Фотоэлектрический способ измерения положения объекта и устройство для его осуществления Советский патент 1988 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах активного контроля гибкого автоматизированного производ ства.

Цель изобретения - повышение точности измерений за счет исключения влияния температурной нестабильности окружающей среды.

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства, реализующего способ; на фиг. 2 - диаг эаммы напряжений-, поясняющие формирование прямоугольного импульса; на фиг. 3 - диаграмма расположения световой марки на светочувствительных фотослоях фотодиодов.

Устройство, реализующее способ, содержит проекционный оптико-электронный канал, который включает генератор 1 пилообразного напряжения, источник 2 тока, управляемый напряжением, импульсный источник 3 света, прямоугольную диафрагму 4 и объек- : тив 5 i

Приемный оптико-электронный канал включает в себя объектив 6,диф- ференциальный фотодетектор 7, буфер

напряжения, подключенный к входу управляемого источника 2 тока.

Фотодиоды 18 и 19 дифференциального фотодетектора 7 одноименными электродами, например анодами, подключены к входам буферных повторителей 8 и 9 напряжения, в то время как их электроды противоположной полярности заземлены,,

Выход буферного повторителя 8 подключен к входу сумматора 10, второй вход сумматора соединен с незаземленным электродом например анодом, по- лупроводникового диода 20, подключенного к генератору 21 стабильного тока в прямом направлении. Выход сумматора 10 соединен с входом пикового детектора 12 и с одним из входов ком- паратора 13. Выход пикового детектора 12 подключен -к одному из входов компаратора 14.

Выход буферного повторителя 9 подключен к входу пикового детектора 11 и второму входу компаратора 14. Выход пикового детектора 11 соединен с вторым входом компаратора 13. Входящие в состав устройства функциональные электронные узлы выполнены по стаци

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения.- повышение точности измерений за счет исключения влияния темг1ературной нестабильности окружающей среды.Ис- точник 3 света генерирует последовательность линейноспадающих по мощности импульсов света, формируемых при помощи генератора 1 пилообразного напряжения. Отраженный объектом 17 световой поток генерирует логарифмически спадающие сигналы холостого хода фотодиодов 18, 19, которые выделяются на выходе буферных повторителей 8, 9. Сигнал с выхода повторителя 8 в сумматоре 10 складывается с опорным напряжением U. На два входа компаратора 14 поступают сигналы с выходов повторителя 9 и пикового детектора 12. На выходе компаратора 14 после сравнения двух сигналов формируется прямоугольный импульс длительность которого определяет положение объекта 17. 2 с.п. ф-лы, 3 ил. м оэ оэ ю

ные повторители 8 и 9 напряжения,сум- ЗО онарной схемотехнике, матор 10 напряжения, пиковые детекто-, Способ осуществляется следующим ры 11 и 12, компараторы 13 и 14 напряжения. Импульсный источник 3 света.

образом.

Поток электромагнитной энергии в виде импульсов, линейноспадающих во

диафрагма 4, объективы 5 и 6 и дифПоток электромагнитной энергии в виде импульсов, линейноспадающих во

ференциальный фотодетектор .7 закреп- времени, от источника 3 света прохолены неподвижно в корпусе 15, установленном на стойке 16. .Объективы 5 и 6 установлены в корпусе 15 так, что .их оптические оси расположены симметрично относительно оси симметрии устройства и пересекаются с ней под углом oi в плоскости объекта 17 измерения. Нормаль N к поверхности объекта совпадает с осью симметрии устройства.

Источник 3 света, диафрагма 4 и дифференциальный фотодетектор 7 установлены в корпусе, 15 таким образом, что центры источника 3 света и диафрагмы 4, а также линия раздела светочувствительных фотослоев фотодиодов 18 и 19 дифференциального фотодетектора 7 расположены на линиях, совмещенных с оптическими осями соответствующих объективов 5 и 6. Импульсный источник 3 света подключен к выходу источника 2 тока, работой которого управляет генератор 1 пилообразного

7

дит через прямоугольную диафрагму 4 . и направляется на входной зрачок объектива 5. Последний формирует изображение диафрагмы 4 на поверхнос40 ти объекта 17 в виде прямоугольной световой марки. Отраженный объектом 1 измерения световой поток поступает в входной зрачок объектива 6, который, в свою очередь, формирует изображение

45 световой марки в плоскости, чувствительного слоя дифференциального фотодетектора 7. Перемещение поверхности объекта 17 вдоль по нормали N к его поверхности приводит к перемещению изображения световой марки 22 в плоскости дифференциального фотодетектора 7 перпендикулярно линии раздела светочувствительных слоев фотодиодов 18 и 19 (фиг. 3). Величина перемещения изображения световой марки определяется выражением

х V- x/cosoL, (1) где х - перемещение изображения световой марки в плоскости диф50

55

онарной схемотехнике, Способ осуществляется следующим

образом.

Поток электромагнитной энергии в виде импульсов, линейноспадающих во

7

дит через прямоугольную диафрагму 4 . и направляется на входной зрачок объектива 5. Последний формирует изображение диафрагмы 4 на поверхнос0 ти объекта 17 в виде прямоугольной световой марки. Отраженный объектом 17 измерения световой поток поступает в входной зрачок объектива 6, который, в свою очередь, формирует изображение

5 световой марки в плоскости, чувствительного слоя дифференциального фотодетектора 7. Перемещение поверхности объекта 17 вдоль по нормали N к его поверхности приводит к перемещению изображения световой марки 22 в плоскости дифференциального фотодетектора 7 перпендикулярно линии раздела светочувствительных слоев фотодиодов 18 и 19 (фиг. 3). Величина перемещения изображения световой марки определяется выражением

х V- x/cosoL, (1) где х - перемещение изображения световой марки в плоскости диф0

5

ференциального фотодетекто- ра 7;

V линейное увеличение приемного объектива 6; с6 - угол между нормалью к поверхности и оптической осью объектива 6,

Световой поток, переносимый изображением марки при облучении свето- чувствительных слоев фотодиодов 18 и 19 дифференциального фотодетектора 7, вызывает генерацию фотоэлектрических сиг-налов холостого хода за счет бесконечно большого входного сопро- тивления буферных повторителей 8 и 9 напряжения, к которым подключены фотодиоды 18 и 19. При этом величина сигналов холостого хода описывается выражением

4X1(2)

где К

К Т

1п(1

(2)

-постоянная Больцмана 1,38-10- Дж/К ;

е - заряд электрона 1,6-10 к1; Т - температура фотодиода IQ - темнотой обратный ток фотодиода ;

-фототоки, генерируемые световым потоком изображения марки в элементах дифференциального фотодетектора.

В свою очередь, величина фототоков I а, и 1ф определяется выраже (t.

нием

9,12) -/5ESep,(j ,

(3)

Если сложить один из полученных сигналов с некоторым постоянным во времени опорным напряжением , и сравнить между собой больший по амплитуде из полученных сигналов (например, U),(t) (фиг. 2) с постоянным напряжением, равным амплитудному значению меньшего из полученных сигналов,

где В - интегральная чувствительность . то по результату сравяения выделяетфотодиодов;ся прямоугольный импульс напряжения,

Е - интенсивность принимаемого длительность которого является искофотоприемником светового по- мой функцией положения объекта изметока;

площади чувствительного слоя фотодиода в 18 и 19 дифференциальной пары (фиг. 3), освещенные изображением марки 22.

Если величина принимаемого светового потока больше 50 лн, то практически для всех фотодиодов выполняет Р 1Ф.)

45

50

рения (фиг. 2г,д). Передний фронт прямоугольного импульса совпадает во времени с моментом начала излучения светового сигнала t. Задний фронт импульса формируется в момент t совпадения сравниваемых сигналов, который находится из следукнцего условия:

К Т

In

ft маке

+ и.

кт

In

ся условие () I и выражение (2) принимает следующий вид:

и

XX 4(11

кт 1ц),(фгЬ

1пс . ,

При облучении поверхности объекта измерения световым потоком в виде импульсов линейно спадающих во времени интенсивность принимаемого светового потока E(t) будет описываться следующей зависимостью (фиг,2а):

E(t) Е,(1 - 1); О t Т,

(5)

где t - текущее значение времени;

Т - период следования импульсов; EQ - амплитудное значение интенсивности принимаемого светового потока.

Тогда с учетом выражений (3) ,и (5) величина фототоков, генерируемых фо- тодиода 1И дифференциальной пары,будет описываться следующей зависимостью:

5 20

р,(2)

(t) I

р1(г)макс

(i-b.

VI -IP/ ,

(f,(2baxc ор2(3,(«рг)

(6) (7)

25

В этих условиях ЭДС холостого хода, выделяемая фотодиодами, с учетом (4) будет описываться логарифмически следующей функцией (фиг.26,в):

30

Uxx.U)(t)

(1-|)

35

К Т 1ф|(2)макс е . I,

Если сложить один из полученных сигналов с некоторым постоянным во времени опорным напряжением , и сравнить между собой больший по амплитуде из полученных сигналов (например, U),(t) (фиг. 2) с постоянным на.(8)

пряжением, равным амплитудному значению меньшего из полученных сигналов,

45

50

рения (фиг. 2г,д). Передний фронт прямоугольного импульса совпадает во времени с моментом начала излучения светового сигнала t. Задний фронт импульса формируется в момент t совпадения сравниваемых сигналов, который находится из следукнцего условия:

Т

In

ft маке

+ и.

кт

In

(Ь-)

IУ макс Т

(9)

55

Решая уравнение (9) относительно t находим зависимость, определяющуюдлительность выделенного прямоугольного импульса от положения объекта

4t,t-Ъ,-Т 1-е.

eU,n

ЦТ

( Угмакс

(10)

.макс

С учетом выражения (7) выражение (10) преобразуется к следующему виду:

Г -Sbi ч 1

t - Т l-e (|Z3.) . (11) L f- J

Как следует из (11), длительность вьщеленного интервала fit пропорциональна соотношению освещенных изображением марки площадей чувствительного слоя элементов дифференциального фотодиода (фиг. 3), не зависит от интенсивности отраженного объектом светового потока и однозначно определяет положение объекта в системе координат прибора.

Термостабильность процесса измерения достигается путем формирования опорного напр яжения и при помощи полупроводникового диода. Если пропускать через диод 20 постоянный стабилизированный по величине ток от генератора 21 стабильного тока (Г.С. Т.) в прямом направлении, то падение напряжения на полупроводниковом диоде 20 буДет описываться формулой

1368632в

НИИ температуры дифференциального фотодетектора 7. Подставляя (12) в (11) с учетом формулы (1) получают окончательное измерительное соотношение способа измерения для случая использования световой марки прямоугольной формы

10

15

20

25

bt Т l-e С

С п х C,i +х

(13)

где С - ширина изображения световой марки (фиг, 3); х - перемещение поверхности объекта.

Таким образом, положение объекта оцределяют по формуле т , ч. Г -Г

n.i . о X

С cost6 1-е

J

где X С

( -т)

+е oV перемещение объекта; поперечный размер .изображения диафрагмы; линейное увеличение фокусирующего, объектива; угол между нормалью к поверхности объекта и оптической осью объектива; период следования импульсов света;

V об

т .и.

f-t

(12)

IQ const; I const,

где К - постоянная Больцмана; е - заряд электрона; Т - температура диода; Гр - ток от генератора стабильного тока, Ijj - обратный ток диода.

Ток генератора 21 стабильного тока заведомо стабилизирован и не меняется при колебании температуры. В случае использования кремниевого по- лупроводников.ого диода 20 температурная составляющая его обратного тока IP является малой величиной, что позволяет пренебречь изменением обратного тока диода с колебанием температуры.

В случае использования германиевого диода 20 сохранение неизменности обратного тока диода I,, наблюдается в более узком диапазоне колебаний температуры.

Таким образом, в указанных условиях эксплуатации диода 20 падение напряжения на нем линейно изменяется с изменением температуры. Использование падения напряжения на диоде 20 в качестве опорного термостабили- зирует процесс измерения при колеба-

bt Т l-e С

С п х C,i +х

(13)

5

0

5

0

5

0

5

0

5

где С - ширина изображения световой марки (фиг, 3); х - перемещение поверхности объекта.

Таким образом, положение объекта оцределяют по формуле т , ч. Г -Г

n.i . о X

С cost6 1-е

J

где X С

( -т)

+е oV перемещение объекта; поперечный размер .изображения диафрагмы; линейное увеличение фокусирующего, объектива; угол между нормалью к поверхности объекта и оптической осью объектива; период следования импульсов света;

длительность сформированного прямоугольного импульса; стабилизированный по величине ток, протекающий через полупроводниковый диод; обратный ток полупроводникового диода.

Чувствительность предлагаемого способа может изменяться за счет

масштабного множителя вида е То

(выражение (13) и (14) в широких пределах изменением тока 1|- в результате соответствующей регулировки генератора стабильного тока и последовательным включением нескольких диодов

V об

т t 1„ 1 г

20 при фиксированном токе I

Таким образом, в способе отпадает необходимость регулирования чувствительности устройства за счет изменения коэффициента усиления фотоэлектрических сигналов в тракте фотоприемник - усилитель (повторитель) напряжения, что сопровождалось бы изменением шумового разброса результатов измерения и снижением точности измерения в целом.

Неоднородность электрических параметров фотодиодов дифференциальной пары не влияет на качество обработки

фотоэлектрических сигналов. В предложении о существующем различии квантовой эффективности фотоприемников и fsjH их темновых токов 1вгИ Гд, для измерительного временного интервала с учетом (10) и (12) можно записать

ut Т 1-е

m

|,рг; 1о. + 102 p.;pz; lo,; оР

const; m -In

I2

Возможное различие значений перечисленных электрических параметров фотодиодов дифференциальной пары несколько изменяет позиционную чувствительность, но не вл ияет на точность

В результате работы проекционного канала на поверхности объекта формируется изображение диафрагмы 4 с линейно меняющейся яркостью. Отражен- ный объектом световой поток вызывает генерацию логарифмически спадающих сигналов холостого хода фотодиодов 18 и 19 дифференциальной пары, которые выделяются на выходе буферных повторителей 8 и 9 напряжения. С учетом того, что одну и ту же длитель- 5 ностб измерительного импульса fit (выражения (11), (14) можно получить при симметричном смещении изображе- ния световой марки от центрального положения на одну и ту же величину в сторону одного или второго фотодиода 18, 19 дифференциальной пары, необходимо обеспечить два выхода измерительного сигнала.

Принцип работы устройства для слунапример, при помощи регулировки генератора стабильного тока указанным способом.

измерений ни при изменении отражающей способности поверхности объекта, ни в случае колебания TJMпepaтypы. Возникающее изменение чувствительное- 25 чая смещения изображения марки 22 в ти может быть легко скомпенсировано, сторону фотодиода 18 (фиг. 36).

На выходе повторителя 9 будет наблюдаться сигнал холостого хода большей амплитуды, который поступает на Устройство работает следующим об- ЗО один из входов компаратора 14. Сни- разом.маемый с выхода повторителя 8 фотоГе нератор 1 пилообразного напряже- электрический сигнал меньшей ампли- ния вырабатывает последовательность туды поступает на вход сумматора 10,

где складывается с опорным напряжеснимаемым с диода 20. С выхода сумматора 10 сумма перечисленных сигналов поступает на вход пикового детектора 12, который формирует постоянный во тремени сигнал, равный источник 3 света. В качестве источни- 40 п° величине сумме амплитуд фотоэлек- ка 3 света используется полупроводни- трического и опорного сигналов (фиг. 2Х крвый светодиод, мощность излучения Сигнал с выхода .пикового детектора 12 которого линейно зависит только от величины протекающего через светодиод

тока. Отличительной особенностью про- 45 прямоугольный импульс напряжения с екционного канала является некритич- длительностью, определяемой выраже- ность-к качеству его выполнения. Отсутствие стабильности амплитуды ли- нейно спадающих импульсов напряжения или тока на выходе блоков (1) или (2) Q эквивалентно по характеру влияния изменению отражательной способности поверхности объекта (изменению интенсивности отраженного светового потолинейно спадающих импульсов напряжения с периодом следования Т, которые нием U,, поступают на вход источника 2 тока, управляемого напряжением, который формирует последовательность линейно спадающих импульсов тока, питающих

поступает на другой вход компаратора 14, который и выделяет измерительный

нием (14).

Аналогичная процедура вьщеления амплитудного значения осуществляется пиковым детектором 11 для фотоэлектрического сигнала большей амплитуды, снимаемого с выхода повторителя 9. Однако, в этом случае постоянный сигнал с выхода пикового детектора 11, поступающий на вход компаратора 13, будет всегда больше поступающего на вход компаратора фотоэлектрического сигнала меньшей амплитуды (в данном случае от фотодиода 19). При

ка), что не влияет на точность определения положения объекта по принципу работы предлагаемого способа.

К такому же эффекту .приводит и изменение светоотдачи полупроводнико68632

8света вследствие

10

20

вого источника 3 его старения.

В результате работы проекционного канала на поверхности объекта формируется изображение диафрагмы 4 с линейно меняющейся яркостью. Отражен- ный объектом световой поток вызывает генерацию логарифмически спадающих сигналов холостого хода фотодиодов 18 и 19 дифференциальной пары, которые выделяются на выходе буферных повторителей 8 и 9 напряжения. С учетом того, что одну и ту же длитель- 5 ностб измерительного импульса fit (выражения (11), (14) можно получить при симметричном смещении изображе- ния световой марки от центрального положения на одну и ту же величину в сторону одного или второго фотодиода 18, 19 дифференциальной пары, необходимо обеспечить два выхода измерительного сигнала.

Принцип работы устройства для слу25 чая смещения изображения марки 22 в сторону фотодиода 18 (фиг. 36).

снимаемым с диода 20. С выхода сумматора 10 сумма перечисленных сигналов поступает на вход пикового детектора 12, который формирует постоянный во тремени сигнал, равный п° величине сумме амплитуд фотоэлек- трического и опорного сигналов (фиг. 2 Сигнал с выхода .пикового детектора 12

поступает на другой вход компаратора 14, который и выделяет измерительный

45 прямоугольный импульс напряжения с длительностью, определяемой выраже- Q

55

нием (14).

Аналогичная процедура вьщеления амплитудного значения осуществляется пиковым детектором 11 для фотоэлектрического сигнала большей амплитуды, снимаемого с выхода повторителя 9. Однако, в этом случае постоянный сигнал с выхода пикового детектора 11, поступающий на вход компаратора 13, будет всегда больше поступающего на вход компаратора фотоэлектрического сигнала меньшей амплитуды (в данном случае от фотодиода 19). При

15

20

У,1368632

том измерительный прямоугольный мпульс на выходе компаратора 13 форироваться не будет.

В случае смещения изображения мари в противоположном от центрального оложения направлении рассмотренный роцесс обработки сигналов повторитя в npofивоположной последовательноси для рассмотренных частей приемно- ю го канала устройства.

Таким образом, появление информативного импульса напряжения на одном из выходов схемы указывает направление смешения световой марки, а его лительность характеризует величину смещения, это позволяет однозначно определить положение измеряемого объекта.

Способ определения положения объ- екта и устройство для его реализации позволяет исключить влияние на точность измерения изменений интесивнос- ти отраженного объектом светового потока в широких пределах, связанных с колебанием оптических свойств поверхности объекта, неоднородности электрических параметров фотодиодов дифференциальной пары, изменения светоотдачи импульсного источника света вследствие его старения, а также изменения температуры и амплитуды выходных импульсов генератора пилообразного напряжения.

При осуществлении предлагаемого способа измерений совмещены процессы обработки фотоэлектрических сигналов и их аналого-цифрового преобразования, что упрощает процедуру сопряжения реализующих способ устройств со счетно-вычислительной техникой и позволяет применять способ в автоматизированном производстве. Чувстви- тельность способа может варьироваться в широких пределах без изменения динамического диапазона измерений.

Формула изобретения

25

30

35

40

45

.ч

генератора стабильного тока, выход второго буферного повторителя связан с входом второго пикового.детектора и с вторым входом первого компаратора, выход сумматора подключен к втор

отраженное от поверхности объекта

55

изображение световой марки при помощи му входу второго компаратора.

5

0

32

5

0

5

0

5

10

дифференциального координатно-чувст- вительного фотодиода, преобразуют его в первый и второй электрические сигналы, отличающийся тем, .что, с целью повышения точности изме рений, путем модуляции светового потока формируют последовательность световых импульсбв линейно уменьшающейся мощности, формируют стабилизированное опорное напряжение, суммируют его с первым электрическим сигналом, меньший по амплитуде электрический сигнал преобразуют в постоянный, сравнивают с ним переменный сигнал большей амплитуды, по результату сравнения формируют прямоугольный импульс, по длительности которого определяют положение объекта.

повторителя, второй вход - с входом

55

генератора стабильного тока, выход второго буферного повторителя связан с входом второго пикового.детектора и с вторым входом первого компаратора, выход сумматора подключен к второ му входу второго компаратора.

а

16

Ж

6)

13

«

л

Фае.)