Оптоэлектронный функциональный преобразователь Советский патент 1988 года по МПК G06G9/00 

Изобретение относится к области оптоэлектронного приборостроения и может быть использовано в робототехнике, информационно-измерительной и вычислительной технике в качестве функционального преобразования, датчика угловых перемещений, бесконтактного переменного резистора.

Целью изобретения является повы- шение точности преобразователя за счет увеличения коэффициента использования светового потока направленного источника света.

На фиг.1 представлена конструктив ная схема оптоэлектронного функционального преобразователя (ОЭФП), на фиг,2 - схема координатно-чувстви- тельного кругового фотопотенциомент- paj на фиг.З - часть схемы оптоэлек- тронного преобразователя.

ОЭФП содержит координатно-чувст- вительный круговой фотопотенциометр 1, направленньй источник 2 света, узел формирования светового зонда, выполненный в виде непрозрачного тела 3 вращения, световой лабиринт, выполненный в виде двух сопряженных гребенок 4 ,-4j, цилиндрический канал 5, входную ось преобразователя 6, причем фотопотенциометр 1 (фигс2) содержит размещенные на диэлектрической подложке 7 резистивный слой 8, фоточувствительный слой 9, омический коллектор 10, а края резисти-вного слоя 8 снабжены омическими электро- дами 11, при этом вся конструкция преобразователя помещена в светоне- проницаемьпЧ корпус 12; световой зонд 13 и резистор нагрузки 14, с которо- го снимается выходное напряжение.

На фиг.З схематически изображен предельный стгучай, из которого определено максимально допустимое значение Ьд,д расстояния Ь, и представ лены необходимые для этого геометрические построения. Направленный источник 2 света принят точечным, поскольку расстоян ие h по крайней мере в пять раз превышает геометрические размеры излучающей поверхности применяемых в ОЭФП направленных источников света, что достаточно для приме 1ения данного приближения с .удовлетворительной точностью. Пространственное положение излучающей по верхности направленного источника 2 света условно обозначено точкой А. Далр.е обозначены: СК - большая

.-

5Ю1520

25 ЗО Q

-дс35

50

55

ось верхнего основания наклонного цилиндрического канала 5; В - центр верхнего основания цшпшдрического канала 5J AD - световой луч, образующий с отрезком АБ угол ; yi угол между осью BR цилгтдрического канала 5 и поверхностью фоточувствительного слоя 9 координатно-чувстви- тельного фото приемник а, DP - нормаль к поверхности СЕ наклонного цилиндрического канала 5 в точке D падения светового луча AD на поверхность СЕ, КБ - нормаль к поверхности СЕ, опущенная из точки К. Величина .„.. выI КСбиралась из предельного случая, когда световой луч AD после отражения в точке D попадает в точку К, т.е. пока еще отсутствует возврат лучей, находящихся в пределах угла излучения 2, направленного источника 2 света, из цилиндрического канала 5.

Устройство работает следующим образом.

Излучаемый направленным источником 2 света световой пучок входит в цилиндрический канал 5, выходной торец которого находится напротив фоточув ствительного слоя 9 коо рдинатно-чув- ствительного фотопотенциометра 1. Прошедшая через цилиндрический канал 5 часть светового потока формирует на фоточувствительном слое 9 подвижный световой зонд 13, угловое положение которого преобразуется им в выходное напряжение, зависящее от угла поворота входной оси 6 по заданному функциональному закону. Фотопотенциометр 1 (фиг.2) с непрофилированным резистивным слоем 8 реализует линейную функцию преобразования. При этом световой зонд 13, вьтолняющий совместно с омическим коллектором 10 функцию движка электромеханического потенциометра, создает на ограниченном участке фоточувствительного слой 9 избыточную над темновой проводимость, вследствие чего осуществляется локальная передача потенциала с резистивного слоя 8 на омический коллектор 10. Поскольку электрический потенциал на непрофилированном резис- тивном слое 8 распределен по линейному закону (при условии, что удельное поверхностное сопротивление темновьк участков фоточувствительного слоя 9 намного выше удельного поверхностного сопротивления резистивного слоя 8), то в данном случае выходное напряжение зависит от угла поворота входной оси 6 по линейному закону. Реализация нелинейных функций преобразовани обычно осуществляется путем профилирования резистивного слоя 8.

Существенное значение для обеспечения требуемой точности функционального преобразования имеет повьшзение коэффициента использования светового потока источника света, поскольку влияние переходного сопротивления фоточувствительного слоя 9 на точность функционального преобразования при значительных уровнях токового отбора не удается скорректировать добавочным профилированием резистивного слоя 8. Поэтому основным критерием оптимизации данного устройства является минимизация потерь светового потока направленного источника 2 света. Для этого проведена отсутствующая в других конструкциях преобразователей комплексная оптимизация компонентов устройства, предусматривающая конкретную взаимосвязь между шс параметрами : между геометрией коор- динатно-чувствительного фотопотенциометра, диаметром и углом наклона цилиндрического канала 5, высотой расположения направленного источника 2 света и диаграммой, направленности из- . лучаемого им светового потока. Математическим выражением этой взаимосвязи является указанное соотношение, ограничивающее минимальную h..,,,, и

лЛИН

максимальную h высоту расположения излучающей поверхности направленного источника 2 света над входным торцом цилиндрического канала 5. При заданных этим соотношением ограничениях излучаемый направленным источником 2 света световой пучок с угловой апертурой 2,, на который приходится практически вся излучаемая мощность, не только полностью входит в наклонньт цилиндрический канал 5,. но при этом выполняется также услойие отсутствия возврата части находившихся в данном пучке световых лучей назад после отражения от боковой поверхности цилиндрического канала 5. I

Необходимым условием обеспечения

прецизионности ОЭФП является постоянство переходного сопротивления освещенного участка фоточувствительногр слоя 9 при изменении углового положения светового зонда 13. Поэтому ось симметрии диаграммы направленнос0

5

0

ти источника 2 света должна совпадать с осью тела 3 вращения и проходить через центр ближайшего к направлен- ному источнику 2 света основания цилиндрического канала 5, что обеспечивает постоянньй уровень светового потока на выходе из цилиндрического канала 5 при повороте тела 3 вращения. Чтобы не возникали радиальные перемещения светового зонда 13 относительно фоточувствительной области 9, необходимо разместить диэлектрическую подложку 7 ортогонально входной оси 6, а кольцеобразный фоточзпа- ствительньй слой 9 выполнить концен- трично входной оси 6. при этом ось наклонного цилиндрического канала 5 должна пересекать поверхность фоточувствительного слоя 9 по ее среднему радиусу. Величина b протяженности светового зонда в радиальном направлении выбирается таким образо ;, чтобы она в 1,2-1,5 раза превьппала ши- 5 рину фоточувствительного слоя 9. При этом световой поток используется наиболее рационально, поскольку уменьшение величины b приводит к повышению переходного сопротивления из-за увеличения неравномерности ширины светового зонда, а чрезмерное увеличение параметра b - к непроизводительным потерям светового потока. .

Для защиты темновых областей фоточувствительного слоя 9 от фоновой засветки используется многократное отражение света в световом лабиринте 4 с поглощающими стенками, образованном между внутренней поверхностью светонепроницаемого корпуса 12 и внешней поверхностью тела 3 вращения. Данная защита наиболее эффективна при выполнении указанного соотношения, поскольку снижение потерь светового потока направленного источника 2 света обеспечивает одновременно с понижением переходного сопротивления фотопотенциометра 1 также и снижение мощности одного из источников фоновой засветки.

Формула изобретения

0

5

0

5

0

Оптоэлектронный функциональный преобразователь, содержащий расположенные на общей оси в светонепроницаемом корпусе направленный источник света и координатно-чувствительный круговой фотопотенциометр, между ко-.

IB

Изо0ретение откосится к области приборостроения и позволяет повысить точность преобразования. Преобразователь содержит светонепроницаемый корпус, в котором размещены направ- ленный источник света, узел формирования светового зонда и координатно- чувствительный фотопотенциометр дуговой конструкции. Узел формирования светового зонда выполнен в виде симметрично закрепленного на входной оси непрозрачного тела вращения, зазор между внешней поверхностью которого и внутренней поверхностью корпуса имеет в продольном сечении форму светового лабиринта. В теле вращения выполнен наклонный цилиндрический канал с отражающей поверхностью, оптически соединяющий направленный источник света с фоточувствительным слоем, фотопотенциометра. При этом ось симметрии диаграммы направленности источника света совпадает с осью тела вращения и проходит через центр симметрии ближайшего к направленному источнику света основания цшшндри- : ческого кнала. Расстояние h от излучающей поверхности направленного источника света до точки пересечения оси цилиндрического канала с осью тела вращения удовлетворяет соотношению. cosX2flt-f) a.h.-|ctg|-b. где а - расстояние от излучающей поверхности направленного источника света до внешней поверхности его корпуса в направлении излучения , b протяженность светового зонда в радиальном направлении 2 - по луширина диаграммы направленности источника света; А- угол между осью цилиндрического канала и фоточувствительной поверхностью фотопотенциометра. П отличается повышенной надежностью и устойчивостью к механическим - перегрузкам и может быть использован при создании промышленных роботов и автоматических манипуляторов, в ий- формационно-измерительных и вычислительных комплексах в качестве дат- ; чика углового положения, функционального преобразователя, бесконтактного . переменного резистора. 3 ил. i (Л с 4: 00 CD 9d DO