Оптический датчик перемещения Советский патент 1992 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к средствам измерения перемещений и может быть использовано в частности, при автоматизации процессов стыковой сварки.

К его недостаткам следует отнести низкое быстродействие, обусловленное наличием блокировочных конденсаторов, необходимых для фильтрации сигнала.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для преобразования линейных перемещений, содержащее источник излучения, выполненный в виде линейного газоразрядного индикатора, подвижного фотоприемника, узла сравнения с источником питания,усилителя и нагрузочного резистора. Причем выход усилителя связан с входом линейного газоразрядного индикатора, а подвижный фотоприемник включен на один вход узла сравнения.

К недостаткам данного устройства следует отнести низкое быстродействие, обус- ловленное малым быстродействием приемника излучения (фоторезистор) и значительно снижающее диапазон скоростей, и приводящее к большой величине динамической ошибки.

Цель изобретения - увеличение точности измерения и расширение диапазона измеряемых скоростей путем уменьшения динамической ошибки.

Сущность изобретения заключается в том, что оптический датчик перемещений, содержащий источник оптического излучения, выполненный в виде линейного газоразрядного индикатора, оптически связанный с ним подвижный фотоприемник, узел сравнения, соединенный одним входом с источником питания, а к второму

XI

Ы О

2

О

подсоединен выход подвижного фотоприемника, усилитель и нагрузочный резистор, снабжен генератором тока. Первый выход генератора тока через нагрузочный резистор соединен с общим выводом источника питания и является выходом датчика. Второй выход генератора тока соединен со входом источника излучения, коллиматором, оптически связанным с источником излучения и расположенным перед подвижным фотоприемником. Оптический датчик перемещений снабжен также дифференцирующим звеном, вход которого соединен с выходом узла сравнения, а выход - со входом усилителя, выход которого соединен со входом генератора тока. Постоянная времени дифференцирующего звена Т определяется из соотношения

-f 7н Н Теп I дз2

где тн , Тел - соответственно постоянные времени нарастания и спада фототока подвижного фотоприемника при его освещенности линейным газоразрядным индикатором с длиной светового потока равным половине щели коллиматора.

На фиг. 1 - схема оптического датчика перемещений; на фиг. 2 - влияние паразитной засветки на приемник излучения; на фиг. 3 - сравнительная характеристика ; на фиг. 4 - деление сигналов; на фиг. 5 - временные характеристики приемника излучения.

Устройство состоит из источника излучения 1, создающего световой поток 2, попадающий через коллиматор 3 на приемник излучения 4, питание которого осуществляется от источника питания EI, выход приемника излучения 4 соединен с узлом сравнения 5, второй вход которого соединен через резистор 6 с источником питания Е2, выход узла сравнения 5 через дифференцирующее звено 14 соединен с усилителем

7,выход усилителя 7 соединен с генератором тока 8. Первый выход генератора тока

8,являющийся выходом 9 датчика, соединен через резистор 10 с общим проводом источника питания, второй выход генератора тока 8 соединен с входом источника излучения 1. Источник излучения 1 содержит катод 11, светящийся столб газа 12, анод 13.

Устройство работает следующим образом.

При перемещении приемника излучения 4 в сторону распространения светящегося столба газа 12 в источнике излучения 1 его освещенность уменьшается, напряжение на выходе усилителя 7 и ток на входе источника излучения 1 возрастают. Длина

светящегося столба газа 12 в источнике излучения 1 увеличивается, что обеспечивает возрастание освещенности приемника излучения 4 до прежнего уровня. При перемещении приемника излучения 4 в другую сторону напряжение на выходе усилителя 7 и ток на входе источника излучения 1 уменьшается, что приводит к уменьшению длины светящегося столба газа 12 источника излучения 1 и к уменьшению освещенности приемника излучения 4. Длина светящегося столба газа 12 источника излучения 1 автоматически устанавливается на уровне, соответствующем положению приемника

излучения 4. Так как между током и длиной светящегося столба газа 12 источника излучения 1 существует линейная зависимость, то ток или падение напряжения на резисторе 10 однозначно соответствует перемещению. При значительных скоростях перемещения приемника излучения 4 увеличивается динамическая ошибка (фиг. 3). Для уменьшения динамической ошибки в предлагаемое устройство дополнительно

введено дифференцирующее звено 14, коллиматор 3 исключает дополнительную паразитную засветку (фиг. 2), а дифференцирующее звено 14 формирует дополнительный сигнал (фиг. 4). Наличие дополнительного сигнала A U, который суммируясь с сигналом U2 дает выходной сигнал DI с минимальной ошибкой. Определим параметры дифференцирующего звена 14. С точки зрения теории автоматического

регулирования приемник излучения (фоторезистор), в котором выходной сигнал (фо- тоток) нарастает по экспоненте (фиг. 5), может быть аппроксимирован функцией (см. Иващенко П.Н. Автоматическое регулирование. Теория и элементы систем, 4-е изд, - М.; Машиностроение, 1979, с. 303-304).

w -rdr+T-(1)

где К - коэффициент передачи, мА/лк тфр - постоянная времени нарастания, с;

S - оператор Лапласа. Для компенсации инерционных свойств приемника излучения 4 (фоторезистора) по- следовательно с ним надо включить дифференцирующее звено 14 с передаточной функцией (см. стр. 302 п. 4, стр. 166 п. 2 указанного выше источника). Первое слагаемое обеспечивает формирование дополни- тельного сигнала по производной, второе - прохождение основного сигнала (фиг. 4) М/дз (S) гдз S + 1. Если Тдз тфр , то суммарная характеристика двух последовательных звеньев;

a., ffi+V К, мА/лк

Следует отметить, что без коллиматора 3 освещенность приемника излучения (фоторезистора) зависит от длины светящегося столба газа 12 (фиг. 2). Чем больше длина столба газа 12, тем больше паразитная подсветка приемника излучения (фоторезистора), обусловленная длиной столба газа 12. В этом случае проявляется использование коллиматора 3 по своему прямому назначению. С другой стороны, наличие коллиматора 3 позволяет обеспечить более стабильное значение постоянных времени нарастания и спада фототока. Постоянные времени нарастания и спада тн , тсп могут быть определены при разомкнутой оптической обратной связи (выход узла сравнения 5 отключен, на вход усилителя 7 подано смещение) путем подачи прямоугольных импульсов тока на вход усилителя 7. Эти импульсы формируют импульсы тока на входе источника излучения 1. Источник излучения 1 формирует импульсы (фиг. 5) форме напряжения на выходе узла сравнения можно определить время нарастания и спада фототока ( Гц и гсп ). Среднее значение постоянной времени дифференцирующего звена 14 определяется выражением:

т Тн Ь Ten

I дз2

Таким образом, наличие дифференцирующего звена 14 совместно с коллиматором 3 обеспечивает снижение величины динамической ошибки (расширение диапазона скоростей) из-за введения дополнительного сигнала по производной с

0

5

0

5

0

5

0

постоянной времени Тдз, равной полусумме постоянных нарастания и спада фототока тн и Гсп,стабильность которых обусловлена коллиматором 3.

Формула изобретения Оптический датчик перемещения, содержащий источник оптического излучения, выполненный в виде линейного газоразрядного индикатора, оптически связанный с ним подвижный фотоприемник, узел сравнения, источник питания, к первому входу узла сравнения подсоединен выход подвижного фотоприемника, к второму входу - выход источника питания, усилитель и нагрузочный резистор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения и расширения диапазона измеряемых скоростей, он снабжен генератором тока, первый выход которого через нагрузочный резистор соединен с общим выводом источника питания и является выходом датчика, второй выход соединен с входом источника излучения, коллиматором, оптически связанным с источником излучения и расположеннымпередподвижнымфотоприемником, дифференцирующим звеном, вход которого соединен с выходом узла сравнения, а выход - с входом усилителя, выход которого соединен с входом генератора тока, постоянная времени дифференцирующего звена Т определяется из соотношения

-г Тн + Теп 1дз2 .

где тн и тсп - соответственно постоянные времени нарастания и спада фототока подвижного фотоприемника при его освещенности линейным газоразрядным индикатором с длиной светового потока, равным половине щели коллиматора.

Изобретение относится к средствам измерения перемещений и может быть использовано, в частности, при автоматизации процессов стыковой сварки. Цель изобретения - повышение точности измерения и расширение диапазона измеряемых скоростей путем уменьшения динамической ошибки. Сущность изобретения заключается в том, что в оптический датчик перемещений, содержащий источник питания, резисторы 6 и 10, последовательно соединенные усилитель 7, генератор тока 8, источник излучения 1, коллиматор 3, приемник излучения 4 и узел сравнения 5, введено дополнительно дифференцирующее звено 14. Это звено 14 соединено с узлом сравнения 5 и с входом усилителя 7. Постоянная времени дифференцирующего звена 14определяется выра-I- Тн 4 сп-гжением: Тдз ,. где Тдз постоянная времени дифференцирующего звена; тн , тсп соответственно постоянные времени нарастания и спада фототока при освещенности, равной половине щели коллиматора. 5 ил, сл с

I

.

13

Ј26

13 ЈФиг

s

«/т

.

.Фяг.З U

Фиг. 4.

Ca

Фиг. 2

- Л-ыг Щюоюмюжп- i/,

4 Ј ,$1/ Јр0/ 4емеяДвмю

2 № Юа™#а. Ж&#&Ј 07 „&0

-- #y&faffeaЈ fl0&faw a(ff/ ut/Ј,Ai 3 - гжл/гягся&яну

utowwa -M&ansoK&t, фе&яг&&0 & &мш&Ј

Uf-c#H& //M7ct&ra % V ЖЮ&0& сг/г#&7

йи- амютыл/ямгср&яй