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

Изобретение относится к измерительной технике.

Цель изобретения - расширение диапазона измерений за счет расширения диапазона перемещений световых зондов.

На фиг. 1 изображена схема фото электрического преобразователя перемещений; на фиг. 2-4 - принципиальная схема фотоэлектрического преобразователя перемещений при измерении перемещений по одной из осей координат и при проведении коррекции значений выходного сигнала.

Фотоэлектрический преобразователь содержит источник 1 света, последовательно установленные по ходу све- тового луча теневую маску 2, связываемую с перемещающимся объектом, дифференциальный фотоприемник 3, включенньй в первую мостовую схему 4 измерения с цифровым вольтметром 5 в измерительной диагонали и во вторую мостовую схему 6 измерения с циф ровым вольтметром 7 в измерительной диагонали и коммутационньй блок 8. Теневая магка 2 содержит первый и второй прозрачные участки 9 и 10, выполненные симметричными относитель . но плоскости, перпендикулярной оси Г1 чувствительности дифференциального фотоприемника 3, и имеющие форму прямоугольников. Дифференциальный фотоприемник 3 вьшолнен в виде двух фотопотенциометров 12 и 13. Первый фотопотенциометр 12 оптически связан с первым прозрачным участком 9, второй фотопотенциометр 13 оптически связан со вторым прозрачным участком 10. Каждый из фотопотенциометров 12 и 13 имеет нанесенные на Диэлектрическую додложку 14 резистив ные слои 15 и 16 и коллекторы 17 и 18, между которыми расположены фото- проводящие слои 19 и 20. Резистивньш слой 15 первого фотопотенциометра 12 имеет выводы 21 и 22, а резистивньй слой 16 второго фотопотенциометра 13 имеет выводы 23 и 24.

На фотопроводящие- слои 15 и 16 первого и второго фотопотенциометров 12 и 13 спроёктированЬ первьй и вТо- рой прозрачные участки 9 и 10 теневой маски 2, представляющие собой световые зонды 25, 26.

Коллекторы 1.7 и 18 фотопотенциометров 12 и 13 соединены с вольтметром 5,

0

5

0

5 0 35 40

45

50

55

Коммутационный блок 8 имеет два состояния и обеспечивает включение каждого из двух фотопотенциометров 12 и 13 дифференциального фотоприемника 3 в одно из плеч мостовой схемы 4 измерения. Первый фотопотенциометр

12включен в мостовую схему 4 измерения в качестве первого рабочего плеча, второй потенциометр 13 - в качестве второго плеча.

В первом состоянии вывод 22 фотопоте нциоме тр а 12 соединен с выводом 23 фотопотенциометра 13 (фиг. 2). Второй вывод 24 фотопотенциомётра 13 через последовательно включенный резистор 27 соединен с вторым полюсом 28 источника напряжения. С пер-- вым полюсом 29 источника напряжения соединен первый вывод 21 фотопотенциометра. 12. Во втором состоянии вывод 22 фотопотенциометра 12 соединен с выводом 24 фотопотенциометра 13 (фиг. 3). Вывод 23 фотопотенциометра

13соединен.с вторым полюсом 28 источника напряжения. Во вторую мостовую схему 6 измерения дифференциальный фотоприемник 3 включен постоянно в первое рабочее плечо (фиг. 4).

Преобразователь работает следующим образом.

Для преобразования однокоординат- ных перемещений теневой маски 2 вдоль оси чувствительности дифференциального фотоприемника 3 коммутационный блок 8 должен находиться в первом состоянии. В этом случае первьй и второй фотопотенциометры 12 и 13 дифференциального фотоприемника оказьтаются включенными в мостовую схему 4 измерения в качестве переменных резисторов 30 и 31 соответственно.

Ток по первому фотоприемнику 12 протекает от вывода 21 по резистив- ному слою 15 до точки попадания светового зонда 25 на фотопроводящий слой 19, откуда через фотопроводящий мостик поступает на коллектор 17, доходит до фотопроводящего мостика в точке попадания светового зонда 26 на фотопроводящий слой 20, снова поступает на резистивный слой 16, течет до вывода 24 и далее в мостовую схему 4 измерения. Таким образом, участок резистивного слоя 15 первого фотопотенциометра 12 от точки попадания светового зонда 25 до вывода .22 и участок резистивного слоя 16

. 1350497 второго фотопотенциометра 13 от точопл

ки попадания светового зонда 26 до вывода 24 оказываются зашунтированн ми через сравнительно низкоомные фо топроводящие мостики и коллекторы 1 и 18. При перемещении теневой маски 2 изменяются длина шунтируемых учасков резистивньгх слоев 15 и 16, что приводит к одновременному разнонаправленному изменению на одинаковую величину сопротивлений 30 и 31 (фиг, 2) и соответственно выходного напряжения мостовой схемы 4 измерения.

Для определения наличия под световыми зондами 25 и 26 относительной неоднородности фотопроводимости фо- топроводящих слоев 19 и 20 и введения коррекции в значение выходного сигнала мостовой схемы 4 измерения при преобразовании перемещений ком- 1 утационный блок 8 должен находиться во втором состоянии. В этом состоянии показания цифрового вольтметра 7 не используются. Во время переключения световой зонд не перемещается.

В этом случае первый и второй фотопотенциометры 12 и 13 оказываются включенными в мостовую схему 4 измерения в качестве двух переменных резисторов 30 и 32 (фиг. 4). Шунтиро вание резистивного слоя первого фото потенциометра 12 осуществляется аналогично. Резистивный слой 16 второго фотопотенциометра 12 шунтируется от точки попадания светового зонда 26 на фотопроводящий слой 20 до вывода 23. При перемещении теневой маски 2 изменяется длина шунтируемых участков резистивных слоев 15 и Т6, что приводит к одновременному однонаправленному изменению на одинаковую величину сопротивлений 30 и 32. При этом коэффициент симметрии мЬстовой схемы 4 останется таким же, как и при первом цоложении коммутационного блока 8. Если значение выходного напряжения вольтметра 5 изменяется, то это свидетельствует о наличии относительной неоднородности фотопроводимости. Неоднородная фотопроводимость в пределах ширины зондовых областей 25 и 26 приводит к несовпадению геометрического и электрического ценров зонда.

0

5

0

5

0

Это проявляется через изменение относительных сопротивлений рабочих плеч мостовой схемы

1; JR/R,. i 12,

. где л R часть сопротивления резистивного слоя, заключенная между геометрическим и электрическим центрами зон- да,- R - сопротивление резистивного

слоя.

Для наиболее полного устранения влияния погрешностей на конечный результат измерений должно быть одновременно реализовано не менее трех уравнений, связывающих неизвестные , , ;d2 , и входную величину X(t). Входной величиной является относи-- тельное изменение сопротивлений плеч мостовой схемы g, , X(t).

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

VP

Е,-,

Р + 1 Р + 1 +

;(0

5

0

5.

0

5

Р

-1

где V - напряжение источника питания мостовой схемы; коэффициент симметрии моста; относительные изменения сопротивлений плеч мостовой схемы под действием входной величины X(t).

Сопротивление Z, первого рабочего плеча увеличивается на величину ,, а сопротивление Zj .второго рабочего плеча уменьшается на величину. ,;. С учетом величин и и 4 изменения сопротивлений равны Z. f. +

ч . . .

+ 4,) И ZjC fj+ Лг)

соответственно.

Как следует из выражения (1) в первом состоянии коммутационного блока 8 функция преобразования мостовой схемы 4 эквивалентна линейному алгебраическому уравнению

(1 - YMP,), -ь (1 + Уд,,) +

(1,- Р,Уд,,) J, + (1

(.+ P,)Y ,

- Y)42 (2)

1350А97

В результате нений (2), (4), ние

Р

метра 5;

коэффициент симметрии мостовой схемы 4 измерения. Функция преобразования мостовой схемы 6 измерения в первом состоянии к,сэммутационного блока 8 соответствует функции преобразования мостовой схемы с одним первым рабочим плечом. Вел 5чина равна нулю вследствие однонаправленного перемещения зондов на одинаковую величину. Относительное изменение сопротивления рабочего плеча равно Как следует

Ч

из

YJ

VP2

(1)

- ( ,- д)

1 Pj + 1 +

ЧТО эквивалентно уравнению:

(Pi + 1)Уд,2

-,(3

- 1

Л2

1

(4)

где Y - показания цифрового вольтметра 8j

Р| - коэффициент симметрии мостовой схемы 7 измерения.

Mj

Р2. + 1 YI

Р. V

функция преобразования мостовой схемы 4 измерения во втором состоянии коммутационного блока 8 соответствует функции преобразования мостовой, схемы с двумя рабочими плечами. Е, - &i вследствие равнонаправлен- ного перемещения зондов.

Относительное изменение сопротивления первого рабочего плеча равно Л, а второго Коэффициент симметрии моста 5 равен Pj.

Как следует из (1)

VPi

ii - 4l

1 РЗ + 1 + РЗ

-,(5)

Yj показания цифрового вольтметра 6; эквивалентно уравнению

где

Mj

решения системы урав- (6) получают выраже

Выражение (8) позволяет определить перемещение теневой маски 2 вдоль оси чувствительности фотопотенциометра с учетом погрешностей функционирования его частей.

Подключение первого вывода 23 фотоприемника 13 к второму полюсу 28 источника напряжения позволяет уве- личить размеры второго фотопотенциометра 13, что увеличивает диапазон возможных перемещений световых зон- дов 25 и 26, а следовательно, и диапазон измерений.

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 и вторую мостовые схемы измерения, коммутационный блок, начало первого рабочего плеча первой мостовой схемы измерения соединено с началом рабочего плеча второй мостовой схемы из- мерения, конць второго рабочего плеча первой-мостовой схемы и смежного рабочему плечу измерительного плеча второй мостовой схемы объединены.

.дифференциальньш фотоприемник выполнен в виде первого и второго фотопотенциометров, каждый из которых включен в первое и второе смежные рабочие плечи первой мостовой схемы соответственно и в рабочее плечо второй мостовой схемы иэмeJpёния, прозрачные участки теневой маски выполнены симметрично относительности плоскости, перпендикулярной оси чувствительности дифференциального фотоприемника, отличающийся тем, что, с целью расширения диапа5

0497

зона и змерений, коммутационный блок выполнен с возможностью подключения первого вывода второго потенциометра непосредственно к концу второго измерительного плеча первой мостовой схемы измерения и 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.

10

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является расширение диапазона измерений за счет расширения диапазона перемещений световых зондов. Преобразователь содержит источник света 1, последовательно установленные по ходу .светового луча теневую маску 2 с равновеликими участками и дифференциальный фотоприемник 3. выполненный в виде первого и второго фотопотенциометров 12, 13, первую и вторую мостовые схемы 4 и 6, коммутационный блок 8. Дифференциальный фотоприемник 3 включен к первую и вторую мос- товые схемы 4 и 6 одновременно. Коммутационный блок 8 имеет возможность соединять второй вывод первого фотопотенциометра 12 с первым или вторым выводом фотопотенциометра 13, а также подключать первый вывод второго фотопотенциометра 13 непосредственно к измерительному плечу первой мостовой схемы 4 измерения, что позволяет увеличить размеры второго фотопотенциометра 13. Увеличение размеров фотопотенциометра 13 позволяет перемещать световые зонды на большую величину, что приводит к расширению диапазона измерений. 4 ил. с е сл оо ел о 4 со --о

Фиг.г

21

Фиг. 5

29

Редактор С.Патрушева

Составитель Е.Глазкова

Техред Л.Олийнык Корректор А.Обручар

5249/40

Тираж 677Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-33, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул. (.)ектная, 4

Фаг„ ii