Измерение неэлектрических и электрических величин с помощью ИП. Линейный растровый фотоэлектрич. преобразователь. Временные диаграммы перемещения с делением шага на 4.

В настоящее время для высокоточных измерений линейных и угловых перемещений в широких диапазонах (до 3 м) применяют растровые и дифракционные измерительные устройства. Основа растрового устройства – растр, представляющий собой стеклянную пластинку (пропускающий растр) или зеркальную металлическую пластину (отражательный растр), на которые нанесены параллельные непрозрачные штрихи с шагом q от 0,1 до 0,001 мм, причем обычно ширина штриха равна ширине прозрачного участка. Соотношение между шириной штриха b и шириной зрачка а может быть различным. Чаще применяются растры, у которых ширина штриха равна ширине зрачка, т. е. а = b (измерительные растры) или ширина штриха во много раз меньше ширины зрачка, т.е. b << a (штриховые меры).

Растровое звено применяется в серийно выпускаемом ЛИПО преобразователе модели 19000 (рисунок 3.17). Основой преобразователя является сопряжение растров – измерительного 12 и индикаторных 7 и 11. Измерительный растр представляет собой совокупность темных штрихов, нанесенных на поверхность стеклянной пластины 6 с шагом q1 = 4 мкм. Ширина штрихов b и ширина зрачков а равны. Длина измерительного растра несколько больше диапазона измерений (10 мм). Измерительный растр жестко связан с подвижным стержнем 2, контактирующим с контролируемой деталью 1. Неподвижные индикаторные растры 7 и 11 подобны измерительному по шагу q2 = 4 мкм, но значительно меньше по длине. Растр 7 сдвинут по пространственной фазе на π/2 относительно растра 11 для определения направления перемещения растра 12 и возможности деления шага растра на 4. Измерительный и индикаторный растры совмещены таким образом, что их штрихи параллельны.

Рисунок 3.17 – Линейный растровый фотоэлектрический преобразователь

В этом случае при перемещении пластины 6 с измерительным растром 12 относительно пластины 8 с индикаторными растрами 7 и 11 в направлении, перпендикулярном к их штрихам, освещенность за растровым полем периодически изменяется (за один шаг растра 4 мкм проходят комбинационные светлая и темная полосы), вызывая синусоидальные (так предусмотрено конструкцией) колебания тока в фотоприемниках 9 и 10. Пространственный сдвиг растров 7 и 11 на π/2 вызывает электрический сдвиг синусоидальных токов также на π/2 в фотоприемниках 9 и 10, что позволяет осуществить деление шага 4 мкм на четыре (по схеме, изображенной на рисунке 2.9), т.е. получить дискретность отсчетного устройства 1 мкм. Подсветка растров осуществляется двумя светодиодами 4 и 3, расположенными на неподвижной плате 5.

Для обеспечения работоспособности растров с таким малым шагом в них обеспечено беззазорное сопряжение с помощью введения в контакт рабочих плоскостей растров (измерительного и индикаторного) слоя иммерсионной жидкости (кремний органический полиметилсилоксановый раствор). Этот слой жидкости позволил также уменьшить оптические потери, обеспечить смазку трущихся поверхностей растров и выполнения роли демпфера, ограничивающего скорость перемещения.

Измерение неэлектрических и электрических величин с помощью ИП. Круговой растровый фотоэлектрический преобразователь.

Рассмотрим круговой растровый фотолектрический преобразователь, нашедший применение в отсчетной части инструментального микроскопа БМИ-1Ц и большого проектора БП-3Ц.

Преобразователь состоит из механического и оптоэлектронного узлов (рисунок 3.18). Механический узел включает в себя микровинт 1, преобразующий круговое вращение в продольное перемещение, один оборот соответствует шагу 1 мм.

Рисунок 3.18 — Круговой растровый фотоэлектрический преобразователь

Оптоэлектронный узел содержит подвижный 3 и неподвижный 4 растровые диски, четыре источника света 2 и четыре фотоприемника. Подвижный растровый диск механически связан с микровинтом, имеет по окружности 1000 темных штрихов, чередующихся с прозрачными промежутками. На неподвижном растровом диске нанесены четыре группы штрихов, имеющие диаметрально противоположное расположение.

Штрихи II группы сдвинуты относительно штрихов I группы на 90^о+Т/4, штрихи III группы на 180^о+Т/2, штрихи IV группы на 270^o+3Т/4, где Т — шаг растрового диска. Подвижный и неподвижный растровые диски расположены соосно с небольшим расстоянием между ними.

При вращении микровинта поворачивается подвижный растровый диск относительно неподвижного, при этом освещенность за растровым полем периодически изменяется, вызывая синусоидальные колебания тока в четырех фотоприемниках со сдвигом фаз 0°, 90°, 180°, 270°. Такие фазовые соотношения достигаются конструктивным взаимным сдвигом штрихов подвижного и неподвижного растровых дисков. Сдвиги фаз 0° и 180° в одном канале и 90° и 270° — в другом позволяют уменьшить влияние взаимного эксцентриситета растровых дисков.

Электронный блок (на рисунке не показан) преобразует синусоидальный сигнал с фотоприемников в последовательность прямоугольных импульсов по двум каналам со сдвигом фаз 90° для определения направления вращения микровинта. Далее импульсы поступают на цифровой счетчик последовательного типа с дискретностью отсчета 1 мкм. При этом семидекадный цифровой счетчик показывает в левой декаде знак «+» или «-», в трех следующих декадах сотни, десятки и единицы миллиметров, а в трех последних - десятые, сотые и тысячные доли миллиметра.

Принцип цифрового отсчета на горизонтальном и вертикальном длиномерах, универсальном микроскопе, двух и трехкоординатном измерительном приборе одинаков, здесь используются измерительные дифракционные решетки. Они выполнены в виде чередующихся элементов треугольного профиля и работают в проходящем или отраженном свете. Благодаря использованию решеток с шагом, сравнимым с длиной волны света, можно наблюдать полосы как в нулевом, так и в более высоких спектральных порядках дифракции. Полосы возникают в результате интерференции пучков различных порядков дифракции. Частота изменения освещенности на фотоприемниках определяется не только частотой решетки, но и спектральным порядком дифракции. Таким образом, она получается в несколько раз большей, чем частота решётки.

Дискретность отсчета, т.е. чередование полос на фотоприемнике равна 0,5 мкм при использовании прозрачной решетки с 300 элементами треугольного профиля на миллиметре и отражательной с 600 элементами треугольного профиля на миллиметре.