Фотоэлектрический датчик скорости вращения Советский патент 1984 года по МПК G01P3/36 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть испол зовано для измерения скорости вращения оптико-механических разверты вающих и сканирующих систем, а так же при построении прецизионных сис тем стабилизации скорости вращении объекта. Известен фотоэлектрический датчик скорости вращения, который содержит осветитель, объект,поэиционно-чувствительный фртрприемник, блок управления,компаратор, формирователь пускового импульса, два блока совпадений и триггер ij . Недостатком этого датчика является его сложность и низкая поме хозащищенность, поскольку импульсные амплитудные помехи или паразит ные световые сигналы на входе устройства приводят к появлению на вы ходе устройства ложного сигнала или наоборот к пропаданию информационного сигнала. Это происходит из-за помехи, которая,- попадая на вход триггера, переводит состояние его выхода на противоположное. Наиболее близким к предлагаемом по технической сущности является фотоэлектрический датчик скорости вращения, содержащий последователь но расположенные оптически согласо ванные осветитель, оптическую систему, позиционно-чувствительный фо топриемник, четыре предварительных усилителя, два суммирующих усилителя, два логарифмических усилителя, кроме того, две смены строби рования, дифференциальный усилител ограничитель, элемент ИЛИ и регули рующий усилитель. Причем выходы четырех квадрантов фотоприемника через четыре предварительных усилителя соединены с входами первого и второго суммирующих усилителей, выходы которых соединены соответст венно с входами первого и второго логарифмических усилителей, выходы логарифмических усилителей соедине ны соответственно с входами первой и второй схемы стробирования, выход первой схемы стробирования сое динен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, а выход второй схемы стробирования соединен с неинвертирующим входом;дифференциального усилителя, а также выходы первой и второй схем строби рования соединены соответственно с первым и вторым входами элемента ИЛИ, выход элемента ИЛИ через регулирующий усилитель соединен с стробирующими входами четырех пред варительных усилителей, а выход дифференциального усилителя соединен с, входом ограничителя 2 . Недостатком известного устройства, ограничивающим его применение в качестве датчика скорости вращения в развертывающих и сканирующих устройствах оптико-механических систем, является его низкая помехозащищенность от паразитных засветок квадрантов фотодиода и от влияния амплитудных помех, наведенных на входе устройства, поскольку любая помеха усиливается в устройстве и, проходя через весь тракт преобразования, образует на выходе устройства ложный импульс. Целью изобретения является повышение помехозащищенности фотоэлектрического датчика скорости вращения. Поставленная цель достигается тем, что в фотоэлектрический датчик скорости вращения, содержащий последовательно расположенные оптически согласованные осветитель, объектив, линзу, позиционно-чувствительный фотоприемник, квадранты которого соединены с входами четырех предварительных усилителей, а выходы первого и второго предварительных усилителей соединены с входами суммирующего усилителя, введены разностный усилитель, два компаратора и элемент И, причем выходы третьего и четвертого предварительных усилителей соединены с входами разностного усилителя, а выходы сум-, мирующего и разностного усилителей через компараторы соединены соответственно с первым и вторым входами элемента И.j Такое построение схемы фотоэлектрического датчика скорости вращения позволяет повысить помехозащищенность устройства от действия паразитных засветок, поскольку его выходной сигнал формируется по двум параллельным ветвям - по сумме и по разности уровней выходных напряжений с квадрантов, фотоприемника, и только одновременное наличие сигналов с двух параллельных ветвей обеспечивает появление выходного им{пульса. Образование информационного сигнала с фотоэлектрического датчика происходит при прохождении световым пятном квадрантов фотоприемника в строго определенной последовательности : одна пара квадрантов формирует с помощью суммирующего усилителя и компаратора сигнал суммыj а другая пара квадрантов с помощью разностного усилителя и компаратора - сигнал разности. С помощью элемента И происходит логическое сравнение этих сигналов. Только при одновременном наличии сигналов на двух входах элемента И образуется выходной сигнал фотоэлектрического

датчика, а именно при наличии светового пятна от момента прихода его на определенные квадранты фотоприемника до прохождения им центра фотоприемника. При паразитной засветке одного из квадрантов фотоприемника либо любых других последовательно или накрест расположенных и засвечиваемых поочередно или одновременно, либо трех квадрантов, либо всех четырех квадрантов при нарушении последовательности прохождения световым пятном квадрантов фотоприемника выходной сигнал фотодатчика не образуется, поскольку на одном из входов элемента И присутствует запрещающий потенциал логического нуля, образованный либо разностным, либо суммирующим усилителем и соответствующим компаратором. При этом амплитуда помехи на входе устройства и величина паразитной засветки не оказывают на работу фотоэлектрического датчика никакого влиянияi

Только в том случае, Когда световая помеха пройдет по тем же квадрантам и в той же последовательности, которая свойственна информационному сигналу, то на выходе фотодатчика возможно появление ложного импульса. Таким образом, фотодатчик не устраняет полностью возможность прохождения на выход устройства помехи, а снижает вероятность ее прохождения.

На фиг.1 приведена блок-схема фотоэлектрического датчика скорости вращения; на фиг.2-8 - эпюры напряжений на выходах отдельных блоков фотоэлектрического датчика скорости вращения для случая, когда световое пятно пересекает сначала квадранты А и О а затем квадранты В и с . Датчик скорости вращения содержит (фиг.1) осветитель I, оптическую систему 2, позиционно-чувствительный фотопр.иемник 3, предварительные усилители 4-7, суммирующий усилитель 8, разностный усилитель 9, компараторы 10 и 11, элемент И 12. Выходы с квадрантов А и В позиционно-чувствительного фотоприемника подключены через предварительные усилители 4 .и 5 к суммирующему усилителю, а выходы с квадрантов С иВ фотоприемника подключены через предварительные усилители 6 ri 7 к разностному усилителю. .

Устройство работает следующим образом.

световое пятно, созданное осветителем 1, обрабатывается и фокусируется оптической системой 2 на позиционно-чувствительный фотопри- , емник 3. В качестве последнего мо- i

жет исполь,зойаться, например, четы;рехквадрантньзй фотодиод, квадранты которого ориентированы по линии перемещения светового пятна, пересе,каютего сначала квадранты А и О, а затем В и С . В период, когда световое пятно находится вне фотоприемника, напряжение на выходах предварительных усилителей 4-7, предназначенных для усиления мощности сигналов, поступающих с фотоприемника 3, равно нулю, а следовательно, и на выходах суммирующего усилителя 8 и разностного усилителя 9, компараторов 10 и 11 напряжения также равны нулю. Поскольку компараторы 10 и 11 работают в режиме индикаторов момента превышения сигналом нулевого уровня и их выходные сигналы находятся на стандартных уровнях единицы или нуля, соответствующих вход0ным управляющим напряжениям цифровых схем, то на выходе элемента И, предназначенного для осущест1.ления операции логического умножителя сигналов , поступающих с разностного и суммирующего усилителей, присутствует потенциал логического нуля, что соответствует отсутствию выходного сигнала с .фотоэлектрического датчика скорости вращения. I. .При появлении информационного сигнала световое пятно появляется сначала на квадрантах А и D фотоприемника 3 (фиг.2 и 3), при этом на выходах предварительных усилителей 4 и 7 появляется напряжение, пропорциональное площади засвеченных участков, на выходах предварительных усилителей 5 и б - нулевое напряжение, на выходе суммирующего усилителя 8 (фиг.4) и разностного усилителя 9 (фиг.5) образуется положительный потенциал, на компараторах 10 и 11 он преобразуется в стандартный уровень логической единицы (фиг.б и 7),а на выходе элемента И 12 появляется уровень логической единицы (фиг.8),т.е. формируется передний фронт выходного сигнала. Ко.гда световое пятно расположено, больше на квадрантах А и D, чем на В и С, на выходе элемента 12 присутствует уровень логической единицы, что означает наличие на выходе устройства сигнала. При дальнейшем движении светового пятна напряжение на предварительных усилителях 4 и 7 уменьшается, а на предварительных усилителях 5 и б возрастает. На выходе разностного усилителя при этом напряжение уменьшается , при совмещении центра светового пятна с центром фотоприемника разность напряжений на выходе раэjкостного усилителя 9 равна нулю, на выходе компаратора образуется запрещающий потенциал логического нуля, а на выходе суммирующего усилителя 8 - положительное напряжение, равное сумме сигналов с предварительных усилителей 4 и 5, компаратор 10 преобразует его в стандартный сигнал логической единицы, на выходе логического элемента 12 при сравнении сигналов с компараторов 11 и 10 появляется потенци ал логического нуля, состояние выхода элемента 12 меняется на противоположное, т.е. формируется задний фронт выходного импульса сигнала датчика скорости вращения.

При дальнейшем движении светового пятна (световое пятно расположено больше на квадрантах 6 и С фотоприемника) на выходе предварительного усилителя 6 напряжение увеличивается, а на предварительном усилителе 7 уменьшается, на выходе разностного усилителя 9 появляется отрицательный потенциал, на выходе компаратора 11 при этом остается запрещающий для элемента И 12 потенциал логического нуля, на выходе элемента И 12 - также потенциал логического нуля, т.е. выходной сигнал датчика скорости отсутствует.

При вращении объекта в противоположном направлении (световое пятно пересекает сначала квадранты В и С, а затем А и D) устройство работает аналогичным образом, только стабильным будет передний фронт выходного сигнала датчика скорости вращения.

При засветке одного из квадрантов фотоприемника, например квадранта А , на выходе суммирующего усилителя 8 появляется напряжение, пропорциональное площади засвеченных участков квадранта фотоприемника, а на разностном усилителе присутствует нулевой потенциал, значит на выходе устройства сигнал отсутствует, также и при засветке квадранта I) выходной сигнал устройства равен нулю, так как на выходе суммирующего усилителя 8 напряжение .равно нулю, значит и на выходе элемента 12 присутствует потенциал логического нуля. Выходной сигнал

отсутствует и тогда, когда произошла ложная засветка пары квадрантов ф6топриемника, например, А и и С ,А и С либо трех квадрантов А , В и С. в этом случае происходит

0 усиление этой помехи по напряжению на предварительных усилителях 4-7, суммирование и вычитание этих напряжений - на суммирующем и разностном усилителях, но в любом случае

5 только на одном из выходов компараторов 10 и 11 присутствует потенциал логической единицы, а на другом компараторе в это же время присутствует потенциал логического нуQ ля, а значит и на выходе устройства отсутствует выходной сигнал. При.одновременной паразитной равномерной засветке всех четырех квадрантов фотоприемника ложный сигнал

5 также не проходит на выход датчика скорости вращения, так как сигналы на предварительных усилителях б и 7 равны по амплитуде, значит на выходе разностного усилителя напряжение равно нулю, а на выходе элемента 12 присутствует потенциал логического нуля, и значит на выходе устройства отсутствует выходной сигнал.

Таким образом, выходной сигнал фотоэлектрического датчика скорости вращения возникает на выходе устройства только при наличии светового пятна одновременно как ми- нимум на двух квадрантах фотоприемника, расположенных по направлению перемещения светового пятна.

Технико-экономические преимущества предлагаемого датчика скорости вращения по сравнению с известным 5 заключается в повышении помехозащищенности устройства и в сокращении числа элементов, входящих в систему устройства.

Фиг. I

Фиг.

Фиг 4

Фиг. 5

Фиг. 6

Фиг ФигВ

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ, содержащий последовательно расположенные оптически согласованные осветитель, объектив, линзу, позиционно-чувствивсесоюзйАя г ТЕКТйО. , К1е.,ГКлК К5ВЛ§ОТ /;)1 тёльный фотоприемник, квадранты которого соединены с входами четырех .предварительных усилителей, а выходы первого и второго предварительных усилителей соединены с входами суммирующего усилителя, отличающийся тем, что, с целью повышения помехозащищенности, в него введены разностный усилитель, два компаратора и элемент И, при этом выходы третьего и четвертого предварительных усилителей соединены с входами разностного усилителя, а выходы суммирующего и разностного усилителей через компараторы соединены соответственно с перВЕлм и вторым входами элемента И. 00 СП г