Pomiary ruchu liniowego i obrotowego występują najczęściej w urządzeniach i układach napędowych maszyn wielu gałęzi przemysłu. Przykładem mogą być obrabiarki skrawające, systemy telemetryczne, a także urządzenia dźwigowe i roboty przemysłowe.
optyczna detekcja przesunięcia lub kąta obrotu
Jednym z istotniejszych elementów mających wpływ na dokładność maszyny są układy pomiarowe powszechnie zwane liniałami lub enkoderami. Optyczne układy pomiarowe zliczają przetworzone sygnały elektryczne, które powstają w fotodetektorach w wyniku pojawienia się strumienia świetlnego modulowanego pasywnymi i aktywnymi polami wzorca. Najczęściej pasywne i aktywne pola reprezentowane są przez ciemne i jasne szczeliny o równej szerokości na wzorcu, które są naprzemiennie rozmieszczone względem siebie. Układ detekcyjny jest połączony z licznikiem rewersyjnym, który zlicza liczbę prążków na wzorcu. Dioda LED umieszczona w głowicy odczytowej oświetla powierzchnię liniału pod pewnym kątem.
Przeczytaj także: Odwzorowanie indukcyjności wzajemnych w modelu obwodowym maszyny synchronicznej jawnobiegunowej
Powierzchnia liniału jest w przybliżeniu siatką dyfrakcyjną o stałej rzędu kilku lub kilkunastu mikrometrów. Światło ugięte na pierwszym rzędzie dyfrakcyjnym przechodzi przez kolejną siatkę przeciwwzorca. Zdudnienie częstości przestrzennej wzorca i przeciwwzorca generuje w płaszczyźnie liniału prążki interferencyjne. Układ detekcyjny uśrednia sygnał z kilkudziesięciu oświetlonych pól liniału oraz bardzo dokładnie go filtruje, co w rezultacie daje dużą stabilność sygnału nawet gdy liniał jest zanieczyszczony lub uszkodzony. Przykładowe rozwiązanie przedstawia rysunek 1. Układ pomiarowy składa się z głowicy odczytowej oraz wzorca. Wzorcem jest stalowa taśma o szerokości 6 mm pokryta cienką warstwą złota oraz specjalnego lakieru w celach ochronnych. Najdłuższe odcinki liniału mają nawet 100 m długości.
Przeczytaj także: Charakterystyka i zastosowania układów wykonawczych w systemach automatyki
Liniał z reguły transportowany jest w szpulach w postaci zwiniętego krążka na specjalnym bębnie. Głowica odczytowa posiada możliwość interpolowania sygnału czytanego z liniału nawet 2000-krotnie. Z tego względu 20 mm podziałka na liniale może być podzielona 2000 razy dając w rezultacie rozdzielczość 10 nm. Sygnałem wyjściowym jest najczęściej sinusoida, której okres równy jest stałej podziałki liniału 20 mm. Układ pomiarowy najczęściej posiada opcję czytania punktów referencyjnych oraz dodatkowe wejścia przeznaczone do wyłączników krańcowych [3].
Dla użytkowników wymagających wyższych dokładności oraz dużych prędkości pomiarowych istnieją rozwiązania, które zapewniają dokładność nawet do 1 mm/m i rozdzielczości 5 nm. Jednym z takich rozwiązań jest układ pomiarowy RELM, który składa się z inwarowego wzorca charakteryzującego się wpółczynikiem rozszerzalności 0,6 mm/m/ºC. Liniał inwarowy jest rozwiązaniem, które posiada znacznie lepszą dokładność niż dotychczas uznawane za najdokładniejsze liniały szklane. Dzięki swojej budowie liniał inwarowy może mieć znacznie mniejszy przekrój niż liniał szklany, jak również jego montaż jest dużo wygodniejszy przez zminimalizowanie ryzyka uszkodzenia [4]. Wadą układów tego typu jest ograniczona długość liniału inwarowego wynosząca zaledwie 1,2 m. Dla dłuższych osi pomiarowych, nawet do 5 m, można zastować rozwiązanie równie dokładne w postaci liniału stalowego o dokładności nieprzekraczającej ±4 mm na długości 5 metrów.
Interesującym rozwiązaniem jest zastosowanie optycznego enkodera kątowego służącego do pomiaru przemieszczeń kątowych. W tym rozwiązaniu pierścień enkodera połączony jest sztywno z wałkiem, a głowica pomiarowa umieszczona jest bezpośrednio nad liniałem, co eliminuje konieczność przeniesienia napędu na enkoder. Rozwiazanie takie minimalizuje błędy wynikające z luzu oraz histerezy w przypadku zmiany kierunku obrotu [4]. Taki układ stosowany jest w urządzeniach z dużym momentem obrotowym sterowanych precyzyjnie za pomocą serwomechanizmów. Zasada działania enkodera polega na zliczaniu przez optyczne układy pomiarowe przetworzonych sygnałów elektrycznych, które powstają w fotodetektorach w wyniku pojawienia się strumienia świetlnego modulowanego pasywnymi i aktywnymi polami wzorca (rys. 1.). Najczęściej pasywne i aktywne pola reprezentowane są przez ciemne i jasne szczeliny o równej szerokości na wzorcu, które zostały rozmieszczone względem siebie naprzemiennie.
