pomiarkat.pdf

1. Elektroniczne systemy pomiaru kątów

Współczesny rozwój innych technik pomiarowych, np. dalmierzy elektromagnetycznych

oraz postępująca wciąż automatyzacja obliczeń i kartowania map, jak również nowe zadania

geodezyjne (np. obserwacja obiektów w ruchu, szybkie i precyzyjne pomiary przemysłowe,

tworzenie systemów informacji o terenie) stymulowały silnie rozwój techniki pomiaru kątów w

kierunku automatyzacji.

Pierwszym etapem właściwej automatyzacji pomiarów kątowych było jednak dopiero

zastąpienie w teodolicie tradycyjnych kręgów z podziałem kreskowym tarczami kodowymi,

dzięki którym stało się możliwe przetwarzanie analogowej wartości kąta na odpowiednio

zakodowane sygnały elektryczne dające w efekcie cyfrowy odczyt tegoż kąta. Powstał więc

w ten sposób nowy typ teodolitu nazwany teodolitem kodowym, w którym każdemu

nastawieniu lunety na cel odpowiadał pewien określony odczyt cyfrowy.

Szybki rozwój tych przyrządów nastąpił dopiero po wprowadzeniu wprost do systemu

odczytowego elektronicznych przetworników położenia : magnetycznych, galwanicznych i

optoelektronicznych, z których najkorzystniejszymi okazały się te ostatnie.

Układ pomiarowy : „tarcza kodowa - elektrooptyczny przetwornik położenia" znalazł

zastosowanie - w różnych jego modyfikacjach - w szeregu wysoko rozwiniętych systemów

kątomierczych pierwszych zintegrowanych tachymetrów elektronicznych.

Wprowadzenie impulsowych przetworników doprowadziło do opracowania systemów

kątomierczych zwanych systemami impulsowymi lub inkrementalnymi. Można wyodrębnić co

najmniej trzy zasadnicze systemy elektronicznego pomiaru kątów, a mianowicie :

- system kodowy,

- system impulsowy czyli inkrementalny,

- system dynamiczny zwany również „czasowym".

2. Kodowy system pomiaru kątów

2.1. Tarcza z kodem dwójkowym

Zasadę systemu kodowego można najłatwiej przedstawić na przykładzie prostego

kodowego przetwornika położenia, składającego się z kołowej tarczy z kodem dwójkowym,

zwanej dalej tarczą kodową, i z czytnika optoelektronicznego.

Tarcza kodowa przedstawiona jest na rysunku 1.

Rysunek 1. Tarcza z kodem dwójkowym

Przedstawiona na rysunku 1 tarcza z kodem dwójkowym zawiera kilka koncentrycznie

rozmieszczonych ścieżek kołowych zwanych kanałami. Każda taka ścieżka podzielona jest

na parzystą liczbę pól - segmentów naprzemian przezroczystych (pole białe) i

nieprzezroczystych (pole czarne) o tej samej długości. Pierwsza ścieżka - licząc od środka

tarczy -zawiera dwa takie pola. W każdej następnej ścieżce obok pola poprzedniej ścieżki

występują dwa pola: przezroczyste i nieprzezroczyste. Tak więc ścieżka pierwsza zawiera

dwa interwały, ścieżka druga - cztery interwały, ścieżka trzecia - osiem itd.

Liczba interwałów w n -tej ścieżce wynosi więc

(1)

  n

2 ,

gdzie :

n = 1, 2,..., numer ścieżki liczony od środka tarczy.

Ostatnia ścieżka zawiera najkrótsze pola określające rozdzielczość podziałki

pomiarowej przyrządu.

2.2. Czytnik fotodiodowy i pomiar cyfrowy kierunku

Do odczytywania mierzonego kierunku k na omawianej tarczy kodowej stosowany jest

czytnik fotodiodowy, który położenie tegoż kierunku na tarczy przetwarza na odczyt cyfrowy

w naturalnym kodzie dwójkowym.

Zasada funkcjonowania tego czytnika pokazana jest na rysunku 2, na którym

pokazano przekrój płaszczyzną pionową tarczy kodowej z rysunku 1 wzdłuż mierzonego

kierunku k .

Rysunek 2. Zasada funkcjonowania czytnika fotodiodowego

W omawianym układzie górną część czytnika stanowi zestaw DS siedmiu diod

luminescencyjnych emitujących wiązki światła (podczerwieni) prostopadle do płaszczyzny

tarczy kodowej TK . Między diodami i tarczą TK ustawiona jest przesłona szczelinowa PS ,

która formuje z tych wiązek pionową „płaszczyznę świetlną". Kierunek tej „płaszczyzny" jest

identyczny z półprostą k pokazaną na rysunku 2.

Wiązki świetlne przechodzące przez przezroczyste pole tarczy przepuszczane są

jeszcze przez przesłonę otworową PO , a następnie padają na fotodiody odbiorcze FD

tworzące układ zwany matrycą fotodetektorów. Każda para : „dioda świetlna - fotodioda"

systemu

DS  odpowiada jednej ścieżce tarczy kodowej, „grubość" zaś „płaszczyzny

świetlnej" - szerokości najmniejszej działki. Wiązka przepuszczana przez pole przezroczyste

tarczy wzbudza w odpowiedniej fotodiodzie sygnał elektryczny (napięcie), któremu w kodzie

dwójkowym przypisuje się umownie stan 0 , podczas, gdy polu nieprzezroczystemu

odpowiada stan 1 . W ten sposób 7-bitowy wyraz wytworzony przez matrycę fotodetektorów

FD ustawioną na prostej k (rysunek 1) jest odczytem cyfrowym tegoż kierunku k w kodzie

dwójkowym. W sytuacji pokazanej na rysunku 1 odczyt taki wynosi 011101.

Odczyt kierunku w kodzie dwójkowym może być zapisany w rejestratorze R (rysunek

2) lub przesłany przez przełącznik P do matrycy dekodującej D , skąd jest on podawany na

ekran wyświetlacza już w formie liczby dziesiętnej wyrażonej w odpowiednich jednostkach

podziału kąta.

Jest rzeczą znamienną, że przecięcie „płaszczyzną świetlną", którejkolwiek z

najmniejszych działek (pól ostatniej ścieżki) daje w efekcie inną, niepowtarzalną kombinację

cyfr 0 i 1 , określającą jednoznacznie położenie kierunku k względem tarczy kodowej. W

związku z tym pomiar systemem kodowym pęku kierunków do kolejnych celów określa się

często jako „pomiar bezwzględny". Odczyty tych kierunków można oczywiście zredukować

do wybranego kierunku początkowego k , któremu przypisuje się wartość ustaloną, na

przykład zerową. Można to wykonać, przy lunecie wycelowanej w tymże kierunku - przez

takie przesunięcie skali licznika D , aby na wyświetlaczu ukazała się ustalona wartość k na

przykład 0°00'00,0".

W teodolitach kodowych tarcza pozioma była z reguły sprzęgnięta z alidadą, a więc

obracała się wraz z lunetą dokoła pionowej osi teodolitu, czytnik natomiast był związany na

stałe ze spodarką przyrządu.

3. Impulsowy system pomiaru kątów

3.1. Zasada metody impulsowej

Metoda impulsowa pomiaru kątów oparta jest w zasadzie na zastosowaniu kręgu

podziałowego (tarczy) z jedną ścieżką kołową zawierającą

N równych interwałów oraz

czytnika impulsów generowanych przez te interwały.

Tarcza i czytnik tworzą tzw. impulsowy przetwornik kąta. Przetwornik taki może działać

na zasadzie galwanicznej, magnetycznej lub optycznej. Najlepszą rozdzielczość zapewnia

jednak przetwornik działający na zasadzie optycznej.

W przetworniku takim ścieżka kręgu podziałowego, tarczy T zawiera N pól

przezroczystych - radialnie skierowanych rysek, które są oddzielone od siebie polami

nieprzezroczystymi o tej samej szerokości jak ryski. Całkowite interwały ścieżki, czyli pary :

„pole przezroczyste - pole nieprzezroczyste" zwane krótko „jasne-ciemne", nazywane są

także inkrementami.

Wartość kątowa d jednego takiego interwału (inkrementu) określona jest wzorem

(2)

400



We współczesnych teodolitach elektronicznych liczba N wynosi zwykle 20000, co

daje rozdzielność kątową

 .

Rysunek 3. Impulsowy system pomiaru kątów

Czytnik optyczny składa się ze źródła światła S (diody luminescencyjnej), maski M i

fotodiody FD . Elementy te są ustawione względem tarczy T w taki sposób jak pokazano to

na rysunku 3. Na masce M naniesiony jest odcinek takiej samej ścieżki kołowej jak na

tarczy T , zawierający około 200 interwałów „jasne-ciemne". Rzut tego odcinka na tarczę T

pokrywa się dokładnie z jej ścieżką.

T obraca się wraz z alidadą,

W systemie pomiaru kątów poziomych tarcza pozioma

S  sprzężony jest na stałe z nieruchomą spodarką teodolitu.

Dzięki temu przy obrocie alidady ryski kręgu T przesuwają się - prawie równolegle - na tle

ścieżki maski M . Przejście każdego interwału „jasne-ciemne" tarczy pod identycznym

interwałem tejże maski powoduje okresową modulację równoległej wiązki światła,

przechodzącej przez tarczę T i maskę M . Wytwarzany w ten sposób sygnał optyczny

wzbudza w fotodetektorze FD prąd elektryczny, w przybliżeniu sinusoidalny (rysunek 4a).

Ponieważ równoczesne przejścia wielu rysek tarczy pod ryskami maski są zgodne w fazie,

więc wypadkowa amplituda prądu fotoelektrycznego jest na wyjściu z FD znacznie większa,

niż wynikająca z przejścia jednej ryski. Ponadto wypadkowy sygnał elektryczny jest w

wysokim stopniu uniezależniony od błędów wykonania poszczególnych rysek.

natomiast czytnik

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: