DE2743951B1 - Optoelektronischer Weg-Spannungswandler zur Abstandsmessung zweier Objekte - Google Patents

Description

• Lichtsender und Lichtempfänger sind so angebracht, daß ihre optischen Achsen zusammenfallen und die Relativbewegung R(t) zwischen Lichtsender und Lichtempfänger in Richtung der gemeinsamen optischen Achse erfolgt. An der fotoempfindlichen Fläche des Lichtempfängers wird eine Beleuchtungsstärke hakt) angenommen. Der durch die Beleuchtungsstärke 4t) hervorgerufene Fotostrom Jp hat am Ausgang des Lichtempfängers EL eine vom Sender-Empfänger-Abstand abhängige Ausgangsspannung Ua zur Folge, die in einem Fotoverstärker FVverstärkt wird. Die Ausgangsspannung des Fotoverstärkers ist mit 1:3 Ua L bezeichnet. Wird der Lichtstrom Jo des punktförmigen Lichtsenders SL konstant gehalten, dann ist die Beleuchtungsstärke E(t) der fotoempfindlichen Fläche des Lichtempfängers EL durch folgende Gleichung gegeben j0 K E(t) = R2(t) Ki) Bei Verwendung eines geeigneten Lichtempfängers (Fototransistor, Fotodiode) ist der erzeugte Fotostrom Jp proportional der Beleuchtungsstärke Jp = Kl. E (2) Damit ergibt sich am Ausgang des Lichtempfängers EL eine Ausgangsspannung Uu K2 Jp. (3) Zusammen mit den Gleichungen (2) und (1) bemißt sich die Ausgangsspannung am Lichtempfänger Ua = K, K2 E, U«(t) K, = K, K2 Die aus dieser Gleichung ergebende quadratische Abhängigkeit zwischen dem Weg R und der Ausgang spannung Us ist unerwünscht. Wird aber der Lichtstrom 1 des Senders SL bewegungsabhängig in Form einer Lichtstromgegenkopplung beeinflußt, dann entsteht aus einem quadratischen ein annähernd umgekehrt proportionaler Zusammenhang. Bei der Lichtstromgegenkopplung wird der Lichtstrom des Senders SL abhängig vom Abstand R zwischen Sender und Empfänger so gesteuert, daß er bei größer werdendem Abstand R linear zunimmt und bei abnehmendem Abstand R linear abnimmt. Zur Durchführung der bewegungsabhängigen Steuerung des Lichtstromes wird die Ausgangsspannung K3 Ua des Fotoverstärkers FVan den Eingang einer spannungsgesteuerten Stromquelle Str geführt.
• Für den Strom i aus der spannungsgesteuerten Stromquelle Str, der den Erregerstrom für den Lichtsender SL darstellt, ergibt sich folgende Funktion: i(t) = K3 Ua(t) (5) Für den Lichtstrom des Senders J(t) = K4 1(t) (6) ergibt sich zusammen mit der Gleichung (5) folgender Zusammenhang zwischen dem Lichtstrom J und der Ausgangsspannung U, des Lichtempfängers EL J(t) = K3 . Ua(t) (7) Aus den Gleichungen (7) und (4) folgt dann Die in den Gleichungen (1) bis (8) verwendeten Zeichen haben folgende Bedeutung: E = Beleuchtungsstärke des Lichtempfängers EL J = Lichtstrom des Lichtsenders SL R = Abstand zwischen Lichtsender und Lichtempfänger i = elektrischer Strom aus Stromquelle Str(Erregerstrom für Lichtsender SL) Jp= durch die Beleuchtungsstärke E hervorgerufener Fotostrom im Lichtempfänger Ua = Ausgangsspannung des Weg/Spannungs-Wandlers Eingangsspannung eines Korrekturvierpols N mit hyperbolischer Kennlinie K. Ko bis K4 = Konstanten.
• Aus der Gleichung (7) ergibt sich ein in der Fig. 2 dargestellter hyperbolischer Zusammenhang zwischen der Ausgangsspannung Udt) des Lichtempfängers EL und dem Abstand R(t) von Lichtsender SL und Lichtempfänger EL Der in dieser Figur gestrichelte Bereich der Hyperbelschar kann nicht verwendet werden. Die in der F i g. 2 bezeichneten Teilbereiche der Kurve liefern eine angenähert umgekehrt proportionale Funktion zwischen der Ausgangsspannung U5 und dem Abstand R Die Steigung der Kennlinie und die Kennlinienverzerrung, die sich durch eine unerwünschte Krümmung ergibt, läßt sich durch Änderung der Konstanten K beeinflussen. Eine große Steigung der Kennlinie ergibt eine große Empfindlichkeit, jedoch auch größere Restverzerrung. Für viele Anwendungen genügt eine durch die Schaltung nach F i g. 1 erzielbare Genauigkeit Wird ein exakt linearer Zusammenhang zwischen Abstand R und Ausgangsspannung U5 gewünscht, so kann an den Ausgang des Weg/Spannungs-Wandlers ein Vierpol mit ebenfalls hyperbolischer Kennlinie angeschaltet werden. In der F i g. 1 ist ein Korrekturnetzwerk Ndieser Art angedeutet Die F i g. 3 zeigt einen derartigen Vierpol N bestehend aus einem Analog-Multipliziererbaustein M und einem Operationsverstärkers OX Am Eingang des Vierpols liegt die Ausgangsspannung Ua des Weg/Spannungs-Wandlers mit hyperbolischer Kennlinie. Die Ausgangsspannung Uai des Vierpols N ist durch die folgende Übertragungsfunktion gegeben Ua, = a = a Ua (9) Ua Die Gesamtübertragungsgleichung ergibt sich aus der Gleichung (9) in Verbindung mit der Gleichung (8).
• Uol = Ual(t) = K In diesen Gleichungen bedeuten: Ua1 = Ausgangsspannung des hyperbolischen Entzerrervierpols N a = Konstante, die proportional einer dem Operationsverstärker OVzugeführten Referenzspannung UR¢f ist und zusätzlich eine Multipliziererkonstante enthält.
• In F i g. 4 ist eine Schaltungsausführung eines Weg/Spannungs-Wandlers nach dem Blockschaltbild in F i g. 1 dargestellt. Darin übernimmt eine Leuchtdiode LED 1 die Aufgabe des Lichtsenders SL, während ein Fototransistor Ts 1 als lichtempfindliches Element in der Empfängerschaltung EL wirksam ist. Der Fototransistor ist vorzugsweise mit einer Sammellinse versehen.
• Um eine hohe Stabilität der Empfängerkenndaten zu erreichen, ist der Fototransistor Ts 1 in der Empfängerschaltung stark gegengekoppelt. Der Fotoverstärker FV besteht im wesentlichen aus einer integrierten Schaltung jS, während die spannungsgesteuerte Stromquelle Str von einem Transistor Ts 3 gebildet wird Der Ausgang des Transistors Ts 3 liefert den bewegungsabhängig gesteuerten Erregerstrom i für die Leuchtdiode LD 1 des Lichtsenders SL Am Ausgang des Lichtempfängers EL kann die Ausgangsspannung U, und am Ausgang des Fotoverstärkers FV die Ausgangsspannung K3 US abgenomrnen werden.

Claims (1)

1. Patentansprüche: 1. Optoelektronischer Weg-Spannungswandler zur berührungslosen Messung des Abstandes zwischen zwei relativ zueinander bewegten Objekten, wobei am einen Objekt ein Lichtsender und am anderen Objekt ein Lichtempfänger angeordnet ist, welcher die aufgenommene Lichtstrahlung in eine entsprechende elektrische Meßspannung umwandelt, dadurch gekennzeichnet, daß dem Lichtempfänger (EL) über einen Fotoverstärker (FV) eine spannungsgesteuerte Stromquelle (Str) nachgeschaltet ist, deren Ausgangsstrom (i) den Lichtstrom (jedes Lichtsender (SL) in Abhängigkeit von der Änderung des Abstandes (R) zwischen Lichtsender (SL) und Lichtempfänger (EL) so steuert, daß der optoelektronische Weg-Spannungswandler eine hyperbolische Weg-Spannungskennlinie aufweist 2. Weg-Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer linearen Weg-Spannungskennlinie ein Korrekturvierpol (N) mit hyperbolischer Kennlinie an den Ausgang des Weg-Spannungswandlers angeschaltet ist.

   3. Weg-Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrom (J) des Lichtsenders (SL)zusätzlich codiert ist.

   4. Weg-Spannungswandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtempfänger (EL) ein vorzugsweise stark gegengekoppelter Fototransistor (Ts 1) verwendet wird.

   Die Erfindung bezieht sich auf einen optoelektronischen Weg-Spannungswandler zur berührungslosen Messung des Abstandes zwischen zwei relativ zueinander bewegten Objekten. wobei am einen Objekt ein Lichtsender und am anderen Objekt ein Lichtempfänger angeordnet ist, welcher die aufgenommene Lichtstrahlung in eine entsprechende elektrische Meßspannung umwandelt.

   Die Messung von Abstandsänderungen zwischen zwei Objekten ist unter Verwendung eines Weg-Spannungswandlers, der nach dem elektrostatischen Prinzip arbeitet möglich, in dem die Spannung an einem Kondensator, dessen plattenförmige Elektroden je einem Objekt zugeordnet sind, gemessen wird. Ein derartig ausgebildeter Meßumformer eignet sich jedoch nur für geringe Abstände und erfordert eine Hochspannung zur Felderzeugung.

   Aus der DE-OS 24 31 630 ist ein optoelektronischer Aufnehmer zur berührungslosen Messung der Entfernung zweier Bezugspunkte bekannt, bei dem im Strahlengang der Lichtquelle ein lichtempfindliches Regelelement liegt, welches die Intensität der Lichtquelle so beeinflußt, daß am lichtempfindlichen Regelelement ein konstanter Photostrom fließt Dadurch können die störenden Einflüsse von Verschmutzungen, Eintrübungen und Alterungserscheinungen ausgeregelt werden.

   Aus der US-PS 34 71 235 ist ein automatisch arbeitender optischer Entfernungsmesser bekannt, bei dem vor einer Lichtquelle eine Polarisationseinrichtung angeordnet ist. Empfangsseitig ist eine Maske mit zwei in einem bestimmten Abstand angeordneten Schlitzen vorgesehen, hinter denen ein doppelbrechendes Prisma und ein motorgetriebener Polarisations-Analysator angeordnet sind. Die so gewonnenen Strahlanteile werden zwei Dioden zugeführt, die über einen Phasenmesser zur Entfernungsbestimmung zusammengeschaltet sind.

   Bei der Abstandsmessung tritt das Problem auf, daß zwischen den Weg und der im Lichtempfänger erzeugten Spannung eine quadratische Abhängigkeit besteht. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, in einfacher und zuverlässiger Weise diese quadratische Abstandsabhängigkeit der Ausgangsspannung des Weg-Spannungswandlers zu vermeiden.

   Gemäß der Erfindung, welche sich auf einen Weg-Spannungswandler der eingangs genannten Art bezieht, wird dies dadurch erreicht, daß dem Lichtempfänger über einen Fotoverstärker eine spannungsgesteuerte Stromquelle nachgeschaltet ist, deren Ausgangsstrom den Lichtstrom des Lichtsenders in Abhängigkeit von der Änderung des Abstandes zwischen Lichtsender und Lichtempfänger so steuert, daß der optoelektronische Weg-Spannungswandler eine hyperbolische Weg-Spannungskennlinie aufweist.

   Der erfindungsgemäße Weg-Spannungswandler beseitigt die unerwünschten Nichtlinearitäten und stellt eine zuverlässig und sicher arbeitende Regelschaltung dar.

   Um eine lineare Weg-Spannungskennlinie zu erzielen, ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zur Erzeugung einer linearen Weg-Spannungskennlinie ein dem Weg-Spannungswandler nachgeschalteter Korrekturvierpol mit hyperbolischer Kennlinie vorgesehen.

   Die Erfindung wird an Hand der F i g. 1 bis 4 näher erläutert.

   F i g. 1 veranschaulicht ein Blockschaltbild die Übertragungsfunktionen des erfindungsgemäßen Spannungs-Wandlers; Fig.2 zeigt das Ausgangskennlinienfeld des Weg/ Spannungs-Wandlers; in F i g. 3 ist ein Korrekturnetzwerk für den Weg/Spannungs-Wandler dargestellt; in F i g. 4 ist die schaltungstechnische Ausführung eines Weg/Spannungs-Wandlers nach F i g. 1 wiedergegeben.

   Das Blockschaltbild nach F i g. 1 enthält den eigentlichen Weg/Spannungs-Wandler, bestehend aus einem Lichtsender SL und einem Lichtempfänger ELs einem nachgeschalteten Fotoverstärker FV und einer spannungsgesteuerten Stromquelle Str. Da sich der Lichtsender sehr klein, massearm und stoßfest in Form einer Leuchtdiode ausführen läßt, befestigt man ihn vorteilhaft auf dem bewegten Objekt. Als Lichtempfänger eignet sich z. B. ein Fototransistor oder eine Fotodiode.