным сигналом служит непосредственно код В данном параграфе будет кратко рассмотрен принцип действия преобразователей такого типа и будут описаны некоторые наиболее интересные конструкции и схемы. Основным элементом ФПП считывания является диск (или барабан) с нанесенной на него кодовой маской в соответствии с принятым двоичным кодом. Кодирующий диск выполняется обычно из оптического стекла, на котором фотохимическим способом нанесена кодовая маска в виде концентрических дорожек с прозрачными и непрозрачными участками. Количество таких дорожек и ширина кодовых участков зависят от разрешающей способности ФПП и вида выбранного кода. Кодированный диск кинематически связан с вращающимся валом, угловое перемещение которого необходимо измерять. Световой поток от источника излучения, находящегося по одну сторону диска, проходит сквозь прозрачные участки кодовой маски и щелевую диафрагму, находящуюся с другой стороны диска, в поступает на фотоприемники. Усиленные дискриминированные сигналы принимаются за двоичные единицы, а отсутствие сигналов на других фотоприемниках, перекрытых непрозрачными участками, соответствует двоичным нулям. Таким образом, каждому углу присуща своя комбинация электрических сигналов, которая есть не что иное, как цифровое выражение данного угла. При этом фотоприемники обычно располагаются вдоль радиуса диска, поскольку в этом случае существенно облегчается задача формирования узкого светового луча считывания. 2.4.2. ФПП на основе многоэлементных фотоприемников Среди возможных вариантов построения ФПП считывания перспективным является принцип пространственного кодирования, реализуемый на базе многоэлементных фотоприемников (МФП). В ФПП данного типа МФП реализует пространственное кодирование с одновременным преобразованием потока световой энергии в электрический сигнал. Рассмотрим принцип действия такого преобразователя на примере цифрового преобразователя угла (ЦПУ) с МФП, представленного на рис. 2,11. В светонепроницаемом корпусе 1 расположены кодовый МФП 2 и осветитель, состоящий из источника света 3, конического зеркала 4, модулятора 5, непрозрачного диска 6. Модулятор 5 и диск 6 жестко укреплены на валу 7, вращающемся в подшипниках 8. Модулятор 5 выполнен в виде полого барабана С диафрагмой 9. В диске 6 имеется радиальная диафрагма 10. МФП 2 может быть тонкопленочным или твердотельным. В обоих случаях МФП 2 представляет собой набор токоведущих электродов 11 с расположенными между ними фоточувствительными дорожками 12, топология элементов которых определяется используемым кодом преобразования. Каждый разряд последнего реализуется в простейшем случае двумя токоведущими электродами 11 с расположенной между ними дискретной фоточувствительной дорожкой 12 в виде чередования ячеек, чувствительных и нечувствительных к световому потоку. Световой поток от источника света 3 проходит через диафрагму 9 полого барабана модулятора 5 и, отразившись от конического зеркала 4, попадает на МФП 2 через диафрагму 10 диска 6 а виде радиального светового штриха, так что перекрывает одновременно все фоточувствительные дорожки 12. Если световой штрих попадает на ячейку, чувствительную к световому потоку, в цепи соответствующей дорожки 12 протекает фототок и на сопротивлении нагрузки появляется напряжение, соответствующее логической 1 (или 0). При попадании светового штриха на нечувствительную к световому потоку ячейку фототок в цепи последней отсутствует, что соответствует сигналу логического 0 (или 1). Таким образом, на сопротивлениях нагрузки появляется кодовая комбинация напряжений, соответствующая положению светового штриха в координатах рабочего поля МФП 2. При вращении вала 7 радиальный световой штрих, формируемый жестко связанными с валом 7 модулятором 5 и непрозрачным диском б, изменяет свое положение на рабочем поле МФП 2. Каждому угловому положению вала 7 в соответствии с положением светового штриха на поверхности МФП 2 однозначно соответствует кодовое слово, образованное набором напряжений на сопротивлениях нагрузки каналов двоичных разрядов МФП 2. Устройство обработки сигналов, снимаемых с сопротивлений нагрузки МФП, может быть выполнено как в виде интегральной схемы, расположенной в корпусе ЦПУ совместно с МФП 2, так н в виде отдельного блока. Метрологические и эксплуатационные характеристики рассматриваемых ЦПУ определяются в первую очередь функциональными возможностями кодирующих МФП. Современный уровень технологии микроэлектроники позволил создать МФП как в тонкопленочном, так и в твердотельном исполнении, обладающие полной развязкой двоичных каналов и двукратным и более резервированием последних, а также достичь размеров активных элементов прибора в 10— 20 мкм. При диаметрах активной области МФП 30—40 мм это позволило реализовать более 10* дискретных элементов в дорожках младших разрядов ЦПУ. Интерполяционная обработка выходных сигналов МФП позволяет повысить его разрешающую способность на несколько двоичных разрядов. В качестве источника света используются сверхминиатюрные лампы накаливания (СМИ 8—60, СМИ 6—150 и др.), отличающиеся при низкой потребляемой мощности достаточно высокими световым потоком и сроком службы. Альтернативным * Без электронной обработки. является применение инжекционных светодиодов, которые, уступая сверхминиатюрным лампам накаливания по интенсивности, обеспечивают высокие срок службы и устойчивость к механическим нагрузкам. В табл. 2.1 приведены параметры ЦПУ на основе кодирующих МФП. К преимуществам ЦПУ на основе кодирующих МФП относятся: простота конструкции, надежность, малый момент на валу, малые габаритные размеры и масса . Наличие широко развитой элементной базы для оптических систем и устройств обработки сигналов позволяет создавать на основе рассмотренной конструкции ЦПУ его варианты с повышенными метрологическими характеристиками. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ФАЗА-КОД ПРЯМОГО ИЗМЕРЕНИЯ 5.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ФАЗОВЫХ ЦПП Как известно, все цифровые преобразователи перемещений (ЦПП) можно разделить на три основные группы: с непосредственным предбразованием линей-ного (или углового) перемещения в код, с косвенным преобразованием и с комбинированным преобразованием. В-ЦПП первой группыоперации преобразования подвергается само механическое перемещение. В преобразователях второй группы измеряемое перемеще-ние сначала представляется в виде удобного аналогово параметра а затем преобразуется в цифровой эквивалент. Третья грулпа (промежуточный вариант) — это сочетание первых двуx. Остановимся более подробно на второй группе ЦПП с промежуточным пре образованием в аналоговый параметр, т. е. на преобразователях типа переме щение—параметр—код, которые обладают линейно характеристикой управления, высокой разрешающей способностью и достаточным быстродействием надежностью. Основными перспективными промежуточными параметрами в этих ЦПП являются фаза и амплитуда переменного напряжения. Высокая помехоустойчивость фазовогопараметра является положительным фактором При значнтельном (несколько десятков метров) удалении первичного преобразователя на контролируемом объекте от отсчетной части (электронной схемы). Кроме того, фазовые измерительные системы внастоящее время обладают наиболее высокой точностью. К достоинствам ЦПП с промежуточным преобразованием в фазовый сдвиг относятся: простота осуществления многоканального преобразования и соединения первичного преобразователя перемещений с элек тронной схемой; высокий уровень унификации и технологичности; возможность изготовления в условиях неспециализированных предприятия из серийно выпус каемых деталей. В практике построения ЦПП разового типа большое значение имеет второй этап лреобразования фаза —код, который, в значительней-степени, влияет на точность всего ареобразрв.ания-.ЦПП-.в .делом. Существующие преобразователи фаза—код (ПФК) кроме отмеченного уже использования в составе фазовых ЦПП имеют и_ самостоятельное значение. Они применяются в информационно-измерительной Texникеt например при измерении и контроле фазы (цифровые фазометры), В системах автоматического и програмного управления в качестве датчиков обратной. связи и т. д. Преобразователи фаза — код классифицируются по различным признакам, основными из которых можно считать следующие: структуру построения, принцип преобразования и метод измерения кодового сигнала. Классификационная схема, представленная в табл. 5.1, включает в себя наиболее известные схемы преобразователей фаза — код. По структуре построения преобразователи фаза — код разделяются на ПФК прямого преобразования и компенсационные. Последние основаны на уравновешивании фазового сдвига (или напряжения, пропорционального фазовому сдвигу) и относятся, как правило, к схемам следящего типа, обладающим, высокой помехоустойчивостью и точностью. К недостаткам ПФК компенсационного типа относятся наличие динамической погрешности и определенная сложность практической реализации схемы. Более подробно преобразователи этого класса будут рассмотрены в следующей главе. ПФК прямого измерения относятся. к преобразователям цилического типа и могут быть разделены на три основные группы прошжуточным преобразо-ванием в напряжение (или частоту), с времяимпульсным преобразованием. И с преобразованием частоты. Среди преобразователей фаза — код ПФК прямого измерения нашли наиболее широко^ применение, так как при достаточно высокой точности.они обладают s общем случае более простой для практической реализации схемой ло сравнению с ПФК компенсационного типа. Рассмотрим более подробно каждую из трех групп ПФК прямого преобразования. S.2. ПФК С ВРЕМЯИМПУЛЬСНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ Преобразователи такого типа строятся обычно по схеме фазовый сдвиг — временной интервал — код. В настоящее время они нашли наиболее широкое применение вследствие простоты осуществления преобразования, а также высокой точности как преобразования фаза — временной интервал, так и последующего преобразования интервала времени в код. Известны две основные группы таких преобразователей: ПФК с измерением мгновенного значения фазы, в основе которых лежат усреднение интервала времени между переходами исследуемых напряжений через нуль с последующим или одновременным определением фазового сдвига между этими напряжениями, и ПФК с постоянным временем измерения (интегрирующие ПФК), осуществляющие измерения усредненного значения фазового сдвига за несколько периодов исследуемого напряжения. 5.2.1. ПФК на основе измерения мгновенного значения фазы Одна из наиболее простых схем такого ПФК представлена на рис. 5.1. Выходное напряжение фазовращателя ФВ, фаза которого пропорциональна перемещению 8, подается на нуль-орган НО2. Опорное напряжение поступает на НО1. Нуль-органы НО1 и НО2 фиксируют моменты перехода напряжений через нуль, например при переходе от положительной полуволны к отрицательной, и выдают короткие импульсы, поступающие на триггер Т. На выходе триггера формируется временной интервал, пропорциональный фазовому сдвигу между Преобразование временного интервала в число импульсов производится генератором импульсов ГИ и схемой совпадений И. Число импульсов N, подсчитанных двоичным счетчиком ДС, связано с измеряемым перемещением 9 выражением где — соответственно частоты питающего напряжения ФВ и генератора ГИ. Число разрядов параллельного двоичного кода с выхода ДС, определяется по известной формуле квантования равное снимаемого —число шагов Отличительной особенностью рассмотренной схемы, как, впрочем, и любых схем ПФК с измерением мгновенного значения фазы, является то, что измерение перемещения 0 преобразователя идет один раз за период питающего напряжения ФВ. Поэтому такие ПФК иногда носят название преобразователей с измерением за один период . Точность рассмотренной схемы ПФК зависит в основном от погрешности ФВ н преобразования временного интервала в код и обычно не превышает 10 двоичных разрядов. Способы уменьшения погрешностей ФВ были рассмотрены в гл. 1. Что же касается погрешностей преобразования фаза — времеянной интервал — код, то они зависят от многих причин и в частности во многом — от стабильности частоты питания и частоты генератора заполняющих импульсов Из (5.1) следует, что при стабильности отношений этих частот погрешности преобразования не возникнет, однако изменение той или иной частоты на величину при неизменности другой непосредственно приведет к погрешности измерення, т. е. к изменению числа подсчитанных импульсов на какую-то величину и выражение (5.1) примет, например, вид Из последнего выражения видно, что погрешность преобразования линейно зависит от пермеещения в, поскольку Очевидно, что стабилизация частот или их синхронизация приве- дет к уменьшению частотной погрешности. Однако если стабилизация высокой частоты не вызывает затруднений в практической реализации (например, использование кварцевых генераторов), то стабилизация частоты опорного напряжения, как правило, не превышающей 1—2 кГц, является более трудной задачей и в ряде случаев приводит к неоправданному усложнению схемы ПФК. Поэтому метод стабилизации частот в чистом виде не нашел широкого применения. Чаще используется метод синхронизации частот, который позволяет повысить точность измерения перемещения в 2—3 раза при относительно небольшом усложнении схемы. На рис. 5.2 приведен один из вариантов построения схемы ПФК с синхронизацией частот. Отличие этой схемы от рассмотренной (см. рис. 5.1) заключается в том, что в ней питание ФВ осуществляется не от отдельного источника, а от делителя частоты ДЧ, на вход которого поступают сигналы с генератора ГИ. Низкочастотный фильтр Ф выделяет первую гармонику сигнала с ДЧ и, таким образом, на выходе фильтра образуется синусоидальное напряжение с частотой (5.3) где п — число разрядов счетчика. Подставляя (5.3) в (5.1), получаем и, следовательно, число импульсов, подсчитываемых счетчиком ДС, не зависит от нестабильности частот. Таким образом, частотная погрешность отсутствует. Существует много модификаций приведенной схемы (рис. 5.2) с синхронизацией частот. Так, например, имеется ряд схем [7, II, 22] ПФК, использующих делители частоты ДЧ не только по их прямому назначению, как в описанной схеме, но и одновременно в качестве двоичных счетчиков, формирующих временные маски различных кодов: «-разрядного параллельного двоичного кода, параллельного циклического кода Грея, V-кода (кода Баркера). При этом усложнение схемы преобразователя за счет введения ряда дополнительных дискретных элементов в определенной степени компенсируется соответствующими преимуществ вами применяемых способов считывания кода. Кроме того, такие схемы, в в частйости схемы с использованием V-кода, удобны для применения в двухотсчетных преобразователях в качестве канала грубого отсчета, что будет показано в дальнейшем. Для иллюстрации изложенного рассмотрим схему ПФК с синхронизацией частот, представленную на рис, 5.3 [11]. Синхронизация частоты здесь осуществляется аналогично тому, как в рассмотренной схеме рис. 5.2 по цепи ГИ — ДЧ — Ф — ФВ. Отличие заключается в том, что используется один НО вместо двух, а в качестве двоичного счетчика — сам делитель ДЧ, на выходах всех разрядов триггеров которого формируется маска временного га-разрядного параллельного двоичного кода. Выходы триггеров ДЧ подключены ко вторым входам схем совпадения И, на первые входы которых одновременно поступает сигнал с нуль-органа, несущий информацию о перемещения. Таким образом, с выходов схем совпадения И считывается двоичный код, пропорциональный перемещению в. При этом назначение схем И аналогично назначению чувствительных элеиентов преобразователей считывания (ПС) с использованием кодовых масок или шкал. Такому съему информации присущи известные недостатки ПС с двоичными кодовыми масками. Устранение погрешностей, обусловленных неоднозначностью считывания кода, можно обеспечить применением в качестве ДЧ счетчика, формирующего циклический код (код Грея) или V-код. Однако такое решение, повышая точность ПФК, одновременно приводит к усложнению схемы преобразователя за счет необходимости введения дополнительных узлов преобразования кода Грея или V-кода в двоичный код. Информационные устройства систем тактического уровня управления. Датчики тактильного очувствления. Тактильные датчики используются в робототехнике для получения информации о контакте манипулятора с объектами в рабочем пространстве. Тактильная информация может использоваться, например, для определения местоположения объекта или его распознавания, а также для управления усилием захватного устройства, воздействующего на объект манипулирования. Тактильные датчики подразделяются на два основных типа: дискретные и аналоговые. Дискретные датчики, как правило, срабатывают при наличии или отсутствии объекта, в то время как выходной сигнал аналоговых датчиков пропорционален прикладываемому усилию. Дискретные пороговые датчики Дискретные тактильные датчики являются контактными приборами типа микропереключателей. В простейшем случае переключатель размещен на внутренней поверхности каждого пальца манипулятора (рис. 23.1). Рисунок 23.1. Простой схват робота с бинарными тактильными датчиками Этот вариант очувствления используется для определения наличия детали между пальцами схвата. Перемещая манипулятор над объектом и последовательно производя контактирование с его поверхностью, можно также осуществить центрирование манипулятора относительно объекта для его схвата и переноса. Путем размещения нескольких дискретных тактильных датчиков на внутренней поверхности каждого пальца схвата достигается расширение получаемого объема информации. Кроме того, они часто ставятся на внешней поверхности конечного звена манипулятора для получения управляющих сигналов, используемых при формировании траектории движения манипулятора в рабочем пространстве («ощупывание»). Аналоговые датчики Аналоговый тактильный датчик является регистрирующим прибором, выходной сигнал которого пропорционален прикладываемой силе. Простейший из таких приборов состоит из подпружиненного стержня (рис. 23.2), который механически связан с вращающейся осью. Рисунок 23.2. Типичный аналоговый тактильный датчик Горизонтальная сила, действующая на стержень, преобразуется в пропорциональный поворот оси. Этот поворот непрерывно измеряется с помощью потенциометра или кодовым устройством с дискретным выходом. При известной жесткости пружины сила соответствует указанному перемещению. Для увеличения объема информации о процессе взаимодействия робота с объектом на схвате робота размещают матрицы тактильных датчиков, параметры которых меняются в зависимости от давления («графитовые столбики») (рис. 23.3). Рисунок 23.3. Схват робота, оснащенный матрицами тактильных датчиков В таких устройствах, обычно называемых «искусственной кожей», давление от объекта вызывает соответствующие деформации, которые измеряются как непрерывно меняющееся сопротивление. Изменение сопротивления легко преобразуется в электрический сигнал, амплитуда которого пропорциональна силе, действующей на соответствующую точку поверхности матрицы. Рассмотренные тактильные датчики измеряют силы, перпендикулярные к чувствительной поверхности датчика. Определение проскальзывания путем измерения тангенциального движения является другой важной задачей тактильного очувствления. Датчик для определения проскальзывания включает свободно вращающийся зубчатый шар, который отклоняет тонкий стержень, установленный на оси проводящего диска (рис. 23.4). Под диском равномерно расположены электрические контакты. Вращение шара, вызванное проскальзыванием по нему объекта, приводит к вибрации стержня и диска с частотой, пропорциональной скорости вращения шара. От направления вращения зависит, какой контакт будет задействован вибрирующим диском. Усредненное направление проскальзывания определяется по импульсам в соответствующих выходных электрических контурах. Рисунок 23.4. Устройство для определения величины и направления проскальзывания Датчики силомоментного очувствления. Силомоментные датчики используются в основном для определения сил реакции, возникающих при механической сборке. Основные методы в этой области направлены на очувствление сочленений и схвата робота. Датчик сочленения измеряет в декартовых координатах силы и моменты, которые действуют на робот, и производит их векторное сложение. Для сочленения, перемещаемого с помощью двигателя постоянного тока, очувствление производится простым измерением тока якоря. Датчики схвата размещаются между конечным звеном манипулятора и схватом. Они состоят из измерителей напряжений, которые определяют отклонение механической системы под действием внешних сил. Элементы датчика схвата, встроенного в запястье Датчики представляют собой небольшие, чувствительные, легкие (~370 грамм) и относительно компактные конструкции диаметром 10 см и толщиной 3 см с динамическим диапазоном до 90 кг. Для уменьшения гистерезиса и увеличения точности измерения датчик обычно выполняют из одной твердой металлической заготовки (как правило, алюминиевой). Рисунок 23.5. Силовой датчик схвата, встроеный в запястье Например, датчик, показанный на рис. 23.5, содержит восемь пар полупроводниковых измерителей механических напряжений, установленных на четырех отклоняющихся стержнях – по одному измерителю на каждой стророне стержня. Дифференциальное включение измерителей обеспечивает автоматическую компенсацию изменений температуры. Это первичная грубая компенсация. Так как восемь пар измерителей напряжения расположены нормально к осям х, у и z системы координат сил, три компоненты силы F и три компоненты момента М могут быть определены соответствующим сложением или вычитанием выходных напряжений (токая компенсация). Важно, чтобы движения в схвате, производимые силовыми датчиками, не влияли на точность позиционирования манипулятора. Требования к датчикам: 1. Высокая жесткость. Частота собственных колебаний механического устройства связана с его жесткостью, следовательно, высокая жесткость обеспечивает быстрое демпфирование возникающих колебаний при измерении сил и точность показаний на коротких временных интервалах. Это снижает величину отклонений от действия сил и моментов, которая может привести к ошибке позиционирования манипулятора. 2. Компактность конструкции. Это позволяет облегчить движение манипулятора в условиях навала деталей, а также уменьшить вероятность столкновения датчика с объектами, находящимися в рабочем пространстве. Компактный датчик можно размещать ближе к расположенному в схвате технологическому оборудованию, благодаря чему уменьшается ошибка позиционирования оборудования из-за неадекватности рабочих условий оборудования и датчика. Желательно расширить диапазон измерения сил и моментов. Этому способствует минимизация расстояния между манипулятором и датчиком, приводящая к уменьшению величины рычага прикладываемых к манипулятору сил. 3. Линейность. Хорошая линейность выхода чувствительных элементов от прикладываемых сил и моментов позволяет выделить силы и моменты с помощью простых матричных операций. Упрощается процесс калибровки датчика силы. 4. Малые величины гистерезиса и внутреннего трения. Внутреннее трение уменьшает чувствительность измерительных элементов. Это также уменьшает гистерезисные эффекты при возвращении измерительного прибора в исходное положение. Выделение сил и моментов Предположим, что взаимовлияние различных измерителей пренебрежимо мало, силовой датчик схвата работает в диапазоне упругих деформаций и измерители напряжения дают показания, которые линейно зависят от их отклонения. Тогда датчик выдает восемь рядов измерений, которые должны быть обработаны программным путем на ЭВМ с использованием простого метода выделения трех ортогональных компонент сил и моментов относительно системы координат датчика силы. Такая обработка может быть реализована путем определения матрицы размерностью 6×8, называемой матрицей разделения силы (или матрицей калибровки датчика) R F , которая составляется на основе измерений силы для выделения трех ортогональных компонент силы и момента. Вектор силы, направленный вдоль координатных осей датчика силы: F где F силы, моменты W ряд измерений T RF W , (23-1) Fx , Fy , Fz , M x , M y , M z w1 , w2 , w3 ,..., w8 T , T , r11 .......... r18 и RF .......... ........ r61 .......... r68 . (23-2) В выражении (23-2) rij 0 - являются членами, требующими преобразования ряда измерений W (в вольтах) в силы и моменты (в ньютонах и ньютонах соответственно). на метр Для датчика, представленного на рис. 23.5 матрица разделения силы по уравнению (23-2) примет вид: r21 0 r13 0 0 r17 0 r25 0 r32 0 r34 r36 0 r38 r56 0 RF 0 r52 0 0 r44 r61 0 r63 0 r65 0 r48 . (23-3) 0 r67 0 Погрешность измерения сил и моментов достигает 5 %. Недостатком использования силового датчика схвата, встроенного в запястье, является то, что он обеспечивает измерение векторов силы, разделяемых в процессе контакта элементов при сборке только в одной точке. Локационные датчики Измерение расстояния по времени прохождения сигнала Рассмотрим три метода измерения расстояния, основанные на определении времени прохождения сигнала между объектом и приемником. Два из них – лазерные, один – ультразвуковой. Первый метод – измеряется время, в течение которого посланный вдоль оси световой импульс возвращается вдоль той же оси от отражающей поверхности. Расстояние до объекта определяется по формуле D cT 2 , где Т – время прохождения сигнала и с – скорость света (0,3 м/нс). Частота отсчета должна быть 50 Гц для достижения точности измерения порядка 6,3 мм. Лазерные измерители дают двухмерный массив со значениями, пропорциональными расстоянию. Двухмерное сканирование выполняется путем отклонения лазерного луча вращающимся зеркалом. Рабочая зона этого устройства находится в пределах 1-4 метра, точность 2,5 мм. Во втором случае вместо импульсного светового сигнала используется непрерывный луч лазера и измеряется задержка (т.е. фазовый сдвиг) между посылаемыми и возвращенными лучами (рис. 21-1). Луч лазера с длиной волны расщеплен на два луча. Один из них (опорный «луч отсчета») проходит расстояние L к фазометру, а другой проходит расстояние D до отражающей поверхности. Общее расстояние, пройденное отраженным лучом, составляет D L 2 D . Фазовый сдвиг между двумя лучами в точке измерения (рис. 21.1,б) возникает в случае, если отраженный луч проходит путь больший, чем исходящий. В этом случае имеем: D Так как D L L . 360 (21-1) 2 D , подставив это значение в уравнение (21-1), получим: D 360 2 , (21-2) что определяет расстояние через фазовый сдвиг, если известна длина волны (632,8 нм у гелий-неонового лазера). При такой малой длине волны метод, схема которого показана на рис. 21.1, нецелесообразно применять в робототехнике из-за сложности определения малых фазовых смещений. Наиболее приемлемым решением является амплитудное модулирование лазерного луча волной с гораздо большей длиной, например, 30 метров (f=10 МГц) (рис. 21.2). Основная процедура остается прежней, но сигнал отсчета является теперь функцией модулирования. Модулированный лазерный сигнал посылается на объект, а возвращенный сигнал демодулируется и сравнивается с отсчетным сигналом для определения фазового сдвига. Рисунок 21.1. Принцип измерения расстояния по фазовому сдвигу (а) и сдвиг между исходящей и отраженной световыми волнами (б) Рисунок 21.2. Волновой сигнал, модулированный по амплитуде модулирующей функцией с гораздо большей длиной волны Равенство (21-2) все еще имеет силу, но теперь работа происходит в более удобном диапазоне длин волн. Третьим методом измерения является ультразвуковой метод, реализующим идею измерения расстояния по времени прохождения сигнала. Ультразвуковой сигнал передается за короткий промежуток времени и, так как скорость звука известна для определенной среды, простое вычисление, включающее интервал времени между посылаемым и отраженным сигналами, дает оценку расстояния до отражающей поверхности. Например, в ультразвуковой измерительной системе, выпускаемой фирмой Polaroid, сигнал длительностью 1 мс, состоящий их 56 импульсов четырех частот (50, 53, 57, 60 кГц), передается датчиком диаметром ~38 мм. Сигнал, отраженный объектом, улавливается тем же датчиком и, проходя через усилитель и схему индикации, способен измерять расстояние в диапазоне ~0,3-10 м с точностью до 2,5 см. Смешанные частоты сигнала используются для улучшения устойчивости сигнала. Отклонение в направленности этого прибора составляет ~30°. Ультразвуковые датчики применяются в робототехнике преимущественно в навигации и для обхода препятствий. Очувствление в ближней зоне Датчики измерения в дальней зоне дают оценку расстояния между датчиком и отражающим объектом. Датчики измерения в ближней зоне обычно имеют дискретный пороговый сигнал, который определяет наличие объекта в пределах установленного пространства, например, при захвате объекта или при его обходе. Существует несколько методов очувствления в ближней зоне. Индуктивные датчики Индуктивные датчики – датчики, основанные на изменении индуктивности при взаимодействии с металлическим объектом, наиболее широко используются в промышленных роботах. Принцип работы этих датчиков можно объяснить по рис. 21.3. На рис.21.3,а представлена схема индуктивного датчика, который состоит из катушки, размещенной за постоянным магнитом в корпусе. Когда датчик приближается к ферромагнитному материалу, изменяется расположение силовых линий постоянного магнита (рис. 21.3,б и в). При отсутствии движения силовые линии не изменяются и, следовательно, в катушке ток не индуцируется. Изменение напряжения на выходе катушки обеспечивает эффективное очувствление в ближней зоне на расстояниях ~1 мм (рис. 21.4). Так как для получения выходного сигнала на датчике требуется наличие относительного движения датчика и объекта, одним из методов получения дискретного порогового сигнала является интегрирование выходного сигнала. Рисунок 21-3. Индуктивный датчик (а), форма магнитных линий при отсутствии ферромагнетика (б) и при наличии ферромагнетика в зоне измерения датчика(в) Рисунок 21.4. Зависимость выходного сигнала индуктивного датчика от скорости Пороговый сигнал остается на нижнем уровне, пока значение интеграла остается ниже установленного порога. После превышения порога сигнал переходит на верхний уровень, что соответствует наличию объекта в зоне измерения. Датчики Холла Эффект Холла связывает напряжение между двумя точками в проводнике или полупроводниковом материале в магнитном поле, воздействующим на этот материал. Используемые сами по себе датчики Холла могут уловить только намагниченные объекты. Однако, если их использовать вместе с постоянным магнитом (рис. 21.5), они способны установить наличие всех ферромагнитных материалов. Рисунок 21.5. Работа датчика Холла (а), снабженного постоянным магнитом (б) Датчики Холла основаны на возникновении силы Лоренца, действующей на заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле. Эта сила направлена по оси, перпендикулярной плоскости, образованной направлением движения заряженной частицы q v B , где q – заряд; v – и направлением поля. Сила Лоренца определяется как F вектор скорости; В – вектор магнитного поля; а × - знак пересечения векторов. Предположим, что ток проходит через полупроводник n-типа, который находится в магнитном поле (рис. 21.6). Поскольку электроны являются основными носителями в материалах n-типа, а движение дырочного тока противоположно потоку электронов, сила, действующая на движущиеся отрицательно заряженные частицы имеет направление, показанное на рис. 21.6. Эта сила действует на электроны, которые скапливаются в нижней части материала. При внесении ферромагнетика в зону действия датчика Холла напряженность магнитного поля увеличивается, а сила Лоренца уменьшается. На полупроводнике возникает падение напряжения. Рисунок 21.6. Возникновение эффекта Холла Дискретный выходной сигнал, определяющий наличие объекта, реализуется пороговым ограничителем выходного напряжения датчика. В качестве чувствительного элемента используется кремний, имеющий ряд преимуществ: малые размеры, высокую чувствительность, устойчивость к влиянию электрических помех, возможность использования электронного усилителя и обработки сигналов непосредственно на датчике, уменьшая тем самым размеры и стоимость. Емкостные датчики Емкостные датчики обладают способностью обнаруживать все твердые и жидкие материалы. Как видно из названия, эти датчики основаны на изменении емкости, которая зависит от расстояния до поверхности объекта в зоне действия чувствительного элемента (рис.22.1). Существует ряд методов обнаружения в ближней зоне, основанный на изменении емкости: конденсатор представляет собой элемент колебательного контура, колебания в котором возникают только в том случае, если емкость датчика превышает заданное пороговое значение. Колебания преобразуются затем в выходное напряжение, которое указывает на присутствие объекта в зоне измерения. Этот метод обеспечивает дискретный выходной сигнал, переключение которого зависит от значения заданного порога; емкостной элемент в контуре, по которому постоянно проходит синусоидальный сигнал частоты. Изменение емкости вызывает фазовый сдвиг между сигналом эталонной частоты и сигналом от емкостного элемента. Фазовый сдвиг пропорционален изменению емкости и следовательно, может быть использован для обнаружения объекта в ближней зоне. Рисунок 22.1. Емкостной датчик измерения в ближней зоне На рис. 22.2 показано изменение емкости в зависимости от расстояния. Рисунок 22.2. Зависимость процентного изменения емкости датчика в ближней зоне от расстояния Форма характеристики зависит от материала объекта измерения. Обычно такие датчики работают в дискретном пороговом режиме. Изменение емкости выше заданного порога Т соответствует наличию объекта, а ниже – его отсутствию в зоне, установленной величиной Т. Ультразвуковые датчики Характеристики всех рассмотренных датчиков измерения в ближней зоне сильно зависят от материала объектов измерения. Эта зависимость может быть в значительной степени уменьшена путем использования ультразвуковых датчиков (рис. 22.3). Рисунок 22.3. Ультразвуковой датчик измерения в ближней зоне Основным элементом датчика является электроакустический преобразователь, в качестве которого часто используется пьезоэлектрический керамический элемент. Подложка из смолы защищает преобразователь от влажности, пыли и других внешних воздействий. Она служит также как переходное акустическое сопротивление. Поскольку один и тот же преобразователь используется обычно как для передачи, так и для приема сигналов, для обнаружения объектов в ближней зоне необходимо быстрое демпфирование акустической энергии. Это достигается путем применения акустических поглотителей и развязкой преобразователя от корпуса. Конструкция корпуса позволяет получить узкий акустический поток, дающий мощный направленный сигнал. Для лучшего понимания работы ультразвукового датчика измерителя в ближней зоне надо провести анализ сигналов, используемых как для передачи, так и для приема акустической энергии (рис. 22.4). Рисунок 22.4. Сигналы, используемые в ультразвуковом датчике измерения в ближней зоне Сигнал А является запорным сигналом, используемым для управления посылаемыми сигналами. Сигнал В содержит выходной и отраженный сигналы. Сигнал С – выделяет сигналы передачи или приема. Для того, чтобы установить различие между посылаемыми и принимаемыми сигналами, вводятся временные окна (сигнал D). t является минимальным временем измерения, а t1 t 2 Временной интервал максимальным. Эти временные интервалы соответствуют прохождению определенных расстояний со скоростью распространения звука в используемой рабочей среде. После получения отраженного сигнала (в то время, когда сигнал D имеет максимальное значение), вырабатывается сигнал Е, величина которого принимает нулевое значение после окончания действия передающего импульса А. Сигнал F вырабатывается при появлении положительного импульса Е и сбрасывается в случае отсутствия сигнала Е и появления импульса А. Таким образом, сигнал F будет иметь максимальное значение при наличии объекта на расстоянии, определяемом параметрами сигнала D, т.е. сигнал F является выходным сигналом ультразвукового датчика, работающего в бинарном режиме. Оптические датчики измерения в ближней зоне Оптические датчики измерения в ближней зоне подобны ультразвуковым датчикам в том смысле, что они определяют близость объекта по его влиянию на волновой сигнал, проходящий от источника к приемнику. Один из наиболее распространенных методов измерения расстояния в ближней зоне с помощью оптических средств показан на рис. 22.5. Рисунок 22.5. Оптический датчик измерения в ближней зоне Датчик состоит из светодиода, который выполняет роль источника инфракрасного излучения, и фотодиода, используемого в качестве приемника. Пучки света, сформированные оптическими системами источника и приемника в одной плоскости, пересекаются в вытянутой конусовидной зоне. Эта зона определяет рабочий диапазон датчика, так как отражающая поверхность, которая находится в зоне, освещается источником и одновременно «просматривается» приемником. Хотя данный метод в принципе похож на метод триангуляции, имеются и различия. Зона измерений (рис. 22.5) обеспечивает не только точечное измерение. Поверхность, находящаяся в любом месте указанной зоны, будет идентифицирована. Для объекта с известной ориентацией и характеристиками отражения можно осуществить калибровку интенсивности изображения в функции расстояния, однако обычно систему, приведенную на рис. 22.5, используют в режиме, при котором формируется дискретный выходной сигнал при достижении интенсивности отраженного светового потока определенного порогового значения. Информационные устройства систем стратегического уровня управления 5. СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ 5.1. Общие сведения Среди всех систем восприятия внешней информации системы технического зрения (СТЗ) обладают наибольшей информативностью. С помощью СТЗ осуществляется обнаружение, распознавание объектов, определение местоположения объектов и координат. Но выполняемым функциям СТЗ можно разделить на три типа: распоз-нающие, обзорно-информационные и измерительные, которые, как правило, закладываются в одну СТЗ. Распознающие и измерительные СТЗ позволяют определять геометрические параметры объектов и нашли применение на операциях контроля качества, классификации и сортировки неподвижных или движущихся объектов. Измерительные системы, кроме того, позволяют вычислять расстояние до объектов и определить их ориентацию. Обзорно-информационные СТЗ служат для организации технологического процесса несредством анализа сцен. Основным требованием предъявляемым к СТЗ является обеспечение возможности выполнения функций в реальном масштабе времени, т.е. со скоростью прохождения технологического процесса без задержек и простоев и, как правило, сокращенные обрабатываемой информации. Помимо быстродействия, СГЗ характеризуются числом элементов дискретизации видеосигнала, числом градаций яркости видеосигнала, контрастом между фоном и объектам, требуемой освещенностью рабочей сцены и другими параметрами. Обобщенная функциональная схема СТЗ приведена на рис.5.1. Блоки, входящие в схему, присутствуют, как правило, во всех СТЗ. Осветительное устройство I световым потоком воздействует на объект 2. Отраженный световой поток фиксируется видеодатчиком 3, создавая в нем контрастное изображение. Видеодатчик представляет собой некоторую оптическую систему и преобразователь свет-сигнал. Блоком 4 осуществляется преобразование сигнала видеоинформации из аналоговой формы в цифровой код. Блок 5 включает буферное запоминающее устройство (БЗУ) и устройство связи с ЭВМ. Блок 6 представляет собой или серийную ЭВМ или специализированную ЭВМ, предназначенную для обработки изображений. МикроЭВМ выполняет следующие функции: по входным массивам цифровых данных о состоянии рабочей зоны вычисляет координаты объектов, определяет их ориентацию, управляет работой робота, обеспечивает опрос состояния других устройств СТЗ. Видеоконтрольное устройство 7 и дисплей В позволяют оператору контролировать изображение и следить за ходом выполнения программы обработки информации. Синхронная работа всех устройств осуществляется блоком синхронизации 9. 7 3 4 5 8 6 2 1 1 Рис. 5.1. Основным конструктивным элементом СТЗ является видеодатчик, который служит для преобразования оптического изображения в электрические сигналы. Качество изображения в первую очередь зависит от качественных показателей видеодатчика: чувствительности, разрешающей способности, световой и спектральной характеристик. Чувствительность видеодатчика оценивается освещенностью, которую необходимо обеспечить на светочувствительном элементе для его нормальной работы. Чем выше чувствительность, тем ниже требуемая освещенность сцены, области зоны обслуживания робота, в которой в данный момент направлена СТЗ. Сравнивать видеодатчики по чувствительности необходимо при заданном (фиксированном) отношении сигнал помеха. Поэтому численное значение чувствительности определяют величиной обратной освещенности фотослоя, обеспечивающий заданное отношение сигнал помеха на выходе видеодатчика. В инженерной практике чувствительность вследствие видеодатчика оценивают освещенностью фоточувствительного слоя в люксах. Разрешающая способность видеодатчика определяет его свойство создавать сигнал от мелких деталей, изображения. Этот показатель характеризуется апертурой характеристикой, обеспечивающей значение глубины модуляции сигнала в зависимости от размера деталей изображений (для передающих трубок от числа телевизионных строк, укладывающихся по высоте растра). За 100 % принимается размах сигнала от черно-белого перепада крупной детали изображения. Способность видеодатчика передавать градации яркости определяется световой (амплитудной) характеристикой, представляющей собой зависимость тока сигнала от освещенности фотослоя. Спектральная характеристика видеодатчика- зависимость величины сигнала от длины волны подающего светового потока одинаковой мощности для всех длин волн. Показатели и характеристики видеодатчиком зависят от принципа построения, светочувствительного материала, используемого для фотоэлектрического преобразования, конструктивных и других факторов. Видеодатчики телевизионного сигнала могут быть построены с использованием оптико-механических систем развертки, систем бегущего светового луча, электроннолучевых трубок и твердотельных фотоэлектрические преобразователей. Оптико-механическая система используется в фототелеграфии и при передаче неподвижных изображений. Системы бегущего светового луча применяются в устройствах, объекты передачи которых могут быть изолированы от внешнего источника света. В современных СТЗ оптические изображения преобразуются в телевизионные сигналы в основном с помощью электронно-лучевых передающих трубок. Однако в перспективе ожидается постепенное вытеснение этих приборов твердотельными фотоэлектрическими преобразователями. 5.2. Видеодатчики систем технического зрения Выбор видеодатчика СТЗ определяется условиями функционирования СТЗ и характеристиками фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). Принцип действия $80 определяется фотоэлектрической поверхностью, использующей внешний или внутренний фотоэффект. При внешнем фотоэффекте освобожденные электроны покидают облученные светом вещество, вылетая в свободное пространство (фотоэлектронная эмиссия). При внутреннем фотоэффекте освобождение светом электроны остаются внутри твердого тела, изменяя его проводимость (фотопроводимость). 5.2.1. Видеодатчики, использующие внешний фотоэффект Принцип действия видеодатчиком СТЗ, использующих внешний фотоэффект, рассмотрим на примере диссектора (dissect, англ. рассекать) передающей телевизионной трубки мгновенного действия, предложенной в 1930 г. Фарнмвортом, Схематичное изображение современного диссектора ЛИ-604 представлено на рис.5.2. 6 8 3 7 1 5 10 9 4 2 + 11 i + + + сетка + Е = 2000в - динод Рис. 5.2. Диссектор На переднюю стенку колбы I нанесен полупрозрачный фотокатод 2. Фотокатод выполняется полупрозрачным, так как эмиссия фотоэлектронов осуществляется с правой стороны, для чего световые лучи должны свободно проникать через толщу материале. Фотоэлементы, покинувшие фотокатод, ускоряются напряжением подаваемым на ускоряющий электрод 3, на который подается потенциал около 2 кВ относительно фотокатода. Фотоэлектроны направляются к диафрагме 4, причем большая их часть перехватывается (закрывается) диафрагмой» В образовании сигнала принимают участие лишь фотоэлектроны: прошедшие через отверстие 5 в диафрагме размеры которого равны размерам растрового элемента. Фокусировка фотоэлектронов в плоскости диафрагмы осуществляется с помощью магнитной катушки 6. Отклонение производится двумя парами катушек, создающих взаимно перпендикулярные магнитные поля, катушки 7 обеспечивают отклонение всего потока фотоэлементов 6 в горизонтальном направлении (строчная развертка), вторая пара катушек, относящаяся к кадровой развертке на рисунке, не показана. При развертке через отверстие диафрагмы попеременно элемент за элементом, строка за строкой проходят электроны, эмитированные различными участками фотокатода Сигнал усиливается при помощи вторично – эммитерного умножителя. Вторичные эммитеры умножителя, выполненные в виде дисков (диноды), показаны условно. Более подробно конструкция динода изображена ниже на рисунке. Каждый динод состоит из металлической сетки, соединенной с наклонно расположенными металлическими пластинами, подвергнутыми специальной обработке для повышения коэффициента вторичной эмиссии τ. Такая конструкция получила название "жалюзи". Диоды подключаются к положительному полюсу источника высокого напряжения, причем потенциал каждого последующего динода выше предыдущего, Пройдя 13 ступеней усиления электронный поток достигает последнего динода, обозначенного номером 10. Вторичные электроны, покинувшие динод 10, собираются сеткой II, являющейся коллектором. Положительный потенциал коллектора II выбирается выше потенциала динода 10, что обеспечивает эффективный отбор вторичных электронов. Эти электроны образуют ток сигнала, проходящий через резистор нагрузки RH. Направление тока показано стрелкой. Благодаря применению вторично-электронного умножителя ток сигнала, протекающий через нагрузкуRH, составляет значительную величину: iе = 100 мкА. Наша промышленность выпускает несколько типов дисситронов, нашедших применение в аппаратуре СT3. Важным достоинством диссектора является линейность зависимости между величиной тока сигала и освещенностью мишени, что важно для СТЗ. Существенным недостатком диссектора является его низкая чувствительность, что характерно для систем мгновенного действия к позволяет его использовать при работе с ярко освещенными или светящимися объектами. В передающей трубке мгновенного действия типа диссектор в образовании сигнала участвует лишь те фотоэлектроны, которые эмитируются с участка фотокатода, соответствующего одному элементу изображения. Таким образом, образование сигнала в каждый момент времени осуществляется с помощью I/N части фотокатода (где N количество элементов разложения изображения), хотя фотоэмиссия с остальных участков происходит непрерывно. В современных телевизионных системах количество элементов разложения составляет большую величину (N = 5*105). Поэтому в системах мгновенного действия отношение количества используемой световой энергии к подающей не превышает одной полумиллионной доли, что и приводит к снижению отношения сигнал/шум. Увеличение чувствительности передающей системы возможно за счет накопления электрического заряда, высвобождаемого световой энергией, за время передачи кадра. Накопление заряда позволяет увеличить напряжение видеосигнала в N = 500000 раз. Роль накопительного элемента в передающих трубках выполняет мишень, представляющая собой тонкую пластину, изготавливаемую из диэлектрика или полупроводника и покры- тую с одной стороны тонким слоем металла. Преобразование оптического изображения в электрический сигнал осуществляется при помощи электронного луча, развертывающего поверхность изолированного электрода-мишени. На основе принципа накопления заряда существует большое количество передающих трубок (иконоскоп, супериконоскоп, суперортикон). Несмотря на высокую чувствительность передающих трубок с накоплением заряда их применение в СТЗ роботов ограничено вследствие большой сложности и громоздкости и высокой стоимости. 5.2.2. Видеодатчикк, использующие внутренний фотоэффект Принцип действия видеодатчиков СТЗ роботов, использующих внутренний фотоэффект, рассмотрим на примере видикона (video, лат. – видеть; kon, греч. изображение). Эта трубка отличается простотой конструкции, относительно несложными схемными устройствами, обеспечивающими ее работу, небольшими размерами и массой. Выпускаемые для промышленных устройств видиконы имеют диаметр 13,5; 26 и 40 мм. Стандартным (базовым) называют видикон с диаметром колбы 26 мм. Б СТЗ роботов широкое применение получали видиконы с диаметром колбы 13,5 мм. Конструкция видикона изображена на рис.5.3. 5 1 2 9 3 8 7 4 12 Uс Rн + Uв.с 10 6 11 +Uа2 +Uа1 -Uу Uса - Рис. 5.3. Видиокон В колбе видикона находятся фотопроводящая мишень и электронно-оптическая система развертывающего луча. Фотомишень состоит из прозрачной сигнальной пластины I - тонного проводящего слоя двуокиси олова, нанесенного методом напыления на внутреннюю поверхность стеклянной планшайбы 2. Прозрачность сигнальной пластины превышает 90 %, поверхностной сопротивление составляет около 200 Ом.см. Выводы сигнальной пластины служит металлическое кольцо, вваренное между планшайбой и колбой трубки. На сигнальную пластину нанесен фотослой 3 толщиной 1-3 мм из материала, обладающего фотопроводимостью. Таким материалом часто служит трехсернистая сурьма (стибнит). От толщины и свойств материала фотопроводника зависят чувствительность, спектральная характеристика и инерционные свойства видикона. Поэтому в зависимости от назначения видиконов используют соответствующие фотопроводники. Электронно-оптическая система видикона содержит электронный прожектор и мелкоструктурную выравнивающую сетку, помещенную перед фотомишенью. Прожектор состоит из оксидного подогревного катода 5, управляющего электрода 6, первого анода 7 и второго анода 8. Второй анод создает эквипотенциальную область, в которой осуществляются фокусировка и отклонение развертывающего луча. Мелкоструктурная выравнивающая сетка 9, находящаяся под напряжением, в 1,5-1,7 раза превышающем напряжения второго анода, обеспечивает перпендикулярный подход электронов луча по всей поверхности фотомишени и препятствует попаданию на фотоэлемент отрицательных ионов. В видиконах ранних разработок сетка соединена со вторым анодом или отсутствует. Фокусировка, отклонение и коррекция траектории развертывающего луча осуществляется внешней магнитной системой, состоящей из длинной фокусирующей катушки 10, отклоняющих в горизонтальной плоскости катушек II (отклоняющие в вертикальной плоскости катушки на рисунке не показаны) и корректирующих катушек 12. Выпускаются видиконы и с электростатическим управлением луча. Процесс образования сигнала изображения в видиконах связан с накоплением зарядов. Накопительные конденсаторы образованы участками поверхности фотослоя и сигнальной пластиной, являющейся общей обкладкой для всех элементарных конденсаторов. Каждый конденсатор шунтирован фоторезистором. Тепловое удельное сопротивление стибнита достаточно велико (порядка 1012 Ом.см) и при освещении уменьшается примерно в 100 раз. При развертке фотомишени коммутирующим лучом его поверхность приобретает потенциал, определяемый режимом бомбардировки. В режиме развертки медленными электронами (при коэффициенте вторичной эмиссии б < 1) потенциал фотомишени равен потенциалу катода (т.е. равен нулю), а сигнальная пластина находится под напряжением Uс.п. Поэтому под лучом элементарные конденсаторы заряжаются до напряжения сигнальной пластины. Если фотомишень не освещена, то все конденсаторы за период развертки приобретут одинаковый потенциал Uс.п. Когда на фотомишень проецируется оптическое изображение, то величины сопротивлений Rэ, шунтирующих электронные конденсаторы Сэ, оказываются различными, так как Rэ = f(Еэ), где Еэ - освещенность. Наименьшее сопротивление имеют наиболее освещенные элементы, наибольшее – темные. В период между двумя коммутациями (за время кадра) конденсаторы Сэ разряжаются через сопротивления Rэ с постоянной времени τр = СэRэ. При этом потенциал обкладок конденчатров, обращенных к лучу, увеличивается, приближаясь к положительных потенциалу зарядов на сигнальной обкладках пластины. Происходит элементарных накопление конденсаторов, образуя потенциальный рельеф. В процессе развертки потенциального рельефа электронным лучом происходит его выравнивание. Разность между токами, протекающими через резистор нагрузки Rн, когда луч находится на освещенном и неосвещенном участке, образует сигнал изображения. Рассмотренный режим развертки фотомишени медленными электронами определяется напряжением на сигнальной пластине. Обычно на первой и второй аноды подается напряжением 300 В. В этом случае режиму медленных электронов соответствует напряжение Uс.п. = 10-100 В. Более высокие напряжения Uс.п.определяют режим развертки быстрыми электронами. Спектральные характеристики видиконов определяются свойствами вещества фотомишени. Имеются видиконы, чувствительные к инфракрасному, видимому, ультрафиолетовому и рентгеновскому излучениям. Существенным недостатком видикона является инерционность его работы: которая проявляется при передаче изображений подвижных объектов в виде нерезкости или пропадания деталей изображений. Однако благодаря своим достоинствам видиконы широко применяются в современных передающих системах. Совершенствование видикона привело к созданию плумбикона и кремникона, обладаниях более высокой чувствительностью, малой инерционностью и некоторыми другими преимуществами, сохранив все достоинства видикона. Твердотельные фотоэлектрические преобразователи изображения Микроминиатюризация передающей аппаратуры СГЗ тормозится ис пользованием в ней в качестве преобразователя свет-сигнал электровакуумного прибора, обладающего достаточными большими габаритами и сложной системой управления электронным лучом. Развитие твердо тельной технологии, технологии тонкопленочных покрытий позволило разработать твердотельные матричные фотоэлектрические преобразователи ФЭП изображения, в которых в качестве элементов матрицы использовались фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы. Изобретенные в 1969 г. приборы с зарядовой связью позволили создать твердотельные ФЭП с числом элементов разложения, соответствующим стандарту СГЗ. В основе прибора с зарядовой связью ПЗС лежат свойства структуры металлокисел-полупроводник (МОП - структура), способной сообщать, накапливать и хранить пакеты неосновных носителей заряда локализованных потенциальных ямах, образующихся у поверхности полупроводника под действием электрического поля. Зарядовые пакеты возникают под действием светового излучения, а переносятся они путем управляемого перемещения потенциальных ям в требуемом направлении. Таким образом, ПЗС работает как аналоговый сдвиговой регистр, обладающий способностью собирать, накапливать и хранить зарядовую информацию. Основным достоинством ЛЗС является принцип последовательного переноса зарядовой информации от отдельных элементов матрицы и единственному выходному устройству, преобразующему зарядовые пакеты в сигнал изображения. Основным элементом ПЗС является конденсатор МОП - структуры, одной из обкладок которого служит металлический электрод, а второй полупроводниковая подложка (β или n проводимости). Диэлектриком является окисел беспримесного полупроводника, наносимый в виде такого слоя на подложку. В изображенном на рис. 5.4. МОП - конденсаторе в качестве полупроводника использован кремний дырочного ((Р)типа) проводимости. Металл Онисел Неосновные носители Обедненная область Р - типа Полупроводниковая подложка Основные носители Рис. 5.4 - Конденсатор МОП - структура Диэлектрик служит слой двуокиси толщиной 0,1 мкм. В полупроводнике дырочного типа (Р)-проводимости) основными носителями заряда являются дырки. При приложении к металлическому электроду положительного потенциала основные носители (дырки) в слое кремния, прилегающие к границе с окислом, будут отталкиваться от электрода, и покинув поверхностный слой отойдут в толщину полупроводника. Под электродами образуется область, соединенная основными носителями потенциальная яма, глубина которой зависит от привоженного напряжения (напряжение на затворе U), степени легирования полупроводника, толщины слоя окисла. Таким образом, выбирая значения напряжения затвора, плотность примеси и толщину слоя окисла, можно эффективно управлять глубиной потенциальной ямы. Время жизни потенциальной ямы ограничено паразитным процессом термогенерации не основных носителей, так как в кремнии при данной температуре всегда генерируются пары электрон-дырка, которые под действием электрического поля разделяются. Основные носители "отгоняются" в толщину, а не основные - накапливаются, заполняя постепенно потенциальную яму. Накопление в потенциальных ямах термогенерированых носителей является паразитным процессом. Время, необходимое для заполнения потенциальной ямы из-за термогенерации, называется временем релаксации. Следовательно, промежуток времени, существенно меньший по сравнению со временем релаксации, может быть использован для хранения в потенциальных ямах зарядовых пакетов, несущих информацию о значении полученного сигнала, а МОП - конденсатор может служить элементом, запоминающим информацию представленную зарядом потенциальной ямы. Таким образом максимальное время хранения зарядовой информации tхр max , а следовательно, и минимальная частота работы цифровых и аналоговых устройств на ПЗС определяются процессами накопления паразитного заряда в потенциальной яме. Зарядовый пакет в ШС может быть введен электрическим путем или с помощью световой инерции. При световой инерции фотоэлектрические процессы, возникающие в кремнии приведут к накоплению не основных носителей в потенциальных ямах. Накопленный заряд пропорционален освещенности и времени накопления. Направленная передача заряда в ПЗС обеспечивается расположением МОП - конденсаторов на столь близком расстоянии друг от друга, что обедненные области перекрываются и потенциальные ямы соединяются. При этом подвижный заряд не основных носителей будет накапливаться в том месте, где глубже потенциальная яма (рис.5.5), На металлические электроды расположенных рядом двух конденсаторов поданы положительные потенциалы U1 и U2 .В начальный момент потенциал U1 >> U2 В образовавшуюся глубокую потенциальную яму левого конденсатора может быть помещена зарядовая информация (рис.5.5) Затем потенциал левого электрода уменьшим, а потенциал правого – увеличим. Тогда под правым электродом образуется глубокая потенциальная яма, в которую потечет зарядовый пакет, помещенный ранее в потенциальную яму левого конденсатора (рис.5.5). Следовательно, изменяя определенным образом потенциалы по электродам близко расположенных конденсаторов, можно направленно перемешать зарядовую информацию. +U2 +U1 +U1 а) +U2 б) Рис. 5.5 - Перенос зарядовых пакетов путем переключения потенциалов злектродов двух рядом расположенных МОП - кондесаторов Динамику перемещения зарядовых пакетов можно проследить на примере трехкратного сдвигового регистра- устройства, состоящего из цепочки МОП конденсаторов. Сдвиговым регистром управляют по трехтактной (системе) схеме. Каждый электрод приборов подключен к одной из трех тактовых шин с фазами Ф1,Ф2,Ф3, как показано на рис.5.6. Один элемент сдвигового регистра состоит из трех ячеек МОП конденсаторов, В течение первого такта работы (момент t1) yа электроды Ф1 подано положительное напряжение U2. Под этими электродами образуются потенциальные ямы, в которых могут накапливаться и храниться заряды, образованные не основными носителями. Заряды в потенциальных ямах могут накапливаться как в результате воздействия светового излучения тогда заряды будут носителями полезной информации, так и быть следствием паразитного процесса термогенерации. При этом термогенерированные заряда составляют паразитную добавку к информационному заряду и являются источником теплового тока сигнала изображения. Время хранения зарядов txp равно времени действия напряжения U1, а режим работы ячейки под электродами фазы Ф1 в это время называется режимом хранения. В момент t2 (второй такт) на электроды фазы Ф2 подается напряжением U2 значение которого превышает в 1,5... 2 раза напряжение U1. Это напряжение называется напряжением зажима. Оно вызывает появление под электродами фазы Ф2 более глубокой потенциальной ямы, в которыми, пересекают электроны из-под электродов фазы Ф1, Режим, при котором электроны перетекают из одних потенциальных ям, в другие, называется режимом записи. В момент t3 (третий такт) напряжения на электродах фазы Ф2 уменьшается от значения U1 соответствующего режиму хранения, а напряжения на электродах фазы Ф2 уменьшится от значения U1 до U0 , что предотвращает возврат зарядового пакета под электроды фазы Ф1. Из рис.5.6 видно, что перенос зарядовых пакетов произойдет слева направо, т.к. под электродами фазы Ф3 потенциал остается низким равным U0. Такой направленный перенос зарядовых пакетов является одним из достоинств трехкратных регистров. В регистрах, работающих по двухтактной системе (схеме), направленный перенос зарядов приходится обеспечивать путем усложнения структуры ПЗС. Последовательность смены потенциалов на тактовых группах показана на тактовой диаграмме (рис.5.6), на которой форма управляющих напряжений для трехтактной схемы идеальна. Однако, для повышения эффективности переноса зарядов тактовые импульсы, подаваемые на электроды должны перекрываться и иметь пологий фронт, что задерживает уменьшение глубины (схлопывания) потенциальной ямы. По этому практически для управления используют импульсы трапецеидальной формы (рис.5.6). При этом остатки заряда (последние носители) успевают перетечь в соседнюю потенциальную яму, и в результате повысится эффективность переноса заряда. Зарядовая информация на выходе ПЗС должна быть преобразована в электрические сигналы для чего в конце цепочки ПЗС предусмотрено специальное устройство. Одним из оптимальных считывающих устройств с точки зрения получения наилучшего соотношения сигнал - шум является устройство с плавающей диффузионной областью ПДО (рис.5.6), расположенный рядом с выходным затвором ВЗ определяемым от последнего электрода сдвигового регистра. Ф1 Ф2 Ф3 Ф1 t1 t2 t3 t1 t2 t3 Ф2 t Ф3 t t1 U1 U2 U3 Ф1 б) t t2 U1 U2 Ф2 t Ф3 t t3 a) в) t Рис. 5.6 - Перемещение зарядовых пакетов в трехфазном сдвигом регистере: а) трехфазный ркгистр; б) идеальная тактовая диаграмма; в) реальная форма управляющих импульсов. При подаче на затвор транзистора импульсного напряжения сброса две диффузионные области А и Б соединяются. Диффузионная область А приобретает потенциал области В (рис.5.7). После окончания действия импульса ПДО остается заряженной до положительного потенциала и готова к приему зарядового пакета. Зарядовый пакет перейдет с последнего электрода регистра в ПДО, уменьшив его потенциал на величину ∆U (рис.5.7). Т.к. ПДО связана с затвором выходного транзистора, то изменение ее потенциала вызовет изменение тока, протекающего через транзистор. После того как зарядовый пакет перешел в ДДО и вызвал появление видеоимпульса. Но выходе устройства, ПДО во время следующего тактового импульса сообщается положительный потенциал от источнике Е. Ф1 Ф2 Ф3 В3 Е А Импульс сброса Б ПДО выход Транзистор сбора Е a) Е U Е U г) в) б) Е U Рис. 5.7 - Принцип работы выходного устройства Фотоэлектрические преобразователи изображения на ПЗС делятся как два классам линейные (одномерные) и матричные (двумерные). В линейных ФЭП фоточувствительные элементы расположены вдоль одной линии, обычно строки, и формируют одномерное изображение объекта. Такие односторонние ФЭП могут быть использованы при контроле за технологическими процессами производства: при специальном анализе и анализа оптической плотнотности макро - u микрообъектов. Однострочное ФЭП могут быть использованы и для получения двумерного изображения. В этом случае необходимо перемещение ФЭП или объекта в напряжении перпендикулярном направлению строчной развертки. Твердотельным аналогом передающей трубки с электронным сканированием по строке и между является матричный формирователь сигнала изображения. Он представляет собой двухкоордикатный массив светочувствительных элементов, осуществляющих электронное сканирование по координат м X и У. Яри проектировании такой двухкоординатной матрицы решаются вопроси организации ее считывания. Существуют несколько способов организации считывания матричных формирователей. Наиболее предпочтительна организация е кадровым переносом (рис.5.8). Характерной ее особенностью является наличие секции хранения или памяти 2 которая защищена от света и по площади секции накопление 1-фотоприемной секции. 1 Канал переноса 2 Выходное устройство 3 Рис. 5.8 - Способ организации покадрогосчитывания Накопленные заряды фотоприемной секции за время обратного хода последовательно сдвигаются в секцию хранения. Во время накопления в фотоприемной секции следующего кадра информация из секции хранения постоянно передается в секцию переноса заряда - сдвиговый регистр 3, Сдвиг строк в секцию переноса осуществляется во время обратного хода горизонтальной развертки. Затем зарядовые пакеты строки поэлементно выводятся сдвиговым регистром к выходному устройству преобразующему заряду в сигнал изображения. После считывания всей видеоинформации из секции хранения начинается перенос следующего кадра. Одним из основных достоинств покадрового считывания является устранение эффекта смазывания изображения, т.к. зарядовая информация считывается из защищенной от света секции хранения и дополнительной засветки при сканировании не происходит. При покадровой организации просто осуществляется через строчное разложение изображения. Принцип покадрового переноса удобен для освещения матрицы со стороны подложек, что позволяем удвоить квантовую эффективность прибора и получить более равномерно характеристику спектральной чувствительности. На рис.5.9 приведена схема серийно выпускаемой отечественной промышленностью матрицы ПЗС с числом элементов 286х232, работающая с покадровым переносом накопленной информации и трехкратным регистром управления. Матрица содержит фоточувствительную секцию накопления состоящую из 144x232 ЭЛОЬЙНТОВ, секцию памяти, состоящую из 144x233 элементов, сдвиговый регистр на 235 элементов и выходное устройство, состоящее из двух транзисторов, принцип работы которого описан выше. В состав выходного устройства входит так же вспомогательный регистр с помощью которого коммутируются помехи от тактовых импульсов. Как видно из рис.5.6 для усиления сигнала изображения с матрицы используется дифференциальное устройство, в котором происходит компенсация тактовых импульсов, поступающих на его входы в противофазе. Ограничительные стоп каналы Элемент матрицы Секция памяти 2 Секция наеопления 1 Ф1Н Ф2Н Ф3Н Ф1П Ф2П Ф3П Вых 1 Сток Подложка Вых 3 Сброс Вых 2 Ф1В Ф2В Ф3В Выхлдной затвор Рис. 5.9 - Схема матрицы ПВС Матрица с покадровым переносом позволяет легко реализовать через - строчное разложение изображения. Для этого в течение длительности нечетных полей накопления производится под электродами Ф1, а в течение длительности четных - под электродами Ф2.Во время обратного хода по полям зарядовой информации нечетного поля переносится в секцию хранения (памяти). В период следующего сигнала поля в режим накопления приводятся электрода фазы Ф2, и в секцию накопления начинается новый цикл работы. В то же время из секции хранения последовательно, строка за строкой переносятся все строки нечетного поля в выходной (сдвиговый регистр), который сдвигает элементы строки один за другим к выходному устройству. Перенос заряда отдельных строк из секции памяти в сдвиговый регистр осуществляется во время обратного хода строчной развертки, а вывод зарядов строки из регистра в выходное устройство - за время прямого хода строчной развертки. Таким образом, в матрице с покадровым считыванием перенос зарядовых пакетов к выходному устройству осуществляется в три приема: 1. Перенос из секции накопления в секцию памяти, 2. Перенос из секции памяти в сдвиговый регистр, 3. Перенос из сдвигового регистра в выходное устройству Нетрудно видеть, что число переносов для разных элементов кадра будет различным, Максимальным оно будет для первого элемента верхней строки и минимальным для последнего элемента нижней. Максимальное число переносов для одного зарядового пакета трудно подсчитать. Для покадровой организации считывания по характерной схеме сдвига число переносов Nmax = 2*3z+3n, где z – число элементов строки, n – приведенном равенстве первый член учитывает число переносов по кадру, а второй - число переносов вдоль строки. Подставляя параметры вышеприведенной матрицы, получаем Nмах = 2*3*144+3*235 = 1569. Следует иметь в виду, что зарядовые пакеты переносятся не полностью, так как во - первых часть заряда теряется в ловушках, существующих на границе кремния с окислом а во-вторых, при определенной скорости переноса часть заряда может отстать от пакета и появится с следующем. Неэффективность переноса заряда накладывает определенные ограничения на скорость работы ПЗС и полное число переносов, которое можно совершить без существенного разрушения сигнала; Е - относительная величина и характеризует часть заряда, отставшую от пакета, на один перенос. Умножив Е на число переносов в приборе N, получим результирующую эффективность переноса NE всего прибора. Приемленной считается значение Е = 1,10-4 – 5,10-5. При числе переносов N = 1569 суммарная эффективность переноса n = 1 – N = 84%. Как видно последовательного перекос являющийся одним из основных достоинств ПЗС и обеспечивший им на определенном этапе преимущества перед двухкоординатными матрицами в таком важном параметра, как существенное повышение отношение сигнал шум и улучшение однородности изображения, тормозит дальнейшее увеличение качества работы матрицы. Кроме того, используемое в ПЗС сканирование требует бездефектности всех элементов матрицы. Неисправность одного элемента вызывает потерю информации всего передающего столбца или строки. Выходные устройства ПЗС. Служат для передачи сигнального заряда в виде амплитуды напряжения в схему управления. В качестве выходных устройств применяются приборы с плавающей диффузионной областью или плавающим затвором. (системы технического зрения / Под общ. Ред. А.Н. Писаренко, А.Ф. Черняковского – Л: машиностроение, 1988 – с 84 ÷ 95). RD VT1 OR RG OG Ø3 Ø1 OS FG VT2 Ø2 OD DD FG – плавающий затвор; OR,OG – разделительные электроды; RD,RG – сток и затвор транзистора сброса VT1; OS, OD – исток и сток выходного транзистора VT2; DD – сток ПЗС. Системы технического зрения для экстремальных условий. Применение ПР в экстремальных средах требует принципиально нового подхода к решению задачи контроля состояния внешней среды работа. При этом часто встает задача сбора и формирования информации о состоянии оптически непрозрачных сред (например: металл, бетон, жидкие эмульсии, дым и т.д.). Для очувствления роботов в таких условиях наиболее широкое распространение получают радиационные, тепловые, радиоволновые и акустические СТЗ. Системы технического зрения экстремальных условий. Магнитострикционные Пъезоэлектрические Антенные Тепловые полупроводниковые электродинамические Акустические Радиоволновые На германиевых матрицах пировидиконы На ИК - видиконах На фоторезисторах Тепловые сцинтиляционные полупроводниковые Ионизационные Радиационные Радиационные СТЗ. Радиационные СТЗ основаны на просвечивание контролируемого объекта проникающей ионизирующей радиацией, преобразовании радиационного изображения в светотеневое или электронное оптических или телевизионных каналов. Радиационные системы позволяют определять микрообъекты с размерами до 20 мкм. К рациональным системам относятся рентгено-телевизионные, в которых преобразование рентгеновского изображения в светотеневое осуществляется с помощью флюроскопических экранов и рентгеновской пленки. Для расшифровки и обработки рентгеновских изображений применяются специальные автоматизированные системы обработки изображения. В радиационных СТЗ весьма перспективной является вычислительная томография. Сущность заключается в следующем. С помощью канализированного рентгеновского пучка осуществляется послойное поперечное сканирование исследуемого объекта. С помощью линейных детекторов измеряется интенсивность излучения за объектом. По результатом измерений синтезируется матрица плотности вещества в элементарных ячейках слоя и построении полутонового изображения соответствующего слоя. Радиационные СТЗ применяются в случаях, когда не требуется высокой быстродействия обработки видеосигнала, а изолирован от вредного рентгеновского излучение. обслуживающий персонал надежно Тепловые СТЗ. Физической основной тепловых СТЗ является излучение электромагнитных волн нагретыми телами. Для практического применения наибольшие применение получили видеодатчики, работающие в инфракрасном диапазоне длин волн (2 – 14 мкм), соответствующего максимуму излучения реальными телами нагретыми до температуры +20о ÷ +300о С. Принцип действия тепловых СТЗ аналогичен оптическим. Отличие их заключается в том, что тепловые СТЗ относятся к приборам пассивного типа. Наиболее распространенными тепловыми СТЗ являются полупроводниковые на основе суфьмянистого индия или сплавов кадмий – ртуть – теллур. Для обеспечения их работоспособности применяют системы охлаждения на основе жидкого азота. Использование тепловых СТЗ в робототехнике так же требует применения автоматизированных систем обработки информации. Радиоволновые СТЗ. Эти системы работают в диапазоне электромагнитных волн от 1 до 100 мм. Конструктивно представляют собой матрицы, состоящие из одиночные приемных и излучающих антенн, с системами обработки информации. Разрешающая способность радиоволновых СТЗ ограничена значениям 0,5 λ, где λ – длина радиоволны. Акустические СТЗ. Принцип их действия аналогичен принципу действия акустических локационных датчиков. Отличие заключается в сканировании объекта одиночным датчиком, акустической линейкой или матрицей. Разрешающая способность акустических СТЗ зависит от длины волны рабочего диапазона. Методы освещения В системах технического зрения используются 4 основных схемы освещения: метод рассеянного освещения (для объектов с гладкими поверхностями правильной формы) (рис. 25.1,а); теневое освещение (рис. 25.1, б) дает черно-белое (дискретное) изображение; метод структурного освещения (25.1, в) заключается в проецировании на рабочую поверхность световых точек, полос или решеток; метод направленного освещения (рис. 25.1, г) используется в основном для обследования объекта (обнаружение трещин, впадин и пр.). Рисунок 25.1. Четыре основные схемы освещения Метод структурного освещения имеет два важных преимущества перед другими. Первое преимущество заключается в упрощении задачи нахождения объекта за счет подачи в рабочее пространство известного светового рисунка, по искажению которого определяется наличие объекта. Второе преимущество – возможность получения пространственных характеристик объекта по анализу формы искажений светового рисунка. Стереоизображение При необходимости получения глубины изображения используют стереоизображение. Стереоизображение включает два отдельных вида изображаемого объекта (рис. 25.2), например пространственной точки w. Рисунок 25.2. Схема получения стереоизображения Расстояние между центрами двух линз называется базовой линией. Требуется определить координаты (X, Y, Z) точки w, заданной точками ее изображения x1 , y1 и x2 , y2 . Предполагается, что камеры идентичны и системы координат обеих камер полностью совпадают, отличаясь только расположением их начал. Допустим, что первая камера совмещена с декартовой системой координат(рис. 25.3). Рисунок 25.3. Вид сверху на рис. 25.2 при совмещении первой камеры с декартовой системой координат Тогда точка w лежит на линии с координатами: x1 X1 Z1 , (25-1) где индексы у X и Z обозначают, что к началу декартовой системы координат передвинута первая камера, а вторая камера и точка w также переместятся в этой системе. При этом сохраняется относительное расположение элементов системы, показанное на рис. 25.1. Если вместо этого к началу декартовой системы координат передвинута вторая камера, то точка w лежит на линии с координатами: x2 X2 Z2 . (25-2) Однако благодаря наличию расстояния между камерами и тому, что координаты Z точки w одинаковы в обеих системах координат камер, имеем: и X2 X1 B (25-3) Z2 Z1 Z, (25-4) где В –базовая линия. Подставляя уравнения (25-3) и (25-4) в уравнения (25-1) и (25-2), получим: X1 B x2 Z (25-5) и X1 x1 Z . (25-6) Вычитая уравнение (25-6) из уравнения (25-5) и решая его относительно Z, получим: Z B x2 x1 . (25-7) Отсюда видно, что координата Z точки w легко вычисляется при известной разности между соответствующими координатами базовой линии и фокусного расстояния. x2 и x1 изображения, а также значений Системы технического зрения высокого уровня Системы технического зрения можно отнести к классу «интеллектуальных» машин, если они обладают следующими признаками «интеллектуального поведения»: 1) возможностью выделения существенной информации из множества независимых признаков; 2) способностью к обучению на примерах и обобщению этих знаний с целью их применения в новых ситуациях; 3) возможностью восстановления событий по неполной информации; 4) способностью определять цели и формулировать планы для достижения этих целей. В основе технического зрения лежит аналитическая формализация, направленная на решение конкретных задач, связанных с задачами сегментации, описания и распознавания отдельных объектов. Сегментация Сегментацией называется процесс подразделения сцены на составляющие части или объекты. Сегментация является одним из основных элементов работы автоматизированной системы технического зрения, так как именно на этой стадии обработки объекты выделяются из сцены для дальнейшего распознавания и анализа. Алгоритмы сегментации основываются на двух фундаментальных принципах: разрывности и подобии. В первом случае основной подход базируется на определении контуров, а во втором – на определении порогового уровня и расширении области. Эти понятия применимы как к статическим, так и к динамическим (зависящим от времени) сценам. Проведение контуров и определение границ Основой проведения контуров является определение разрывов в интенсивности представления образа объекта. В идеальном случае эти методы определяют пикселы, лежащие на границе между объектом и фоном. На практике данный ряд пикселов редко полностью характеризует границу из-за шума, разрывов на границе вследствие неравномерности освещенности и других эффектов, приводящих к размытию изображения. Таким образом, алгоритмы обнаружения контуров сопровождаются процедурами построения границ объектов из соответствующих последовательностей пикселов, например, методом локального анализа. Локальный анализ. Одним из наиболее простых подходов соединения точек контура является анализ характеристик пикселов в небольшой окрестности (например, в окрестности размером 3×3 или 5×5) каждой точки (х, у) образа, который уже подвергся процедуре обнаружения контура. Все точки, являющиеся подобными, соединяются, образуя границу из пикселов, обладающих некоторыми общими свойствами. Для установления подобия пикселов контура необходимо определить: 1) величину градиента, требуемого для построения контурного пиксела; 2) направление градиента. Первая характеристика обозначается величиной G f x, y . Пиксел контура с координатами x,y подобен по величине в определенной ранее окрестности x, y пикселу с координатами x, y , если справедливо неравенство: G f x, y G f x,y T, (25-8) где Т – пороговое значение. Направление градиента устанавливается по углу вектора градиента: arctg Gy Gx , (25-9) где - угол (относительно оси х), вдоль которого скорость изменения имеет наибольшее значение. Тогда можно сказать, что угол пиксела контура с координатами окрестности x, y подобен углу пиксела с координатами следующего неравенства: x, y x , y в некоторой при выполнении A, (25-10) где А – пороговое значение угла. Основываясь на этих предположениях, мы соединяем точку в некоторой окрестности x, y с пикселом, имеющим координаты x, y , если удовлетворяются критерии по величине и направлению. Двигаясь от пиксела к пикселу и представляя каждую присоединяемую точку как центр окрестности, процесс повторяется для каждой точки образа. Так воссоздается контур объекта.