Фотоэлектрический способ измерения положения объекта и устройство для его осуществления

Фотоэлектрический способ измерения положения объекта и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения.- повышение точности измерений за счет исключения влияния темг1ературной нестабильности окружающей среды.Источник 3 света генерирует последовательность линейноспадающих по мощности импульсов света, формируемых при помощи генератора 1 пилообразного напряжения. Отраженный объектом 17 световой поток генерирует логарифмически спадающие сигналы холостого хода фотодиодов 18, 19, которые выделяются на выходе буферных повторителей 8, 9. Сигнал с выхода повторителя 8 в сумматоре 10 складывается с опорным напряжением U. На два входа компаратора 14 поступают сигналы с выходов повторителя 9 и пикового детектора 12. На выходе компаратора 14 после сравнения двух сигналов формируется прямоугольный импульс длительность которого определяет положение объекта 17. 2 с.п. ф-лы, 3 ил. м оэ оэ ю

СОЮЗ СОВЕТСКИХ .

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К A8TOPCHOIVIY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTVM (2 1) 4109159/24-28 (22) 15.08.86 (46) 23.01.88. Бюл. № 3 (71) Северо-Западный заочный политехнический институт (72) С.С.Иихейкин, И.А.Пгошин и А.А.Сарвин (53) 531 ° 7(088.8) (56) Авторское .свидетельство СССР № 1174746,- кл. G 01 В 21/00, 1983. (54) ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТА И УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения— повышение точности измерений за счет исключения влияния TpMI ературной нестабильности окружающей среды.Ис„„BU„„1368632 А I (5D 4 G 01 В 21/00 точник 3 света генерирует последовательность линейноспадающих по мощности импульсов света, формируемых при помощи генератора 1 пилообразного напряжения. Отраженный объектом 17 световой поток генерирует логарифмически спадающие сигналы холостого хода фотодиодов 18, 19, которые выделяются на выходе буферных повторителей 8, 9. Сигнал с выхода повторителя 8 в сумматоре 10 складывается с опорным напряжением U „. На два входа компаратора 14 поступают сигналы с выходов повторителя 9 и пикового детектора 12. На выходе компаратора 14 после сравнения двух сигнаС2 лов формируется прямоугольный импульс и длительность которого определяет положение объекта 17. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1368632

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах активного контроля, гибкого автоматизированного производства.

Цель изобретения — повышение точности измерений за счет исключения влияния температурной нестабильности окружающей среды, На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства, реализующего способ; на фиг. 2 — диаграммы напряжений, поясняющие формирование прямоугольного импульса; на фиг. 3 — диаграмма расположения световой марки на светочувствительных фотослоях фотодиодов.

Устройство, реализующее способ, содержит проекционный оптико-электронный канал, который включает генератор 1 пилообразного напряжения, источник 2 тока, управляемый напряжением, импульсный источник 3 света, прямоугольную диафрагму 4 и объек-! тив 5.

Приемный оптико-электронный канал включает в себя объектив б,диф- . ференциальный фотодетектор 7, буферные повторители 8 и 9 напряжения,сумматор 10 напряжения, пиковые детекторы 11 и 12, компараторы 13 и 14 напря жения. Импульсный источник 3 света, диафрагма 4, объективы 5 и 6 и дифференциальный фотодетектор .7 закреплены неподвижно в корпусе 15, устао новленном на стойке 16. Объективы 5 и 6 установлены в корпусе 15 так, что.их оптические оси расположены симметрично относительно оси симметрии устройства и пересекаются с ней под углом К в плоскости объекта 17 измерения. Нормаль N к поверхности объекта совпадает с осью симметрии устройства.

Источник 3 света, диафрагма 4 и дифференциальный фотодетектор 7 ус-. тановлены в корпусе 15 таким образом, что центры источника 3 света и диафрагмы 4, а также линия раздела светочувствительных фотослоев фотодиодов

18 и 19 дифференциального фотодетектора 7 расположены на линиях, совмещенных с оптическими осями соответствующих объективов 5 и 6. Импульсный источник 3 света подключен к выходу источника 2 тока, работой которого управляет генератор 1 пилообразного напряжения, подключенный к входу управляемого источника 2 тока.

Фотодиоды 18 и 19 дифференциального фотодетектора 7 одноименными электродами, например анодами, подключены к входам буферных повторителей 8 и 9 напряжения, в то время как их электроды противоположной полярности заземлены.

Выход буферного повторителя 8 подключен к входу сумматора 10, второй вход сумматора соединен с незаземленным электродом например анодом, по15 лупроводникового диода 20, подключенного к генератору 21 стабильного тока в прямом направлении. Выход сумматора 10 соединен с входом пикового детектора 12 и с одним из входов ком20 паратора 13. Выход пикового детектора

12 подключен к одному из входов компаратора 14.

Выход буферного повторителя 9 подключен к входу пикового детектора 11

25 и второму входу компаратора 14. Выход пикового детектора 11 соединен с вторым входом компаратора 13. Входящие в состав устройства функциональные электронные узлы выполнены по стациЗО онарной схемотехнике.

Способ осуществляется следующим образом, Поток электромагнитной энергии в виде импульсов, линейноспадающих во времени, от источника 3 света проходит через прямоугольную диафрагму 4 . и направляется на входной зрачок объектива 5. Последний формирует изображение диафрагмы 4 на поверхйос40 ти объекта 17 в виде прямоугольной световой марки, Отраженный объектом 17 измерения световой поток поступает в входной зрачок объектива 6, который, в свою очередь, формирует изображение

4 световой марки в плоскости.чувстви45 тельного слоя дифференциального фотодетектора 7, Перемещение поверхности объекта 17 вдоль по нормали N к его поверхности приводит к перемещению

50 изображения световой марки 22 в плоскости дифференциального фотодетекто:. ра 7 перпендикулярно линии раздела светочувствительных слоев фотодиодов

18 и 19 (фиг. 3). Величина перемеще55 ния изображения световой марки определяется выражением

x = V х/совью, (1) где х — перемещение изображения световой марки в плоскости диф1368 ференциального фотодетектора 71

V линейное увеличение приемного объектива 6;

oL — угол между нормалью к поверхности и оптической осью объектива 6.

Световой поток, переносимый изображением марки при облучении светочувствительных слоев фотодиодов 18 и 19 дифференциального фотодетектора

?, вызывает генерацию фотоэлектрических сигналов холостого хода за счет бесконечно большого входного сопротивления буферных повторителей 8 и

9 напряжения, к которым подключены фотодиоды 18 и 19. При этом величина сигналов холостого хода описывается выражением

20 где К вЂ” постоянная Больцмана

1, 38 ° 10 Дж/К;, 25 е - заряд электрона 1,6 ° 1G (К1;

Т вЂ” температура фотодиода fK)

I — темновой обратный ток фотодиода;

I, — фототоки, генерируемые световым потоком изображения марки в элементах дифференциального фотодетектора.

В свою очередь, величина фототоков I u I определяется выражен 35 нием (3) w,() = /3Е 5%, ð

П вЂ” КТ 1 (Т4 И 1) - (4)

XXI(e) При облучении поверхности объекта измерения световым потоком в виде имгде P — интегральная чувствительность 4 фотодиодов;

Š— интенсивность принимаемого фотоприемником светового потока;

s ()» плОщади чувствительнОгО слОя (р ((р1) фотодиода в 18 и 19 дифференциальной пары (фиг. 3), освещенные изображением марки 22.

Если величина принимаемого свето50 вого потока больше 50 лм, то практически для всех фотодиодов выполняется условие (I+/I ) «> Т и выражение (2) принимает следующий вид:

4 пульсов линейно спадающих во време— ни интенсивность принимаемого светового потока E(t) будет описываться следующей зависимостью (фиг,2а):

E(t) = Š(1 — — );

0 t T, где t — текущее значение времени;

Т вЂ” период следования импульсов;

Š— амплитудное значение интенсивности принимаемого светового потока.

Тогда с учетом выражений (3),и (5) величина фототоков, генерируемых фотодиодами дифференциальной пары, будет описываться следующей зависимостью:

Iq(.) () Р,<.)..- (1 Т j (6) (7) 1,(2)ыакс Oj Я а(ф ) Если сложить один из полученных сигналов с некоторым постоянным во времени опорным напряжением Б„„ и сравнить между собой больший по амплитуде из полученных сигналов (например, UxÄ<(t) (фиг. 2) с постоянйым напряжением, равным амплитудному значению меньшего из полученных сигналов, то по результату сравнения выделяется прямоугольный импульс напряжения, длитеЛьность которого является искомой функцией положения объекта измерения (фиг. 2г,д). Передний фронт прямоугольного импульса совпадает во времени с моментом начала излучения светового сигнала t . Задний фронт импульса формируется в момент t„ совпадения сравниваемых сигналов, который находится из следующего условия:

КТ1 1я„, с KT е I„on е (9) Решая уравнение (9) относительно находим зависимость, определяющую: длительность выделенного прямоугольного импульса от положения объекта

В этих условиях ЭДС холостого хода, выделяемая фотодиодами, с учетом (4) будет описываться логарифмически следующей функцией (фиг.2б,в):

? (1 -) () -" (>

Х Х (2) 1 8

eUon

at, =t,-ь, T 1-е " (*" » ) (10) С учетом выражения (7) выражение (10) преобразуется к следующему виду:

36 632 в нии температуры дифференциального фотодетектора 7. Подставляя (12) в (11) с учетом формулы (1) получают окончательное измерительное соотношение способа измерения для случая использования световой марки прямоугольной формы

KT It г. еп е Zî

30 (12) Х = const; I« = const, где К вЂ” постоянная Больцмана; е заряд электрона; Т вЂ” температура дио35 да; 1 — ток от генератора стабильного тока, I — обратный ток диода.

Ток генератора 21 стабильного тока заведомо стабилизирован и не меняется при колебании температуры. В 40 случае использования кремниевого полупроводникового диода 20 температурная составляющая его обратного тока

Т является малой величиной, что позволяет пренебречь изменением обратного тока диода с колебанием температуры.

В случае использования германиевого диода 20 сохранение неизменности обратного тока диода I наблюда- .

50 ется в более узком диапазоне колебаний температуры.

Таким образом, в указанных условиях эксплуатации диода 20 падение напряжения на нем линейно изменяет55 ся с изменением температуры. Использование падения напряжения на диоде

20 в качестве опорного термостабилизирует процесс измерения при колебаКак следует из (11) длительность

10 выделенного интервала gt пропорциональна соотношению освещенных иэображением марки площадей чувствительного слоя элементов дифференциального ,фотодиода (фиг. 3), не зависит от ин15 тенсивности отраженного объектом све- . тового потока и однозначно определяет положение объекта в системе координат прибора.

Термостабильность процесса измерения достигается путем формирования

20 опорного напряжения Б „при помощи полупроводникового диода. Если пропускать через диод 20 постоянный стабилизированный по величине ток от генератора 21 стабильного тока. (Г.С.

Т.) в прямом направлении, то падение напряжения на полупроводниковом диоде 20 буфет описываться формулой

6 = Т 1-е (n х ) (13) С„+х где С вЂ” ширина изображения световой марки (фиг, 3); х — перемещение поI верхности объекта.

Таким образом, положение объекта определяют bio фо л

С cos<

2U

-е (i-") <о Т где х — перемещение объекта;

С вЂ” поперечный размер изображения диафрагмы;

U — линейное увеличение фокусирующего.объектива;

oL — угол между нормалью к поверхности объекта и оптической осью объектива;

Т вЂ” период следования импульсов света; д t — длительность сформированного прямоугольного импульса;

I — стабилизированный по величине г ток, протекающий через полупроводниковый диод;

1 — обратный ток полупроводникового диода.

Чувствительность предлагаемого способа может изменяться за счет

-е. * масштабного множителя вида е (выражение (13) и (14) в широких пределах изменением тока I в результа-. г те соответствующей регулировки генератора стабильного тока и последовательным включением нескольких диодов

20 при фиксированном токе I„.

Таким образом, в способе отпадает необходимость регулирования чувствительности устройства за счет изменения коэффициента усиления фотоэлектрических сигналов в тракте фотоприемник — усилитель (повторитель) напряжения, что сопровождалось бы изменением шумового разброса результатов измерения и снижением точности измерения в целом.

Неоднородность электрических параметров фотодиодов дифференциальной пары не влияет на качество обработки

7 13686 фотоэлектрических сигналов. В предложении о существующем различии квантовой эффективности фотоприемников

1 и (,и их темновых токов I <> H I

ОФ 5 для измерительного временного интервала с учетом (10) и (12} можно записать

С

Ь = Т1-. " (" х) (14)

P Ioi С,, +х

= const;

m = -1n —.

1о

Возможное различие значений перечисленных электрических параметров фотодиодов дифференциальной пары несколько изменяет позиционную чувстви- 20 тельность, но не влияет на точность измерений ни при изменении отражающей способности поверхности объекта, ни в случае колебания т мпературы.

Возникающее изменение чувствительнос- 25 ти может быть легко скомпенсировано, например, при помощи регулировки генератора стабильного тока указанным способом.

Устройство работает следующим об- ЗО разом.

Генератор 1 пилообразного напряжения вырабатывает последовательность линейно спадающих импульсов напряжения с периодом следования Т, которые поступают на вход источника 2 тока, управляемого напряжением, который формирует последовательность линейно спадающих импульсов тока, питающих источник 3 света. . В качестве источн.и- 4О ка 3 света используется полупроводниKQBbIH светодиод, мощность излучения которого линейно зависит только от величины протекающего через светодиод тока. Отличительной особенностью про- 45 екционного канала является некритичность к качеству его выполнения. Отсутствие стабильности амплитуды линейно спадающих импульсов напряжения или тока на выходе блоков (1) или (2) 5О эквивалентно по характеру влияния изменению отражательной способности поверхности объекта (изменению интенсивности отраженного светового потока), что не влияет на точность определения положения объекта по принципу работы предлагаемого способа.

К такому же эффекту .приводит и изменение светоотдачи полупроводнико32

8 вого источника 3 света вследствие его старения.

В результате работы проекционного канала на поверхности объекта формируется изображение диафрагмы 4 с линейно меняющейся яркостью. Отражен- . ный объектом световой поток вызывает генерацию логарифмически спадающих сигналов холостого хода Йотодиодов

18 и 19 дифференциальной пары, которые выделяются на выходе буферных повторителей 8 и 9 напряжения. С учетом того, что одну и ту же длительность измерительного импульса Qt (выражения (11), (14) можно получить при симметричном смещении изображе ния световой марки от центрального положения на одну и ту же величину в сторону одного или второго фотодиода

18, 19 дифференциальной пары, необходимо обеспечить два выхода измерительного сигнала.

Принцип работы устройства для случая смещения изображения марки 22 в сторону фотодиода 18 (фиг. 3б).

На выходе повторителя 9 будет наблюдаться сигнал холостого хода большей амплитуды, который поступает на один из входов компаратора 14. Снимаемый с выхода повторителя 8 фотоэлектрический сигнал меньшей амплитуды поступает на вход сумматора 10, где складывается с опорным напряжением U „, снимаемым с диода 20. С выхода сумматора 10 сумма перечисленных сигналов поступает на вход пикового детектора 12 который формирует постоянный во |ремени сигнал, равный по величине сумме амплитуд фотоэлектрического и опорного сигналов (фиг.2), Сигнал с выхода .пикового детектора 12 поступает на другой вход компаратора

14, который и выделяет измерительный прямоугольный импульс напряжения с длительностью, определяемой выражением (14).

Аналогичная процедура выделения амплитудного значения осуществляется пиковым детектором 11 для фотоэлектрического сигнала большей амплитуды, снимаемого с выхода повторителя 9.

Однако, в этом случае постоянный сигнал с выхода пикового детектора 11, поступающий на вход компаратора 13, будет всегда больше поступающего на др той вход компаратора фотоэлектри— ческого сигнала меньшей амплитуды (в данном случае от фотодиода 19). При

1368632

9, этом измерительный прямоугольный импульс на выходе компаратора 13 формироваться не будет.

В случае смещения изображения мар5 ки в противоположном от центрального положения направлении рассмотренный процесс обработки сигналов повторится в противоположной последовательности для рассмотренных частей приемно- щ0 го канала устройства.

Таким образом, появление информативного импульса напряжения на одном из выходов схемы указывает направление смешения световой марки, а его длительность характеризует величину смещения, это позволяет однозначно определить положение измеряемого объекта.

Способ определения положения объ0 екта и устройство для его реализации позволяет исключить влияние на точность измерения изменений интесивности отраженного объектом светового потока в широких пределах, связанных с 25 колебанием оптических свойств поверхности объекта, неоднородности электрических параметров фотодиодов дифференциальной пары, изменения светоотдачи импульсного источника света 30 вследствие его старения, а также изменения температуры и амплитуды выходных импульсов генератора пилообразного напряжения.

При осуществлении предлагаемого

35 способа измерений совмещены процессы обработки фотоэлектрических сигна4 ов и их аналого-цифрового преобразования, что упрощает процедуру сопряжения реализующих способ устройств 40 со счетно-вычислительной техникой и позволяет применять способ в автоматизированном производстве. Чувстви тельность способа может варьироваться в широких пределах без изменения динамического диапазона измерений.

Формула из о б р е т е н ия

1. Фотоэлектрический способ измерения положения объекта, заключающийся в том, что формируют световой поток, на поверхности объекта формируют световую марку, регистрируют отраженное от поверхности объекта

55 изображение световой марки при помощи дифференциального координатно-чувствительного фотодиода, преобразуют его в первый .и второй электрические сигналы, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, путем модуляции светового потока формируют последовательность световых импульсдв линейно уменьшающейся мощности, формируют стабилизированное опорное напряжение, суммируют его с первым электрическим сигналом, меньший по амплитуде электрический сигнал преобразуют в постоянный, сравнивают с ним переменный сигнал большей амплитуды, по результату сравнения формируют прямоугольный импульс, по длительности которого определяют положение объекта.

2. Устройство для измерения положения объекта, содержащее оптически связанные источник света, диафрагму, проекционный и приемный объективы, располагаемые таким образом, что их оптические оси симметричны относительно нормали к поверхности объекта, и дифференциальный координатночувствительный фотодиод, первый и второй буферные повторители, входы которых связаны с первым и вторым выходами дифференциального .координатно-чувствительного фотодиода, соответственно третий и четвертый выходы дифференциального координатно-чувствительного фотодиода заземлены,о т— л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений, оно снабжено последовательно соединенными генератором пилообразного напряжения и управляемым источникам тока, последовательно соединенными полупроводниковым диодом и генератором стабильного тока, последовательно соединенными сумматором, первым пиковым детектором и первым компаратором, последовательно соединенными вторым пиковым детектором и вторым компаратором, первый вход сумматора связан с выходом первого. буферного повторителя, второй вход — с входом генератора стабильного тока, выход второго буферного повторителя связан с входом второго пикового. детектора и с вторым входом первого компаратора, выход сумматора подключен к второму входу второго компаратора.

1368632

4 ъ Ф

Мт тт ф г

4Ъ х

Составитель О. Несова

Техред Л.Олийнык

Корректор М. Пожо

Редактор А, Шандор

Заказ 273/38 Тираж 680

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, г Ужго о ул. Проектная, 4 р ду