Угломерная часть электронных тахеометров. Принципы устройства и действия датчиков углов

При измерении углов обычным теодолитом в качестве отсчетных приспособлений используют верньер, штриховой или шкало-вой микроскоп и оптический микрометр.

В электронных теодолитах и электронных тахеометрах второго типа применяют автоматизированную регистрацию угловых величин с использованием специальных датчиков углов или так называемых аналогово-цифровых преобразователей (АЦП). По своему принципу действия АЦП являются преобразователями непрерывных входных величин в дискретные выходные величины (аналоговых — в цифровые). Преобразователи могут быть кодовыми и растровыми (инкрементальными).

01010100

Рис. 13.1. Кодовый датчик углов

Кодовый датчик углов.

Основными элементами кодового датчика (рис. 13.1) являются кодовый стеклянный диск (лимб) и устройство системы автоматического считывания, установленное на подвижной алидаде [3]. На оптической схеме кодового преобразователя показано, что считывание информации с кодовых шкал лимба 3 осуществляется с помощью линейки фотодиодов 5, число которых соответствует числу разрядных дорожек лимба. Фотодиоды расположены точно по од-198 ной линии (по одному из радиусов круга) за узкой щелью 4. Под светка щели осуществляется источниками света (светодиодами) 1 через линзу (конденсор 2). Таким образом, система считывания включает излучатели света, расположенные по одну сторону кодового диска, и приемники света (фотодиоды), размещенные по тому же радиусу кодового диска, но по другую сторону диска, строго в пересечениях радиуса с каждой разрядной дорожкой. Радиус О А является индексом для отсчета по лимбу.

Кодовый метод считывания информации является абсолютным, так как фиксируется направление, но не угол (не разность направлений). Угол получается в результате вычитания отсчетов.

Рис. 13.2. Линейные шкалы в четырехразрядном, двоичном коде

Считывающие

Рис. 13.3. Шкалы лимба в четырехразрядном двоичном коде

На кодовом лимбе концентрично наносят разрядные дорожки (шкалы), прилегающие одна к другой. Каждая дорожка содержит прозрачные и непрозрачные участки, обусловленные типом используемого кода и желаемой точностью. На рис. 13.2 и 13.3 изображены четырехразрядные линейная и круговая шкалы самого простого кода (двоичного).

Число Р разрядных дорожек на лимбе рассчитывается по формуле:

Р = log₂N, (13.1) где N— число ячеек на крайней (самой точной) дорожке лимба, которое определяется из выражения: 199

(13.2)

где R — радиус лимба;

А — линейная величина малого участка (ширина ячейки).

Угловая разрешающая способность 5 кодового лимба определяется радиусом R круга и величиной А по формуле

к А

8=дР - (13.3)

или задается иначе:

360°

N

(13.4)

Величина Д прозрачной или непрозрачной ячейки на крайней, наиболее точной из дорожек, даже теоретически не может быть меньше 0,2 мкм*. В этом случае по формулам (13.1) — (13.4) на стеклянном лимбе радиусом R = 45 мм для считывания по кругу с точностью 5=1" необходимо было бы иметь в двоичном коде 21 -разрядную дорожку (действительно, 2яР = 281,6 мм; N= 1 413 000 штрихов (ячеек) и Р = 21).

Практически нанесение прозрачных и непрозрачных ячеек шириной 0,2 мкм нецелесообразно, т. к. ошибки их нанесения будут сопоставимы с шириной ячеек. Поэтому, как правило, принимают А = 6—10 мкм. Тогда ошибки нанесения будут составлять лишь 1/30— 1/50 часть ширины ячейки и ими можно пренебречь. Но соответственно понизится и угловое разрешение 5 до 0,5 —0,8' (при А =6 мкм, R = 45 мм, N=46 933, Р= 16, 5 = 26"; при А= 10 мкм,

Чтобы уменьшить число разрядных дорожек на лимбе до 9 — 10, как в электронных кодовых теодолитах и тахеометрах (рис. 13.4), вместо двоичного кода применяют двоично-десятичный код.

Шкалы двоично-десятичного кода (рис. 13.5) в простейшем случае имеют четырехразрядные дорожки для кодирования чисел от 0 до 9 (2°, 2¹, 2², 2³) и необходимое число дорожек для кодирования десятков (10-2°; 10-2¹; 10-2²ит. д.) В реальных кодовых датчиках углов 5 составляет около Г. Необходимого дальнейшего повышения точно-

N=28 160, Р=15, 5 = 46").

Рис. 13.4. Девятиразрядный кодовый диск в двоичнодесятичном коде

* Даже при современном высоком уровне промышленных технологий точного оптико-механического производства изготовить такие кодовые диски весьма за-200 труднительно.

сти считывания, т. е. потребной разрешающей способности кодо-выхдатчиков.достигаютинтерполированием. В систему считывания включают интерполяторы [24].

• 2*
• 2²
• 2³
• 10'2'
• 10-2²

Рис. 13.5. Линейные шкалы в двоично-десятичном, коде

Наибольшее распространение получили фазовые синусно-косинусные интерполяторы. Сущность синусно-косинусного интерполирования заключается в том, что угловое расстояние 5 электронным способом преобразуют в синусоидальный сигнал. В качестве переменного аргумента выступает перемещение кодового диска внутри 5 так, что повороту диска на 5 соответствует полный период функции синуса. Измеряя фазу синусоидальной функции, получают положение считывателя на круге с точностью 1 — 2".