Фотоэлектрический датчик положения носителя записи Советский патент 1992 года по МПК G06K7/14 

Изобретение относится к автоматике и. вычислительной технике, в частности к фотоэлектрическим датчикам, и может быть использовано в датчиках скорости, перемещений, положений, в датчиках нулевой координаты.

Известен фотоэлектрический.датчик, содержащий источник света, оптически связанный с фотоприемником, выполненным на резисторе, усилитель фотоэлектрического сигнала, вход которого соединен с выходом фотоприемника, формирователь выходного сигнала, подключенный через стабилитрон к выходу усилителя.

Недостатком данного датчика является низкая защищенность от воздействия электромагнитных помех и вибраций носителя информации при быстром торможении объекта контроля.

Цель изобретения - повышение помехо- стойкости датчика положения носителя записи.

Поставленная цель достигается тем, что фотоэлектрический датчик положения носителя записи, содержащий источник света, подключенный первым выводом к шине питания и расположенный против фотоприемника, который подсоединен первым выводом к первому выводу первого резистора и соединен вторым выводом с общей шиной, подключенной к эмиттеру первого транзистора и соединенной через второй резистор с базой первого транзистора и с первым выводом третьего резистора, подключенного вторым выводом к первому выводу четвертого резистора, выходную шину, соединенную с коллектором первого транзистора и пятый резистор, введены второй транзистор, подсоединенный базой к перVI Ю

00 01

о

00

вому выводу фотоприемника и соединенный эмиттером с шиной питания, подключенной ко второму выводу первого резистора, третий транзистор, подсоеди-. ненный эмиттером к базе первого транзистора и к первому выводу пятого резистора и соединенный базой с первым выводом четвертого резистора, а коллектором .- с коллектором второго транзистора, четвертый транзистор, подсоединенный базой ко второму выводу пятого резистора и коллектору третьего транзистора, и соединенный коллектором со вторыми выводами источника света и четвертого резистора, и конденсатор, причем конденсатор включен между первым выводом фотоприемника и коллекторами второго и третьего транзисторов, база последнего из которых соединена с эмиттером четвертого транзистора.

На фиг.1 и 2 представлены принципиальны схемы фотоэлектрического датчика положения носителя информации.

Устройство содержит источник света 1, фотоприемник 2, оптически связанный с источником света, резистор 3 задания начального тока источника света, формирователь 4 положительной обратной связи между источником света и фотоприемником, составленный стабилизатором тока на п-р-п транзисторе 5; резисторе 6 и усилителем отрицательной обратной связи на п-р-п транзисторе 7-, узел 8 температурной стабилизации на p-n-р транзисторе 9 и резисторе 10, цепь 11 отрицательной обратной связи на конденсаторе 11, формирователь 12 выходного сигнала с входом, составленным n-p-п транзистором 13 и низкоомным резистором 14, цепь разряда базы транзистора 5 - резистор 15.

Формирователь 4 имеет три выхода и один управляемый вход. Первый выход образует коллектор транзистора 5, второй - соединения эмиттера транзистора 5, базы транзистора 7 и первого вывода резистора 6, третий - соединение эмиттера транзистора 7 и второго вывода резистора 6. Управляющий вход формирователя образован соединением базы транзистора 5 и коллектора транзистора 7,.Связь между стабилизатором тока и усилителем отрицательной обратной связи осуществлена посредством резистора обратной связи б, выполняющего роль датчика тока цепи транзистора 5,

Первый вывод резистора 10 и эмиттер транзистора 9 узла стабилизации подключены к шине питания. Входом узла является соединение второго вывода резистора 10 и базы транзистора 9. Выходом - коллектор транзистора.

Составляющие компоненты датчика охвачены следующими связями: источник света 1 включен между шиной питания и первым выходом формирователя 4 тока, резисторЗ задания начального тока источника света включен между первым и вторым выводами формирователя тока, фотоприемник - между общим проводом и входом узла 8 стабилизации, выход узла 8 подключен к

управляемому входу формирователя тока, конденсатор 11 цепи отрицательной обратной связи включен между входом и выходом узла 8, формирователь 12 выходного сигнала подключен к третьему низкоомному выходу формирователя 4 тока.

Выходом устройства является выход 16 формирователя выходного сигнала.

Носителем 17 информации является элемент подвижной части контролируемого

объекта или перфолента устройства ввода информации.

Указанный порядок соединения узлов и элементов устройства обуславливает наличие положительной обратной связи фотоприемника с источником света. Благодаря этому устройство может пребывать в одном из двух устойчивых состояний, каждому из которых соответствует свое установившееся значение тока в цепи источника света и

необходимая величина площади засветки фоточувствительной поверхности фотоприемника.

При перемещении носителя 17 информации переход схемы из одного устойчивого

состояния во второе происходит лавинообразно: первый раз в результате увеличения площади засветки фотоприемника от 0 до величины Змак.; второй рез - при уменьшении площади засветки до величины Змин.

Граничные условия перехода схемы устройства из одного состояния во второе описываются равенством:

Змак. мин. Змин мак. k Фср-. (1)

где 1Мин., Змак. - необходимые для перехода схемы устройства из состояния фотоприемник затемнен в состояние фотолрием- ник засвечен, ток в цепи источника света и площадь засветки фоточувствительной поверхности фотоприемника; мак., Змин. - необходимые для обратного перехода схемы устройства к состоянию фотоприемникзатемнен, ток в цепи источника света и площадь, засветки поверхности источника света;

k - коэффициент пропорциональности; Фср - пороговое значение светового потока на фотоприемник.

В этих положениях носителя информации относительно оптического канала датчика необходимые для переключения схемы величины токов и площади засветки соотносятся следующим образом

К мак.Лмин. Змак./Змин. (2)

Первое из отношений в равенстве (2) показывает, во сколько раз лавинообразно увеличивается ток в цепи источники света при выходе объекта информации в точку с координатой xi(S Змак.); второе - во сколько раз должна быть уменьшена площадь засветки фотоприемника для возращения схемы к исходному состоянию при токе в цепи источника света 1Мак.

В равенстве (2) отношение

k мак.Лмин.

именуется коэффициентом петли гистерезиса по току источника света, отношение

К Знак./Змин.

есть коэффициент петли гистериза по площади засветки фотоприемника,

В (2) площади Змак. и Змин. отображают положение носителя информации относительно некоторой, произвольно взятой за нуль, точки счета - координаты х. Таким образом, заданием тока 1мин. задается пер- вая координата xi носителя информации для срабатывания датчика на засветку фото- приемника при 3 Змак. Заданием тока мак. задается вторая Х2 координата для срабатывания датчика на затемнение фотоприемни: ка при 3 Змин. Отсюда, допустимая амплитуда вибрций носителя информации, не вызывающая появления в выходном сигнале датчика сигналов типа дребезг контактов

А .

В соответствии с выражением (2) допустимые ее пределы могут быть увеличены или уменьшены путем изменения коэффициента оптоэлектронной петли гистериса.

К мак Змак. Х1 -

1мин омин. Х2

Для этого достаточно в соответствии с формулой (3) для Мак. изменить сопротивление резистора Re

0,6

Re

.Аналогично, если это не продиктовано другими соображениями, величина начального тока :может быть изменена заменой сопротивления резистора Rg по формуле

мак.

мин.

Un - Уис.

R3+(R6+RvO где Re О.бЛмэк.;

R14-°4 M;

|мак..

Un - напряжение источника питания датчика;

5 10

15

0

5 0 5

0

5

0

5

UHC. - напряжение на источнике света при токе Мин.;

0,6 В - напряжение стабилизации на базово-эмиттерном переходе транзистора 7;-.. (0,6-0,8)В - необходимое для срабатывания напряжение на входе формирователя выходного сигнала.

Из двух.регистрируемых координат наиболее точно положение источника информации отображает координата ха. Это объясняется тем, что формирование информационного сигнала при выходе источника информации в окрестности координаты Х2 начинается с уменьшения светового потока Ф:р при стабилизированном стартовом значении тока источника света 1мак. Этого свойства достаточно для использования устройства в качестве датчика нулевой координаты, где главным требованием является точность регистрации.

Высокая точность регистрации положения объекта информации относительно выбранной в качестве нулевой координаты Х2 обеспечивается высокой стабильностью работы совокупности формирователя тока по- ложительной обратной связи и узла температурной стабилизации. При этом независимость тока мак. в цепи источника света от колебаний напряжения питания дополняется его независимостью от колебаний температуры окружающей среды.

Действие узла 8 температурной стабилизации тока объясняется идентичностью состояний транзисторов 9 и 7 при изменениях температуры окружающей среды. Это вытекает из того, что оба транзистора включены по схеме с общим эмиттером, имеют близкие коэффициенты усиления, близкие по величине коллекторные токи и одинаковые для них условия воздействия температуры окружающей среды.

Поэтому увеличение или уменьшение тока транзистора 7 автоматически компенсируется увеличением или уменьшением тока транзистора 9. При этом токи базы и коллектора транзистора 5 и источника света остаются неизменными.

В защите датчика от воздействия индуцированных помех используются отличия в скорости нарастания и длительности действия поступающих на вход узла стабилизации сигналов. Эти отличия сводятся к следующему. Поскольку помехи в схеме возбуждаются индукционным путем, они носят импульсный характер, а длительность их воздействия ограничена. Помеха составлена последовательностью разнополярных импульсов. В отличие от помех, полезный

сигнал на входе узла - однополярный и превышает по длительности длительность импульсных помех.

Защита достигается введением в схему емкостной цепи отрицательно обратной связи на конденсаторе 11.

На воздействие помех датчик реагирует следующим образом.

При воздействий помехи на вход узла 8, изменение напряжения на коллекторе транзистора 9 приводит к подаче через цепь обратной связи (конденсатор 11) на его базу импульса противоположной полярности. В результате суммирования сигналов противоположных полярностей действующей на базу транзистора разностный сигнал оказывается недостаточным для возбуждения в выходной цепи 8 узла тока опасного изменением состояния схемы формирвоателя тока и датчика в целом.

Поскольку транзистор 9, включенный по схеме с общим эмиттером, обладает детектирующими свойствами, воздействие пакета импульсов помехи плотно прилегающих .друг к другу может приводит к нежелательному накоплению заряда на конденсаторе и потере эффективности действия цепи отрицательной обратной связи. С тем. чтобы уменьшить вероятность ложного срабатывания датчика от пакета импульсов, емкость конденсатора 11 выбрана так, чтобы к концу действия помехи непременная составляющая напряжения на конденсаторе оставалась много меньше средней амплитуды импульсов помехи.

Поскольку последовательность импульсов помехи содержит импульсы различной полярности, процесс ее интеграции на конденсаторе 11 удлиняется. В результате этого задержка помех становится много больше времени задержки полезного сигнала „положительной обратной связи.

Защита формирователя тока обратной связи от помех, проникающих на шину питания по цепям питания, обеспечивается применением в нем стаблизатора тока. Это объясняется тем, что ток стабилизатора, управляющий формирователем выходного сигнала, не зависит от напряжения питания и его колебаний, обусловленных воздействием помехи.При закрытом стабилизаторе тока возможность срабатывания формирователя 12 обуславливается необходимостью возникновения в цепи: шина питания, источник света, последовательное соединение резисторов 3, 6 и 14 - тока, равного In мак.

Для этого напряжение на шине питания скачкообразно должно возрастать в Краз, при этом

К мак./ мин.

Возникновение такой помехи на шине питания маловероятно.

Упрощение схемы датчика, позволяющего реализацию его в одноблочнрм исполнении, достигается как выбором функциональных узлов, так и совмещением в них функций усиления, стабилизации параметров и фильтрации помех. При этом внесение фотоприемника в общий корпус

обеспечивает дополнительное повышение его помехостойкости, так как исключает необходимость применения линий связи. Датчик работает следующим образом. В исходном состоянии, когда оптический канал связи перекрыт носителем 17 информации, фотоприемник 2 закрыт. В цепи источника света 1 и резисторов 3, 6 и 14 протекает начальный ток

Un-Unc

U

R3 +R6 + Rn где Un и Unc - напряжения источника питания и на источнике света. Ток 1Мин. образует на резисторе 6-и резисторе 14 падение напряжений иб 1мин.Рб«0,6В

.R14«0,6B, транзисторы 9,5,7 и 13 закрыты.

При перемещении носителя информации в сторону приоткрытия оптического ка- нала связи происходит увеличение площади засветки фотоприемника и постепенное возрастание его проводимости.

При увеличении площади засветки фотоприемника до величины Si, световой по- ток на фотоприемник достигает величины Ф1 KSr мин.

При этом проводимость фотопрйемника 2 становится достаточной для начала открывания транзистора 9. Приоткрывание транзистора 9 приводит к приоткрыванию транзистора стабилизатора тока 5 и появлению в цепи источника света составляющей тока положительной обратной связи. Световой поток на фотоприемник возрастает и приводит к соответствующему росту тока в цепи источника света.

Начавшийся при. Ф} лавинообразный процесс заканчивается установлением в цепи источника света тока

мак. 0,6/Нб,

и напряжений на резисторах 6 и 14

U6 lMaKC.Re 0,6,

U14 lMaK.,6

открыванием транзистора 7 и ограничением дальнейшего роста тока источника света величиной 1мак.При этом, установлением на входе формирователя выходного сигнала логической единицы высокого уровня, регистрируется нахождение носителя информации в точке с координатой XL

Избыточный ток транзистора 9, обусловленный не пропорциональным ростом светового потока, поглощается транзистором 7.

При обратном перемещении носителя информации из точки с координатой xi в точку с координатой Х2 имеет место уменьшение избыточного тока через транзистор 7 при сохранении неизменным тока в цепи источника света и светового потока.

При выходе носителя информации в точку с координатой Х2, площадь засветки уменьшается до величины Змии. При этом световой поток начинает уменьшаться Начавшийся процесс лавинообразного перехода схемы датчика к исходному состоянию заканчивается установлением в цепи источника света тока

, Un Unc

(мин.

R3 +Re + R14

закрытием транзисторов 9,5 и 7 и 13 установлением на резисторах 6 и 14 напряже-.

НИИ

1)б РбГмин. « 0,6 В

Uu Rl4lMMH. «0,6 В.

Установлением на входе формирователя выходного сигнала логического нуля низкого уровня регистрируется нахождение носителя информации в точке с координатой Х2.

Двухкратным переходом схемы датчика из одного состояния во второе и обратно заканчивается работа датчика по замкнутому контуру оптоэлектронной петли гистер- зиса с коэффициентом

К 1мак.. 5мак./5мин. Я5Х1/Х2.-;

Таким образом, защита датчика при вибрациях носителя информации достигнута введением в цепь источника света формирователя тока положительной обратной связи, обуславливающей работу датчика по замкнутому контуру оптоэлектронной петли гистеризиса, повышение точности регистрации положения носителя информации обусловлено введением в схему датчика

формирователя тока, построенного по схеме управляемого стабилизатора тока источника света, и подключенного управляемым входом к выходу узла температурной стаби- лизации. Повышение помехоетойкости датчика обеспечивается введением в его схему емкостной цепи отрицательной обратной связи и формирователя, содержащего стабилизатор тока, ток которого не зависит от

колебаний напряжения на шинах питания, Кроме того, упрощение схемы датчика достигнуто выбором его составляющих, в которых стало возможным совмещение функций усиления, стабилизации параметров и фильтрации помех.

Формула изобретения Фотоэлектрический датчик положения носителя записи, содержащий источник света, подключенный первым выводом к

шине питания и расположенный против фотоприемника, который подсоединен первым выводом к первому выводу первого резистора и соединен вторым выводом с общей шиной, подключенной к эмиттеру

первого транзистора и соединенный через второй резистор с базой первого транзистора и с первым выводом третьего резистора, подключенного вторым выводом к первому выводу четвертого резистора, выходную

шину, соединенную с коллектором первого транзистора, и пятый резистор, о т л и ч a torn, и и с я тем, что, с целью повышения помехоустойчивости, в него введены второй транзистор, подсоединенный базой к первому выводу фотоприемника и соединенный эмиттером с шиной питания, подключенной ко второму выводу первого резистора, третий транзистор, подсоединенный эмиттером к базе первого транзистора и к первому

выводу пятого резистора и соединенный базой с первым выводом четвертого резистора, а коллектором с коллектором второго транзистора, четвертый транзистор, подсоединенный базой ко второму выводу пятого

резистора и к коллектору третьего транзистора и соединенный коллектором со вторыми выводами источника света и четвертого резистора, и конденсатор, причем конденсатор включен между первым выводом фотоприемника и коллекторами второго транзистора и третьего транзистора, база которого соединена с эмиттером четвертого транзистора.

Изобретение относится к автоматике и позволяет повысить помехоустойчивость фотоэлектрического датчика положения носителя записи. Устройство содержит источник света, фотоприемник, формирователь положительной обратной связи между источником света и фотоприемником, узел температурной стабилизации, формирователь выходного сигнала/ Носителем информации является элемент подвижной части контролируемого объекта или перфолента устройства ввода информации. Повышение помехоустойчивости датчика достигнуто введением в его схему емкостной цепи отрицательной обратной связи и формирователя, содержащего стабилизатор тока, ток которого не зависит от колебаний напряжения на шинах питания. 2 ил.