Автоматизации угловых измерений

К настоящему времени теоретически разработан, экспериментально опробован и применяется на практике ряд средств и методов автоматизации угловых измерений. Основой автоматизации служат лимбы (диски) с закодированными шкалами градусных делений и специальные устройства для считывания закодированной информации, ее обработки и хранения.

Вся совокупность средств и методов автоматизации угловых измерений по принципу считывания направлений и углов подразделяется на две группы: позиционные и накопительные (импульсные).

Идея импульсного способа измерения углов состоит в том, что величина угла (горизонтального или вертикального) определяется числом импульсов (квантов, элементов кода, инкрементов), укладывающихся на дуге окружности, заключенной между двумя сторонами угла. Размер (цена деления) одного импульса зависит от числа N импульсов, расположенных по окружности диска, и равен τ =360º/N. Иногда этот способ автоматического измерения углов называют накопительным, имея в виду тот факт, что величина угла получается как сумма импульсов (инкрементов), заключенных в его дуге. Возможны два варианта измерения углов, идентифицируемых с классическими. Первый способ приемов – угол получается как разность числа импульсов от произвольно расположенного нуля до правого направления угла и числа импульсов до левого направления. Второй – способ повторений – нуль диска, соответствующий началу счета импульсов, совмещают с левой стороной угла, а его величину получают с помощью подсчета импульсов, уложившихся между левой и правой сторонами горизонтального угла. При этом импульсы могут быть световыми (оптическими), звуковыми (магнитными) и электрическими. Первые два вида импульсов, в конечном счете, преобразуются в электрические.

Считывание закодированной информации проводится с помощью механических, индуктивных, магнитных, фотоэлектрических преобразователей и электроннолучевой трубки. В геодезическом приборостроении более рациональными оказались фотоэлектрические преобразователи. Их работа основана на явлениях, возникающих при освещении или затемнении фотоэлементов. Кодовая маска в этом случае состоит из участков, пропускающих и не пропускающих свет, и наносится на стеклянные диски или линейки.

Иногда для формирования более узкого пучка света используют цилиндрические линзы, устанавливая их между источником света и кодовым диском. От источника света через ограничивающую щелевую диафрагму проходит узкий пучок света, пересекающий маску в радиальном направлении. Прозрачные участки маски пропускают свет, который затем попадает на соответствующий фотоэлемент. На выходе фотоэлемента возникает сигнал, который может быть считан. Непрозрачные участки маски не пропускают света, поэтому на выходах соответствующих им фотоэлементов сигналов не возникает. Комбинация сигналов на всех фотоэлементах позволяет считать информацию в виде двоичного числа в определенном коде. Точность считывания информации с угломерных кругов (дисков) зависит от характера работ и колеблется в довольно широком диапазоне от 0,1" до 1'.

Считывание оптических импульсов отличается более высокой точностью (возможно изготовление диска с 200 штрихами на 1мм дуги) и потому наиболее широко распространено в геодезическом приборостроении. Для получения наивысшей точности обычно увеличивают число импульсов, содержащихся на окружности диска. При этом используют различные механические, оптические, электронные методы и средства. Одним из первых и наиболее удачных решений в этой области является импульсный датчик формы «Лейтц» (Германия).

Диск R (рис.5) жестко крепится на алидаде и вращается вместе с ней. На нем нанесено 5000 штрихов, ширина которых равна расстоянию между ними. Лампочка L через конденсор К освещает около 200 рисок сетки. Объективы О1 и О2 передают изображение сетки левой части лимба с помощью пентапризм Р1, Р3 и прямоугольных призм Р2, Р4 на диаметрально противоположную часть лимба в масштабе 1:1. Призмы способствуют оборачиванию изображения, так что изображение левой части при вращении лимба движется против движения правой стороны. Благодаря этому, частота фототока удваивается. Призма Волластона W двойным преломлением расщепляет изображение сетки на два. Одно из изображений образовано действительными лучами, другое – мнимыми. Система рассчитана так, что оба изображения сетки диска попадают на диаметральные риски на взаимном удалении Ѕ интервала сетки. Делительная призма Dдействует как анализатор, делит оба изображения и направляет одно из них на фотодиод А, другое – на фотодиод – В. Электрические токи, возникающие в обоих фотодиодах, оказываются после этого взаимно сдвинутыми по фазе на 90º (рис.6).

Они попадают в электронную цепь, где триггеры преобразуют синусоидальные сигналы 1 в прямоугольные 2, 3 того же периода. В дифференцирующем блоке появятся импульсы 4, которые после усиления и выпрямления направляются на ввод счетчика импульсов. Поскольку, кроме главных (синусоидальных) сигналов, образуются зеркальные (косинусоидальные) сигналы (в параллельно соединенной триггерной цепи) и вводятся в дифференцирующую цепь, то число импульсов в 2π будет 2·4·N = 40 000, а величина одного импульса интерполируется несколькими частями, что обеспечивает очень высокую точность отсчитывания. Для интерполирования импульсов используются различные средства и методы: эффект Муара, «синусная щель», эффект «огибания препятствий», фазовые решетки и др.

В любом виде считывающих преобразователей обязательно имеется дискриминатор направления, который определяет знак импульса, т.е. направление вращения алидадной части, и решает задачу – прибавить или вычесть импульс из общей суммы.

Современные электронные геодезические приборы обеспечивают точность считывания информации с лимбов до 0,1".