Электронные датчики угла

Цель работы: изучение устройства цифровых датчиков угла

Современное состояние оптики, механики и электроники позволило создать геодезические приборы - электронные тахеометры и лазерные рулетки, с помощью которых в полевых условиях можно получить информацию об измеряемых горизонтальных и вертикальных углах и расстояниях, автоматически выполнить необходимые вычисления по плановому и высотному положению ситуации При наличии компьютеров процесс может быть автоматизирован, включая получение готовой карты местности. Возможность занесения в запоминающие устройства (ЗУ) допустимых погрешностей измерений (например, циклической погрешности дальномера, коллимационной погрешности, отклонений места нуля, отклонений оси вращения от отвесной линии за счет введения двух-координатных электронных уровней и др.) позволяет повысить точность и производительность измерений.

На российском рынке тахеометры представляют сегодня такие известные фирмы, как: Leica (Швейцария), Sokkia, Topcon, Nikon и Pentax (Япония), Trimble Navigation (США), Opton (Германия), АГА (Швеция), а также ФГУП "УОМЗ" (Россия, г. Екатеринбург) и др.

Принципы измерения расстояний практически не отличаются от работы светодальномеров; при измерении углов используют кодовые и инкрементальные (накопительные) преобразователи.

В тахеометрах типа Та5 и ТаЗМ используются преобразователи накопительного типа. Здесь рабочей мерой служит нанесенный на стеклянную подложку растровый диск с радиальными штрихами (рис. 1). На стеклянной подложке нанесены две штриховые дорожки с равными угловыми интервалами прозрачной и непрозрачной частей, штрихи одной дорожки сдвинуты относительно другой на четверть периода Т, благодаря чему определяется направление перемещения алидады (реверс). Средний диаметр диска равен 85 мм, количество штрихов растра N = 10 000. Прибор не имеет "абсолютного нуля", нулевое направление задается в момент включения прибора, после выключения прибора его ориентация в горизонтальной плоскости в памяти не сохраняется.

Рис. 2. Принципиальная схема считывания информации с растрового преобразователя тахеометра ТаЗМ:1 - светодиод; 2 - конденсор; 3 - призма БР-180"; 4 - растровый диск; 5 - призма АР-90"; 6 микрообъективы; 7 - пентапризма; 8 диафрагма; 9 - приемник излучения

Рассмотрим оптическую схему преобразователя ТаЗМ (рис. 2). Свет от светодиода 1 через конденсор 2 и призму 3 освещает штрихи растрового диска 4; изображение штрихов с помощью оптического мостика (призма 5, микрообъективы 6 и пентапризма 7) передается на противоположную сторону растрового диска и через диафрагму 8 считывается приемниками излучения (ПИ) 9. Увеличение оптического мостика {} = 1,0101, поэтому изображение, полученное на противоположной стороне растрового диска, шире штрихов примерно на 1/100. Такое сопряжение называют нониусным.

Период растра для тахеометра ТаЗМ

Т, =360°/10000 =2^´09,6"

соответственно угловой период изображения Т₂ = 2'10,9".При вращении алидады растр и его изображение, образующие муаровую картину, перемещаются навстречу друг другу, что приводит к увеличению разрешающей способности канала грубого отсчета в два раза, тогда:Т = t₁/ 2=1' 04,8".Угловой размер между комбинационными (муаровыми) полосами 1º48´0,64, благодаря чему можно использовать приемник излучения с размером чувствительной площадки порядка одного миллиметра. W_{ и W₂ ~ угловые периоды растра, нанесенного на диске, и его изображения на противоположной стороне соответственно. В тахеометре ТаЗМ используется четырехплощадочный фотодиод ФД20КП (см. рис. 2, поз. 9), размер окна щелевой диафрагмы 8 при этом равен 0,9 мм.

Оптическая схема при вертикальном круге аналогична показанной на рис. 2, однако оптический мостик (элементы 5, 6, 7) расположен на маятниковом подвесе и является одновременно компенсатором наклонов прибора. Вибрации компенсатора гасятся с помощью магнитоиндукционного демпфера.На рис. 3 приведена структурная схема узла считывания информации Пространственный сдвиг окон диафрагмы 8 (см. рис. 4) позволяет на выходе чувствительных площадок приемника излучения иметь токи вида:

I₁ = Iosin φ, I₂ = Iocos φ, I₃ = -I₀sin φ, I₄ = -i₀ cos φ где i₀ - амплитуда сигнала.

Противофазные сигналы поступают на входы операционных усилителей А1 и А2, в результате их попарного сложения

Рис. 3. Принципиальная схема первичного преобразователя кодового датчика угла

на выходе усилителей амплитуда сигналов удваивается, в точках А и В имеют напряжения соответственно (рис. 4

U_{вых 1}= 2Usin φ, U_Bых2=2Ucos. φ

Кроме того, попарное сложение (балансная схема) сигналов позволяет устранить паразитное влияние фоновой засветки, старения элементов электрической схемы и нестабильность излучения источника.

Юстировка преобразователя угловых перемещений заключается в настройке квадратурных сигналов sin и cos после их предварительного усиления в точках А и В (см. рис. 3). Для этого один из сигналов подают на вход X, а другой на вход Y двухлучевого осциллографа. При перемещении алидады тахеометра на экране осциллографа будет смещаться точка. При правильных сдвигах фаз между сигналами (90°) и равных их амплитудах траектория смещения (фигура Лиссажу) будет иметь вид окружности диаметром порядка U = 2,5 вольт (рис. 5,а).

При разных амплитудах сигналов и сдвиге фаз между ними 90° (см. рис. 4) окружность вырождается в эллипс, оси которого совпадают с осями координат осциллографа. При сдвиге фаз, отличном от 90°, фигура Лиссажу наклоняется на соответствующий сдвигу фаз угол (см. рис. 5,б). Дальнейшая настройка преобразователя заключается в юстировке положения призм и микрообъективов оптического мостика (поз. 5, 6, 7 на рис. 2). Окончательная настройка амплитуд квадратурных сигналов может быть осуществлена переменными резисторами промежуточных усилительных каскадов. При электронном методе считывания как таковое понятие рена отсутствует, при этом на погрешность измерения оказывают влияние эксцентриситеты лимба и алидады. Их выявляют по изменению коллимационной погрешности на разных участках горизонтального круга.

Для этого зрительная труба электронного тахеометра фокусируется на бесконечность, тахеометр устанавливается на

прецизионный поворотный столик, напротив располагается (труба в трубу) коллиматор. Совмещая сетки нитей коллиматора и тахеометра, при двух положениях зрительной трубы тахеометра (Л и П) вычисляют коллимационную погрешность. Повернув столик с тахеометром на 15°, снова совмещают его сетку нитей с сеткой нитей коллиматора и вычисляют коллимационную погрешность. Измерения выполняют в пределах полного оборота электронного тахеометра через 15°. Кроме того, наличие эксцентриситетов может быть выявлено по изменениям углового положения фигуры Лиссажу на экране осциллографа.При перемещении алидады происходит подсчет целых периодов в канале грубого отсчета (ГО), точный отсчет выполняется при неподвижной алидаде.

В канале точного отсчета сигналы интерполируются, получая 128 счетных импульсов на период Т, следовательно один отсчетный индекс канала точного отсчета соответствует 0,5 угловым секундам.

Используемая в тахеометре ТаЗМ оптическая схема имеет ряд существенных недостатков:

1) отсутствует нуль-метка инициализации кругов, обнуление счетчика происходит при включении прибора,

2) превышение скорости вращения алидады приводит к сбоям в работе, которые можно выявить только при повторной ориентации прибора на опорное направление,

3) жесткие требования к юстировке оптического мостика, разъюстировка оптического мостика приводит к изменению ширины муаровой полосы и, как следствие, изменению амплитуд и сдвигу фаз, отличному от 90°, измерительных сигналов U_вых1 и U_вых2,

4) разъюстировка преобразователя перемещений приводит к накапливающейся погрешности измерений, которую выявляют по многократному замыканию горизонта при визировании на одну и ту же марку.

Индикаторные растры имеют структуру, аналогичную измерительному растру, но окна для получения квадратурных сигналов sin и cos пространственно сдвинуты на л/2. Зазоры между измерительным и индикаторными растрами должны быть соизмеримы с периодом растра. На лимбе нанесена специальная нуль-метка, которая инициализируется при включении прибора и может служить началом отсчета.

В настоящее время наибольшей популярностью у геодезистов пользуются электронные тахеометры, в которых при измерении углов в качестве рабочей меры используют кодовые шкалы, а считывание информации с них осуществляется с помощью ccd-сенсоров.

Рис. 7. Принципиальная схема углового преобразователя тахеометра НР-3820 (США): 1,4- диаметрально расположенные считывающие системы точного отсчета(для устранения влияния эксцентриситета);2 - считывающая система промежуточного (средней точности) отсчета; 3 - считывающая система грубого отсчета

На рис. 126 показан измерительный кодовый диск.

Синусоидальная дорожка имеет 128 периодов длиной по 1080 мкм, в пределах периода установлены четыре ПИ

интервалом, равным периода синусоидальной маски. На выходе ПИ возникают фототоки в соответствии с выражениями:

I₁ = i₀ + i sin φ;

I₂ = i ₀ + i cos φ;

I₃ = i₀ - i sin φ;

I₄ = i₀ - i cos φ.

При попарном включении ПИ (1 + 3 и 2 + 4) на выходе операционных усилителей получаются два сигнала с удвоенной амплитудой, сдвинутые относительно друг друга на 90°:

i₁ – i₃ = 2i sin φ,

i₂ - i₄ = 2i cos φ,

позволяющие обеспечить реверс и интерполяцию сигналов с дискретностью периода синусоид маски (21´36").

Рис 10 Структура кодовой дорожки двоичного преобразователя

На рис.10,а показаны линейная развертка кодовой шкалы и расположение над ней чувствительных элементов (приемников излучения), схема имеет существенный недостаток: на границах светлых и темных участков шкалы возникает погрешность из-за неоднозначности считывания, достигающая единицы старшего двоичного разряда. Для устранения неоднозначности используется метод с двумя чувствительными элементами на разряд (кроме младшего), схема приведена на рис. 10,6. Здесь: если с чувствительного элемента младшего разряда считывается код "О", то сигналы для других разрядов считываются с левой колонки, если с младшего разряда считывается "1", то сигналы для других разрядов считываются с правой колонки чувствительных элементов. Метод известен как "метод двойной щетки". Кроме него существуют методы с V-образным расположением чувствительных элементов, а также двоично-сдвинутые кодовые шкалы. Кодовый растровый диск использован, например, в отечественном электронном тахеометре ТС600Е.

В современных электронных тахеометрах при вертикальном круге используются компенсаторы, работающие по принципу электронного уровня: ампула частично заполнена электролизной жидкостью, с противоположных сторон расположены контакты. При отвесном положении оси прибора сопротивления между контактами, расположенными на противоположных сторонах ампулы равны, при наклоне прибора электролизная жидкость с разных сторон перекрывает разные участки между контактами, соответственно изменяя сопротивление между ними. Информация о разных сопротивлениях учитывается микропроцессором в виде поправки за угол наклона прибора. Диапазон работы таких компенсаторов не превышает 3 минут.

тей 19 и окуляра 20.

На рис. 16 в общем виде показана принципиальная схема углового преобразователя накопительного типа, на рис. 17 -принципиальная схема углового кодового преобразователя.