Фотодатчик Советский патент 1980 года по МПК G01B11/02 

1

Изобретение относится к измерительной технике в черной металлургии и может быть использовано для контроля положения, например, гоЕ ячего про- ката труб и применено в системах комплексной автоматизации технологических процессов в прокатном и трубном производстве.

Известно устройство для бескрн- ... тактного измерения размеров объектов, состоящее из операционного усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, фотодиодов, подключенных через резисторы к инвертирующему входу операционного усилителя 3 .

Наиболее близким по технической сущности К предлагаемому является фотодатчик, содержащий двухполярный источник питания, операционный уси- 20 литель, неинвертирующий вход которого соединен с общим проводом., резистор обратной связи, включенный между выходом и инвертирующим входом усилителя, фотодиод, один из выводов ко-25 торого подключен к инвертирукидему входу усилителя рД .

Недостатком этих устройств является невысокая температурная стабильность .30

Цель изобретения - повышение температурной стабильности.

Поставленная цель достигается тем, что фотодатчик снабжен блоком регулировки двухполярного напряжения, подключенным -к источнику питания, и двумя последовательно соединенными резисторами,включенными между выходом блока регулировки напряжения и общим проводом, общая точка . которых подключена ко второму выводу Фотодиода.

На чертеже приведена схема устройства.

. фотодатчик содержит источник 1 питания, операционный усилитель 2 (ОУ), резистор 3 обратной связи,включенный между выходом и инвертирующим входом усилителя 2, фотодиод 4, один из выводов которого подключен к инвертирующему входу усилителя 2, блок 5 регулировки двухполярного напряжения, последовательно соединенные резисторы 6, 7,включенные между выходом блока 5 и общим проводом

Фотодатчик питается от источников напряжения +U/ и -U«.

Блок 5 регулировки напряжения позволяет плавно менять на его выходе

-напряжение от f U до - U .с переходом через нуль.

Величины напряжений U составляют единицы вольт.

Однако величины напряжений, подаваемых в фотодиод 4, должны составлять десятые и сотые доли милливольт

Такое уменьшение (в раз) регулируемого напряжения (при сохранении плавной регулировки) достигается, например, включением двух резисторов по схеме делителя напряжения. Кроме того, введение резисторов позволяет обеспечить режим работы фотодиода, близкой к короткому замыканию, независимо от величины регулируемого напряжения.Резистор 3 выбирается по величине того же порядка, что входное сопротивление операционного усилителя 2(0,5-5,0 Ом), В этом случае фотодиод 4 является генератором фототока. Фототок. в значительно меньшей степени чем фотоЭДС зависит от изменения температуры фотодатчика 4 .

Фотодатчик работает следующим образом.

При исходной температуре окружающей среды TO ОУ 2 сбалансирован известными методами, и напряжение .на инвертирующем входе усилителя 1 равно нулю, ток через резистор 3 не протекает, выходное напряжение Uj,j,,y 0. При этом напряжение U на точке соединения резисторов б и 7 устанавливается DH, О. При засветке появляется фототок Зфо I генерируемый фотодиодом 4. Для сбалансированной схе л т .1 feW)t фО Ь

где 3) - сопротивление резистора 3.

Еслитемпература фотодиода 4 и ОУ 2 увеличивается, напряжение на инвертирующем входе усилителя увеличив.ается, и баланс нарушается. Знак напряжения в точке АУд и его величина заранее неизвестны, и определяются, в частности, разбросом параметров ОУ 2, изменением внутреннего сопротивления фотодиода 4. Если сопротивление фотодиода 4 при исходной температуре TO равно Кфо Р повышенной температуре T-Rjp т° ток, протекающий через фотодиод 4 при температуре Т; равен

-1 -iliiL-. (1) VT , .

где ид,т- напряжение на инверсном входе ОУ 2 при температуре Т.

При увеличении температуры напряжение Уд увеличивается, а сопротивление Кф уменьшается, поэтому ток .34) увеличивается, вследствие чего изменяется выходное напряжение .,при температуре Т оно .равно ,

..тг .(2)

.

фт

Возникшее на выходе ОУ 2 напряжение Ug,|n-j- компенсируют путем изменения напряжения на выходе блока 5 регулировки - таким образом, чтобы Р этом через фотодиод 4 протекает компенсационный ток

3

liT

причем /- / 3, знаки этих токов 10 противоположны. С учетом этого

(3)

ЫУТ- 3,13ф,..

Следовательно, при повышенной температуре Т 50...70°С ,4,,; О, т.е. нестабильность фотодиода 4,возникающая от изменения температуры, устранена введением соответствующего компенсационного напряжения от блока 5.

При снижении температуры от Т до Тд, т.е. до исходной величины , ток фотодиода Зф и напряжение на инвертирующем входе ОУ 2 Уд уменьшается,00противление R увеличивается, компенсационный ток Эх. уменьшается.

При исходной температуре Тд основ ные величины равны О, так как

UAO о1 i

и (4)

i KO- iь«о фо

Сравним между собой выходное напряжение Uyjij., известного фотодатчика при повышенной температуре Т и выходное напряжение g предложенного фртодатчика при исходной температуре (различные температуры датчиков взяты с учетом того, что в каждом из них при соответствующих выбранных температурах выходные напряжения не

равны нулю и имеют максимальный температурный дрейф).

Принимая во вним,ание (2) и (4) имеем

атТ - ьых.о тг. 1-V

Добиваясь (посредством блока 5)

ид , получим

(5)

b«4.T

U

Таким образом, из соотношения (5) следует, что температурная нестабильность предложенного фотодатчика, характеризуемая величиной ходной температуре Т и при отсутст ВИИ входного фотосигнала, меньше температурной нестабильности известного

65 фотодатчика, характеризуемая величиной при повышенной температуре Т в К R$o/Rtic раз.

Учитывая, что сопротивление германиевого фотодиода Ru уменьшается в 2 раза на каждые 10°С повышения температуры, то при повышении температуры фотодиода на 40°С (от 20 до ) из соотношения (5) следует, что К 16.

Таким образом, если в предложенном фотодатчике при повышенной температуре Т будет установлен блоком 5 полный баланс, т.е. достигнуто 1)уд О, то при пониженной темпера.туре будем иметь температурную нестабильность, численно характеризуемую величиной Uj,, О, однако эта нестабильность в 10-15 раз меньше, чем температурная нестабильность известного фотодатчика при повьлиенной температуре Т, характеризуемая величиной .

Особенностью предложенного фотодатчика является то, что в нем фотодиод 4 выполняет две функции: основную - преобразователь светового излучения в ток, и дополнительную 7 стабилизатор работы фотодатчика при изменении температуры.

Кроме того, величины U и U равны десятым или сотым долям милливольта, что не ухудшает и не меняет режима работы фотодиода, близкого к короткому замыканию. Использование

данного фотодатчика предполагается при автоматизации трубопрокатных агрегатов. Формула изобретения

Фотодатчик, содержащий двухполярный источник питания, операционный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с общим проводом, ре0зистор обратной связи, включенный между выходом и инвертирующим входом усилителя, фотодиод, один из выводов которого подключен к инвертирующему входу усилителя, о т л и ч а ю5щ и и с я тем, что, с целью повышения температурной стабильности,он снабжен блоком регулировки двухполярного напряжения, подключенным к источнику питания, и двумя последовательно соединенными резисторами,вклю0ченными между выходом блока регулировки напряжения и общим проводом,общая точка которых подключена ко второму выводу фотодиода.

5

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Патент Франции 2220772, кл. G 01 В 11/02, 1974.

2.Рутковски Кк. Интегральные

0 операционные ус11лители.. м. , Мир, 1978, с. 310 (прототип).