CW6L.pdf
(
253 KB
)
Pobierz
Wydział Mechaniczny
Kierunek: MECHATRONIKA
LABORATORIUM ELEKTRONIKI
Ćwiczenie 6
Przetworniki elektroniczne do pomiaru wielkości
mechanicznych: enkodery, dalmierze laserowe, optyczne
czujniki zbliżeniowe.
Gdańsk, 2010
1.
Cel ćwiczenia
•
zapoznanie się z budową i zasadą działania enkodera przyrostowego i absolutnego,
•
zapoznanie się z budową i zasadą działania dalmierza laserowego,
•
zapoznanie się z budową i zasadą działania optycznego czujnika zbliżeniowego.
2.
Wstęp
Współczesne układy pomiaru wielkości mechanicznych powszechnie wykorzystują
przetworniki elektroniczne, zamieniające mierzoną wielkość mechaniczną – prędkość
liniową, odległość, położenie – na wielkość elektryczną, z reguły w postaci analogowego
sygnału napięciowego lub prądowego, albo sygnału binarnego: szeregowego (ciąg impulsów)
lub równoległego.
Enkodery
Precyzyjne enkodery są zazwyczaj przetwornikami optoelektronicznymi, choć sama
nazwa „enkoder” obejmuje również inne rodzaje przetworników (np. magnetyczne).
Enkodery dzielą się na przyrostowe oraz absolutne. Drugie służą do pomiaru absolutnego kąta
położenia, pierwsze umożliwiają określenie zmiany kąta położenia względem pewnego
położenia odniesienia.
Enkodery przyrostowe
Podstawowymi elementami optoelektronicznych enkoderów przyrostowych są: tarcza
oraz elementy optoelektroniczne. Tarcza, osadzona na wale enkodera, wykonana jest w
precyzyjnych enkoderach najczęściej ze szkła. Na tarczy naniesione są nieprzezroczyste
paski, tworzące ścieżki. Po przeciwległych stronach tarczy, na wysokości ścieżek,
umieszczone są elementy optoelektroniczne – z jednej strony fotonadajniki (diody LED), z
drugiej fotoodbiorniki (fototranzystory lub fotodiody). Często jeden fotonadajnik
współpracuje z kilkoma fotoodbiornikami. Tarcza, obracając się, przesłania lub odsłania
fotonadajnik względem poszczególnych fotoodbiorników, kształtując ich sygnały wyjściowe
(patrz rys. 1). Szerokość pasków przezroczystych na podstawowej ścieżce równa jest
szerokości odległości między nimi, więc przy stałej prędkości kątowej sygnał wyjściowe
fotoodbiorników mają kształt prostokątny o współczynniku wypełnienia równym 0,5.
Sygnał z pojedynczego fotoodbiornika nie pozwala na określenie kierunku obrotu
tarczy. Z uwagi na to, wykorzystuje się drugi fotoodbiornik, również umieszczony na
wysokości ścieżki podstawowej, przesunięty od pierwszego o taką odległość kątową, aby ich
sygnały wyjściowe przy jednostajnym obrocie tarczy były przesunięte względem siebie o
ćwierć okresu. Kolejność występowania zboczy obu sygnałów pozwala na określenie
kierunku wirowania tarczy (rys. 2).
Do określania przyrostu położenia kątowego można wykorzystać liczbę zliczonych
impulsów, lub też liczbę zliczonych zboczy – narastających i opadających. Mówi się
wówczas o zwielokrotnianiu rozdzielczości enkodera (zboczy jest 2 razy więcej, a przy
wykorzystaniu sygnałów z obydwu fotoodbiorników – 4 razy więcej niż impulsów).
Ponieważ omówione sygnały pozwalają określić jedynie przyrost położenia, nie zaś położenie
absolutne, w enkoderach często stosuje się trzeci fotoodbiornik współpracujący z osobną
ścieżką. Na ścieżce tej umieszcza się pojedynczy znacznik, zatem sygnał z trzeciego kanału
ma postać tylko jednego impulsu na obrót. Sygnału tego (oznaczanego jako: C, Z lub NM)
używa się do określania tzw. pozycji bazowej. Położenie względne zmierzone od położenia
bazowego pozwala na określenie położenia bezwzględnego.
2
A
B
C (NM)
A wyprzedza B
(jeden kierunek
obrotów)
Wirnik
zatrzyma
ny
B wyprzedza A
(drugi kierunek
obrotów)
t
Rys. 1. Schematyczna budowa
enkodera przyrostowego
Rys. 2. Przebiegi wyjściowe kanałów A i B
enkodera przyrostowego
W celu ochrony sygnału wyjściowego przed zakłóceniami, enkodery często wyposaża
się w wyjścia typu różnicowego. Ponadto, sygnał wyjściowy enkodera poddawany jest
filtracji analogowo-cyfrowej. Człon analogowy filtru odseparowuje zakłócenia o małej
amplitudzie (szum), zaś filtr cyfrowy przepuszcza tylko impulsy o pewnym minimalnym
czasie trwania określonym jako wielokrotność okresu zegara taktującego. Wprowadza to
pewne opóźnienie oraz ograniczenie prędkości obrotowej enkodera. Rozdzielczości osiągane
przez precyzyjne enkodery sięgają kilkudziesięciu tysięcy inkrementów na obrót.
Sygnały z enkodera przyrostowego mogą być wykorzystane do obliczenia prędkości
obrotowej – zmiana położenia czyli liczba zliczonych impulsów w pewnym określonym
czasie jest wprost proporcjonalna do prędkości obrotu tarczy. Metoda ta jest przydatna dla
znacznych prędkości obrotowych; przy prędkościach bardzo niskich, aby uzyskać
zadowalającą rozdzielczość pomiaru należałoby stosować bardzo długi czas zliczania.
Alternatywą może być wówczas pomiar czasu między dwoma sąsiednimi impulsami – jest on
odwrotnie proporcjonalny do prędkości.
Wiele wykorzystywanych w przemyśle procesorów sygnałowych posiada specjalne
moduły enkoderowe, upraszczające podłączenie oraz obsługę programową enkodera.
Enkodery absulutne
Enkodery absolutne pozwalają na bezpośrednie określenie absolutnej pozycji kątowej.
Informacja o niej zapisana jest na tarczy enkodera, zwanej w tym przypadku tarczą kodową.
Na tarczy tej wyróżnia się wiele ścieżek (w liczbie zależnej od rozdzielczości enkodera), na
których zapisana jest cyfrowo informacja o poszczególnych bitach informacji położeniowej.
Fizyczny sposób zapisu informacji jest analogiczny jak w enkoderach przyrostowych (paski).
Informacja o położeniu kątowym może być zapisana na tarczy w kodzie binarnym naturalnym
lub w kodzie Gray’a – patrz rys. 3.
To drugie rozwiązanie jest obecnie częściej stosowane. W przypadku kodu binarnego
naturalnego, podczas zmiany wartości zapisanej liczby o 1 w większości przypadków
następuje jednoczesna zmiana kilku bitów kodu. Z powodu niedokładności wykonania tarczy
kodowej, różnych czasów propagacji sygnałów i innych zjawisk może to prowadzić do
błędnego odczytu pozycji w momencie zmiany inkrementu. Kod Gray’a charakteryzuje się
tym, że przy zmianie zakodowanej liczby o 1 zmienia się tylko jeden bit kodu. W związku z
tym, błąd spowodowany wspomnianymi czynnikami, w przypadku tarczy z informacją
zapisaną w kodzie Gray’a, może odpowiadać co najwyżej pojedynczemu inkrementowi.
Enkodery absolutne, z uwagi na trudności w wykonaniu tarczy kodowej, osiągają
mniejsze rozdzielczości niż enkodery przyrostowe. Wiele enkoderów absolutnych posiada
3
wewnętrzne układy elektroniczne konwertujące sygnały z fotoodbiorników na sygnał
szeregowy (
ang. Serial Encoder Interface – SEI
).
a) b)
Rys. 3. Tarcze enkodera absolutnego z informacją zapisaną:
a) w kodzie Gray’a; b) w kodzie binarnym naturalnym
Dalmierz laserowy
Do precyzyjnych pomiarów odległości i przemieszczeń obiektów stosuje się obecnie
powszechnie dalmierze laserowe. Istnieją dwie podstawowe grupy tych urządzeń, różniące się
zakresem pomiaru i zasadą działania:
•
dalmierze o zasięgu od ok. 1 m do kilkuset metrów (przy zastosowaniu specjalnych
ekranów refleksyjnych na obiekcie obserwowanym lub w wersjach militarnych – nawet
do kilkunastu kilometrów) – działają na zasadzie identycznej jak radar, ale długość fali
emitowanego promieniowanie leży w zakresie światła widzialnego lub (częściej)
podczerwieni; emitowana silnie skupiona wiązka promieniowania lasera, po odbiciu od
obiektu wraca (częściowo) do detektora. Czas od wysłania wiązki do wykrycia fali
odbitej, mierzony przy pomocy wbudowanych specjalizowanych procesorów
sygnałowych, pozwala określić odległość od obiektu. Dalmierze tego typu są stosowane
dość powszechnie w technice wojskowej (wykrywanie i określanie współrzędnych celu),
przy sterowaniu i kontroli ruchu dużych obiektów (statków w portach, pociągów na
stacjach rozrządowych itp.), w geodezji, w budownictwie, w sporcie i rekreacji
(łowiectwo, strzelectwo, golf). Maksymalne częstotliwości próbkowania mieszczą się
najczęściej w przedziale od 0,5 Hz do kilkudziesięciu Hz.
•
dalmierze o zasięgu do 1 m – są to z reguły czujniki działające na zasadzie
triangulacyjnej. Specjalna dioda laserowa emituje skupioną wiązkę promieniowania
światła widzialnego, dającą bardzo małą plamkę na powierzchni mierzonego obiektu.
Odbite od tej plamki światło jest zobrazowane poprzez układy optyczne na elemencie
światłoczułym wewnątrz czujnika (linijka CCD). Jeśli obiekt zmienia odległość od
czujnika, następuje przesunięcie punktu odwzorowania plamki świetlnej na linijce CCD,
co jest rozpoznawane i przetwarzane przez wewnętrzny układ elektroniczny czujnika.
Zasada działania czujnika jest przedstawiona schematycznie na rys. 4. Dalmierze tego
typu zapewniają z reguły rozdzielczość na poziomie 1/10000 (ok. 14-bitową), max. błąd
na poziomie 1‰. Są stosowane do precyzyjnych pomiarów odległości, w przemyśle i
robotyce. Częstotliwości próbkowania dochodzą do kilkunastu kHz.
4
Rys. 4. Budowa i zasada działania dalmierza laserowego o krótkim zasięgu
Optyczne czujniki zbliżeniowe
Zadaniem czujników zbliżeniowych jest wykrycie obiektu w odległości mniejszej niż
ustalona dla danego czujnika wartość graniczna. W praktyce stosowane są czujniki
zbliżeniowe pojemnościowe, indukcyjne, ultradźwiękowe i optyczne odbiciowe. W
czujnikach pojemnościowych i indukcyjnych wykorzystuje się zmianę pojemności lub
indukcyjności układu o odpowiedniej strukturze przy zbliżeniu do niego ciała o innej niż
powietrze przenikalności elektrycznej lub magnetycznej, co w określonym obwodzie może
wywołać odpowiedni sygnał napięciowy lub prądowy.
W czujnikach ultradźwiękowych i optycznych wykorzystuje się zjawisko odbicia fali
emitowanej przez nadajnik od obiektu znajdującego się w pobliżu czujnika i detekcji fali
odbitej przez odbiornik. Czujniki ultradźwiękowe emitują promieniowanie w zakresie od
kilkudziesięciu do kilkuset kiloherców, zaś czujniki optyczne – promieniowanie
elektromagnetyczne o częstotliwości w zakresie światła widzialnego lub (częściej)
podczerwieni. Energia sygnału odebranego (odbitego) jest tym większa, im bliżej od czujnika
znajduje się wykrywany obiekt. Z reguły czujniki zbliżeniowe mają wbudowane układy
dyskryminatorów, które na wyjściu dostarczają sygnał dwustanowy (logiczny), informujący o
przekroczeniu przez obiekt odległości progowej (granicznej). Niekiedy w czujnikach tego
typu sygnał wyjściowy ma charakter analogowy, co w zasadzie pozwala wykorzystać go do
pomiaru odległości od obiektu – podobnie jak w dalmierzach laserowych; należy jednak
wziąć pod uwagę fakt, że zależność jest silnie nieliniowa, a ponadto na wartość sygnału
wyjściowego może wpływać szereg czynników innych niż odległość (np. kąt nachylenia
powierzchni wykrywanego obiektu, jej kolor, zdolność do odbijania lub pochłaniania światła,
zanieczyszczenia). Czujniki optyczne odbiciowe maja najczęściej nadajnik i odbiornik
zintegrowane w jednej obudowie.
3.
Przebieg ćwiczenia
W ramach realizacji ćwiczenia należy wykonać badania układów wskazanych przez
prowadzącego.
Układ laboratoryjny z enkoderem przyrostowym
W skład układu wchodzą (rys. 5):
5
Plik z chomika:
piterek_17
Inne pliki z tego folderu:
Rozwiazania do Z_WM_.PDF
(15226 KB)
Z_WM_0.pdf
(268 KB)
Z_WM_1.pdf
(229 KB)
Z_WM_2.pdf
(164 KB)
Sprawozdanie przetworniki elektroniczne cw7.doc
(6589 KB)
Inne foldery tego chomika:
Hydraulika i Pneumatyka
Mechanika
Metrologia
Obróbka skrawaniem
Przetwórstwo tworzyw sztucznych
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin