Фотоэлектрический преобразователь перемещений Советский патент 1987 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к области измери- гельной техники и может быть использова- яо для измерения перемещений с помощью фотопотенциометров.

Цель изобретения - повыщение точности измерений за счет устранения случайных погрещностей, обусло 5ленных неоднородностью проводимости фотопроводящего слоя фотопотенциометра.

На фиг. 1 изображена схема фотоэлектрического преобразователя перемещений; на фиг. 2 - принципиальная схема фотоэлектрического преобразователя перемещений при измерении перемещений по одной из осей координат; на фиг. 3 - то же, при проведении коррекции значений выходного сигнала.

Фотоэлектрический преобразователь содержит источник 1 света, последовательно установленные по ходу светового луча теневую маску 2, связываемую с перемещаю- nuiMCH объектом, дифференциальный фото- н)пемпик 3, включенный в первую мостовую схему 4 измерения с цифровым вольтметром 5 в измерительной диагонали и во вторую мостовую схему 6 измерения с цифровым вольтметром 7 в измерительной диагонали, и коммутационный блок 8.

Теневая маска 2 содержит равновеликие первый и второй прозрачные участки 9 и 0, выполненные симметричными относительно плоскости, перпендикулярной оси чувствительности дифференциального фотоприемника 3, и имеющие форму прямоуголь}1иков. Дифференциальный фотоприемник 3 выполнен в виде двух фотопотенциометров 11 и 12. Первый фотопотенциометр 11 оптически связан с первым прозрачным участко.ч 9, второй фотопотенциометр 12 оптически связан с вторым прозрачным участком 10. Каждый из фотопотенциометров 11 и 12 имеет нанесенные на диэлектрическую подложку 13 резистивные слои 14 и 15 и коллекторы 16 и 17, между которыми расположены фотопроводящие слои 18 и 19. Резистив- пый сло11 14 первого фотопотенциометра 1 имеет выводы 20 и 21, а резистивный слой 15 второго фотопотенциометра 12 имеет выводы 22 и 23.

На фотопроводящие слои 14 и 15 пе|)- вого и второго фотогютенциометров И и 12 спроецированы первый и второй прозрачные учае1 К11 9 и 10 тепевой маски 2 соотвстст- игнно, представляющие собой световые зоп- лы 24 и 25.

Коллекторы 16 и 17 фотопотен1 иометров I 1 и 12 соединены с вольтметром 5.

Коммутационный блок 8 имеет два состояния и обеспечивает включение каждого из двух фотопотепциометров 11 и 12 дифференциального фотоприемника 3 в одно из плеч мостовой схемы 4 измерения. Первый фото- потепциометр 1 1 включен в мостовую схему 4 измерения в качестве первого рабочего плеча, второй потенциометр 12 - в качестве второго рабочего плеча.

0

0

5

0

5

0

5

0

5

В первом состоянии вывод 21 фотопотенциометра 11 соединен с выводом 22 фотопотенциометра- 12 (фиг. 2). Во втором состоянии вывод 21 фотопотенциометра 11 соединен с выводом 23 фотопотенциометра 12 (фиг. 3). Во вторую мостовую схему 6 измерения дифференциальный фотоприемник 3 включен постоянно в первое рабочее плечо (фиг. 2 и 3).

Преобразователь работает следующим образом.

Д.ЛЯ преобразования однокоординатных перемещений теневой маски 2 вдоль оси чувствительности дифференциального фотоприемника 3 коммутационный блок 8 должен находиться в первом состоянии. В этом случае первый и второй фотопотенциометры 1 и 12 дифференциального фотоприемника оказываются включенными в мостовую схему 4 измерения в качестве переменных резисторов 26 и 27 соответственно.

Ток по первому фотопотенциометру 1 протекает от вывода 20 по резистивному слою 14 до точки попадания светового зонда 24 на фотопроводящий слой 18, откуда через фотопроводящий мостик поступает на коллектор 16, доходит до фотопроводящего мостика в точке попадания светового зонда 25 на фотопроводящий слой 19, снова поступает на резистивный слой 15, течет до вывода 23 и далее в мостовую схему 4 измерения. Таким образом, участок резистивного слоя 14 первого фотопотенциометра И от точки попадания светового зонда 24 до вывода 21 и участок резистивного слоя 15 второго фотонотен шометра 12 от точки попадания светового зонда 25 до вывода 23 оказываются защунтированны.ми через сравнительно низкоомные фотопроводящие мостики и коллекторы 15 и 17. При HepeMenj.eHHH теневой маски 2 изменяются длина шунтируемых участков резистквных слоев 14 и 15, что приводит к одновременному разнонаправленному изменению на одинаковую величину сопротивлений 26 и 27 (фиг. 2) и, соответственно, выходного напряжения мостовой схемы 4 измерения.

Для определения наличия под световыми зондами 24 и 25 относительной неоднородности фотопроводимости фотонроводя- щих слоев 18 и 19 и введения коррекции в значение выходно1Ч) сигнала мостовой схемы 4 измерения при преобразовании перемещений, коммутационный блок 8 должен находиться во втором СОСТОЯ1ЩИ. В этом состоянии показания цифрового вольтметра 7 не используются. Во время перек.:|ючения световой зонд не перемещается.

В этом случае первый и второй фотопотенциометры 11 и 12 оказываются включенными в мостовую схему 4 измерения в качестве двух переменных резисторов 26 и 27 (фиг. 3). Шунтирование резистивного слоя 4 первого фотопотенциометра 11 осуществляется ана. югично. Резистивпый с. юй

15 второго фотопотенциометра 12 шунтируется от точки попадания светового зонда

25на фотопроводящий слой 19 до вывода 22. При перемепдении теневой маски 2 изменяется длина шунтируемых участков резис- тивных слоев 14 и 15, что приводит к одновременному однона;1равленному изменению на одинаковую величину сопротивлений

26и 27. При этом коэффициент симметрии мостовой схемы 4 останется таким же, как и при первом положении коммутационного блока 8. Если значение выходного напряжения вольтметра 5 изменяется, то это свидетельствует о наличии относительной неоднородности фотопроводимости. Неоднородная фотопроводимость в пределах ширины зон- довых областей 24 и 25 приводит к несовпадениям геометрического и электрического центров зонда.

Это проявляется через изменение относительных сопротивлений рабочих плеч мостовой схемы

Л, AR/R,

где ДК - часть сопротивления резистивно- го слоя, заключенная между геометрическим и электрическим центрами зонда; R - сопротивление резистивного слоя.

Для наиболее полного устранения влияния погрешностей на конечный результат измерений должно быть одновременно реализовано не менее трех уравнений, связыва- юших неизвестные Дь Д2, и входную величину x(t). Входной величиной является относительное из.менение сопротивле11ий плеч мостовой схемы

KlEof x(t)

Рассматривая режим работы измерительного преобразователя, соответствующего питанию мостовой схемы от источника напряжения и работе на схему с больши.ч входным сопротивлением, имеем функцию преобразования следующего вида:

ивых

Up(e.i+ к-2)

(Р+1)(Р+1+Р8,-е2)

0

5

У; - показания uiuppoBoro ко.льтмотра ,.;

Р - КОЭффиЦНС г OHNiMCrpUn ЮCГ)

схемы 4 и:ш..рения.

Функция ipoo6pa:u)r aiiHH мостслн).: Mhi 6 измерения п первом состоянии тационного блока 8 соответствует преобразования мостовой схемы с одним рабочим плечом, Величи.на t- 1,)ав11а иу,::(1 вследствие однона|1рав, 1ег.ного перемешсм .ня зондов на одинаковую величину. Относительное изменение сопротив.чения рабочпч) плеча равно Ai- А.

Как следует из {1) UP2 дI - AJ

-- Р24-1 P2+l+FT(Z7-----Ai ) (3)

что эквивалентно уравнению

л , ( I -г А2

30

20 где у2 - показа1П Я цифрового о вольтмотра; Pj - коэффиц1 ент С :м етрии мостовой схемы 6 измерения;

У«;

Функция преобразования мостовой схемы 4 измерения во втором состоянии KONU мутационного блока 8 соответствует ф)::к- ции преобразования .мостовой схемы с .мя рабочими плечами вследстгьнс рая.чо)-;:- правленного перемсшснш-: зоилов. Относительное ii3Mei-ieiiue сопротивления ncpi -orn рабочего плеча равно Ai, а вго|1о;ч1 .л-.

Как следует из ( i

UP,

25

35

PI + PH-I

где

УЗ - показания цифровог о 7, что эквн15а.1ент1)

40

(1- -Р|У«;) (l+У jVtli V:

и

где

питания

где и,, - напряжение источника

мостовой схемы;В результате решения сисгемы ураиисР коэффициент симметрии моста;ний (2), (4), (6) получено вырГ1ЖС 1ИС

, f- -- относительные изменения сопро- r

тивлений нлеч мостовой схемы под е (2-f действием входной величины x(t)j Linux -- нанряжен1 е в измерительной диагонали .мостовой схемы. Как следует из выражения (1), в первом состоянии коммутационного блока 8 50 функция преобразования мостовой схемы 4р.(р,а i -у, ((р. Ц-i)v. I

у,

и

Рз(Рз+1) о1( 2+1)

эквивалентна линейному алгебраическому

уравнению

1 - у.Р,) п + ( 1 +yv.) F2+ (1 --Р,у.м|) л I +

+ ()А2 (1+Р|),(2)которое при . I экннвалентни выгде (- Р2 р;55 раженпю

PI + I V,,2 + V., -- m.jy:4,.

y.v,,

и

i:- и и - 5

4,

, ((

у,

и

Рз(Рз+1) о1( 2+1)

,2 + V., -- m.jy:i:- и и - 5

4,

Р::(1 Н-1)У2 --и1

TjiKnM образом, Ежлючение фотопотоь:- ииомегрои 11 и 12 дифференциального фотоприемника 3 в мостовые схемы 4 и 6 позволяет сравнивать их характеристики и учитывать относительные неоднородности в момент преобразования положения теневой маски 2.

Формула изобретения

Фотоэлектрический преобразователь перемещений, содержащий источник света, последовательно установленные по ходу светового потока теневую маску с первым и вторым равновеликими прозрачными участками и дифференциальный фотоприемник, первую мостовую схему измерения, коммутационный блок, прозрачные участки теневой маски выполнены симметрично относительно плоскости, перпендикулярной оси чувствительности дифференциального фото1 ;1исмника, r ii::i:r ::... , чтг), с ;.,, : -: iH)Bi) TO -iiioci и :..1л:(М)ен1-1Й, он снабжен rropoi i мостовой схемой измерения, начало первого рабоче -о п;1еча первой мостовой схемы соединено с началом рабочего

плеча второй мостовой схемы, концы второго рабочего плеча первой мостовой схемы и смежного рабочему плечу измерительного плеча второй мостовой схемы объединены, дифференциальный фотоприемник выполнен в виде первого и второго фотопотенциометров, которые включены в два смежных рабочих плеча первой мостовой схемы измерения в качестве переменных резисторов, вторая мостовая схема имеет одно рабочее плечо, в которое включен дифференциальный фотоприемник, коммутационный блок предназначен для поочередного включения во второе рабочее плечо первой мостовой схемы измерения второго потенциометра таким образом, что к измерительной диагонали второй мостовой схемы измерения подключен первый или второй выводы второго фотопотенциометра.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения перемещений с помощью фотопотенциометров. Цель изобретения - повыщение точности измерений за счет устранения случайных погрещностей, обусловленных неоднородностью проводимости фотопро- водящего слоя. Коммутационный блок 8 имеет возможность соединять с вторым выводом 21 первого фотопотенциометра 11 как первый вывод 22 второго фотопотенциометра 12, так и второй его вывод 23. Дифференциальный фотоприемник 3 при этом включен одновременно в первую и вторую мостовые схемы 4 и 6 измерения одновременно. Такое включение фотопотенциометров 11, 12 в мостовую схему 4 измерения позволяет сравнивать их характеристики и учитывать относительные неоднородности проводимости фотопроводящего слоя фотопотенциометров в момент преобразования положения теневой маски 2. 3 ил. (Л со ел ГчЭ со со