Механические сенсоры перемещения. Принципы работы глобальной системы ориентирования и сенсоры GPS

3.5. Сенсоры углового перемещения

Среди сенсоров углового перемещения выделяют 2 группы: сенсоры угла наклона (крена) и сенсоры угла поворота.

3.5.1. Инклинометры

Сенсоры угла наклона называют еще " инклинометрами " (от латинского incline – наклоняю). Чаще всего речь идет об угловом отклонении от вертикали или от горизонтальной плоскости. Уже самые древние строители использовали с этой целью отвесы, ватерпасы ( рис. 3.7, а,б,в ), позже – уровни ( рис. 3.7, в ). В начале ХХ века начали использовать ртутные выключатели, принцип действия которых показан на рис. 3.7, г. В герметически закрытой капсуле свободно перемещается капелька ртути. В капсулу из диэлектрика введены 2 металлических электрода. Когда капсула расположена вертикально, капля ртути находится в центре и электрически соединяет эти электроды. Если же капсула и плата, на которой она закреплена, наклоняются к горизонту на угол, который превышает критический, капля ртути под действием силы тяжести смещается, и электрический контакт разрывается, сигнализируя об опасном крене.

Рис. 3.7. Простейшие сенсоры наклона: а – отвес; б – ватерпас; в – уровень; г – ртутный выключатель

За последние десятилетия созданы и нашли широкое применение более точные инклинометры с электрическими выходными сигналами. На рис. 3.8 показан принцип действия электролитических инклинометров [ [ 325 ] ].

Рис. 3.8. Принцип действия электролитического инклинометра

В несколько выгнутый герметичный корпус 1, например, из керамики или стекла, залит жидкий электролит 2 так, чтобы в нем остался воздушный пузырек 3. В корпус введены три электрода: электрод 4 – в центре, электроды 5 и 6 – на концах корпуса. Когда корпус находится точно в горизонтальном положении, а воздушный пузырек – над центральным электродом, то электрические сопротивления электролита между электродами 5 и 4, 4 и 6 одинаковы. Эти электрические сопротивления включены в плечи мостовой схемы, выход которой соединен с операционным усилителем. При равенстве сопротивлений мост сбалансирован, и сигнал на выходе равен нулю. Если сенсор слегка наклоняется, то воздушный пузырек смещается в сторону. Электрическое сопротивление между электродами изменяется. Баланс мостовой схемы нарушается, и на ее выходе появляется сигнал той или иной полярности, величина которого пропорциональная углу наклона. Чтобы исключить влияние поляризации электролита, для балансировки мостовой схемы и для ее питания используют переменный ток.

Другой вариант конструкции электролитического инклинометра показан на рис. 3.9. Электроды в виде проволочек размещены здесь параллельно оси, перпендикулярной к плоскости рисунка, вокруг которой при наклонах вращается сенсор. Жидкий электролит 2 заполняет корпус 1 лишь частично. Когда наклона нет, электрические сопротивления между центральным электродом 3 и боковыми электродами 4, 5 одинаковы. Эти сопротивления включены в плечи мостовой схемы переменного тока. Мостовую схему балансируют так, чтобы напряжение на выходе равнялось нулю. При наклонах сенсора количество электролита с одной стороны возрастает, а с другой уменьшается. Соответственно изменяются и электрические сопротивления. Сигнал на выходе мостовой схемы и после усилителя становится тем большим, чем больше угол наклона. А его полярность указывает направление наклона.

Рис. 3.9. Другая конструкция электролитического инклинометра: 1 - герметичный корпус; 2 - жидкий электролит; 3 - центральный электрод; 4, 5 - боковые электроды

Уже несколько известных в мире фирм выпускают подобные электролитические инклинометры: HL-Planartechnik Gmb, Seika Mikrosystemtechnik Gmb, Fraba Posital Gmb, ООО "Микросенсорные технологии", НПП "Уралметаллургавтоматика", The Fredericks Company и прочие. Разные серии инклинометров охватывают диапазоны углов наклона от –5 до +5 (с точностью измерения 0,001 ), 10 и 15 (с точностью измерения 0,002 ), 30 (с точностью измерения 0,005 ) и т.п.

Высокая точность, небольшие размеры, простота установки на объектах обусловили широкий диапазон их применения. Это и контроль за вертикальным положением высотных сооружений, точное определение направления бурения нефтяных, газовых и других буровых скважин, определение уклона автомобильных дорог, железнодорожных путей, штреков в шахтах, крена кораблей, автомобилей, строительных кранов и экскаваторов, измерение деформационного прогиба мостов, опорных балок и т.п.

Выпускаются не только простые, но и интеллектуальные инклинометры со встроенными микропроцессорами, которые выполняют довольно широкий набор функций. Это могут быть одно- и двухкоординатные инклинометры с цифровым интерфейсом, с возможностью автоматического управления предохранительными механизмами, с возможностью задания пользователем критических значений углов наклона, с выдачей предупредительных сигналов и т.п. Некоторые промышленные образцы таких инклинометров показаны на рис. 3.10. Двухкоординатность достигается путем использования двух отдельных одноосных инклинометров, сориентированных во взаимно перпендикулярных направлениях.

Рис. 3.10. Некоторые образцы двухкоординатных интеллектуальных инклинометров фирмы HL-Planartechnik Gmb

На рис. 3.11 показана другая, уже оптоэлектронная конструкция инклинометра, которая обеспечивает возможность измерения одновременно двух углов наклона во взаимно перпендикулярных плоскостях. В корпусе 1 размещены светодиод 2, кремниевый чип 3 со сформированными в нем фотодиодами или фототранзисторами 4 и усилителями, пластиковое полушарие с прозрачной жидкостью 5 и оставленным в ней воздушным пузырьком 6. Этот пузырек, преломляя свет от светодиода 2, создает область тени 7. Когда корпус 1 расположен горизонтально, тень от пузырька одинаково прикрывает все 4 фотодиода. Если корпус немного наклоняется, то воздушный пузырек смещается. Соответственно по поверхности фотодиодов смещается и тень от него ( рис. 3.11 справа). И сигналы от фотодиодов становятся разными. Их измерение позволяет точно рассчитать углы наклона относительно двух ортогональных осей. Для этого сенсор еще в процессе производства точно калибруют при нормальной и при крайних рабочих значениях температуры. Данные калибровки заносят в память микропроцессора.

Рис. 3.11. Конструкция и принцип действия двухкоординатного оптоэлектронного инклинометра

Погрешность измерения углов наклона таким способом не превышает 0,01 . Это позволяет с большой точностью контролировать форму поверхности, например, зеркал больших телескопов, плоскостность и горизонтальность направляющих рельсов больших высокоточных координатных столов и т.п.

3.5.2. Абсолютные энкодеры

Сенсоры угла поворота прошли большой путь совершенствования. За много столетий развития техники создано немало разных методов и устройств. Сначала это были исключительно механические устройства. В них с помощью механических передач угол поворота или количество выполненных оборотов преобразовывались и отображались в виде перемещения стрелки вдоль шкалы с градусными делениями или в виде числа, формируемого в прозрачном окошке системой колесиков, на ободе которых нанесены цифры.

В середине ХХ века более популярными стали магнитные и электрические сенсоры угла поворота или количества оборотов. Принцип работы некоторых из них (электрических, магнитных) описан в других разделах книги. Ныне для измерения углов поворота и количества оборотов все чаще стали использовать оптоэлектронные энкодеры. По принципу действия принято различать так называемые " абсолютные " и "инкрементные" энкодеры.

Абсолютные энкодеры выдают на свой выход цифровые коды, которые отвечают абсолютному значению угла поворота относительно положения, принятого за нуль. Принцип действия абсолютного энкодера, рассчитанного на один оборот, объясняется на рис. 3.12. На вал, закрепленный на двух прецизионных подшипниках и кинематически соединенный с узлом, вращение которого контролируется, насажен кодовый диск. На последнем выделены кольцевых дорожек с прозрачными и непрозрачными участками. Напротив дорожек с одной стороны диска установлены светодиоды с цилиндрической линзой, а с другой стороны – линейка фотодетекторов, по одному на каждую дорожку. Прозрачный и непрозрачный участки на дорожках подобраны так, чтобы каждому угловому положению кодового диска соответствовал свой уникальный двоичный код на выходах линейки фотодетекторов.

Один из возможных вариантов кодирования диска показан на рис. 3.12 справа. Сфокусированный цилиндрической линзой в радиальную черточку свет от светодиодов проецируется на кодовый диск. Свет свободно проходит сквозь прозрачные участки дорожек и, попав на соответствующие фотодетекторы, вызывает появление сигнала "1" на выходах соответствующих усилителей. Сквозь непрозрачные участки дорожек свет не проходит, и на выходах соответствующих усилителей формируются сигналы "0".

Рис. 3.12. Конструкция и принцип действия абсолютного энкодера

Общее число возможных п-разрядных двоичных кодов составляет 2ⁿ. Поэтому точность определения углового положения диска равняется (360 2ⁿ⁺¹). В случае использования 10 кольцевых дорожек и 10 фотодетекторов в линейке точность определения угла составляет 0,4 , а при использовании 20 дорожек и 20 фотодетекторов – уже 0,0004 . При современном состоянии технологии микроэлектроники это оказывается совсем недорого. И поэтому такие энкодеры стали весьма популярными. Их широко применяют в антенных системах, в астрономии для определения небесных координат звезд, в геодезических приборах, в системах кругового наблюдения и т.д.

Тем не менее, имеется много практических задач, когда кроме знания углового положения в пределах одного оборота надо регистрировать также количество полных оборотов и их направление. Т.е. надо определять углы не в пределах от 0 до 360 , а в пределах от до . Для этого ныне используют многооборотные энкодеры, принцип действия которых показан на рис. 3.13. С помощью зубчатых или других механических редукторов угол поворота уменьшается в нужное количество раз, и кодовые диски дополнительных степеней отсчитывают количество оборотов в нужных пользователям границах.

Рис. 3.13. Принцип действия многооборотного абсолютного энкодера

В абсолютных энкодерах информация об угловом положении вала сохраняется даже при отключении питания, поскольку фиксируется физически положением кодовых дисков. При использовании для кодирования положения вала обычного двоичного кода переход к соседнему положению может послужить причиной изменения нескольких бит одновременно. Например, при переходе от 0111 до 1000 изменяются одновременно 4 бита. Поэтому вблизи позиции перехода из-за некоторой несинхронности изменения разрядов могут кратковременно выдаваться неверные коды.

Избавиться этого позволяет кодирование известным кодом Грея. В таблице 3.1 приведены коды Грея для натуральных чисел от 0 до 15. Биты, которые изменяются при переходе от предыдущего натурального числа, в таблице 3.1 выделены. Легко видеть, что на каждом шаге изменяется лишь один бит. Для сравнения в правом столбце показаны обычные двоичные коды, которые такого свойства не имеют.