Устройство для измерения отклонения светового пучка Советский патент 1991 года по МПК G01J1/44 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для регистрации отклонения световых пучков от начального положения.

Известно устройство для определения отклонения, содержащее четырехэлемент- ный координатный фотодиод с общим анодом, подключенным к источнику напряжения, а катоды элементов фотодиода через резистор подключены к общей шине устройства, между катодами фотодиода включены аналого-цифровые преобразователи, выходы которых подключены к арифметическому блоку 1J.

Недостатком этого устройства являются значительные погрешности в определении смещения светового пучка, падающего одновременно на четыре элемента фотодиода, обусловленные температурным дрейфом токов, утечки элементов фотодиода и изменением световых потоков. Кроме того, устройство имеет большую постоянную времени, которая определяется произведением нагрузочных резисторов и собственных емкостей элементов фотодиода.

Известно также устройство для определения отклонения светового пучка, содержащее четырехэлементкый координатный фотодиод, с общим анодом подключенным к общей шине устройства, а катоды элементов фотодиода подключены к входам дифференциальных усилителей, выходы которых через аналого-цифровые преобразователи подключены к арифметическому устройству 2.

Недостатком этого технического решения являются погрешности из-за температурного дрейфа напряжения смещения усилителей и из-за изменения световых потоков регистрируемого пучка. Кроме того, устройство имеет низкое быстродействие из-за большой постоянной времени каждого из элементов фотодиода, нагруженных на большие входные сопротивления усилителя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения отклонения светового пучка, содержащее координатный четырехэлемен- тный фотодиод, общий электрод которого соединен с общей шиной устройства, а каждый из отдельный электродов через коммутатор подключен к общей шине и через операционный усилитель к сумматору, выход которого через компаратор, соединенный с источником опорных напряжений, подключен к генератору тактовых импульсов, выход которого подключен к управляющим входам коммутаторов, выход операционных усилителей через разделительные элементы подключены к регистратору 3.

Недостатком устройства является то, что при работе в широком динамическом

диапазоне световых потоков не обеспечивается высокая точность устройства. Это связано с тем, что при регистрации смещения пучков с разными световыми потоками меняется частота съема информации в устрой0 стве, за счет этого устраняется погрешность из-за изменения световых потоков и при слабых потоках она оказывается достаточно малой, при этом значительно увеличиваются динамические погрешности устройства,

5 так как за время считывания информации исследуемый параметр может значительно измениться. Кроме того, при измерении мо- .дуля отклонения устройство усложняется, так как требуется ввести два аналого-цифровых преобразователя и арифметический

0 блок, осуществляющий операции возведения в квадрат, суммирования и извлечения квадратного корня, а так как часто требуется аналоговый выход, то нужно ввести цифро- аналоговый преобразователь.

5 Цель изобретения - упрощение устройства при измерении модуля отклонения светового пучка от оптической оси устройства. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения отклонения све0 тового пучка, .содержащее четы рехэлемен- тный фотодиод, два операционных . усилителя, три коммутатора, генератор тактовых импульсов, разделительный элемент, регистратор, сумматор, ко входам которого

5 подключены выходы операционных усилителей, введены четыре переключателя, счетчик, дешифратор и синхронный детектор, при этом катоды фотодиода подключены к входам первого, второго, третьего и четвер0 того переключателей, первые выходы которых объединены и подключены к общей шине, вторые выходы переключателей подключены к инвертирующему входу первого операционного усилителя, анод фотодиода

5 через первый коммутатор подключены к инвертирующему входу второго операционного усилителя, между выходом и инвертирующими входами первого и второго операционных усилителей включены цепи лога0 рифмирующих обратных связей и соответственно второй и третий коммутаторы, управляющие входы первого, второго и третьего коммутаторов подключены к первому, второму и третьему выходам дешиф5 ратора, четвертый, пятый, шестой и седьмой выходы которого подключены к управляющим входам первого, второго, третьего и четвертого переключателей, восьмой выход дешифратора подключен к управляющему

входу синхронного детектора, выход которого подключен к регистратору, входы дешифратора подключены к выходам счетчика, подключенного к генератору тактовых импульсов, выход сумматора через разделительный элемент подключен к синх- ронному детектору, а неинвертирующие входы операционных усилителей подключены к общей шине.

Использование логарифмирующей обратной связи у операционных усилителей, обеспечение поочередной подачи сигнала с каждого фоточувствительного элемента фотодиода на вход операционного усилителя с помощью переключателя, генератора, счетчика и дешифратора с последующим вычи- танием из него сигнала второго операционного усилителя на сумматоре позволяет формировать сигнал, постоянная составляющая которого пропорциональна сумме квадратов смещения светового пучка по двум координатам.

В устройстве обеспечивается формирование простыми средствами выходного сигнала, величина которого пропорциональна отклонению светового пучка от начала коор- динат (от точки пересечения линий раздела чувствительных элементов фотодиода). Время преобразования в устройстве не зависит от величины регистрируемого светового потока, а поэтому высокое быстродействие может быть обеспечено во всем диапазоне световых потоков (6-8 порядков) регистрируемых световых пучков. Благодаря этому заявляемое устройство имеет незначительные динамические погрешности по сравне- нию с прототипом.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит четырехэлемент- ный фотодиод 1, два операционных усили- теля 2 и 3, три коммутатора 4-6, генератор 7 тактовых импульсов, разделительный элемент 8, регистратор 9, сумматор 10, к входам которого подключены выходы операционных усилителей 2 и 3. Устройство также содержит четыре переключателя 11- 14, счетчик 15, дешифратор 16 и синхронный детектор 17. При этом катоды фотодиода 1 подключены к входным выводам переключателей 11-14, одни выводы кото- рых подключены к общей шине, другие - к инвертирующему входу первого операционного усилителя 2. Анод фотодиода 1 через первый коммутатор 4 соединен с инвертирующим входом второго операционного усилителя 3, между выходом и инвертирующим входом операционных усилителей 2 и 3 включены соответствующие цепи 18 и 19 логарифмирующей обратной связи и коммутаторы 5 и 6. Управляющие входы коммутаторов 5 и 6, переключателей 11-14 и синхронного детектора 17 подключены к соответствующим выходам дешифратора 16, входы которого соединены с выходами счетчика 15, подключенного к генератору 7 тактовых импульсов. Выход сумматора 10 через разделительный элемент 8 подключен к синхронному детектору 17, соединенному с регистратором 9. Неинвертирующие входы операционных усилителей соединены с общей шиной. Регистратор 9 может представлять собой последовательное соединение первого (20) и второго (21) интеграторов, компаратора 22 и формирователя 23 импульсов, выход которого подключен к входам обнуления интеграторов и является выходом регистратора 9, второй вход компаратора 23 подключен к источнику 24 опорного напряжения. В качестве разделительного элемента 8 могут быть использованы конденсатор, трансформатор и т.д. Логарифмические обратные связи 18 и 19 могут быть осуществлены на транзисторах или диодах.

Устройство работает следующим образом.

Световой пучок, попадающий одновременно на четыре чувствительных элемента фотодиода 1, генерирует в них фототоки, величина каждого из которых пропорциональна величине светового потока, падающего на соответствующий элемент фотодиода 1, и зависит от смещения центра светового пучка относительно точки пересечения линий раздела элементов фотодиода 1. Если сориентировать оси координат так, что ось ОУ будет проходить через центр (О), фотодиоды и точку Ki фотодиода 1, а ось ОХ через центр О и точку К2 фотодиода, то при малых смещениях светового пучка фототоки катодов К1,К2,Кз,К4 будут соответственно равны.

-Ф(1 + K.Y)(1)

1к2 д -ФО + к.х)(2)

1кз д -Ф(1-К.У)(3)

1к4 д-Ф(1-К.Х)(4)

где g - чувствительность элементов фотодиода, приведенная к спектру регистрируемого излучения,

Ф- световой поток, падающий на один элемент фотодиода 1 при совпадении центра светового пучка с центром чувствительной поверхности фотодиода (О);

К - коэффициент пропорциональности, определяющий связь между смещением X, Y центра светового пучка относительно центра фотодиода 1.

Генератор 7, счетчик 15 и дешифратор 16 управляют состоянием переключателей 11-14, коммутаторов 4-6 и работой синхронного детектора 17.

Устройство работает в восемь тактов.

В первом такте переключатель 11 подключает катод Ki фотодиода 1 к входу усилителя 2, переключатели 12-14 подключают катоды Ка, Кз, Ю) к общей шине, коммутаторов 4 замкнут, а коммутаторы 5 и 6 разомкнуты.

При этом на выходе усилителя 2 формируется напряжение.

U21 r In (g Ф/lNl) + fh In (1 + К Y) + Uc2;

(5)

где fH - температурный потенциал p-n-пере- хода цепи логарифмирующей обратной связи 18(19);

INI - обратный ток p-n-перехода логарифмирующего элемента 18;

UC2 - постоянное выходное напряжение смещения усилителя 2.

Выходное напряжение усилителя 3 оказывается равным

Ubi - - pr In (4 g Ф/М + Uc3, (6) где IN2 - обратный ток p-n-перехода элемента цепи логарифмирующей обратной связи 19;

Uc3 - выходное напряжение смещения усилителя 3.

Для обеспечения точности измерения требуется выполнение условия 4 INI. Это гарантируется использованием в качестве элемента обратной связи 19 четырех- эмиттерного транзистора, либо параллельным включением четырех элементов, идентичных по характеристикам элементу 18(это возможно, если элементы цепи 18 и 19 выполнены по одной технологии и желательно на одной подложке), тогда

Ubi - чн In (g Ф/INI) + UC3, (7) на выходе сумматора 10

и ют pt In (1 + К Y) + Uc2 + Uc3. (8) Во втором такте переключатели 11-14 подключают катоды фотодиода 1 к общей шине, коммутатор 4 разомкнут, а коммутаторы 5 и 6 - замкнуты. При этом напряжение на выходе сумматора 10 равно

. U4oi-Uc2 + Uc3.(9)

В последующих тактах устройство работает аналогично: поочередно замыкаются переключатели 12-14, чередуясь с замыканием коммутатора 4.

При этом сигнальные напряжения на выходе сумматора 10 при подключении к входу усилителя 2 соответственно катодов К2,Кз,К4 равны

UW - In (1 + К X) + Uc2 + исз; (10)

и юз (рт In (1 - К Y) + Uc2 + U-сз: (11)

U l04 In (1 - К X) + UC2 + Uc3. (12)

Перепады напряжения с выхода сумматора 10 передаются через разделительный элемент 8 на синхронный детектор 17, на выходе которого формируется постоянное напряжение, пропорциональное сумме этих перепадов:

чрт (X2 + Y2)+K4x xX2-Y2,(13)

где Ki - коэффициент передачи синхронного детектора 17.

При малых смещениях пучка K4X2Y2 «

« К2 (X2 + Y2) и К2 (X2 + Y2) « 1. Тогда напряжение на выходе синхронного детектора равно

U17 - Ki Л К2 (X2 + Y2).(14)

Если коэффициент передачи Ki обеспечить обратнозависимым по температуре (fh, что можно выполнить использованием терморезистора в цепи обратной связи синхронного детектора 17, то тогда крутизна изменения выходного сигнала не будет зависеть от температуры. Поскольку постоянная составляющая выходного напряжения сумматора 10, подверженная температурному дрейфу, не передается через разделительный элемент 8 на детектор 17, то это

также приводит к повышению точности. Как следует из выражения (14), выходной сигнал устройства не зависит от изменения свето- вого потока. Кроме того, благодаря использованию логарифмической обратной связи

в усилителях 2 и 3 устройство может работать в широком динамическом диапазоне (не менее шесть порядков).

В регистраторе 9 выходное напряжение детектора 17 может быть подвергнуто операции извлечения квадратного корня. Если регистратор выполнен в виде последовательного соединения двух интеграторов, компаратора и формирователя импульсов. выход которого подключен к входам сброса

в О интеграторов и является выходом регистратора 9, и второй вход компаратора подключен к источнику опорного напряжения, тогда в регистраторе 9 выходной сигнал синхронного детектора 17 подвергается нелинейному преобразованию: извлечению квадратного корня и затем преобразуется в импульсы, частота следования которых пропорциональна величине смещения светового пучка.

Формула изобретения

Устройство для измерения отклонения светового пучка, содержащее четырехэле- ментный фотодиод, два операционных усилителя, три коммутатора, генератор тактовых импульсов, разделительный элемент, регистратор, сумматор, к входам которого подключены выходы операционных усилителей, отличающееся тем. что, с целью упрощения устройства при измерении модуля отклонения светового пучка от оптической оси устройства, в него введены четыре переключателя, счетчик, дешифратор и синхронный детектор, при этом катоды фотодиода подключены соответственно к входам первого, второго, третьего и чет- вертого переключателей, первые выходы которых объединены и подключены к общей шине, вторые выходы переключателей объединены и подключены к инвертирующему входу первого операционного усилителя, анод фотодиода через первый коммутатор подключен к инвертирующему входу второго операционного усилителя, между выходами и инвертирующими входами первого и второго операционных усилителей включе-

ны цепи логарифмирующих обратных связей и соответственно второй и третий коммутаторы, управляющие входы первого, второго и третьего коммутаторов подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам дешифратора, четвертый, пятый, шестой и седьмой выходы которого подключены к управляющим входам первого, второго, третьего и четвертого переключателей, восьмой выход дешифратора подключен к управляющему входу синхронного, дешифратора, выход которого подключен к регистратору, входы дешифратора подключены к выходам счетчика импульсов, вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов, неинвертирующие входы операционных усилителей подключены к общей шине, а выход сумматора через разделительный элемент подключен к входу синхронного детектора.

Изобретение может быть использовано для измерения отклонения светового пучка от начального положения. Цель изобретения - упрощение устройства при измерении модуля отклонения светового пучка от оптической оси устройства, Устройство обеспечивает получение путем преобразования сигналов с катодов и анодов четырехэле- ментного фотодиода 1 сигнала, пропорционального квадрату отклонений светового пучка. Это достигается путем поочередного подключения переключателями 11-14 и коммутатором 4 электродов фотодиода 1 к операционным усилителям 2 и 3, охваченным логарифмической обратной связью и вычитанием их выходных сигналов в сумматоре 10. Последующее прохождение сигнала через разделительный элемент 8 и синхронный детектор 17 устраняет погрешность от изменения температуры и светового потока. 1 ил. СО С о 00 о VI о 4