ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК G01B21/00 

Устройство относится к измерительной технике и может быть использовано в системах технического зрения, устройствах автоматики и телемеханики для дистанционного определения положения объектов в пространстве, когда информативным параметром является положение зоны с неравномерной освещенностью, сформированной на фоточувствительном приемнике.

Известны оптико-электронные датчики перемещения, выполненные на приборах с зарядовой связью, например [1]. Их основные недостатки: чувствительность к засветке и ограниченное быстродействие, обусловленное ограничением скорости накопления и переноса заряда, сложность.

Известен мультискан с электрической схемой коммутации [2], который как датчик перемещения чувствителен к фоновой засветке.

Прототипом предлагаемого датчика является "Устройство для определения светового пятна'' [3].

Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом решает задачу повышения динамической точности, надежности и расширения функциональных возможностей, в частности обеспечения контроля оптического сигнала между излучателем и приемником.

Блок-схема устройства изображена на чертеже.

Оптико-электронный датчик перемещения содержит объект перемещения 2, с размещенным на нем уголковым отражателем 1, приемопередающую систему 3, включающую в себя светодиод с конденсором 4 и мультискан 5 с объективом 6, генератор импульсов напряжения 7, преобразователь 8, усилитель 9, схему выборки-хранения 10, интеграторы 11 и 12, источники смещения 13 и 14, реле 15 со своими контактами 16 и 17, источник питания с выводами 18 и 19. Выход интегратора 12 является первым выходом 20, а контакты 16 реле 15 вторым выходом 21 устройства; 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 - операционные усилители; 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 - резисторы; 48, 49, 50, 51, 52 - конденсаторы; 53 - электронный ключ.

Генератор импульсов 7 соединен со светодиодом 4 и с электронным ключом 53 устройства выборки-хранения 10. Светодиод с конденсором 4 и объектив 6 мультискана 5 установлены так, что отраженный уголковым отражателем 1 световой поток находится в поле зрения объектива, который строит изображение конденсора на фоточувствительной линейке мультискана. При перемещении уголкового отражателя поперек световых лучей в плоскости чертежа это изображение перемещается по фоточувствительной линейке. Делительная шина мультискана 5 соединена с источниками смещения 13 и 14, первые входы которых соединены с выходом интегратора 12, а вторые - с отрицательной 18 и положительной 19 шинами двуполярного источника питания. Общая шина мультискана 5 через последовательно соединенные преобразователь 8, усилитель 9, схему выборки-хранения 10, интеграторы 11 и 12 соединена с первым выходом устройства 20 и с первыми входами источников смещения 13 и 14. Вторые входы интеграторов 11 и 12 соединены с шинами 18 и 19 соответственно. Обмотка реле 15 подключена к выходу интегратора 11, его контакты 16 соединены со вторым выходом 21 устройства, а контакты 17 включены между входом и выходом операционного усилителя 27.

Преобразователь 8 выполнен на операционных усилителях 22, 23 и 24, соединенных в кольцо, на первом из которых собран преобразователь ток - напряжение, на втором - усилитель напряжения, на третьем - интегратор. Усилитель напряжения 9 выполнен на операционном усилителе 25, на выходе которого включен разделительный конденсатор 49. Устройство выборки-хранения содержит электронный ключ 53, коммутируемый генератором 7, и запоминающий конденсатор 50. Интеграторы 11, 12 и источники смещения 13 и 14 выполнены на операционных усилителях 26, 27, 28 и 29 соответственно. В обратной связи операционного усилителя 26, кроме необходимого конденсатора 51, включен резистор 39 для получения дифференцирующего эффекта. Все устройства, выполненные на операционных усилителях, имеют стандартное исполнение (см., например, [4], с. 27, 94).

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Генератор импульсов 7 вырабатывает импульсы напряжения прямоугольной формы высокой частоты, которые через светодиод 4 создают модулированный световой поток и синхронно с частотой модуляции коммутируют ключ 53 устройства выборки-хранения 10. Световой поток светодиода, сформированный конденсором в параллельный пучок, отражается уголковым отражателем 1 на объектив 6, который формирует сфокусированное модулированное световое пятно на мультискане 5. Одновременно на фоточувствительную поверхность мультискана через объектив 6 попадает фоновая засветка, распределение которой вдоль фоточувствительной поверхности мультискана носит случайный характер в зависимости от окружающей объект перемещения 2 световой обстановки, воспринимаемой объективом 6. Устройство содержит два работающих практически независимо дpуг от друга следящих контура, один из которых воспроизводит в определенном масштабе суммарный ток фоновой засветки мультискана, другой - воспроизводит перемещение уголкового отражателя 1 в поле зрения объектива 6. Первый следящий контур, играющий вспомогательную роль, образует преобразователь 8, выполненный, как указано, из трех, соединенных в кольцо элементов, образующих следящую систему. Задающим воздействием этой следящей системы является ток фоновой засветки, снимаемый с общей шины мультискана 5, а выходной величиной - выходное напряжение операционного усилителя 24. Так как следящий контур астатический, то ошибка этой системы по отношению к постоянному и медленноменяющемуся току фоновой засветки равна нулю, поэтому с выхода усилителя 22 снимается сигнал, пропорциональный, во-первых, величине модулированного светового потока, воспринимаемого фоточувствительной пластинкой мультискана, во-вторых, - пропорциональный рассогласованию между центром модулированного оптического пятна на мультискане и его так называемой эквипотенциалью, положение которой на фоточувствительной линейке мультискана определяется разностью напряжений, прикладываемых к делительной шине, снимаемых с выхода источников смещения 13 и 14. В исходном положении, когда центр оптического пятна и эквипотенциаль находятся посредине линейки мультискана, выходные напряжения источников смещения 13 и 14 равны и противоположны по знаку, при этом выходное напряжение интегратора 11 при равенстве сопротивлений резисторов 43, 46 и 42, 45 соответственно равно нулю. При наличии рассогласования между эквипотенциалью и модулированным световым пятном, вызванным перемещением уголкового отражателя, сигнал рассогласования, снимаемый с усилителя 22, усиливается усилителем 9 и через разделительный конденсатор 49 поступает на схему выборки-хранения 10, которая в данном случае играет роль фазового детектора, так как с его выхода - конденсатора 50 снимается постоянное напряжение, полярность которого изменяется при изменении фазы входного сигнала на 180 град. Это напряжение по цепи вызывает изменение выходных напряжений интеграторов 11 и 12 и далее - дисбаланс выходных напряжений источников 13 и 14, который приводит к смещению эквипотенциали в направлении уменьшения рассогласования. В каждом новом согласованном положении выходное напряжение интегратора 12 будет в соответствующем масштабе пропорционально величине перемещения модулированного светового потока вдоль фоточувствительной линейки мультискана. Полярность выходного напряжения изменяется в зависимости от направления смещения пятна относительно среднего положения. Таким образом, обеспечивается линейная зависимость выходного напряжения интегратора 12 от перемещения уголкового отражателя 1, что и требуется.

Контроль наличия оптического сигнала, который невозможно обеспечить измерением промежуточных переменных, так как все они имеют практически нулевые значения в следящем режиме, обеспечивается следующим образом. На вход интеграторов 11 и 12 через резисторы 38 и 41 соответственно подаются постоянные напряжения смещения от источников 18 и 19, которые не нарушают работу следящей системы, ввиду их малости по сравнению с динамическим диапазоном изменения входных сигналов этих интеграторов. Величины напряжений смещения, приведенные к сигнальным входам интеграторов составляют 10...100 мВ и по нижнему уровню должны быть не меньше, чем собственные напряжения смещения операционных усилителей 26 и 27. При указанном уровне выходного сигнала интегратора 11 реле 15 не срабатывает и цепь, соединенная с выходом 21, будет разомкнута. При отсутствии оптической связи (между элементами 4, 2 и 6) модулированный сигнал и сигнал, снимаемый с устройства выборки-хранения, будет равен нулю. При этом под действием тока смещения, протекающего через резистор 38, интегратор 11 насыщается, реле 15 срабатывает и своими контактами 16 замыкает цепь выхода 21 устройства, а контактами 17 - вход и выход операционного усилителя 27, обнуляя тем самым выходной сигнал устройства. По схеме чертежа изготовлен макетный образец устройства и проведены его испытания. Устройство не чувствительно к фоновой засветке практически при любом ее уровне ниже уровня насыщения мультискана. Благодаря второму интегратору обеспечены более высокая динамическая точность, обусловленная повышением порядка астатизма следящей системы по модулированному источнику сигнала и возможность контроля потери оптической связи, вызванной, например, загрязнением оптических деталей в реальных условиях эксплуатации.

Источники информации
1. Авторское свидетельство N 1490489, СССР.

2. Авторское свидетельство N 1238644, СССР.

3. Устройство для определения светового пятна. Заявка на изобретение 95-111969 от 11.07.95 г. (положительное решение от 21.10.96 г.) - прототип.

4. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергоатомиздат, 1988.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для дистанционного определения перемещения объектов. Устройство содержит приемопередающую систему, которая включает в себя светодиод с конденсором и мультискан с объективом, преобразователь, интегратор и генератор импульсов. В устройство введены уголковый отражатель, усилитель напряжения, устройство выборки-хранения, второй интегратор, реле и двуполярный источник питания. Устройство позволяет повысить точность измерений и контролировать потерю оптической связи. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Оптико-электронный датчик перемещения, содержащий приемопередающую систему, включающую в себя светодиод с конденсором и мультискан с объективом, преобразователь, вход которого соединен с общей шиной мультискана, интегратор, выход которого соединен с первым выходом устройства и с первыми входами первого и второго источников смещения, выходы которых соединены с первым и вторым выводами делительной шины мультискана соответственно, а также генератор импульсов, соединенный со светодиодом, отличающийся тем, что в него введены уголковый отражатель, размещенный на блоке перемещения и съюстированный с приемопередающей системой, последовательно соединенные усилитель напряжения, устройство выборки-хранения, второй интегратор и реле, а также двуполярный источник питания, причем вход усилителя напряжения соединен с выходом преобразователя, вход управления устройства выборки-хранения соединен с генератором импульсов, вход первого интегратора соединен с выходом второго интегратора, положительный и отрицательный полюсы двуполярного источника питания соединены с вторыми входами первого и второго интеграторов и с вторыми входами первого и второго источников смещения, одна пара контактов реле соединена с вторым выходом устройства, вторая пара включена в цепь обратной связи первого интегратора. 2. Оптико-электронный датчик по п.1, отличающийся тем, что в нем преобразователь выполнен из соединенных в кольцо преобразователя ток - напряжение, усилителя напряжения и интегратора, причем входом-выходом устройства служат вход-выход соответственно преобразователя ток - напряжение. 3. Оптико-электронный датчик по п.1, отличающийся тем, что в нем устройство выборки-хранения выполнено в виде ключа с запоминающим конденсатором, включенным на выходе. 4. Оптико-электронный датчик по п.1, отличающийся тем, что уголковый отражатель выполнен в виде призмы, длина которой равна межосевому расстоянию конденсора и объектива и приемопередающей системы.