Фотоэлектрический датчик перемещения Советский патент 1989 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано как бесконтактный преобразователь скорости перемещения или положения отражающего объекта.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем одновременного измерения положения объекта, скорости и протяженности его пе- ремещения.

На фиг. 1 изображена блок-схема фотоэлектрического датчика перемещения; на фиг. 2 - различные фазы положения пятна - проекции отражающего объекта на элементах матрицы фотоприемника при перемещении объекта; на фиг. 3 - диаграммы работы датчика.

Фотоэлектрический датчик перемещения содержит корпус 1 со светонепро- ницаемой перегородкой, конденсор 2, установленньй в корпусе 1, импульсный источник 3 счета, установленный излучающей поверхностью в фокусе конденсора 2, фокусирующий блок 4, че- тырехквандрантный фотоприемник 5, установленный фотоприемной поверхностью перпендикулярно и симметрично оси фокусирующего блока 4, одночастотный усилитель 6, установленный в корпусе 1, блок 7 детектирования, состоящий из детекторов 8-11, суммирующие усилители 12-15, компараторы 16-19, элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 20 и 21, элементы 2И 22 и 23, счетчики 24-27 импульсов, генератор 28 импульсов и регулируемый источник 29 напряжения. Конденсор 2 и импульсный источник 3 света отделены светонепроницаемой перегородкой корпуса 1 от установлен- ньтх в нем фокусирующего блока 4, фотоприемника 5 и одночастотного усилителя 6, соединенного четырьмя входами с четырьмя выходами четырехкван- дрантного фотоприемника 5. Четыре выхода одночастотного усилителя б соединены с входами четырех детекторов 8-11 блока 7 детектирования. Выход детектора 8 соединен с первыми входами суммирующих усилителей 12 и 14, выход детектора 9 - с вторыми входами суммирующих усилителей 12 и 13, выход детектора 10 - с вторыми входами сум- сирующих усилителей 14 и 15, выход детектора 11 - с первыми входами суммирующих усилителей 12 и 15. Выходы суммирующих усилителей 12 - 15 соединены с первыми входами компараторов 16 - 19, вторые входы которых соеди

25

30

,

JQ

$

20 0 5

35

0

5

нены с выходом регулируемого источника 29 напряжения. Выход первого компаратора 16 соединен с первыми входами первых элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 20 и 2И 22, выход второго компаратора 17 - с первыми входами вторых элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 21 и 2И 23, выход третьего компаратора 18 - с вторыми входами вторых, элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 21 и 2И 23, выход четвертого компаратора 19 - с вторыми входами первых элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 20 и 2И 22. Выходы элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 20 и 21 и элементов 2И 22 и 23 соединены с входами разрешения счета счетчиков 25, 26, 24 и 27,счетные входы которых соединены с выходом генератора 28 импульсов и входом источника 3 света.

Фотоприемная матрица фотоприемника 5 содержит четыре приемных элемента - 30-33.

Устройство работает следующим образом.

Постоянные4 по амплитуде импульсы от генератора 28 импульсов поступают на импульсный источник 3 света с час- тотой, равной частоте пропускания каналов одночастотного усилителя 6. Световые импульсы импульсного источника 3 света поступают на конденсор 2 и выходят из датчика в виде импульсного- светового потока с малой угловой расходимостью. Отраженньй от перемещаемого объекта импульсный световой поток поступает на фокусирующий блок 4. При изменении положения отражающего объекта в зоне светового потока изменяется положение пятна- проекции на фотоприемнике 5. Характерные положения 34-40 пятна-проекции на четырех элементах 30-33 фотоприемника 5 показаны на фиг. 2,

При положении отражающего объекта симметрично оси фокусирующего блока 4 пятно-проекция занимает центральное положение на фотоприемнике 5 (п. 34, фиг. 2). Импульсные токи элементов 30-33 становятся равными по амплитуде, после детектирования в блоке 7 детектирования сигналы на четырех его выходах по уровню равны. Сигналы детекторов 8-11 поступают на входы суммирующих усилителей 12-15. В первом суммирующем усилителе 12 суммируются сигналы с детекторов 8 и 9 соответствующие первому 30 и второму 31 элементам фотоприемника 5, во втором

3147

суммирующем усилителе 13 - с детекторов 10 и 11, соответствующих второму

31и. четвертому 33 элементам фотоприемника 5; в третьем суммирующем усилителе 14 - с первого 30 и третьего

32элементов, в четвертом суммирующем усилителе 15 - с третьего 32 и четвертого 33 элементов.

Сигналы с суммирующих усилителей 12 - 15 поступают на первые входы компараторов 16-19 и сравниваются с регулируемым при настройке уровнем, поступающим на вторые входы компараторов 16-19.

Статическое положение объекта оценивается по срабатыванию от вертикального его края, например, по комбинации срабатывания второго компаратора 17 и отсутствия срабатывания в третьем компараторе 18.

В режиме перемещения объекта фотоэлектрический датчик перемещения работает следующим образом.

Сигналы с суммирующих усилителей 12-15 соответствуют перемещению по двум перпендикулярным осям, проходящим по линиям разделения элементов матрицы.фотоприемника 5. При условии введения в датчик в качестве фокусирующего блока 4 линзы-ахромата аберрации оптической системы существенно уменьшаются и край светового пятна- проекции становится четко выраженным, а раздельное суммирование сигналов

в суммирующих усилителях 12-15 с эле- ментов матрицы фотоприемника 5 обеспечивает независимость сигнала о перемещении объекта в горизонтальном направлении (выходы суммирующих усилителей 13 и 14) от сигнала о перемещении в вертикальном направлении (выходы суммирующих усилителей 12 и 15). Скорость перемещения объекта в горизонтальном направлении фиксируется по фазовому сдвигу фронта нарастания входных сигналов с суммирующих усилителей 13 и 14 (фиг. За,б)и поступает на первые входы компараторов 17 и 18. При установлении на вторых входах компараторов 17 и 18 определенного уровня с выхода регулируемого источника 29 напряжения (фиг. За,б пунктир) между моментами срабатывания выходного сигнала компаратора 18 (фиг.

o

0

5

0

рого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 21 ,с выхода которого сигнал (фиг.Зд) поступает на вход разрешения счета счетчика 26, предварительно настроенного на состояние полного заполнения всех разрядов и на операцию вычитания импульсов. При наличии высокого уровня на входе разрешения счета сигнала по фиг. Зд импульсы с генератора 28 импульсов, поступающие на счетный вход счетчика 26, вычитаются и остаток, записанный в счетчике 26 после завершения прохождения по горизонтальной оси объекта, соответствует значению скорости перемещения.

При проходе отражающего объекта с постоянным коэффициентом отражения по горизонтальной оси длительность сигналов компараторов 17 и 18 прямо пропорциональна его протяженности,а при постоянной скорости перемещения - только протяженности по горизонтальной оси и может быть определена по длительности срабатывания как компаратора 17, так и компаратора 18. Малое влияние фоновой засветки приводит к тому, что кран изображения движущегося объекта перемещается по фотоприемнику 5 без изменения контраста с четко очерченной границей.

Сигнал с компараторов 17 и 18 поступает на входы второго элемента 2И 23, который формирует на его вы

ходе сигнал, пропорциональный протяженности объекта и поступающий на вход разрешения счета счетчика 27. Число импульсов, записываемых в счетчике 27, пропорционально протяженности объекта по горизонтальной оси.

При изменении коэффициента отражения объекта, например, в два раза, происходит только падение уровня сигналов на элементах фотоприемника 5 без искажения размеров и формы пятна- проекции объекта. При том же уровне срабатывания (фиг. Зг,д, горизонтальный пунктир) длительность сигналов срабатывания компараторов 17 и 18 изменяется незначительно, а сдвиг между их передними и задними фронтами остается неизменным. Длительность сигналов с элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 21 и число, записываемое с счетчик

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем одновременного измерения наряду с положением объекта скорости его перемещения и его протяженности. Луч света от импульсного источника 3 света направляется на объект, отражается от него и попадает на четырехэлементный фотоприемник 5. С выхода фотоприемника 5 сигнал через четырехканальный одночастотный усилитель 6 и четырехканальный блок 7 детектирования поступает на входы суммирующих усилителей 12,13,14,15, в которых формируются сигналы двух строк и двух столбцов. Полученные сигналы строк и столбцов поступают на компараторы 16,17,18,19, где сравниваются с пороговыми напряжениями, задаваемыми регулируемым источником 29 напряжения, и формируют сигналы разрешения счета, которые через разрешающие элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 20,21 поступают на вход счетчиков 25,26, конечное состояние которых пропорционально скорости перемещения объекта. Через разрешающие элементы И 22,23 они поступают на вход счетчиков 24,27, конечное состояние которых содержит информацию о положении объекта и его протяженности. 3 ил.

(фиг.3в,г) имеется временной интервал,55 26 и характеризующее скорость переобратно пропорциональный скорости перемещения. Сигналы с выходов компараторов 17 и 18 поступают ца входы вто,мещения объекта по горизонтальной оси, не зависит от коэффициента отражения объекта.

Перемещение объекта одновременно по вертикальной и горизонтальной осям отражается на перемещении пятна-проекции под непрямыми углами к осям (например, п. 39 и 40, фиг. 2) и является суперпозицией рассмотренных режимов работы. Например, вращающийся отражающий объект,,. не полностью перекрывающий световое пятно от источника 3 импульсного излучения и конденсора 2, приводит к поочередному включению (с перекрытием компараторов 16 -19), что позволяет с высокой

20

достоверностью идентифицировать отра- -|g ремещения объекта соответственно,вы- жающие некруглые объекты, перемещаемые захватом манипулятора, имеющим 3-4 степени свободы перемещения.

Формула изобретения

Фотоэлектрический датчик перемещения, содержащий оптически связанные импульсный источник света и конденсор, предназначенные для установки в отраженном от объекта световом потоке оптически связанных фокусирующего блока и фотоприемника, последовательно соединенные одночастотный усилитель и блок детектирования, регулируемый источник напряжения, выход фотоприемника соединен с входом од25

ход компаратора четвертого канала компарирования соединен с вторыми входами элементов И и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ первых каналов вычисления протяженности объекта и скорости перемещения объекта соответственно, выход регулируемого источника напряжения соединен с вторыми входами компараторов каждого из четырех каналов компарирования, выход генератора импульсов соединен с импульсным источником света и счетными входами счетчиков каждого из каналов вычисления протяженности объекта и скорости перемещения объекта, первый выход блока детектирования соединен с первыми входами суммирующих усилителей первого и третьего каналов компарирования, второй выход блока детектирования соединен с первым и вторым входами суммирующих усилителей второго и первого каналов компарирования соответственно, третий выход блока детектирования соединен с вторым и первым входами .„ суммирующих усилителей третьего и чет вертого каналов компарирования соответственно, четвертый выход блока детектирования соединен с вторыми входами суммирующих усилителей второго и четвертого каналов компарирова30

усилителя.

о т л и ч аночастотногою щ и и с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем измерения наряду с положением объекта скорости его перемещения и его протяженности, он снабжен четырьмя каналами компарирования, каждый из которых состоит из последовательно соединенных суммирующего усилителя и компаратора, двумя каналами вычисления протяженности объекта, каждый из которых состоит из последовательно соединенных элемента И и счетчика, двумя каналами вычисления скорости перемещения объекта, каждый из которых состоит из последовательно соединенных элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и счетчика, и генератором импульсов, выход компаратора первого канала компарирования соединен с первыми входами элементов И и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ первых каналов вычисления протяженности объекта и скорости перемещения объекта, соответственно, выход компаратора второго канала компарирования соединен с первыми входами элементов И и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ вторых каналов вычисления протяженности объекта и скорости перемещения объекта соответ- ственно, выход компаратора третьего канала компарирования соединен с вторыми входами элементов И и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ вторых каналов вычисления протяженности объекта и скорости пе0

ремещения объекта соответственно,вы-

5

ход компаратора четвертого канала компарирования соединен с вторыми входами элементов И и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ первых каналов вычисления протяженности объекта и скорости перемещения объекта соответственно, выход регулируемого источника напряжения соединен с вторыми входами компараторов каждого из четырех каналов компарирования, выход генератора импульсов соединен с импульсным источником света и счетными входами счетчиков каждого из каналов вычисления протяженности объекта и скорости перемещения объекта, первый выход блока детектирования соединен с первыми входами суммирующих усилителей первого и третьего каналов компарирования, второй выход блока детектирования соединен с первым и вторым входами суммирующих усилителей второго и первого каналов компарирования соответственно, третий выход блока детектирования соединен с вторым и первым входами „ суммирующих усилителей третьего и четвертого каналов компарирования соответственно, четвертый выход блока детектирования соединен с вторыми входами суммирующих усилителей второго и четвертого каналов компарирова0

5

5

0

ния, фотоприемник выполнен четырех- квандрантным, одночастотный усилитель и блок детектирования выполнены четы- рехканальными, фокусирующий блок выполнен в виде линзы-ахромата, оптическая ось которой совмещена с центром симметрии фоточувствительной области фотоприемника.

34

35

37

эе

фиг. 2

а

f

36

зз

ио

1Г