Угловой энкодер: устройство и процедуры обработки данных

[Aether]

эээ поглядел внимательнее... оказалось он 8 бит но на 128 позиций только. вторая половина при обратном вращении.

Этот: https://lib.chipdip.ru/079/DOC000079781.pdf
Он контактный, ресурс до 50К оборотов, при требовании измерять до 20К об/мин, сотрётся за пару минут.
Оптические Bourns держат до 3К об/мин, магнитные до 10К об/мин. Цена более-менее приемлемых более 8К руб, отсюда и замысел.

на маусере вроде есть но от 60уе и магнитные.
кстати м/с магнитного на 12 бит в чипе лежит за 1200

Я ещё посмотрю, конечно. А Вы использовали энкодеры от Bourns?

[Aether]

По магнитным почитал информацию, получается они немного не так работают, как я представлял. Стоит магнит на роторе, а к его торцу подключён датчик холла. Соответственно, при повороте, напряжение на датчике изменяется, и его пропускают через АЦП, соответственно, в пределах одного квадрата круга имеем точное значение угла без каких-либо зубьев. Тем не менее, тут имеет место быть точная заводская калибровка, без которой, или в нарушении которой, например, при появлении осевого люфта в ходе износа, точность прибора исчезает.

[Ochkarik]

нет, не использовал ничего подобного. просто видел как-то раньше что есть.
кстати оптическую самоделку тоже как-то юстировать придется.
и кстати есть еще вот такая фигня (правда цена уже 60+100$) но зато как вы хотели оптика и 17 бит (скорость с ходу не нашел, но кажется высокая):
http://www.mouser.com/ds/2/678/AV02-3147EN-908737.pdf
+
https://www.broadcom.com/products/motion-control-encoders/absolute-encoders/single-turn-encoders/aeat-9000-1gsh1

[Ochkarik]

https://www.broadcom.com/products/motion-control-encoders/
там же и меньшей разрядности есть.

[Sla]

а у нас всякое есть, но свое

http://turbo.com.ua/inductive-sensor/
http://turbo.com.ua/category/products/rotating-speed/

[Aether]

а у нас всякое есть, но свое
http://turbo.com.ua/inductive-sensor/

Напомнило ДПКВ (Датчик положения коленчатого вала) с комплекта Bosch-1.5.4.

(Картинка примерная)

Удивляет то, что число зубьев там не запредельное, ошибка в несколько градусов реальна. Тем не менее, в теории этот датчик определяет угол опережения зажигания, и тут нужна хорошая точность. Иначе, такая электронная система будет не многим лучше механической в этом вопросе.

[RXL]

Несколько датчиков в одном корпусе поставленных со смещением. Повышает разрешение и позволяет определять направление.

[Dale]

Если интерес к теме не иссяк окончательно, вот свежая новость. Получил посылку с Али, инкрементальный энкодер 600 импульсов/оборот:

Если покажет себя в деле достойно, буду завязывать с попытками кустарного изготовления. Если не навечно, то по крайней мере до запуска сверлильно-фрезерного ЧПУ, с ним еще есть надежда отгравировать риски на диске.

[RXL]

http://hi-ip.com/industrial-automation/sensors/encoders/
Кроме твоего на странице представлены другие датчики. Есть на 2000 имп./об. Я чего-то не понимаю или он круче твоего?
http://www.datasheetspdf.com/datasheet/ISC3806.html
Тут даташит: до 2500 и более под заказ.

Твой датчик изнутри:
https://wemakethings.net/2014/05/26/rotary-encoder-teardown/

Вопрос: какой смысл несет сигнал Z? Компенсация пропусков счета A/B?

[Aether]

Вопрос: какой смысл несет сигнал Z? Компенсация пропусков счета A/B?

Могу предположить, что Z - это от "Zero", то есть референтная точка. Когда оси линейные, то привязка к нулю может осуществляться через концевые выключатели, и при включении механизма он сперва должен найти свои нули, чтобы обнулить счётчик оси. И в угловых осях тоже нужно вести поиск нуля, хорошо, когда это встроено в энкодер, и не нужно ставить дополнительное оборудование.

Приведу ситуацию: идёт цикл сверления радиальных отверстий на токарно-фрезерном станке. Вдруг отключилось электричество на предприятии. Далее при включении без нуля он не сможет продолжить сверлить прерванную группу отверстий. Тоже касается нарезания резьбы и автоматической смены инструмента.

[Aether]

Если интерес к теме не иссяк окончательно, вот свежая новость. Получил посылку с Али, инкрементальный энкодер 600 импульсов/оборот:

600 импульсов - это хорошо, явно лучше ШД с его 200 имп./об.

Если покажет себя в деле достойно, буду завязывать с попытками кустарного изготовления. Если не навечно, то по крайней мере до запуска сверлильно-фрезерного ЧПУ, с ним еще есть надежда отгравировать риски на диске.

9 бит в кустарных условиях сделать не просто, разве что пойти через укрупнение изделия. А так, с ротором около ф30 и длиной окружности в 100 мм, 1 риска получится 0,16 мм. И главное даже не в том, чтобы нанести риску, а чтобы потом адекватно считывать её.

Я думаю, что получить большее разрешение можно только магнитным способом, как у жёсткого диска. Изготовить подшипниковый узел шпиндельного типа, закрепить на нём магнитный диск, на статоре пишущую головку. Отдельно сделать точку обнуления, а далее, прикрепить ось энкодера к массивному маховику, раскрутить его внешним двигателем, и когда частота прохождения нуля стабилизируется, начать запись "нулей и единиц" с необходимым временным шагом. Самое сложное, организовать магнитную головку грамотно.

[Sla]

А так ли надо больше 600

Но чисто технологически можно получить и 1200, и 1800, и 2400 смещая оптодатчики и риски,

Основная "сложность" нанесение рисок и жесткость приемника
А светить можно и перекрывающим лучом +немного простейшей математики, видимо потому и такие странные 2000 и 2500

[Dale]

Есть на 2000 имп./об. Я чего-то не понимаю или он круче твоего?

По разрешению круче.

Я при выборе экземпляра для экспериментов смотрел на соотношение параметры/стоимость. Этот датчик обошелся ~550р в июньских ценах (сейчас рублей на 100 дороже).

Датчики 360-400 ppr стоили на Али практически столько же. С более высоким разрешением цена резко подскакивала вверх.

С привода каретки трубогиба все равно привод будет зубчатым ремнем, прямо на вал поставить проблематично. Поставлю шестерни, например, 1:4 и получу бесплатно тот же прирост разрешения. Точность, конечно, немного пострадает, но вряд ли катастрофически.

Вопрос: какой смысл несет сигнал Z? Компенсация пропусков счета A/B?

Я не понял их замысла, особенно в свете фразы "The pozition of Z phaze against A, B phase is not specified". Тем более что в моем экземпляре этой фазы просто нет, вопрос отпадает.

Приведу ситуацию: идёт цикл сверления радиальных отверстий на токарно-фрезерном станке. Вдруг отключилось электричество на предприятии. Далее при включении без нуля он не сможет продолжить сверлить прерванную группу отверстий. Тоже касается нарезания резьбы и автоматической смены инструмента.

У меня был небольшой (к счастью) период в жизни, когда из-за постперестроечной разрухи пришлось забыть про амбиции и с разработок САПР микроэлектроники переключиться на обычное производство, где еще платили деньги вовремя. Запускал и обслуживал сверлильно-фрезерные станки отечественного производства (наверное, уже последние). При необходимости и продукцию на них делал.

Отключений энергии не припомню (завод от нескольких подстанций питался), а вот аварийные остановки из-за поломки инструмента случались. В этих случаях проще было сразу заготовку в брак выкинуть, чем пытаться реанимировать. Ничего хорошего из попытки продолжить обработку не выходило. Повторно резать недорезанную резьбу не пробовал, но подозреваю, что еще хуже. Это умелые руки чувствуют, а автомат вряд ли на ту же нитку попадет.

600 импульсов - это хорошо, явно лучше ШД с его 200 имп./об.

ШД очень редко используются на полный шаг. Максимум полшага, это уже меньше градуса, причем с минимальными усилиями. Современные контроллеры поумнее, делят шаг на 16 и больше, получается почти непрерывное движение.

9 бит в кустарных условиях сделать не просто, разве что пойти через укрупнение изделия. А так, с ротором около ф30 и длиной окружности в 100 мм, 1 риска получится 0,16 мм. И главное даже не в том, чтобы нанести риску, а чтобы потом адекватно считывать её.

Я в экспериментах не мельчил, фрезернул диск из крышки коробочки для CD. Диаметр ~100mm, длина 300. Сделал 300 делений с шагом около миллиметра.

Я думаю, что получить большее разрешение можно только магнитным способом, как у жёсткого диска.

Очень сильно сомневаюсь.

Во-первых, максимальное разрешение оптического датчика определяется длиной световой волны. Разрешение магнитной головки - шириной зазора магнитопровода и зерном магнитного слоя. Каким образом получите субмикронный зазор? Приблизить головку к диску тоже придется на микроны, но при этом не задевать его при вращении. В накопителях это решается за счет аэродинамики (головка висит над диском на воздушной подушке), для датчика это не сработает.

Во-вторых, рядом работают силовые приводы. Если сделать светонепроницаемый колпак элементарно, то экранировать магнитные поля - крайне неблагодарная задача.

В-третьих, помимо сильных помех, существует еще опасность перемагничивания диска.

Ну и напоследок самое главное. ЭДС, наводимая в магнитной головке, пропорциональна производной магнитного потока (закон Фарадея), т.е. сильно зависит от скорости головки относительно диска. Для жесткого диска, который вращается всю дорогу, это не проблема. Для станка, который включил медленную подачу, это потеря координаты.

Самое сложное, организовать магнитную головку грамотно.

Именно. Насколько я знаю, даже большинство производителей винчестеров сегодня не берутся за эту задачу самостоятельно и закупают готовые комплектующие. Что уж говорить о кустарщине.

А так ли надо больше 600

Очень правильный вопрос. Делений можно наплодить сколько угодно, но всякие люфты, вибрации и деформации сведут эти усилия на нет.

Но чисто технологически можно получить и 1200, и 1800, и 2400 смещая оптодатчики и риски

Конечно, наподобие нониуса в штангенциркуле. Просто и эффективно.

[Aether]

А так ли надо больше 600

Смотря для чего, конечно. Если целью является сервопривод станка нормальной точности, то в среднем линейную погрешность при перемещении можно считать за 0,02 мм - если будет грубее, то о машиностроении можно забыть. Однако, сервопривод должен реагировать без дребезга, поэтому для некоего ПИД необходима точность измерения на порядок выше, то есть 0,002 мм. Также можно принять шаг винта за примерно 5 мм из опыта, тогда при решении без редукторов 5 мм / 0,002 мм = 2500 делений, округлённо 2048-4096 или 11-12 бит.

Отключений энергии не припомню (завод от нескольких подстанций питался), а вот аварийные остановки из-за поломки инструмента случались. В этих случаях проще было сразу заготовку в брак выкинуть, чем пытаться реанимировать. Ничего хорошего из попытки продолжить обработку не выходило. Повторно резать недорезанную резьбу не пробовал, но подозреваю, что еще хуже. Это умелые руки чувствуют, а автомат вряд ли на ту же нитку попадет.

Я как пример привёл, хотя у меня бывали проблемы и с электричеством и не только. В брак проще не всегда выкинуть: пример "А" - метчик сломался в небольшой детали из Ст. 3 - в брак, однозначно. Пример "Б" - метчик сломался в опорно-поворотной раме башенного крана, весом в 15 тонн - брак? Нет, по ситуации, исправляем. Или же титановый вал для ГТД. Но речь не об этом, предположим Вы нарезаете внешнюю резьбу резцом, у ЧПУ станков нет механической связи, это у ручных есть синхронный вал. Поэтому, чтобы ЧПУ в нитку попал чётко, ось необходимо однозначно настроить, а далее он будет попадать, причём каждый раз, и даже если его выключат, а потом через месяц продолжат. Есть даже стратегии нарезания одной и той же резьбы разные по выборке.

ШД очень редко используются на полный шаг. Максимум полшага, это уже меньше градуса, причем с минимальными усилиями. Современные контроллеры поумнее, делят шаг на 16 и больше, получается почти непрерывное движение.

Я в том плане, что если использовать ШД, как энкодер.

Во-первых, максимальное разрешение оптического датчика определяется длиной световой волны. Разрешение магнитной головки - шириной зазора магнитопровода и зерном магнитного слоя. Каким образом получите субмикронный зазор? Приблизить головку к диску тоже придется на микроны, но при этом не задевать его при вращении. В накопителях это решается за счет аэродинамики (головка висит над диском
на воздушной подушке), для датчика это не сработает.

Задача на самом деле одна и та же - обеспечение заданной точности и жёсткости устройства. В оптическом варианте будет нужна фокусировка, а это линзы, их оправы, диафрагмы. В магнитном - миниатюрные головки.
Собственно, аэродинамическая головка HDD нужна не только для зазора, но и для позиционирования, в случае же без позиционирования 1 мкм можно настроить дифференциальной парой микрометрических винтов.

Во-вторых, рядом работают силовые приводы. Если сделать светонепроницаемый колпак элементарно, то экранировать магнитные поля - крайне неблагодарная задача.

Магнитная индукция падает с расстоянием, единственное, наводки. Возможно, потребуется изготовление усилителя на самой головке.

Ну и напоследок самое главное. ЭДС, наводимая в магнитной головке, пропорциональна производной магнитного потока (закон Фарадея), т.е. сильно зависит от скорости головки относительно диска. Для жесткого диска, который вращается всю дорогу, это не проблема. Для станка, который включил медленную подачу, это потеря координаты.

Тут можно проработать варианты со считыванием переменным полем, и регенерацией записи время от времени.

В общем, повышение точности, в любом случае, повлечёт усложнение. Оптика вызывает беспокойство именно фокусирующей составляющей. Мне, попросту, не приходят идеи того, как получить очень узкий пучок света иначе.

Кстати, а можно нанести на диск какое-нибудь флуоресцентное покрытие?

[Dale]

Если целью является сервопривод станка нормальной точности, то в среднем линейную погрешность при перемещении можно считать за 0,02 мм - если будет грубее, то о машиностроении можно забыть.

Я видел решения проще. Ставим линейный датчик положения сразу на ось - и избавляемся от погрешностей неравномерности шага ходового винта, люфта ШВП, осевого люфта ходового винта и т.п. Получаем координату в чистом виде без посредников.

Сейчас такие линейные датчики с точностью 10-20 микрон продаются за вполне умеренные деньги. Для ответственных применений можно поискать что-нибудь поточнее (и подороже).

Пример "Б" - метчик сломался в опорно-поворотной раме башенного крана, весом в 15 тонн - брак? Нет, по ситуации, исправляем.

Для штучных дорогих деталей можно повозиться вплоть до того, что вручную пропустить уже отработанные шаги программы или даже задавать команды с пульта. Это уже задача для инженера, ПТУшник, который обычно присматривает за станком, не потянет - станок умнее его.

На массовом конвейере за время такой возни можно несколько новых деталей выпустить, овчина выделки не стоит.

Собственно, аэродинамическая головка HDD нужна не только для зазора, но и для позиционирования

Только для зазора. Позиционирование - совсем другая история, этим занимается сервопривод. Я довольно много имел дело с блоками головок еще до того, как дисковые пакеты стали несменными, а их отсеки - герметичными.

Оптика вызывает беспокойство именно фокусирующей составляющей. Мне, попросту, не приходят идеи того, как получить очень узкий пучок света иначе.

Я в своих кустарных экспериментах делал щелевые диафрагмы перед диском и после него шириной примерно в половину риски. Луч очень надежно перекрывается риской, фотодатчик хорошо различает состояния. Само собой, размеры были такими, что еще работает геометрическая оптика, заморачиваться на дифракцию не приходится.

Делал и диафрагму и риски на диске фотоспособом (пленочный негативный фоторезист). Можно попробовать сделать их механически, у меня есть фреза 0.1 мм.

Кстати, а можно нанести на диск какое-нибудь флуоресцентное покрытие?

Полагаю, без проблем, только зачем?

[Aether]

Я видел решения проще. Ставим линейный датчик положения сразу на ось - и избавляемся от погрешностей неравномерности шага ходового винта, люфта ШВП, осевого люфта ходового винта и т.п. Получаем координату в чистом виде без посредников.

Так-то, да, хотя я с такими решениями не особо знаком. Использую иногда электронный штангенциркуль, там ёмкостный линейный датчик, если я правильно понимаю. В профессиональных станках такое наблюдал только на Hermle C-600V, если память не изменяет. А на Doosan и Siemens координата берётся с сервопривода, возможно, аппараты уже устаревшие были.

В общем-то, суть немного в другом: есть профессиональное оборудование - чего тут мастерить? В достижении 5 мкм точности играет важную роль многое. А есть полуфабрикаты, используемые, как инженерами АСУТП, так и любителями. Именно здесь есть пробел: у конечных решений есть системы асинхронного серво, но они дорогие, и весьма мощные. Нижний сегмент использует ШД, но их характеристики оставляют желать лучшего. Я не говорю, о модернизации 16К20, но даже школьные ТВ сделать с приводами на ШД не реально, силовая техника не их сегмент. Вот этот провал между ШД и готовым серво - почва для размышлений, ну и некоторых действий.

Я в своих кустарных экспериментах делал щелевые диафрагмы перед диском и после него шириной примерно в половину риски. Луч очень надежно перекрывается риской, фотодатчик хорошо различает состояния. Само собой, размеры были такими, что еще работает геометрическая оптика, заморачиваться на дифракцию не приходится.

То есть, работа на просвет. У меня при таком подходе имело место отражение, вносящее шум.

Делал и диафрагму и риски на диске фотоспособом (пленочный негативный фоторезист). Можно попробовать сделать их механически, у меня есть фреза 0.1 мм.

0.1 мм проще нацарапать, нежели фрезеровать, усилие будет не большое. Делительный круг можно сделать с сильным увеличением масштаба, скажем 0,5 м в диаметре с разметкой вручную.

Полагаю, без проблем, только зачем?

Я предположил, что в некотором смысле эффективнее использовать свечение поверхности делений, нежели прямую подсветку - зазор меньше, отражений тоже, можно отфильтровать излученный свет от индуцирующего, но это не совсем то по другим причинам.

Ёмкостный вариант влечёт использование высоких частот, ёмкость в штангеле, полагаю на уровне пФ. Тут я в оборудовании сильно ограничен.

[Aether]

Делительный круг можно сделать с сильным увеличением масштаба, скажем 0,5 м в диаметре с разметкой вручную.

PS: делительный круг - оснастка для изготовления рабочего круга.

[Dale]

Нижний сегмент использует ШД, но их характеристики оставляют желать лучшего. Я не говорю, о модернизации 16К20, но даже школьные ТВ сделать с приводами на ШД не реально, силовая техника не их сегмент.

Рабочий ход привода на ШД в большинстве случаев практически безнадежная затея. Пропустил один шаг - и пошла накапливаться ошибка. А момент у ширпотребных ШД весьма невелик.

А вот там, где инструмент движется без сопротивления обрабатываемого материала, у ШД есть неплохие шансы. Например, сверлильный станок, где позиционирование производится на холостом ходу, а удерживать позицию гораздо проще. Аналогично с лазером, но его я еще не покупал, отложил на ближайшее будущее. Также ждет своего часа плазморез, его тоже перемещать достаточно легко.

То есть, работа на просвет. У меня при таком подходе имело место отражение, вносящее шум.

Мне отражения не докучали. Схема была такая: светодиод - щелевая диафрагма - диск - щелевая диафрагма - фототранзистор. Обе диафрагмы напечатаны на пленке на лазерном принтере, диск напечатан на нем же и наклеен на поликарбонатную пластину. Пленка не блестящая, бликов не дает, да и отражениям не так просто повторно пройти узкую щель.

Гораздо больше мороки доставляли биения диска в зазоре между диафрагмами, при отсутствии токарки дома качественно выполнить такие работы непросто.

0.1 мм проще нацарапать, нежели фрезеровать, усилие будет не большое.

Там скорее гравировка, чем фрезеровка. Глубина не нужна, только удалить непрозрачное покрытие с диска. Именно ближе к царапанью.

Делительный круг можно сделать с сильным увеличением масштаба, скажем 0,5 м в диаметре с разметкой вручную.

У меня в мечтах делительная головка к фрезеру, тогда проще будет и с рисками на дисках, и с зубьями шестеренок, и в прочих случаях центральной симметрии. Не придется наклонные линии по узлам координатной сетки аппроксимировать. Но это в планах еще дальше, чем лазер.

Я предположил, что в некотором смысле эффективнее использовать свечение поверхности делений, нежели прямую подсветку - зазор меньше, отражений тоже, можно отфильтровать излученный свет от индуцирующего, но это не совсем то по другим причинам.

Если это только для борьбы с отражениями, то я с ними вообще не сталкивался в своей конструкции.

Ёмкостный вариант влечёт использование высоких частот, ёмкость в штангеле, полагаю на уровне пФ. Тут я в оборудовании сильно ограничен.

Это вряд ли. Высокие частоты - это дорогие материалы с низкими потерями, это ненужное излучение и прочие проблемы. Для девайса от 200 рублей даже по сегодняшнему курсу это роскошь. Да и работа от часовой батарейки по году и больше исключает изощренные навороты.

Вот здесь поверхностно разбирают его работу. Все довольно сермяжно.

[Sla]

способов увеличения точности можно напридумывать сколько угодно
Хотя бы на чистой апроксимации

скорость + ускорения между рисками,

У меня был преподаватель по ТАУ, так вот он курсовые проверял на логарифмической линейке.
Какова точность ручного фрезерного станка? Люфты, биения.
Для точной механики, чистая апроксимация скоросьи движения инструмента по траектории, с расчетной точкой выхода на позицию,

А все эти 10 шагов вправо, назад, вперед - это нужно оставить ...
Время на остановку движения, скорость остановки,

не вижу смысла в повышении точности.

И почти уверен, что там для точности добавлены еще датчики  (грубо 0.25 стоимости) + математика - (х2стоимости), (конечно, могу и рад ошибиться)

[Aether]

Высокие частоты - это дорогие материалы с низкими потерями, это ненужное излучение и прочие проблемы. Для девайса от 200 рублей даже по сегодняшнему курсу это роскошь.

У них в статье фигурирует 100 кГц, но мне кажется врут. Судя по схеме, для того, чтобы не питать штангу штангенциркуля на неё наносятся зоны сразу двух конденсаторов, соединённые проводящей пластиной большего сечения. Так вот, площадь одного конденсатора примерно 12 мм² (3х4 мм). Расстояние между пластинами приму за 0,1 мм, тогда по формуле C = ee₀S/d, получается ёмкость в 1,062 пФ. Теперь имеет смысл прикинуть: какое сопротивление будет оказывать данная ёмкость синусоидальному току: X_C=1/(2*pi*f*C). X_C = 1,5 МОм. А обоих, последовательно соединённых конденсаторов: 3 МОм. Я всё таки считаю, что сопротивление должно быть меньше, а значит более реальны 10-20 МГц. Микроконтроллеры при цене в 50 рублей выдают и 40 МГц, но нужна именно хорошая синусоида, а аналоговая техника - это не столько пайка, сколько настройка.

Хотя бы на чистой апроксимации
скорость + ускорения между рисками,

Скорость - производная координаты, потребует для вычисления двух точек, значит погрешность вычисления будет вдвое больше сразу. Ускорение - производная скорости... Я считаю, что оценочное значение в ряде задач важно, например, чтобы рассчитать топливо до Марса, но, когда мы уже подлетим к нему, потребуется корректировать траекторию по фактическим измерениям. Методом аппроксимации, например, работает ШД в микрошаговом режиме, но насколько фактически просядет его координата под нагрузкой в конкретном случае неизвестно.

Какова точность ручного фрезерного станка? Люфты, биения.

В зависимости от его класса различная. Есть ГОСТ, но номер сходу не вспомню. Лимб школьного размечают обычно через 0,2 мм. Лимбы заводских 0,1...0,05 мм. Строго говоря, ручной фрезерный станок не работает с точностью более 0,1 мм, его задача на производстве: выборка большой массы материала быстро, но не особо точно. Там, где нужны затем точные отверстия, изделие отправляют маршрутом на расточной станок. Для точных валов и плоскостей существуют шлифовальные аппараты. Я видел расточник, у которого деление было 0,5 мкм.
Программный фрезерный не равен ручному по назначению. ЧПУ фрезер обычно используют и как расточной, а иногда, и как зуборезный, шлифовальный и так далее.
Люфты устраняются различными конструктивными приёмами, как и биения, до значений, когда их влияние имеет малую значимость. Станочные ШВП, например, в отличие от транспортных, выполняются либо из двух напряжённых гаек, либо по технологии четырёхточечного шарикового контакта.

[Dale]

Теперь имеет смысл прикинуть: какое сопротивление будет оказывать данная ёмкость синусоидальному току

Измерять емкость через сопротивление переменному току чересчур хлопотно и чревато ошибками. Есть способы проще и надежнее. Например, измерять время заряда конденсатора известным током. Генератор стабильного тока сделать легко, измерить время с высокой точностью при наличии кварца еще проще.

[Aether]

Измерять емкость через сопротивление переменному току чересчур хлопотно и чревато ошибками. Есть способы проще и надежнее. Например, измерять время заряда конденсатора известным током. Генератор стабильного тока сделать легко, измерить время с высокой точностью при наличии кварца еще проще.

Если конденсатор будет иметь заряд, и при этом его пластины будут перемещаться, то при падении ёмкости на нём будет возрастать напряжение, и наоборот: при росте ёмкости насыщение будет запаздывать. Всё это будет зависеть от скорости, которая будет неизвестна, так как координату только предстоит вычислить.

Кроме того, придётся детектировать ток, АЦП преобразование потребует времени, поэтому потребуется значительное сопротивление в RC заряжающей цепи. Отсюда, выходит очень маленький ток, порядка пА, на уровне естественных шумов. Вообще, оперировать статическими методами при условии анализа конденсатора, ёмкость которого сопоставима численно с ёмкостью затвора полевого транзистора, я бы рекомендовать всё таки не стал.

В общем, стоит подумать. Сам по себе вариант для освоения перспективный, так как подтверждён практикой применения.

[RXL]

Aether, заряд/разряд выполняется циклически. Это же классика, RC генераторы. Мерить проще даже не время заряда, а количество импульсов за интервал времени.

[Dale]

Всё это будет зависеть от скорости, которая будет неизвестна, так как координату только предстоит вычислить.

Мы же штангенциркуль препарировали, который не производит замеры на лету, только в статике. Далеко не факт, что такой способ измерения координаты даст хорошую динамику.

Кроме того, придётся детектировать ток

С какой целью? Питаем емкость известным током, ждем заряда от нуля до порогового уровня, когда сравняются, останавливаем таймер.

Вообще, оперировать статическими методами при условии анализа конденсатора, ёмкость которого сопоставима численно с ёмкостью затвора полевого транзистора, я бы рекомендовать всё таки не стал.

Не факт, что входной транзистор полевой.

Сам по себе вариант для освоения перспективный, так как подтверждён практикой применения.

Моя практика исчерпывается последними образцами заката отечественного станкостроения. Там использовались индуктивные линейки. Практика применения китайских штангелей может оказаться не вполне применимой в данном случае.

Вот еще возможный вариант. У меня есть дешевый USB микроскоп (по сути - камера с пластиковой линзой), который дает довольно неплохое увеличение. Если спроецировать шкалу через такую линзу на фотодатчик, может, что-то и получится.

Вот так через нее выглядит моя видавшая виды рабочая линейка с делениями 0.5 мм:

[Aether]

С какой целью? Питаем емкость известным током, ждем заряда от нуля до порогового уровня, когда сравняются, останавливаем таймер.

Сделать константным ток просто так не получится, можно стабилизировать напряжение, тогда ток, по мере заряда ёмкости будет расти от значения, ограниченного сопротивлением заряжающей цепи, до значения близкого к нулю.

Не факт, что входной транзистор полевой.

Да, это моё предположение, я считаю, что биполярные плохо предназначены для измерительных устройств и цепей, в силу их малого входного сопротивления - сильно влияют на измеряемое. К тому же "шум" у них обычно выше.

Приведу аналогию с термопарой - её ЭДС крайне мало, и если сделать усилитель на BJT, то, имхо, усилитель создаст ток, который сильно исказит результат. Возможно, кто занимается аналоговой схемотехникой не согласится, есть пути улучшения характеристик усиливающего каскада, но, тем не менее.

Вот еще возможный вариант. У меня есть дешевый USB микроскоп (по сути - камера с пластиковой линзой), который дает довольно неплохое увеличение. Если спроецировать шкалу через такую линзу на фотодатчик, может, что-то и получится.

С микроскопом вопрос - это частота кадров в секунду. Если у нас 600 делений на оборот, и скорость всего 30 кадров в секунду, то во избежание ошибок счёта потребуется хотя бы три кадра на переход одного деления, значит, при скорости вращения вала энкодера более 1 об./мин будут ошибки. Плюс требования к производительности микроконтроллера энкодера - видео 800х600х24х30 >> 43,2 МБ/с.
Если бы матрица была не 800х600, а в виде единого ряда, скажем, из 128 фотоприёмников, то это было бы круто - можно было бы на диске сделать реперы и компенсировать заодно радиальное биение диска.

Мелкоскоп не плохой. Вот у меня такой камеры нет, только аналоговые с диким шумом.

Тоже идея, как сделать для оптики диск: можно ведь взять за базу болванку mini CD, её диаметр 80 мм, и создать образ диска такой, чтобы при его прожиге на болванке формировались необходимые штрихи. Правда вариант не серьёзный, но, возможно, натолкнёт на что-либо более перспективное.

[Aether]

Сделать константным ток просто так не получится, можно стабилизировать напряжение, тогда ток, по мере заряда ёмкости будет расти от значения, ограниченного сопротивлением заряжающей цепи, до значения близкого к нулю.

NB: спадать по экспоненте

[Dale]

Сделать константным ток просто так не получится, можно стабилизировать напряжение, тогда ток, по мере заряда ёмкости будет расти от значения, ограниченного сопротивлением заряжающей цепи, до значения близкого к нулю.

Вы, видимо, не занимаетесь электроникой. Генератор (стабилизатор) стабильного тока - одна из первых тем, которые муссируются в букварях, наряду со стабилизаторами напряжения. Это не просто, а очень просто. Самый простой вариант - на одном полевом транзисторе и резисторе (с p-n переходом либо встроенным каналом). Схема чуть посложнее (и получше) - "токовое зеркало", два биполярных транзистора. Более сложные схемы дают большую точность.

Да, это моё предположение, я считаю, что биполярные плохо предназначены для измерительных устройств и цепей, в силу их малого входного сопротивления - сильно влияют на измеряемое. К тому же "шум" у них обычно выше.

Это не так. Операционные усилители обычно охвачены глубокой отрицательной обратной связью по напряжению, которая меняет характеристики в положительную сторону (причем характеристики могут быть и без этого весьма неплохими).

Возьмем хотя бы MC33077, которые на AliExpress 160 руб. за десяток - вполне доступное удовольствие. Типовой ток смещения - 280 наноампер, лично я в своей лаборатории такой даже обнаружить не смогу, не говоря уж про измерить. Кстати, к тому же малошумящий - 4.4 nV/Hz^1/2.

Впрочем, есть еще усилители с входом, выполненным на полевых транзисторах с p-n переходом. У них вход смещения еще меньше при малой входной емкости. Правда, для данной задачи это не слишком существенно.

Приведу аналогию с термопарой - её ЭДС крайне мало, и если сделать усилитель на BJT, то, имхо, усилитель создаст ток, который сильно исказит результат. Возможно, кто занимается аналоговой схемотехникой не согласится

Не согласится. Малое значение ЭДС не означает, что ее источник имеет большое внутреннее сопротивление и неспособен отдавать значительный ток в нагрузку. Соединяя последовательно множество термопар, даже создают преобразователи тепловой энергии в электрическую.

Полевые транзисторы появились позже биполярных, и их характеристики долгое время почти по всем параметрам, кроме входного сопротивления, уступали биполярным. Промышленная автоматика для работы с термопарами делалась на биполярных транзисторах и давала вполне практически приемлемые результаты.

Обратное, кстати, тоже неверно. Пьезодатчики дают достаточно высокую ЭДС (даже хватает на создание искры в разрядниках зажигалок), но ток при этом мизерный.

С микроскопом вопрос - это частота кадров в секунду.

Я в данном случае имел в виду одну только линзу, которая позволит обойтись без нанотехнологий при изготовлении нониуса. Можно поставить линейку фотоприемников нормальных размеров со смещением.

Мелкоскоп не плохой. Вот у меня такой камеры нет, только аналоговые с диким шумом.

Все в Ваших руках, если реально нужно - на Али цена удовольствия 883 деревянных рубля даже по сегодняшнему конскому курсу.

Есть, кстати, еще одна недорогая и полезная в хозяйстве вещь из этой серии: USB-эндоскоп. Аналогичная камера толщиной с карандаш на длинном кабеле (у меня 5 метров, есть и длиннее, но дороже), несколько полезных насадок, встроенная подсветка. позволяет заглянуть в разные труднодоступные и интересные места. Мне обошлась рублей в 400.

Тоже идея, как сделать для оптики диск: можно ведь взять за базу болванку mini CD, её диаметр 80 мм, и создать образ диска такой, чтобы при его прожиге на болванке формировались необходимые штрихи. Правда вариант не серьёзный, но, возможно, натолкнёт на что-либо более перспективное.

Сомневаюсь в стабильности такого метода, мешанина из CAV и CLV при записи очень усложнит процесс. Кроме того, такой диск не получится использовать на просвет, а на отражение конструкция усложнится (если вообще реализуема простыми средствами). Мне кажется, гравировка на ЧПУ практичнее всего. Особенно если обзавестись подходящей делительной головкой (все больше точу на нее зуб).

[Aether]

Самый простой вариант - на одном полевом транзисторе и резисторе (с p-n переходом либо встроенным каналом). Схема чуть посложнее (и получше) - "токовое зеркало", два биполярных транзистора. Более сложные схемы дают большую точность.

Тут вопрос больше в практике применения, согласен, что где-то мои познания скромны, но разве в этом грех? Эти схемы как бы компенсируют одно за счёт другого, при этом транзистор не совсем линейный прибор. Беспокоит то, как это будет работать, именно, с очень маленькими токами.

Это не так. Операционные усилители обычно охвачены глубокой отрицательной обратной связью по напряжению, которая меняет характеристики в положительную сторону (причем характеристики могут быть и без этого весьма неплохими).

Согласен, хотя опять таки нужно убедиться экспериментально. И вопрос в том: как поступить, если захочется реализовать именно ёмкостный вариант? То есть, какой путь более перспективен, и почему?

Полевые транзисторы появились позже биполярных, и их характеристики долгое время почти по всем параметрам, кроме входного сопротивления, уступали биполярным. Промышленная автоматика для работы с термопарами делалась на биполярных транзисторах и давала вполне практически приемлемые результаты.

Да, однако, лампы появились до транзисторов вообще. У нас в ЦЗЛ сохранились, например, ламповые вольтметры.

Можно поставить линейку фотоприемников нормальных размеров со смещением.

Нониус хорош в представлении, тем не менее, его применение не снижает точность изготовления, то есть, в первом случае нормируется точность диска. При использовании нониуса, во втором случае, будет нормироваться ещё и точность корпуса.

Мне кажется, гравировка на ЧПУ практичнее всего. Особенно если обзавестись подходящей делительной головкой (все больше точу на нее зуб).

Тогда порекомендую делительный столик. Чаще всего он диаметром в районе 300-350 мм. Устанавливается горизонтально, есть, как радиальная шкала, так и боковая рукоять с лимбом. Делительные головы обычно Т-образные, и имеют диск с фиксированным количеством отверстий.

Самое точное ЧПУ - электроэррозионная резка проволокой. Самая тонкая вольфрамовая проволока около ф0,02 мм. Ей можно подойти с края диска и пройти его за один проход, будет точный щелевой край.

[Dale]

транзистор не совсем линейный прибор.

Это не беда. Я не знаю ни одного сколько-нибудь линейного активного электронного элемента, даже включая любимые староверами вакуумные лампы. Здесь все решает грамотная схемотехника, позволяющая получать требуемые параметры от неидеальных элементов.

Один из важнейших инструментов - ООС.

Беспокоит то, как это будет работать, именно, с очень маленькими токами.

Не факт, что токи должны быть очень маленькими.

вопрос в том: как поступить, если захочется реализовать именно ёмкостный вариант?

Я вижу два пути измерения небольшой емкости:

1. Попытаться создать прибор с входной емкостью на пару порядков меньше измеряемой.

2. Если п. 1 реализовать не получилось, создать прибор со сравнимой входной емкостью и периодически калибровать. При наличии встроенного процессора это элементарно.

Да, однако, лампы появились до транзисторов вообще. У нас в ЦЗЛ сохранились, например, ламповые вольтметры.

Интересно, как они проходят поверку. Лампы должны деградировать за такое время, а новых достать негде.

Своеобразные девайсы, к ним нужно уметь приспособиться. Например, меня в студенчестве здорово подвел ламповый блок питания (пришлось взять со склада, что было, более современные растащили штатные сотрудники НИИ). Я не знал, что в процессе прогрева он выдает гораздо большее напряжение, чем то, которое задано на панели. Спаял макет, подключил к выключенному блоку питания, щелкнул тумблером и получил несколько угольков. Потери составили пару не слишком дефицитных операционных усилителей и изрядно дефицитный тогда транзистор с изолированным затвором.

Тогда порекомендую делительный столик. Чаще всего он диаметром в районе 300-350 мм. Устанавливается горизонтально, есть, как радиальная шкала, так и боковая рукоять с лимбом.

Я нечто наподобие и планирую соорудить - диск с приводом от шагового двигателя через зубчатый ремень. Двигатель на 200 шагов, плюс режим микрошага 1/16 или 1/32, плюс за счет разности диаметров ведущей и ведомой шестерен получится еще редуктор раз в 10 - итого разрешение порядка угловой минуты. Конечно, разрешение не есть точность, но и у меня ведь дома не Сколково (по крайней мере, по объемам финансирования).

Самое точное ЧПУ - электроэррозионная резка проволокой. Самая тонкая вольфрамовая проволока около ф0,02 мм. Ей можно подойти с края диска и пройти его за один проход, будет точный щелевой край.

Не, для меня в домашних условиях это ненаучная фантастика, по крайней мере сейчас. Максимум, на что сейчас могу (и планирую) замахнуться, - это полупроводниковый лазер, но у него пятно порядка 100 микрон.

[Aether]

Интересно, как они проходят поверку. Лампы должны деградировать за такое время, а новых достать негде.

Срок службы ламп можно продлить, жертвуя некоторыми из их параметров, например, снижая напряжение накала, увеличивая габарит. В среде музыкантов по прежнему пользуются популярностью ламповые усилители, так что их производят и продают, просто лампы исчезли из широкой части гражданского оборота. А в военной сфере, полагаю, они останутся ещё надолго.