CC BY
73
УДК 528.02 + 528.5 + 535.8 + 621.383
ЭКОНОМИЧНЫЙ ВЫСОКОТОЧНЫЙ ДАТЧИК АБСОЛЮТНОГО УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ
Владимир Алексеевич Тарков
Филиал АО «Производственное объединение «Уральский оптико-механический завод» имени Э. С. Яламова» «Урал-СибНИИОС», 630049, Россия, г. Новосибирск, ул. Д. Ковальчук, 179/2, начальник отдела, тел. (383)226-34-78, e-mail: vladnsk@bk.ru
Приведены результаты работ по разработке экономичного позиционного датчика угла высокой точности для геодезических приборов. Использование CMOS фотодиодных линеек (Hamamatsu), позволило существенно повысить экономичность датчика и обеспечить точность измерения относительных углов не хуже 3" при его использовании в составе новой модели тахеометра 6Та3.
Ключевые слова: измерение абсолютного углового положения, оптический позиционный датчик угла, оптический позиционный энкодер.
EN EFFECTIVE HIGH PRECISION ABSOLUTE ANGLE SENSOR
Vladimir A. Tarkov
Branch of OAO PO E. S. Yalamov Ural Optomechanical Factory, Ural-SibNIIOS, 630049, Russia, Novosibirsk, D. Kovalchuk St., 179/2, Head of Department, tel. (383)226-34-78, e-mail: vladnsk@bk.ru
The article presents the results of the development cost of the angle position sensor for high-precision surveying instruments. Using CMOS linear sensors (Hamamatsu), has significantly increased the efficiency of the sensor to be used in geodetic instruments and to ensure the accuracy of the angle measurement is not worse than 3 seconds when using the composition of the new model of the 6Ta3 tachymeter.
Key words: measurement of absolute angle position, the optical angle position sensor, an optical position encoder.
Введение
Оптико-электронные датчики абсолютного положения (позиционные датчики) все больше вытесняют инкрементные. В России серийно выпускается достаточно широкий спектр оптико-электронных датчиков угла, в частности фирма «СКБИС» (г. Санкт-Петербург) предлагает большое количество инкре-ментных и абсолютных датчиков с использованием кода Грэя [1].
В настоящее время в геодезических приборах используются позиционные датчики угла с использованием псевдослучайной неповторяющейся бинарной последовательности (pseudo-random binary sequence - PRBS), которые просты в реализации, а алгоритм обработки сигналов не требует значительных вычислительных ресурсов.
Позиционный датчик угла на основе ПЗС линейки тахеометра 5Та5 В [2] приведены результаты разработки позиционного датчика углов с PRBS для геодезических приборов, производимых АО «ПО «УОМЗ» с исполь-
зованием фотоприемных ПЗС линеек. На рис. 1 приведена используемая при этом блок-схема двухканального датчика тахеометра 5Та5. Вертикальный и горизонтальный каналы содержат по одной ячейке считывания информации с помощью фотоприемных ПЗС линеек фирмы NEC с шагом элементов 11 мкм.
Рис. 1. Блок-схема двухканального датчика углов на основе ПЗС линеек:
1, 2 - точечный источник света (светодиод); 3, 4 - оптический кодовый лимб, 3600 штрихов; 5, 6 - ПЗС фотоприемная линейка фирмы NEC, шаг 11 мкм; 7 - CCD процессор (АЦП 12 разрядн.) с мультиплексором; 8 - микроконтроллер
1
2
Представленная на рис.1 оптическая схема не содержит объективов, при этом осуществляется считывание непосредственно теневой картины кодового лимба. Сигнал, соответствующий световому распределению, в цифровой форме обрабатывается микроконтроллером MSP430. Экспозиция (фиксация) текущего положения лимба осуществляется импульсом светового излучения от точечного светодиода с длиной волны 0,65 мкм в начале интервала накопления. Датчик имеет автономный запуск, поэтому в любой момент времени в выходном регистре контроллера имеется текущее значение углового положения, которое по запросу может быть считано любым внешним устройством по шине SPI (Serial Peripheral Interface) процессора. Изменение амплитуды сигнала осуществляется изменением длительности светового импульса. Ввиду достаточно большой мощности потребляемой ПЗС линейками, двухканальный датчик на основе ПЗС линеек имеет значительный ток потребления, достигающий 135мА при величине питающего напряжения 3,6 В. Коррекция эксцентриситета лимба при этом осуществляется программно, параметры эксцентриситета определяются по серии тестовых измерений.
Для считывания информации об угловом положении использован 12-разрядный код, нанесенный по окружности с диаметром рабочей зоны штрихов 84 мм. Всего по окружности лимба расположено 3600 штрихов, таким образом, смена кода происходит при каждом повороте лимба на 0,1 градуса. С учетом произвольной фазы сигнала для анализа и определения однозначного положения лимба необходимо считывание фрагмента кодовой дорожки, которая по размеру соответствует зоне в 13 бит. Для считывания одного информационного бита используется 8 фотоприемных элементов, т. е. пространственная частота фотоприемных элементов в 8 раз выше несущей частоты информационных бит. Таким образом, для определения текущего кода использован сигнал с 8х13=104 фотоприемных элементов. Обработка сигнала с целью определения текущего кода и дискретной фазы осуществляется микроконтроллером. В [3] описан вид кодирования информационных бит неповторяющейся бинарной кодовой последовательности, а также алгоритм декодирования и определения дискретной фазы сигнала. Данный датчик обеспечивает погрешность измерения углов не хуже
5ff
при серийном производстве.
Эффективный позиционный датчик угла на основе CMOS фотодиодных линеек
Дальнейшее развитие работ по разработке датчиков углового положения с использованием PRBS последовательности осуществлялось с целью повышения экономичности и точности определения углового положения для использования в более совершенной модели тахеометра 6Та3.
Структурная схема разработанного датчика приведена на рис. 2. Каждый из датчиков имеет две измерительные ячейки, расположенные под углом около 180° для осуществления автоматической коррекции эксцентриситета лимба. Для улучшения характеристик датчика по сравнению с описанным выше вариантом [2] несколько изменен также принцип (вид) кодирования логических «0» и «1» и использованы CMOS фотодиодные линейки фирмы Hamamatsu S9226 с размером фотоприемного элемента 7,8х125 мкм.
4
1 3
Videol
SPI
5 Video2
Рис. 2. Блок-схема датчика угла с двумя измерительными ячейками:
1, 2 - точечный источник света (светодиод); 3 - оптический кодовый лимб; 4, 5 - фотоприемная линейка; 6 - микроконтроллер STM32
Оптический лимб имеет кодовую дорожку из 1600 штрихов (бит), нанесенных по окружности диаметром 77 мм, для декодирования абсолютного углового положения использован 11 -разрядный код, т. е. меньшей разрядности, чем в [2], но частота пространственной дискретизации при считывании кода значительно (в 3 раза).
Таким образом, размер бита на лимбе согласован с областью считывания фотодиодной линейки, содержащей 24 фотоприемных элемента, что обеспечивается согласованием масштаба теневого изображения лимба на фотоприемной линейке путем смещения источника излучения по оптической оси. С учетом произвольного фазового сдвига сигнала для декодирования 11 -разрядного кода в каждой измерительной ячейке датчика осуществляется считывание изображения фрагмента кодовой дорожки, соответствующее 12 информационным битам, таким образом, для обработки сигнала необходимо 288 отсчетов. В отличие от датчика [2], где имеются штрихи, как одинарной, так и двойной ширины, в новом датчике используется иное кодировании логических «1» и «0» на лимбе, биты которых содержат штрихи одинаковой ширины, их расположение симметрично относительно центра бита и имеет ширину в 10 фотоприемных элементов с учетом увеличения масштаба в плоскости фотоприемника.
Для определения углового положения лимба используется три ступени обработки сигнала. Первая предусматривает прямое декодирование текущего кода и определение угла по таблице соответствия угол-код, вторая ступень с использованием корреляционной обработки сигнала определяет дискретный фазовый сдвиг, кратный сдвигу сигнала на шаг фотоприемных элементов. На третьей ступени обработки предусматривается вычисление уточняющей аналоговой фазы сигнала, соответствующей сдвигу сигнала на величину значительно ниже, чем размер одного фотоприемного элемента, для этой цели разработан специальный алгоритм. При этом фактически алгоритм фактически определяет среднее значение фазы смещения центров тяжести штрихов 11 штрихов текущего кода.
Точность определения абсолютного углового положения определяется алгоритмом вычисления аналоговой фазы. Предельная точность определяется точностью изготовления топологии лимба. Так угловое смещение топологии штрихов на 0,2 мкм приводит к погрешности определения угла в 1" .
На рис. 3 приведены результаты определения погрешности измерения малых углов при последовательно изменяемом угле с шагом 10 угловых секунд. Задание углов осуществлялось с помощью автоколлиматора АК-0,2У, имеющего погрешность измерений 0,2". Результаты приведены для горизонтального датчика тахеометра. Для вертикального канала погрешность измерений несколько больше, что связано с люфтами осей вращения тахеометра и реально не превышала 1,25".
Использование экономичных CMOS фотоприемных линеек и встроенного в микроконтроллер АЦП позволило разработать экономичный датчик с двумя измерительными ячейками для обеспечения автоматической коррекции эксцентриситета кодового лимба. Ток потребления в этом случае не превышает 20 мА. При
серийном производстве тахеометра с описанным датчиком прибор позиционируется, как прибор со среднеквадратичной погрешностью измерения вертикального и горизонтального углов не более 3" при температуре от -20 до 50 °С.
Рис. 3. Погрешность измерения малых углов датчиком при пошаговом изменении угла на 10"
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Сайт фирмы СКБ ИС www.skbis.ru
2. Тарков В.А. Особенности построения позиционных датчиков угла современных геодезических приборов. // Оптический журнал. 2011. Т. 78. № 5. С. 70-76.
© В. А. Тарков, 2016
