L11 Traductoare optice

SENZORI I TRADUCTOARE Traductoare optice

1

Traductoare optice 1. Traductoare numerice pentru deplasri unghiulare

Numele de traductoare numerice este justificat din faptul c acestea sunt singurele

traductoare pur numerice (care nu necesit conversie intermediar). Elementul sensibil propriu-zis l

constituie un disc codat, iar prelucrarea informaiei numerice este specific modului de codificare.

n esen se disting dou tipuri importante: discuri codate absolut, la care n orice moment

dispozitivul de msurare ofer informaii asupra poziiei unghiulare n raport cu un punct de

referin, exprimat printr-un numr de cuante, i discuri incrementale, care ofer o succesiune de

impulsuri n raport cu ultima poziie atins, fiecare impuls constituindu-se n cuant (increment) de

deplasare. Fiecare cuant de deplasare echivaleaz cu o variabil binar i aduce un bit de

informaie (0 sau 1).

1.1. Traductoare numerice absolute pentru msurri unghiulare Principiul realizrii unui disc codat

absolut se bazeaz pe mprirea domeniului de

msurare ntr-un numr de cuante elementare

(cuanta elementar determin rezoluia),

alegerea unui cod de exprimare a valorilor

cuantificate i gsirea unei metode de nscriere

pe disc a informaiei i implicit de citire a

acesteia. Astfel, n fig. 1 este prezentat un disc

codat care acoper 360 cu 32 de coduri, deci

avnd rezolua de aproximativ 1115. Codul utilizat este cod binar natural.

Discuri absolute cu contact. Pe un astfel de disc pistele concentrice Sunt codificate

formnd zone conductoare sau izolante. Suprafeele conductoare sunt legate electric printr-o perie

fix la un inel colector (pist de energizare) care servete la alimentarea electric a colectorului.

Pistele sunt testate de o serie de perii colectoare localizate la diferite distane radiale, fiecare perie

fiind conectat prin conductor separat. La rotirea discului periile se conecteaz la tensiunea comun

de alimentare acolo unde au contact cu o zon metalic conductoare, ceea ce nseamn ,,1" logic.

Pistele trebuie s fie astfel realizate nct tranziia de la o suprafa izolant la una conductoare s se

fac lin, iar uzura pe suprafaa discului s fie aceeai n orice poziie. De regul, pistele sunt aurite,

iar periile de asemenea. Periile sunt miniaturale, deschiderea unei perii este de 0,003". Rezoluia

discului este determinat de numrul de piste. Un disc cu 10 piste asigur o rezoluie de 1:1 024;

Fig. 1. Disc codat absolut


2

pentru reyoluii mai mari se pot utiliza sisteme cu mai multe discuri, cuplate prin reductoare

adecvate, care furnizeaz la o rotaie complet peste 8 000 de combinaii.

n fig. 2 se prezint o seciune prin pist

disc. Cele mai rspndite coduri binare sunt:

- codul binar natural este cel mai

rspndit n tehnica digital. Are dezavantajul

modificrii mai multor bii simultan la trecerea

de la un cod la altul;

- codul BCD (binar codificat zecimal);

este folosit n special cnd traductorul este cuplat cu alte elemente de automatizare discret ce

lucreaz n cod BCD, nefiind necesare blocuri de conversie suplimentare;

- codul Gray; are proprietatea c dou coduri consecutive difer prin valoarea unui singur bit.

Aceasta simplific sistemul de testare i decodificare, nlturnd dezavantajul codului binar natural.

Necesit o logic pentru convertirea semnalului de ieire n codul dorit (BCD, binar natural, etc.),

ntru-ct codul Gray este neponderat.

Eroarea total a acestor traductoare este determinat de:

- eroarea de cuantizare, inerent ori de cte ori o funcie liniar variabil este discretizat

printr-un numr finit de cuante. Prin aceast codificare se produce o eroare de 1/2 din valoarea

bitului cel mai puin semnificativ. Aceast eroare inevitabil poate fi redus numai prin mrirea

numrului de diviziuni ale discurilor;

- eroarea de tranziie, determinat de erorile de execuie a discurilor codificate, a planeitii

concentricitii acestora, de calitatea lagrelor, cilindricitatea axului i perpendicularitatea acestuia

fa de disc.

- eroarea de ambiguitate, provocat de faptul c dou comutaii "izolant/conductor" nu se

produc simultan pe mai multe piste; eroarea de ambiguitate se elimin prin tehnicile de testare

menionate;

- zgomotul generat de variaia rezistenei de contact. El apare n mod evident la trecerea

dintr-o stare logic n alta, n regimurile tranzitorii, i este mai evident la trecerea din ,,0" n ,,1".

Limitele de funcionare impuse de caracteristicile electrice sunt limitri ale lungimii cablului

de legtur i de vitez. Aceste limitri sunt impuse de parametrii electrici. Astfel, considernd

tensiunea de alimentare Ua = 12 V i curentul la perii Ip = 1 mA, rezult necesitatea unei rezistene

de sarcin de 12 k . Considernd un cablu cu capacitan c = 150 pF/m, rezult c ntrzierea n

linie pentru o lungime l = 100 m este = 0,7 lcR = 0,125 ms. Aceasta nseamn o frecven de

Fig. 2. Seciune prin pista unui disc absolute cu

contact.


3

repetiie maxim de 400 Hz i, ca atare, la un disc cu 8 piste (256 combinaii) viteza maxim la care

se pstreaz precizia este de 400/250 = 1,25 rot/s.

Discuri absolute optice.

Majoritatea traductoarelor numerice absolute utilizate n prezent se bazeaz pe principii

optice i conversie fotoelectric. Discul codat este realizat din sticl special pe care sunt trasate

spaii transparente i opace corespunztor zonelor conductoare i izolante de la discurile cu contact.

La disc se asociaza o surs luminoas cuplat cu un sistem optic i n final, o matrice de

fotoelemente dispuse radial. Configuraia de baz este indicat n fig. 3.

Ca i la celelalte tipuri de discuri, performanele sunt dictate de calitatea realizrii discurilor.

La execuia acestora se utilizeaz tehnici de reproducere fotografic de nalt calitate, putndu-se

ajunge la linii radiale distanate cu 0,067 secunde de arc, ceea ce corespunde la o rezoluie de 1:108,

n afar de codul Gray binar, se mai utilizeaz codul binar natural, coduri ciclice, coduri BCD,

precum i coduri ce simuleaz diferite funcii: sin, cos, log.

Ca emitor de lumin se folosesc n general diode luminiscente Galliu-Arseniu (GaAs) cu

durata de via lung (> 105 ore).

n fig. 4 sunt prezentate cele dou modaliti mai rspndite de iluminare a discului folosind

o singur surs luminoas (un bec cu incandescen) asociat cu un sistem optic care polarizeaz

corespunztor lumina n dreptul fiecrei piste. n fig 4.a, sistemul bec-lentil ilumineaz o fa a

discului, iar senzorii sunt dispui n dreptul unei fante situate n dreptul liniei de citire. n fig. 4.b,

sistemul optic produce o singur linie luminoas, care se proiecteaz pe linia de citire de pe disc. Cu

filamente speciale, pe un disc cu diametrul de 150 mm se pot citi pn la 5 000 bii.

Fig. 3. Disc optic absolut.


4

Receptorul este realizat cu fototranzistori sau fotodiode, eventual celule fotovoltaice, urmate

de circuite de amplificare i formare adecvate. Astfel, pentru o celul fotovoltaic cu siliciu se

obine o tensiune de 20-40 mV pe o rezisten de sarcin de 10 k i apoi se amplific cu circuite

de tip Trigger-Schmitt care ofer o ieire semnal logic, ,,0" sau ,,1" n funcie de zona opac sau

transparent. n fig. 5 se prezint un astfel de circuit de formare cu un nivel de prag de circa 10 mV

(8 mV12 mV) pentru fiecare pist. O eroare specific acestor sisteme de citire optice (este eroarea de histerezis, provocat de

diferena n nivel de tensiune ntre trecerea din zona ntunecoas n zona transparent fa de

trecerea invers. Acest fenomen este ilustrat n fig. 6 i apare ca o deplasare ntre poziiile reale i

cele detectate. Aceasta ns poate fi i un avantaj, pentru c, prin msuri adecvate, poate asigura

corecia erorilor ce apar datorit vibraiilor, tehnic asupra creia se va insista la traductoarele

incrementale, unde se vor prezenta i alte metode de baleiere a discurilor optice.

Fig. 4. Modaliti de iluminare a discurilor optice:

a cu fant; b cu colimator.

Ieire -+

Nivel de prag

Nivel de prag

Fig. 5. Formator de semnale.


5

Discurile codate se pot folosi i la msurarea deplasrilor liniare prin transformarea micrii

de translaie n micare de rotaie. innd seama i de viteza de deplasare a elementului a crui

deplasare se msoar, doar discurile optice sunt recomandate, ntru-ct asigurarea msurrii cu

precizie 10-2 mm la o vitez de 10 m/min implic o frecven de cel puin 20 kHz pe pista cea mai

puin semnificativ. n fig. 7 este prezentat schema de principiu pentru un astfel de traductor,

conceput s fie antrenat de organul mobil printr-un pinion care se rotete pe o cremalier de msur

solidar cu suportul pe care se execut deplasarea. Domeniul acoperit este de 4 m, cu precizie 10 ,

sau la msurare direct de unghi - 360, cu precizia 0,18. Sistemul conine 3 discuri, primul disc

avnd 1 000 de coduri BCD (trei decade distincte), ceea ce corespunde la un increment unghiular de

0,18. Pe urmtoarele dou discuri antrenate prin reductoare n raportul 20:1 sunt dispuse celelalte 3

decade (pe discul 2 sunt dispuse pe cele 20 de poziii distincte decada a IV-a i prima jumtate din

decada a V-a). Sistemul folosete o singur surs de lumin pentru toate cele 3 discuri.

1.2. Traductoare numerice inerementale pentru deplasri uughiulare

Traductoarele de acest tip sunt proiectate astfel nct s genereze un numr fix de impulsuri

pentru fiecare unitate de rotaie unghiular (increment unghiular) a discului codat. Procedeul de

sesizare a deplasrii poate fi magnetic sau optic, cel optic fiind n prezent cel mai rspndit datorit

1

0 1 0

0 1

Disc codat

Ieire ideal

Ieire la deplasare dreapta

Ieire la deplasare stnga

Fig. 6. Eroare de histerezis la traductoare optice incrementale.

Fig. 7. Traductor absolut cu mai multe discuri.


6

unei simplitii constructive i a unor faciliti de prelucrare a semnalelor. Circuitul electronic

asociat discului trebuie s conin un numrtor care s ofere o ieire numeric, ntr-un anume cod

dependent de numrul de fante de pe disc. De asemenea este necesar s se indice direcia de rotaie,

care nu mai e cuprins n informaia oferit de numrtor. Discul codat conine o reea optic de

zone transparente (reflectorizante) i opace. Citirea este realizat prin contorizarea impulsurilor

provenite de la traductorul optic.

a) Procedeul diascopic. La acest procedeu reeaua este dispus pe un disc de sticl i const

n zone transparente alternate cu interstiii opace. Lumina lmpii este dirijat printr-un sistem de

lentile optice paralel prin disc spre reticulul adaptor (fig.8,a). Cnd discul se rotete n raport cu

capul de citire, intensitatea luminoas ce acioneaz asupra fotoelementelor variaz periodic,

variaiile de intensitate sunt transformate de fotoelemente n semnale electrice, fiecare fotoelement

baleind mai multe fante ale reelei simultan. Prin aceasta fluxul luminos rezultat este mai puternic,

iar micile imperfeciuni sau impuriti locale nu falsific rezultatul msurrii.

b) Procedeul episcopic. La acest procedeu reeaua de msur este aplicat pe un disc

inoxidabil i const din striaii reflectorizante. Lumina lmpii cade oblic prin sistemul colimator pe

disc, este reflectat de acesta i dup ce retraverseaz interstiiile transparente ale concentratorului

acioneaz asupra fotoelementelor (fig. 8.b). Deplasarea discului n raport cu sistemul optic produce

variaii luminoase asemntoare cu cele obinute prin procedeul diascopic, maximul de intensitate

fiind atins atunci cnd interstiiile transparente ale reticulului coincid cu zonele reflectorizante de pe

disc.

Fig. 8. Procedee de citire fotoelectric:

a diascopic; b episcopic.


7

Sistemul de obinere i prelucrare a semnalelor este acelai indiferent de procedeul de

msurare utilizat. Cel mai rspndit sistem de citire const n utilizarea unei grile de scanare, avnd

patru ferestre poziionate astfel nct ieirile fotoelementelor sunt decalate cu un sfert de perioad

(fig. 9.a), ceea ce duce la obinerea a patru semnale sinusoidale decalate fiecare cu 90 (fig. 9.b).

Cele patru fotoelemente asociate sistemului optic sunt cuplate pe perechi, n montaj

diferenial, astfel c de la fiecare pereche de fotoelemente, (E11/E12) respectiv (E21/E22) se obin

dou semnale cvasisinusoidale Ue1 i Ue2 defazate cu 90 electrice ntre ele. n plus, se genereaz un

semnal de zero la un numr ntreg de diviziuni utilizat la controlul impulsurilor false sau pentru

generarea unei poziii de referin. Semnalele furnizate de capul optic de citire sunt introduse ntr-

un bloc electronic de prelucrare a impulsurilor unde sunt trigger-ate i adaptate ca nivel pentru

logica TTL. n fig. 10 se prezint schema bloc a circuitelor electronice de adaptare i diagrama de

semnal.

Cele 4 trenuri de impulsuri dreptunghiulare oferite de traductor pot fi utilizate n mai multe

scopuri:

a) Sesizarea sensului de deplasare, utiliznd semnale obinute prin derivarea fronturilor

pozitive i negative ale semnalelor Ual i Ua2, i anume: Al = 1 pentru front negativ la Ual; A2 = 1

pentru front pozitiv la Ual; Bl = 1 pentru front negativ la Ua2 i B2 = 1 pentru front pozitiv 1a Ua2.

Folosind relaiile logice:

11221121

12221121

aaaat

aaaar

UBUBUBUASUBUAUBUAD

+++=+++=

(1)

se obin impulsuri ,,1" la deplasarea spre dreapta i ,,0" la deplasarea spre stnga pe ieirea Dr,

respectiv ,,1" la deplasarea spre stnga i ,,0" la deplasarea spre dreapta pe ieirea St.

b) Exploatarea multipl a semnalelor, n sensul c pentru acelai increment se pot obine

dou, patru sau mai multe impulsuri printr-o logic adecvat. Astfel, relaiile (1) permit obinerea de

Fig. 9. Procedeu de scanare multipl:

a amplasarea fotoelementelor; b diagrama de semnal.


8

impulsuri cu frecvena de 4 ori mai mare dect a semnalelor Ual, Ua2. n fig. 10.b, ultima

caracteristic reprezint o soluie simpl de dublare a frecvenei, cu relaia:

21 aa UUS = e) Corectarea impulsurilor parazite. Aceste impulsuri provin n special din dou cauze mai

importante: vibraiile sistemului mecanic de antrenare a discului i suportului cititorului optic i

respectiv cmpurile electrice i electromagnetice exterioare. Pentru combaterea vibraiilor se poate

folosi schema din fig. 11.a la care cele 2 trenuri de impulsuri de ieire decalate cu 90 sunt

prelucrate astfel nct la micri vibratorii n numrtorul reversibil NR se adun i se scad acelai

numr de impulsuri. Pentru combaterea impulsurilor parazite, pe lng msurile de ecranare i

separare galvanic a circuitelor de msurare fa de cele de cureni tari, se poate utiliza schema de

principiu din fig. 11.b, bazat pe ideea c un impuls parazit afecteaz ambele ci de transmisie a

informaiei.

Datorit robusteii, simplitii constructive i costului redus, posibilitilor de a fi realizate n

variante protejate la impuriti i vibraii, rezoluiei ridicate pn la 360000 de impulsuri pe rotaie,

traductoarele incrementale rotative sunt cele mai utilizate i n domeniul msurrii indirecte a

deplasrilor liniare, singura restricie fiind legat de existena unor jocuri prea mari n sistemul

mecanic de transformare a micrii de rotaie n translaie.

Fig. 10. Adaptor pentru traductor optic incremental.

a schema bloc; b diagrama de semnal.


9

2. Traductoare optice pentru deplasri liniare mari

Deplasri mari de ordinul metrilor sau zecilor de metri se ntlnesc n procese industriale din

industria constructoare de maini, metalurgie, materiale de construcii, etc. Aceste deplasri se pot

msura direct cu elemente sensibile liniare sau indirect, apelnd la elemente senbsibile unghiulare.

Pentru msurri corecte trebuie luate precauii speciale de combatere a jocurilor, a

histerezisului mecanic, etc.

Traductoarele pentru msurarea direct a deplasrilor liniare mari sunt de tip rigl, dispus

de regul pe suportul pe care se deplaseaz elementul mobil (rigle optice), sau fac apel la tehnicile

de interferometrie cu laser.

Rigle optice.

Riglele optice se realizeaz i funcioneaz dup principii asemntoare cu discurile

fotoelectrice codate. Ca atare, putem avea rigle absolute i rigle incrementale. Riglele absolute se

pot realiza pentru domenii de circa 1 m cu precizie de 1 micron, fiind cele mai precise traductoare

industriale de deplasare. Costul unor astfel de rigle este foarte ridicat, iar problemele de asigurare a

rectiliniaritii i a pasului constant fac imposibil utilizarea acestor rigle pe domenii mari. n plus,

ele sunt foarte sensibile la impuriti (nu pot fi capsulate att de etan cum sunt discurile absolute).

De aceea n cazul n care se dorete o msurare absolut pe domeniu mare, se apeleaz la scheme de

msurare indirecte cu discuri absolute, iar n celelalte cazuri se apeleaz la msurare direct

incremental.

n fig. 12 este prezentat schema de principiu pentru o rigl incremental, soluiile de

prelucrare a semnalului fiind aceleai ca la traductoare incrementale rotative optice.

Fig. 11. Mijloace de protecie la impulsuri parazite:

a combaterea vibraiilor; b combaterea impulsurilor parazite.


10

Principalele probleme tehnice sunt legate de asigurarea unei montri corecte i a proteciei

adecvate. n fig. 13 se prezint modul de montare i protecie a unui traductor fotoelectric

incremental cu rigl de msurat din sticl.

Carcasa din aluminiu profilat protejeaz rigla de msurat. Blocul de msurare este compus

din capul optic de citire, montat pe un crucior mobil pe rulment de precizie, care se deplaseaz n

interiorul carcasei pe rigla de msurat i din blocul de legtur cu elementul mobil a crei deplasare

se msoar. Acest bloc este cuplat cu capul de citire printr-un bra de fixare etanat la ieirea din

carcas cu benzi flexibile rezistente la ulei, ap, pan etc.

Riglele optice incrementale se utilizeaz cu succes pentru lungimi de pn la 3m. Pentru

lungimi mai mari se utilizeaz rigle de oel (procedeul de citire episcopic). Pentru mrirea preciziei

se pot folosi tehnici de multiplicare electronic (interpolare n cadrul unui pas), ca i la discurile

optice incrementale.

Fig. 12. Citire pe o rigl incremental.

Bloc de fixare

Carcasa din aluminiu profilat

Rigla de msur

Cuplaj elastic

Capul de testare

Bra de fixare

Benzi flexibile cu etanare

Bloc de legtur cu elementul mobil

Fig. 13. Construcia riglelor incrementale


11

3. Lucrri de efectuat n laborator 1. Se studiaz rigla absolut n cod binar natural n comparaie cu rigla incremental. Se observ i

se noteaz succesiunea codurilor false. Se traseaz grafic caracteristica de transfer a riglei absolute,

urmrind valorile unde se schimba codul corect al acesteia i se determin eroarea de neliniaritate i

sensibilitatea.

2. Se nlocuiete rigla absolut n cod binar cu rigla n cod Gray. Se urmrete succesiunea corect a

codurilor. Se traseaz caracteristica de transfer a acesteia i se determin eroarea de neliniaritate i

sensibilitatea.

L11 Traductoare optice

Documents

Transcript of L11 Traductoare optice