Фотодатчик Советский патент 1991 года по МПК G01B21/00 

1

{21)4679357/28

(22) 18.04.89

(46) 07.04.91.Бюл. № 13

(71)Пермский государственный университет им. А. М. Горького

(72)Г. А. Новиньков

(53)537.7(088.8)

(56)Авторское свидетельство СССР

Ns 1401551, кл. НОЗ В 17/00, G 01 В 11/00. 1988.

(54)ФОТО ДАТЧИК

(57)Изобретение относится к контрольно- измерительной и сигнальной технике. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей фотодатчика за счет введения второго канала оптической обратной связи с повышенным напряжением питания фотодиода. Фотодзтчмк содержит два независимых канала оптической обратной связи, каждый из которых содержит фотодиод 1 (5), транзисторный усили тель тока со светодиодом 12 (15) в эмиттерной цепи, компаратор 3 (7) и диодную цепь обратной связи. Коммутация каналов осуществляется RS-триггером 9. Каждый канал является независимым преобразователем величины потока излучения во временной интервал, что позволяет использовать их параллельно для контроля за одним объектом, раздельно - для контроля за двумя, а также как дифференциальный датчик, 2 ил.

-Uf)2

+Unl

сл

Јь

Изобретение относится к контрольно- измерительной и сигнальной технике.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей фотодатчика за счет введения второго канала оптической обратной связи с повышенным напряжением питания фотодиода.

На фиг. 1 приведена электрическая схема фотодатчика; на фиг. 2 - временные диаграммы его работы.

Фотодатчик содержит фотодиод 1, анод которого соединен с первым выводом нагрузочного резистора 2, входом компаратора 3 и анодом диода 4 цепи обратной связи первого канала, фотодиод 5, анод которого соединен с первым выводом нагрузочного резистора 6, входом компаратора 7 и анодом диода 8 цепи обратной связи второго канала, RS-триггер 9, S-вход которого соединен с выходом компаратора 3, а R-вход соединен с выходом 5 компаратора 7,транзистор 10, база которого соединена с инвер- сным выходом Q триггера 9, а эмиттер транзистора 10 соединен с катодом диода 4 и резистором 11, второй вывод резистора 11 соединен с анодом светодиода 12, образующим совместно с фотодиодом 1 первый канал оптической обратной связи; транзистор

13,база которого соединена с прямым выходом Q триггера 9, а эмиттер транзистора 13 соединен с катодом диода 8 и резистором

14,второй вывод резистора 14 соединен с анодом светодиода 15, образующим с фотодиодом 5 второй канал оптической обратной связи; минусовая шина - Uni первого источника (не показан) компараторов 3 и 7

и триггера 9 соединена с вторыми выводами резисторов 2 и 6 и катодами светодиодов 12 и 15, а плюсовая шина +Un2 этого источника соединена с коллекторами транзисторов 10 и 13; минусовая шина -Un2 второго источника питания (не показана) соединена с плюсовой шиной +Uni первого источника питания, а плюсовая шина +Un2 соединена с катодами фотодиодов1 и 5, выходами фо- тодатчика являются эмиттерные цепи транзисторов 10 и 13.

При подаче питающих напряжений триггер 9 устанавливается в одно из устойчивых состояний. Предполагают,что триггер установился в нулевое состояние, которому соответствует нулевой сигнал на прямом выходе Q и единичный сигнал на инверсном выходе Q. Это состояние принимают за исходное. В этом состоянии - момент времени to на фиг. 2 - единичным сигналом с выхода Q триггера 9 открыт транзистор 10, на выходе Вых 1 фотодатчика генерируется единичный сигнал, светодиод 12 включен, диод 4 заперт, ток 1ф1 фотодиода 1 равен нулю,

входное Uex3 и выходное УеыхЗ напряжения компаратора 3 - нулевые, выходное напряжение нулевое, транзистор 13 и светодиод 15 выключены, входное 1)Вх7 и выходное 1/вых7 напряжения компаратора 7 нулевые.

Фотодатчик работает следующим образом.

В момент времени появляется и нарастает фототок 1ф1 фотодиода 1, протекающий по резистору 2. В результате нарастает и напряжение UBx3 на входе компаратора 3. При достижении порогового включающего напряжения Uex3e«i компаратор 3 включается-момент времени на фиг. 2, Единичным напряжением УвыхЗ по входу S триггер 9 переключается в единичное состояние - в результате напряжение Кб на выходе (5 триггера 9 становится нулевым, выключаются транзистор 10 и светодиод 12, включается диод 4, и фотодиодная цепь шунтируется низкоомной выходной цепью транзистора 10, что приводит к быстрому восстановлению фотодиодной цепи к приему следующего светового импульса и быстрому спаду напряжения Квхз на входе и 1)Выхз на выходе компаратора 3 до нуля, и триггер 9 оказывается быстро подготовлен для управления по входу R, выходное напряжение на Вых.Г в момент времени ti становится равным нулю - процесс формирования импульса на первом выходе закончен; появляется единичное напряжение на выходе Q триггера 9, открывается транзистор 13 и включается светодиод 15, появляется и нарастает фото- ток 1ф5 фотодиода 5, нарастает напряжение на входе компаратора 7, при достижении этим напряжением порогового чключающе- го значения КвхТвкл включается компаратор 7 - момент времени г на фиг.2 (к этому времени напряжение УвхЗ на S-входе триггера 9 падает до нуля), и единичным напряжением Квых по R-входу триггер 9 переключается в исходное нулевое состояние - процесс формирования импульса на Вых. 2 (или паузы на Вых. 1) закончен. На фиг. 2 процесс формирования импульса на Вых.2 показан для большей величины потока излучения по сравнению с потоком первого канала, поэтому вследствие большей скорости нарастания фототока 1ф5 по сравнению со скоростью нарастания фототока ф1 длительность импульса tnMn2-t2 ti, сформированного во втором канале, оказывается короче длительности tnMni tt-to, сформированного в первом канале. На выходах компараторов 3 и 7 формируются импульсы значительной длительности - это объясняется гистерезисом компараторов.

Из временных диаграмм видно, что длительность генерируемых импульсов зависит от скорости нарастания фототоков 1ф1 и фд и пороговых значений входных напряжений UBx3 вкл и UBx7 вкл компараторов 3 и 7. При частичном перекрытии потока излучения, например, светодиода 12, скорость нарастания фототока 1ф1 фотодиода 1 падает, что приводит к увеличению длительности импульса, который генерируется на выходе Вых.Г - интервал времени на фиг. 2. При изменении потока излучения в первом канале оптической обратной связи изменения длительности импульса, генерируемого на Вых.2, или что то же самое, длительности паузы между импульсами на Вых.1, не происходит, т, е. информация о величине потока излучения в первом оптическом канале содержится в импульсе на Вых.1 и в паузе на Вых.2 фотодатчика. В том случае, если величина потока излучения в каком-то канале, например, во втором, снизилась настолько, что даже установившееся значение фототока ФБ оказывается недостаточным, чтобы создать на входе компаратора 7 напряжение, равное пороговому, включения компаратора 7 не происходит, не происходит и переключения триггера 9 по R-входу. При этом генерация срывается и на выходе Вых.2 генерируется постоянное напряжение - фиг. 2 после момента времени т.з. Понизив пороговое значение напряжения 1)вх7 вкл компаратора 7 (в интегральных компараторах возможность регулировки этого напряжения предусмотрена), можно восстановить генерацию фотодатчика, расширив таким образом его рабочий диапазон изменений потока излучения в нижнюю сторону.

Если оба оптических канала фотодатчика используются для контроля, например, оптической прозрачности одной и той же среды, то изменение коэффициента поглощения этой среды вызывает пропорциональное изменение периода генерируемого сигнала, так как одинаково изменяется длительность импульсов на обоих выходах - фотодатчик в этом случае работает как преобразователь коэффициента поглощения в период генерируемого сигнала. При необходимости иметь сигнал о достижении коэффициентом поглощения контролируемой среды некоторого конкретного значения достаточно предварительно установить порог срыва генерации в одном (любом) из каналов фотодатчика регулировкой порога срабатывания компаратора.

Так как длительность генерируемых импульсов зависит только от величины потока излучения в этом же оптическом канале, а

длительность паузы между импульсами на этом же выходе зависит только от величины потока излучения в другом оптическом канале, то с помощью фотодатчика можно одновременно преобразовывать во временные интервалы два независимых потока излучения первого и второго каналов. При этом информация о величине одного из этих потоков содержится в длительности импульса,

а другого - в длительности паузы этого же сигнала.

Фотодатчик может также использоваться как дифференциальный, например, при контроле положения протягиваемой непрозрачной ленты, частично перекрывающей потоки излучения в обоих оптических каналах так, что при ее смещении от заданного положения происходит увеличение перекрытия потока, например, в первом

канале, и уменьшение перекрытия потока во втором канале. В этом случае увеличивается длительность импульса Тимп и уменьшается длительность паузы tn генерируемого сигнала на Вых.1, а частота сигнала остается

неизменной, таким образом информация о положении ленты содержит в отношении

имп . Одновременно по изменению частоТп

ты генерируемого сигнала можно контролировать и ширину ленты, например при ее сужении уменьшается степень перекрытия обоих потоков, что приводит к увеличению частоты генерируемого сигнала. Формула изобретения

Фотодатчик для измерения параметров

оптически прозрачных сред, содержащий фотодиод, нагрузочный резистор, RS-триг- гер, транзистор, токостабилизирующий резистор, светодиод, источник питания,

минусовая шина которого соединена с одним из выводов нагрузочного резистора, другой вывод нагрузочного резистора соединен с анодом фотодиода, база транзистора соединена с инверсным выходом

RS-триггера, а эмиттер соединен с выводом токоетабилизирующего резистора, о т л и - ч а ю щ и й с я, тем, что, с целью повышения информативности, он снабжен вторым фотодиодом, вторым нагрузочным резистором, вторым транзистором, вторым токостабилизирующим резистором, вторым светодиодом, вторым источником питания, первым и вторым компараторами, первым и вторым диодами, аноды которых соединены

соответственно с входами первого и второго компараторов, а катоды соединены соответственно с эмиттерами первого и второго транзисторов, база второго транзистора соединена с прямым входом RS-триггера, а

эмиттер соединен с выводом токостабили- зирующего резистора, катод второго свето- диода соединен с катодом первого светодиода и с минусовой шиной первого источника питания, анод второго светодиода соединен с вторым выводом второго то- костабилизирующего резистора, анод первого светодиода соединен с вторым выводом первого токостабилизирующего . ивжТвм

ивых

О t0

зистора, минусовая шина второго источника питания соединена с плюсовой шиной первого источника питания и с коллекторами транзисторов, а плюсовая шина второго источника питания соединена с катодами фотодиодов, выходы компараторов соединены соответственно с S- и R-входаМи RS-тригге- ра, а эмиттерные цепи транзисторов являются выходами фотодатчика.