ФОТОБАРЬЕРНЫЙ ДАТЧИК Российский патент 1998 года по МПК G01B11/00 G01B11/02 G01B11/14 G01B21/00 G01B21/02 G01B21/16 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах АСУ ТП промышленных предприятий.

Известен фотобарьерный датчик [1] содержащий расположенные по разные стороны траектории движения объекта источник светового излучения и фотоприемник.

Недостатком такого фотобарьерного датчика является его невысокая надежность, обусловленная наличием двух разнесенных оптических блоков, подверженных вибрации, а также ограниченная область его использования из-за расположения источника светового излучения и фотоприемника по разные стороны от объекта.

Известен также фотобарьерный датчик [2] содержащий в едином корпусе источник модулированного по амплитуде светового излучения в виде светодиода, коллиматор, фотоприемник, селективный усилитель и блок электроники.

Недостаток данного фотобарьерного датчика заключается в том, что он также не обеспечивает высокой надежности. Это объясняется влиянием посторонних засветок, а также размытости или неопределенностью диапазона расстояний от объекта до датчика, в котором происходит его срабатывание.

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности фотобарьерного датчика.

Поставленная задача достигается тем, что в фотобарьерном датчике, содержащем в едином корпусе источник модулированного по амплитуде светового излучения, объектив, за которым расположен фотоприемник, селективный усилитель и блок электроники, согласно изобретению в качестве источника светового излучения используется импульсный лазерный излучатель, луч которого пересекает главную оптическую ось объектива, перед которым расположен светофильтр, на длину волны излучения лазера, а положение фотоприемника относительно объектива выбирается таким образом, чтобы изображение пятна засветки лазерного излучателя на объекте находилось в пределах площадки фотоприемника только тогда, когда объект находится в заданном диапазоне расстояний до фотобарьерного датчика.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом, показывает, что заявляемое устройство отличается от известного тем, что в качестве источника светового излучения используется импульсный лазерный излучатель, луч которого пересекает главную оптическую ось объектива, перед которым расположен светофильтр, на длину волны излучения лазера, а положение фотоприемника относительно объектива выбирается таким образом, чтобы изображение пятна засветки лазерного излучателя на объекте находилось в пределах площадки фотоприемника только тогда, когда объект находится в заданном диапазоне расстояний до фотобарьерного датчика.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них отличительные признаки, присущие заявляемому решению, что позволило сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

Заявляемое решение схематически изображено на чертеже.

Фотобарьерный датчик содержит импульсный лазерный излучатель 1, светофильтр 2, объектив 3 и фотоприемник 4. Все части датчика помещены в единый корпус 5, внутри которого располагаются селективный усилитель 6 и блок электроники 7.

Элементы заявляемого решения связаны между собой следующим образом. Лазерный излучатель 1 испускает луч когерентного монохроматического света, который формирует в случае присутствия объекта в рабочей зоне датчика на объекте пятно лазерной засветки. Далее с помощью объектива 3 изображение этого пятна формируется в плоскости чувствительной площадки фотоприемника. Причем светофильтр 2 пропускает на фотоприемник только излучение лазерного излучателя, диффузно отраженное от объекта. Фотоприемник 4 регистрирует данное световое излучение и формирует переменный электрический сигнал, модулированный по амплитуде с частотой повторения импульсов лазерного излучателя. Сигнал с фотоприемника попадает на селективный усилитель и далее - на блок электроники.

Фотобарьерный датчик работает следующим образом. Луч лазерного излучателя 1 образует на объекте пятно лазерной засветки, изображение которого с помощью объектива 3 формируется на площадке фотоприемника 4. Светофильтр 2 отсекает паразитные засветки с длиной волны излучения, отличной от излучения лазера 1, а селективный усилитель пропускает только модулированный электрический сигнал с частотой модуляции, равной частоте модуляции лазера. При изменении расстояния до объекта изображение пятна засветки смещается по площадке фотоприемника и существует такой диапазон расстояний до объекта, внутри которого данное изображение находится внутри указанной площадки фотоприемника. Таким образом наличие или отсутствие объекта определяется в фиксированном диапазоне расстояний до датчика.

Согласно заявляемому изобретению положение фотоприемника относительно объектива выбирается таким образом, чтобы изображение пятна засветки на объекте находилось в пределах площадки фотоприемника только тогда, когда объект находится в заданном диапазоне расстояний до фотобарьерного датчика. Проведенный расчет фотобарьерного датчика с параметрами:
Расходимость лазерного луча - 1 мрад
Диаметр лазерного луча - 1 мм
Расстояние h между оптическими осями объектива и лазерного луча - 40 мм
Угол между оптическими осями - 0,02 рад
Диаметр объектива - 40 мм
Фокусное расстояние объектива - 100 мм
Расстояние от объектива до площадки фотоприемника - 104 мм
Размеры площадки фотоприемника - 1,5 на 1,5 мм
показал, что диапазон расстояний, при которых изображение пятна лазерной засветки находится в пределах площадки фотоприемника, при заданном смещении Y2 центра этой площадки в плоскости осей и перпендикулярно оси объектива, является следующим:
при Y2 = 0,4 мм - 750...2300 мм
при Y2 = 0,6 мм - 650...2200 мм
при Y2 = 0,8 мм - 550...2050 мм
при Y2 = 1,0 мм - 500...1900 мм
Заявляемый фотобарьерный датчик реализуется следующим образом. В качестве лазерного излучателя используется He-Ne лазер, мощностью излучения 5 мВт, модуляция излучения которого осуществляется электрооптическим модулятором. Светофильтр 2 имеет полосу пропускания, равную длине волны излучения лазера (0,63 мкм). В качестве фотоприемника используется стандартный фотодиод, чувствительная площадка которого имеет размеры 1,5 мм на 1,5 мм. Объективом 3 служит линза с фокусным расстоянием 100 мм. Все детали датчика монтируются в единый корпус. Причем светофильтр, объектив и фотодиод объединены в оптический блок, который с помощью регулировочных винтов может быть повернут относительно оптической оси лазерного излучателя.

Благодаря тому, что в предлагаемом фотобарьерном датчике оптические оси объектива и лазерного излучателя наклонены по отношению друг к другу, диапазон расстояний, в котором происходит обнаружение объекта, имеет резкие границы, определяемые положением фотоприемника относительно объектива, что в свою очередь повышает надежность датчика.

Дополнительным достоинством предлагаемого фотобарьерного датчика является его высокая помехозащищенность от паразитных засветок, например от горячего металлопроката.

Использование: в области измерительной техники и конкретнее в системах АСУ ТП промышленных предприятий. Сущность изобретения: фотобарьерный датчик содержит в едином корпусе 5 импульсный лазерный излучатель 1, светофильтр 2 на длину волны лазерного излучателя 1, объектив 3, за которым расположен фотоприемник 4, селективный усилитель 6 и блок электроники 7. Причем луч лазерного излучателя 1 пересекает главную оптическую ось объектива 3, а положение фотоприемника 4 относительно объектива 3 выбирается таким образом, чтобы изображение пятна засветки лазерного излучателя 1 на объекте находилось в пределах площадки фотоприемника 4 только тогда, когда объект находится в заданном диапазоне расстояний до фотобарьерного датчика. 1 ил.

Фотобарьерный датчик, содержащий в едином корпусе источник модулированного по амплитуде светового излучения, объектив, за которым расположен фотоприемник, селективный усилитель и блок электроники, отличающийся тем, что в качестве источника светового излучения использован импульсный лазерный излучатель, установленный с возможностью пересечения его луча с главной оптической осью объектива, перед которым расположен светофильтр с полосой пропускания, равной длине волны излучения лазерного излучателя, а фотоприемник расположен относительно объектива таким образом, чтобы при заданном диапазоне расстояний от объекта до фотобарьерного датчика сформированное объективом изображение пятна засветки лазерного излучателя на объекте находилось в пределах площадки фотоприемника.