Elektroniczne systemy

pomiaru kątów:

kodowy i impulsowy

W

dotychczasowych

systemach

pomiaru

kątów lub kierunków

wykorzystywano

urządzenia optyczne, które pozycjonowały położenie osi

celowej lunety na

kręgu poziomym. Wykonanie odczytu w danym

systemie optycznym

określa kierunek osi celowej względem zera kręgu

poziomego.

Kąt określany jest z różnicy odczytów dwóch kierunków.

Aby

zwiększyć stopień automatyzacji pomiarów niezbędne okazało się

zastosowanie elektronicznych

systemów pomiaru kątów. Pozwoliły one

na wykluczenie odczytu kierunku przez obserwatora

zwiększając w ten

sposób wydajność pomiarów i wyeliminowanie błędów odczytu.

Dodatkowo

umożliwiają one rejestrację oraz automatyczne opracowanie

wyników pomiarów. Elektroniczne systemy pomiaru kierunków wymagają
zastosowania

przetworników zamieniających mierzony kierunek na

odpowiednie

sygnały elektroniczne. Sygnały elektroniczne powinny

zostać przetworzone w taki sposób, aby uzyskać wielkości dogodne do
obliczania,

wyświetlania i rejestracji kierunków.

W

istniejących i stosowanych aktualnie systemach elektronicznych

można wyróżnić dwie grupy przetworników typu kąt – napięcie
(natężenie):

Grupa I

– przetworniki położenia -

każdemu położeniu lunety teodolitu odpowiada jednoznacznie określony
stan

napięcia. Do tej grupy należą przetworniki kodowe.

Grupa II

– przetworniki kąta -

odpowiednim zmianom

położenia lunety odpowiada ściśle określona

liczba

impulsów – przetworniki impulsowe.

Systemy kodowe pomiaru kierunków

W jednoznaczny

sposób wyświetlają położenie osi lunety do położenia

zerowego (system

bezwzględny). Najistotniejszym elementem systemu

jest tarcza kodowa

zastępująca krąg poziomy w teodolicie. Sprężona jest

z

alidadą teodolitu. Na tarczy kodowej znajduje się wiele koncentrycznych

ścieżek o różnych średnicach, przy czym na każdej z tych ścieżek
znajduje

się naprzemianległe pola jasne i ciemne. Pierwsza ścieżka

zawiera 2 segmenty, druga 4, trzecia 8, itd..

Tarcza kodowa

x

s

2



s

– ilość

segmentów,

x

– numer ścieżki

(licząc od środka
tarczy kodowej) .

W nieruchomej

części teodolitu

znajduje

się czytnik w postaci

matrycy fotoelektrod i

fotodiód,

które

oświetlają

fotodetektory

równoległą wiązką optyczną.

Wiązka przepuszczana przez pola
przeźroczyste

kręgu

wzbudza

w odpowiedniej diodzie

sygnał

elektryczny

(napięcie).

Sygnał nie powstanie, gdy na
drodze

wiązki znajdzie się pole

nieprzeźroczyste.

W

każdym

fotodetektorze

powstać mogą, więc

dwa stany kodu

dwójkowego. Gdy

połączymy

wszystkie

odczyty

z

matrycy

fotodetektorów

otrzymamy

odczyt

kierunku

w kodzie

dwójkowym.

l

– oś pionowa instrumentu,

S

– środek tarczy kodowej,

DL

– diody luminescencyjne,

PS

– przesłona szczelinowa,

T

k

– tarcza kodowa,

PO

– przesłona otworowa,

FD

– fotodiody odbiorcze,

P

– przełącznik,

R

– pamięć,

MD

– matryca dekodująca,

W

– wyświetlacz.

Czytnik fotoelektryczny tarczy kodowej

(odczyt kierunku 398

g

w kodzie dwójkowym, tj.: 110001110)

Sposoby na uniknięcie błędów odczytu na granicy segmentów tarczy

kodowej:

- dodatkowa

ścieżka SD blokująca

odczyt

kierunku

na

granicy

segmentów tarczy,

-

zastosowanie

czytnika

fotoelektrycznego w

kształcie litery V.

Uzyskanie

odpowiedniej

dokładności odczytu kierunku wymaga

zastosowania tarczy kodowej z

odpowiednią liczbą ścieżek, z których

ostatnia musi

być podzielona na pola o bardzo małych odstępach

(szerokościach).

Na

przykład chcąc uzyskać dokładność 1

cc

ilość ścieżek musiałaby

wynosić 22. Przy średnicy koła – tarczy kodowej 13 cm (obwód około
41 cm)

szerokość ostatniej ścieżki musiałaby być równa 0,097µm.

Wykonanie tak drobnego

podziału jest niemożliwe.

W praktyce uzyskano

najwyżej 12 ścieżek (4096 segmentów na ostatniej

ścieżce o szerokości ok. 0,1 mm), co daje dokładność 10

c

pomiaru

kierunku.

Przez

tą barierę technologiczną, która powoduje, iż system ten jest mało

dokładny i nieefektywny, stosowany jest on w teodolitach najwyżej do
pomiaru zgrubnego.

System impulsowy pomiaru kątów

W

odróżnieniu od systemu kodowego zastosowano w nim tarczę z jedną

ścieżką zawierającą N równych interwałów oraz czytnik impulsów,
generowanych w trakcie obrotu tarczy.
Tarcza i czytnik

tworzą tzw. impulsowy przetwornik kąta.

Przetwornik taki

może działać na zasadzie galwanicznej, magnetycznej

lub optycznej.
W

przyrządach geodezyjnych stosowane są tylko przetworniki optyczne

ze

względu na swoją najwyższą dokładność.

W przetworniku impulsowym zwanym inkrementalnym tylko jedna

ścieżka

kręgu podziałowego zawiera N pól przeźroczystych oddzielonych od
siebie polami

nieprzeźroczystymi. Przy czym podstawową działką

systemu jest tak zwany inkrement o

szerokości 2N (pole przeźroczyste

i

nieprzeźroczyste).

Wartość kątowa d takiego inkrementu równa się:

N

d

g

400



a
ogólny schemat układu:
I -

oś obrotu alidady instrumentu,

T

i

- tarcza impulsowa

(obracająca się wraz

z obrotem alidady instrumentu)

zawierająca

ścieżkę z naniesionymi przemiennie segmentami
przezr. i nieprzezr. o jednakowej

szerokości,

M - maska

zawierająca ok. 200 segmentów przezr.

i nieprzezr. (takich samych, jak na tarczy
impulsowej T

i

),

DL - dioda luminescencyjna,
FD - fotodetektor, W - wzmacniacz,
K-P -

układ kształtowania i powielania sygnału

elektrycznego, L

– licznik.

Schemat impulsowego systemu pomiaru kąta:

b
tarcza impulsowa T

i

z segmentami przezr. (3)

i nieprzezr. (2) o jednakowej

szerokości.

c
M

– maska zawierająca około 200 segmentów

przezr. i nieprzezr. (takich samych jak na
tarczy impulsowej T

i

).

Sygnał elektryczny, który powstaje w fotodiodzie, jest najpierw
wzmacniany a

następnie przekształcany w przebieg prostokątny.

Ten po

zróżniczkowaniu zamieniany jest na przebieg impulsowy

i

zagęszczany.

a

napięcia

o

przebiegu

w

przybliżeniu sinusoidalnym na

wyjściu fotodetektora FD,

b

napięcia o przebiegu

prostokątnym,

c impulsy szpilkowe utworzone
z pionowych

wznoszących się

krawędzi



,

które zliczane są przez

licznik L

(współczynnik powielania

częstotliwości k=1),

d

zagęszczenie

impulsów

szpilkowych

(współczynnik

powielania

częstotliwości k=10).

Przebiegi napięciowe w przetworniku impulsowym:

Ilość impulsów generowanych podczas obrotu tarczy zliczana jest przez
licznik.

Na jej podstawie wyznacza

się zgrubną wartość kąta



z

na podstawie

zależności:

N

N

d

N

g

z

400



























z

k

N

k

d

d

g







400

'

Przy zagęszczeniu impulsami o częstotliwości k:

Wartość kąta wynosi:

, gdzie



to reszta inkrementu.

k

N

N

g





400

'





, gdzie

N’



to odczyt licznika

w

warunkach

k

krotnego

powielenia

częstotliwości.

Współczesne teodolity elektroniczne zawierają do 100 rysek na 1 mm
obwodu tarczy, co daje ok. 20 000 rysek na

średnicy tarczy ok. 636 mm.

Jedno pole pomiarowe d = 2

c

.

Dokładność takiego pomiaru zwiększa pomiar reszty.

Tą resztę dopełniającą wartość zgrubną kąta wyznacza się drogą
interpolacji np. jednym z

rozwiązań jest zagęszczanie impulsów

szpilkowych impulsami o

większej rozdzielczości.

Przy k = 10

d’ = 20

cc

.

Jednak taki

sposób pomiaru nie pozwala na określenie kierunku ruchu

tarczy.
Gdy

zmienilibyśmy ten kierunek na przeciwny impulsy zliczane byłyby

w dalszym

ciągu powiększając wynik, co nie byłoby zgodne

z

prawdą.

Dlatego przy impulsowym pomiarze

kątów niezbędne jest zastosowanie

rozwiązania konstrukcyjnego pozwalającego na wykrycie kierunku ruchu
oraz

uwzględnienie go w wynikach.

Przykładem może być zastosowanie
tarczy

z

dwoma

identycznymi

ścieżkami rysek impulsowych –
zasadniczej A i pomocniczej D.
Interwały ścieżki pomocniczej D
przesunięte są względem A o 1 ich
długości 2r.
Dzięki temu po przekształceniach
sygnałów z obu ścieżek uzyskuje się
różny

przebieg

dla

różnych

kierunków

ruchu

alidady.

Zastosowanie

tego

rozwiązania

pozwala dodatkowo na czterokrotne
zwiększenie rozdzielczości.

Dynamiczny system pomiaru kątów

System ten jest systemem impulsowym,

składającym się z wirującej

tarczy z naniesionymi polami

przeźroczystymi i nieprzeźroczystymi oraz

dwóch czytników fotoelektrycznych: P i L określających bezwzględne
położenie obydwu ramion mierzonego kąta (jeden związany ze spodarką
a drugi z

alidadą - Hz lub jeden z alidadą a drugi z lunetą - V).

Pomiar

kąta składa się z pomiaru zgrubnego i dokładnego. Do pomiaru

zgrubnego na tarczy umieszczony jest dodatkowy element,

który

uruchamia system w momencie

przejścia przez pierwszy czytnik i zamyka

przy

przejściu przez drugi. Zliczane są przy tym całkowite ilości

interwałów pomiarowych. Pomiar precyzyjny jest w zasadzie pomiarem
różnicy czasów między sinusoidalnymi sygnałami pomiarowymi
powstającymi w obu czytnikach – jednym nieruchomym związanym ze
spodarką i drugim ruchomym związanym z lunetą. Różnica czasów
określona jest pośrednio jako różnica kątów fazowych jak w fazomierzach
cyfrowych dalmierzy elektronicznych.

Dzięki temu, że różnica faz jest

uśredniana z kilku tysięcy okresów to dokładność tego systemu jest
w zasadzie

większa od klasycznych systemów impulsowych.

T

i

- tarcza impulsowa,

I

– środek obracającej się tarczy

impulsowej,
2 - segment przezroczysty tarczy
impulsowej (T

i

),

3 - segment nieprzezroczysty
tarczy impulsowej (T

i

),

p, l - kierunki

wyznaczające

wielkość mierzonego kąta (



),

p

-

kierunek

związany ze

spodarką instrumentu,
I - kierunek

związany z alidadą

instrumentu,
S

P

, S

L

- szczeliny czytnika (P i L),

d -

wartość kątowa interwału

ścieżki

tarczy

(T

i

),

tj.

rozdzielczość ścieżki

Schemat tarczy kodowej T

i

w przetworniku koła poziomego teodolitu

realizującego elektroniczny pomiar kąta metodą dynamiczną (czasową):

Schemat dynamicznego systemu pomiaru kątów

W systemie dynamicznym pomiaru

kątów nie trzeba stosować

zwiększonej rozdzielczości np. przez zwiększenie częstotliwości zliczania
impulsów. Jest to układ prosty. W systemie tym określone jest położenie
kierunkowe osi celowej

względem czytnika nieruchomego, które

odpowiada jak gdyby

położeniu kręgu poziomego w optycznych

teodolitach.

Literatura

Holejko K., Precyzyjne elektroniczne pomiary

odległości i kątów, WNT, Warszawa 1987.

Kraus M., Woschni E. G., Systemy pomiarowo-informacyjne, PWN, Warszawa 1979.

Płatek A., Geodezyjne dalmierze elektromagnetyczne i tachymetry elektroniczne, część I, Geodezyjne
dalmierze elektromagnetyczne do

pomiarów terenowych, PPWK, Warszawa – Wrocław 1991.

Płatek A., Elektroniczna technika pomiarowa w geodezji, Wyd. AGH, Kraków 1995.

Tatarczyk J., Elementy optyki instrumentalnej i fizjologicznej, Wyd. AGH,

Kraków 1984.

Wanic A., Instrumentoznawstwo geodezyjne i elementy technik pomiarowych, Wyd. UWM, Olsztyn 2007.

www.zasoby1.open.agh.edu.pl/dydaktyka/automatyka/c_elektroniczna_techn_pomiarowa/w16.htm
(dostęp dn. 10.10.2010)