Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Муарові датчики відносяться до класу растрових і призначаються для високоточного вимірювання лінійних переміщень окремих елементів конструкцій. Окремий растр уявляє собою прозору пластину, на якій певним чином нанесені лінії або смуги. По виду растри поділяються на лінійні і кругові (рис. 3.54).

Рис. 3.54. Лінійний і круговий растри

Існують і більш складні растри — з більш складним рисунком. Якщо позначити ширину смуги а, а відстань між смугами S, то відстань d, що називається відстанню растра, виз­начається як

d = a + S. (3.65)

Муаровий датчик складається із двох однакових растрів з рівними відстанями, які на­кладені один на другий. Растри накладаються таким чином, щоб виходило або темне поле (коли смуги одного растра збігаються з проміжками другого), або світле поле (коли збіга­ються смуги одного і другого растрів). Виникаючі світлі і темні ділянки дуже малі, але згур­тувавшись вони утворюють чітко видимі широкі смуги [4]. Ці смуги звично називають ком­бінаційними або муаровими. Положення, форма і відстань комбінаційних смуг залежать від параметрів самих растрових решіток і від їх взаємного розміщення. Картину муарових смуг можна уявити як геометричне місце точок перехрещення двох накладених одна на другу родинних растрових ліній. Ці лінії описуються рівняннями в прямокутних або поляр­них координатах. Для вимірювання лінійних переміщень використовуються паралельні растрові решітки. Поєднання двох паралельних растрових решіток приведено на

рис. 3.55. Штрихи першої решітки нанесені з відстанню deuM під кутом у1 до осі х, причо­му відстань від початку координат до нульового штриха дорівнює с1. Рівняння п — ої растрової лінії першої решітки (вимірювальної) має вид

, с1 + nd.,

у = xtgy1 — 1 eL (3.66)

cos y1 v

де п = …-2,-1,0,1,2…

Аналогічно для другої решітки (індикаторної)

Відомо [94], що результуюча муарова картина є пронумерованою родиною кривих, при цьому Р задовільняє характеристичному рівнянню

@(п, с) = Р,

де Р — параметр, що приймає значення цілих чисел. Вирішуючи разом (3.67) (3.68) (3.69), після нескладних перетворень, отримаємо рівняння муарової картини, тобто рів­няння родини середніх ліній комбінаційних смуг

v3.7i;

Із (3.71) легко визначити величину Л = І2-І1, тобто відстань між двома сусідніми комбінаційними смугами з номерами Р і Р + 1.

Н /Ч

и ви м ^ інд

deuM + 2с/вшДна cos(ri-y2)

Із (3.72) можна встановити зв’язок між переміщеннями растра і переміщення комбі­наційної смуги.

Допускаючи, що індикаторна решітка нерухома (с2 = const), а вимірювальна пере­міщується в напрямі нормалі до своїх штрихів с, =оаг), визначним коефіцієнт перетво­рення переміщення з’єднаних паралельних растрів, який ще називається коефіцієнтом оп­тичної редукції

Якщо у растрового поєднання djHd = dgUM = d, то

п a її — — + -­

1 2 2

тобто обидва растри мають однакову відстань, але просторово вони розкручені один від­носно другого на кут a. При переміщенні таких растрів один відносно другого уздовж на­пряму перпендикулярно штрихам вимірювального растру утворюють муарові смуги рис. 3.56. Для такого растрового з’єднання рівняння растрів записуються як:

_ Pd + с1 — с,

^ 2 sin а/ 2 ’

а відстань комбінаційних смуг і коефіцієнт редукції відповідно дорівнюють

А = — d—;

2 sin а/ 2

7

Г = —sina/2.

2

Із отриманих значень (3.72), (3.73), (3.76) і (3.77) випливає фундаментальна власти­вість комбінаційних смуг, а саме — малому переміщенню рухомої растрової решітки відпо­відає значне переміщення комбінаційних смуг, що перевищує переміщення решітки в де­сятки і навіть сотні разів ця властивість муарових смуг дозволяє побудувати високоточні муарові датчики лінійних переміщень.

Конструктивно перед растровим поєднанням розміщують джерело світлового потоку ф, що формує паралельний світловий потік, а за растровим поєднанням розміщують фо­топриймач. Світловий потік ф0, що сприймається останнім, підкоряється закону

Фо = фт> (3.78)

де т пропускання растру. Пропускання описується виразом [83, 85]

т = — J jh1(x, y)h2(x, y)dxdy, (3.79)

s

де: s — площа аналізуючої діафрагми, що суміщена з індикаторним растром;

h1(x, y),h2(x, y) — функції пропускання індикаторного растрів.

При урахуванні, що в муаровому растровому поєднанні прозорі вікна індикаторного растра розкручені на деякий порівняно малий кут відносно прозорих штрихів вимірюваль­ного растра і з урахуванням, що dguM = djHd — d, після вирішення (3.79) отримаємо

7 j, sinkn:r1 sin km 2 ^ u‘d. ..

я т3 к к

растрів;

а7,а2 — ширина прозорих вікон відповідно вимірювального і індикаторного растрів;

т3 — h/ d — відносна висота прозорих вікон індикаторного растра;

d — відстань муарових комбінаційних смуг.

Таким чином система обробки інформації датчика при взаємному переміщенні інди­каторного і вимірювального растрів буде підраховувати число імпульсів пропорційне тт.

Підраховуючий фотоелектричний пристрій повинен мати опорний і вимірювальний канали, оптична вісь яких повинна бути зміщена відносно оптичної осі підраховуючого каналу на половину решітки. Підраховування числа муарових смуг здійснюється скануванням поля кадрової рамки уздовж напряму переміщення смуг. Чутливість таких пристроїв зворотньо пропорційна відстані решітки. Технологія виготовлення решіток в теперішній час добре розроблена і дозволяє наносити до 2 000 штрихів на 1 мм. Застосування таких растро­вих решіток дає можливість отримати високу роздільну здатність. Датчики на основі муа­рового ефекту можуть працювати в повністю автономному режимі, точність таких датчиків досягає сотих часток міліметра, тому їх можна рахувати перспективними при автоматиза­ції інженерно-геодезичних вимірювань.

Приклад муарового датчика для автоматичного вимірювання переміщень [94], при­ведений на рис. 3.57. Датчик має трифазне джерело напруги 1 і три випромінювачі 2,3, 4 . Кожний випромінювач за допомогою волоконних світловодів 9 з’єднаний з чотирма блоками 5, б, 7, 8, кожний із яких має по три діафрагми. За діафрагмами послідовно розміщені вимірювальна 10 і індикаторна 11 решітки. За решітками розміщений пристрій обробки і формування 72, який включає чотири фотоприймачі, оптично зв’язані з відпо­відними діафрагмами. Застосування чотирьох діафрагм підвищує точність вимірювання лінійних розмірів за рахунок зміщення блоків діафрагм 6,7,8 відносно першого блока діафрагм 5 на відстань, що дорівнює

dl=i(d^r-d),

4

де і = 1,2,3, a d = dguM = diHd — відстань растрового з’єднання.

Рис. 3.57. Варіант муарового датчика На вході пристрою маємо три сигнали виду

Фі = Фоі Фіт

Ф2 =Фо2 +Ф2тзіп(о)0і + 120°) Фз=Фоз +Ф3т Sin(co0t + 240°)

де ф01, Ф02> Фоэ * Фіт’ Фгт ’ Фзт ‘ відповідно середні значення і амплітуда змінної скла­дової світлового потоку.

Вихідний сигнал такого датчика описується виразом

U£ = 4U0 cos[o)0t + r(x0)] (3.82)

де r(x„) = Nd;N = 1^ = -^

Із (3.82) стає зрозумілим, що такий датчик не піддається фазовим похибкам випромі­нювачів, тобто коливання світлових потоків ф1,ф2,ф3 не вносить суттєвої похибки в вимі­рювання малих лінійних переміщень.

3.3.5.4. iMnvnbCHi датчики

Імпульсні фотоелектричні датчики можуть бути число-імпульсними і часово-імпульс­ними.

В число-імпульсних датчиках інформація про вимірювану величину міститься в числі імпульсів, що знімаються з чутливого елемента датчика. Найпростішим і розповсюдженим на практиці є датчик приведений на рис. 3.58.

Рис. 3.58. Рис. 3.59. Найпростіший число-імпульсний датчик Число-імпульсний датчик шляху

Датчик складається із джерела світла 1, диска 2 з отворами 3 і фотоприймача 4 . При обертанні диска навкруги своєї осі 00′ світловий потік від джерела переривається диском і з фотоприймача знімаються електричні імпульси, пропорційні куту поворота дис­ка. Такий диск, наприклад, може бути кінематично з’єднаний з рухомим роликом 5 вимі­рювального возика (рис. 3.59), тобто з’являється можливість для вимірювання лінійних пе­реміщень возика. Такі пристрої отримали назву датчиків шляху.

Принцип дії число-імпульсних датчиків полягає в підрахунку різниці числа імпульсів, які виробляються датчиком при взаємному переміщенні частин датчика, одна із яких зв’я­зана з джерелом світла, а друга — з приймачами світлового потоку (рис. 3.60). Датчик має оптичну систему 1, розміщену на об’єкті Об1, яка формує вузький (у вигляді щілини 2) потік світла. Це може забезпечуватись розгортанням променя лазера в сектор циліндрич­ною лінзою та інше. В фокальній площині оптичної системи, де фокусується зображення щілини 2, розміщується диск 3 з щілинами у вигляді спіралей Архімеда. Диск 3, фото­
приймачі 4 і 5, блок обробки інформації 6 та реєструючий пристрій 7 розміщуються на об’єкті Об2.

Принцип роботи число-імпульсного датчика полягає в наступному: опорний геоде­зичний напрям від оптичної колімаційної системи будується у вигляді вузького світлового потоку, який в поперечному перетині має фіксовані розміри по довжині / і висоті h. Якщо центр симетрії щілини 2 збігається з віссю обертання диска 3, в якого щілини у вигляді спіралей Архімеда обернені одна відносно другої на 180°, то промодульовані рівні світло­ві потоки попадуть на фотоприймачі, з яких буде зніматись однакова кількість імпульсів і блок обробки інформації видасть нульовий сигнал різниці (епюра /). Застосування двох щілин у вигляді спіралей дозволяє одночасно аналізувати протилежні ділянки світлової щілини відносно центру обертання диска. При цьому розміри р, р0 і рт щілин спіралей Архімеда носять конструктивний характер і служать для вибору діапазону переміщень в залежності від розміру / світлової щілини по довжині. При взаємному переміщенні об’єктів 061 і Об2 центр симетрії світлового потоку і вісь обертання диска будуть мати розузгод — ження. Фотоприймачі 4 і 5 зареєструють різні світлові потоки і блок обробки інформації видасть різну кількість імпульсів, різниця яких не дорівнює нулю (епюра //). Різниця ім­пульсів буде пропорційна лінійному переміщенню і реєструється блоком 7. Така схема датчика забезпечує діапазон вимірювання ± ЗО мм і похибку вимірювання до 0,01 мм при частоті модуляції світлового потоку 1000 гц.

Рис. 3.60. Скануючий число-імпульсний датчик:

а) оптично-електронна схема;

б) диск з щілинами у вигляді спіралей Архімеда;

в) епюри імпульсів від фотоприймачів.

Другим типом імпульсного датчика лінійних переміщень є часово-імпульсний. Прин­цип визначення величини розузгодження в часово-імпульсних датчиках базується на вимі­рюванні відстаней між імпульсами або порівнянні тривалості імпульсів, що виникають на

виході фотоприймача. Сигнал з виходу фотоприймача при переміщенні об’єкта по одній осі може бути записано у вигляді

(3.83)

де: к — постійна величина, що визначається параметрами схеми датчика;

t1 і t2 — час, що відповідає тривалості імпульсів або відстані між імпульсами, що слідкують один за другим.

Рис. 3.61.

Однокоординатний
часово-імпульсний датчик

Часово-імпульсний датчик для вимірювання переміщень по одній координаті [136] приведено на рис. 3.61. Датчик має екран 1 з горизонтальною прямокутною щілиною 2. За екраном розміщена непрозора шторка 3 з прямокутною вертикальною щілиною 4 . Довгі сторони щілин 2 і 4 ортогональні, а шторка 3 , що скріплена з об’єктом, рівномірно переміщується зі швидкістю — у. Випромінювач 5, діафрагма 6 на екрані і фотоприймач 7 утворюють устрій, що задає початок відліку. Проекція світлового пучка А, що задає опорний геодезичний напрям, об’єктивом 8 формується в площині реєстрації фотоприй­мача, наприклад ФЕП 9. При рівномірному переміщенні шторки 3 спочатку формується імпульс початку відліку, а потім інформативний імпульс. Тривалість інформативного ім­пульсу і його віддаленість від імпульсу початку відліку служать для вимірювання лінійного переміщення. Знаючи швидкість руху шторки <9 і визначивши час між вказаними імпульса­ми t,, шукане переміщення х, визначиться по формулі

x:=3-t:. (3.84)

Шуканий час t, визначиться як сума часу t1a між імпульсом початку відліку (опорним)

t: = L + -2’

‘ 1і 2

Точність визначення координати х таким часово-імпульсним датчиком, в першу чер­гу, визначається точністю вимірювання часу і постійністю швидкості переміщення шторки

S2=32Sf+t2Sl (3.86)

Похибка д9 залежить від стабільності роботи двигуна, і так як в теперішній час роз­роблені схеми високочастотної стабілізації швидкості обертання двигунів, то цією похиб­кою можна знехтувати.

Для підвищення точності вимірювання задача визначення часу в розглянутому дат­чику може бути вирішена за допомогою електронних і логічних пристроїв автоматики. Практична схема, що дозволяє визначити шукані параметри, приведена на рис. 3.62. Схе­ма складається із двох каналів: каналу перетворення опорного сигналу і каналу перетво­рення інформативного сигналу. Генератор імпульсів Г генерує електричні імпульси і його вихід навантажений на електронні ключі К1 і К2.

Рис. 3.62. Електронна схема обробки інформації часово-імпульсного фотоелектричного датчика

Ключі в вихідному стані закриті і імпульси з генератора на блок рахування імпульсів (Р/) не проходять.

При надходженні опорного імпульсу з фотоприймача ФП7, він підсилюється підси­лювачем /7,, формується формувачем ф і переключає тригер 7",. Останній своїм вихо­дом відкриває ключ К1 і імпульси з генератора проходять в блок рахування імпульсів. Як тільки прямокутний отвір 4 (рис. 3.61) почне відкривати доступ світлової енергії від пучка А на фотоприймач 9, електричний сигнал з останнього, підсилений підсилювачем-обме- жувачем П2, відкриє ключ К2 і закриє ключ К1 Електричні імпульси, що проходять через відкритий ключ К2 переключать тригер Т2. Частота електричних імпульсів, що знімають­ся з виходу тригера Т2 вдвоє менше частоти слідкування імпульсів з генератора, тобто сума імпульсів, що підрахована блоком рахування імпульсів буде пропорційна відстані між опорним (початковим) імпульсом з фотоприймача ФП 7 і серединою інформативного імпульсу з фотоприймача ФП 9 по осі часу.

Прикладом двокоординатного часово-імпульсного датчика лінійних переміщень мо­же бути датчик зображений на рис. 3.63, де позначені: 1 — непрозорий диск-координатор 1 з прорізями 2; конденсорна лінза 3; фотоприймач 4. Світловий потік, що посилається спеціальним розкручуючим пристроєм, сканує навкруги уздовжньої осі датчика у. Він по­чергово попадає на прозорі щілини в диску і з фотоприймача знімаються електричні ім­пульси, відстань між якими по осі часу буде залежати від положення центру розкручуван­ня відносно центру диска-координатора. На епюрі А показана послідовність імпульсів з

фотоприймача при збіганні центра розкручування променя з центром диска — серія рівно­мірно розміщених імпульсів рівної тривалості і скважності. При наявності зміщення час проходження світловою плямою ділянок між щілинами буде різним, так як зміниться шлях світлової плями і, відповідно епюрі Б, тривалість і скважність імпульсів буде різною. Так, при відносному зміщенні осі координатора зі щілинами і осі обертання світлової плями уздовж осі х і осі z час відповідно буде дорівнювати

Якщо позначити час повного розкручування (при відсутності зміщень) через Т,,, то

Atx=T — 2tv Atz=Ty-2t2.

Тоді лінійні зміщення по осях можна записати як

Ах = к(0,5Ту — ҐД Az = k(0,5T.-t2),

де к — коефіцієнт пропорційності, що визначається параметрами датчика.

Така схема часово-імпульсного датчика має переваги в тому, що вона є двокоорди — натною, а при вимірюваннях лінійного переміщення по одній осі х (або z) необхідно вимі­рювати лише один інтервал часу t1 (або t2).

Комментарии запрещены.