DE3720294C1

DE3720294C1 - Optoelektrischer Positionierungs-Abgriff

Info

Publication number: DE3720294C1
Application number: DE19873720294
Authority: DE
Inventors: Manfred Wodok
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1987-06-19
Filing date: 1987-06-19
Publication date: 1988-09-08
Also published as: FR2616903A1; GB2207238A; GB2207238B; GB8814443D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optoelektrischen Positionierungs-Abgriff gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs. Ein solcher Abgriff ist aus der DE-OS 35 09 915 bekannt.

Für diverse elektronische Einrichtungen, wie beispielsweise Wendekreisel, Beschleunigungsmesser oder Weg-Spannungsumsetzer gemäß der DE-AS 23 11 676, ist die Verwendung von geeigneten Positionierungssensoren erforderlich.

Hierzu stehen dem Stand der Technik verschiedene Prinzipkonzeptionen zur Verfügung, wie beispielsweise der Einsatz von "Kraftmeß-Elementen", wie etwa piezoresistive Dehnmeßstreifen. Allerdings ist eine solche Konzeption mit dem Mangel einer nicht ausreichenden Temperaturstabilität behaftet. Außerdem ist der Aufwand an Abgleich-, Justier- und Fertigungselementen so hoch, daß dieses Meßverfahren nur für ganz spezielle Fälle in Frage kommt.

Eine weitere Konzeption basiert auf dem Magnet-Prinzip durch Einsatz von sogenannten Feldplattenfühlern bzw. Hall-Elementen. Hier steht jedoch die sehr schwierige und aufwendige Kompensierung der ausgeprägten Temperaturempfindlichkeit einer vielseitigeren Verwendung im Wege.

Bei der obengenannten Auslegeschrift ist ein Weg-Spannungsumsetzer offenbart, bei welchem eine Ausgangsmeßspannung erzielbar ist, die ausschließlich von der Bewegung einer Schlitzblende abhängig ist. Abgesehen vom Bauelementenaufwand ist u. a. deren selektive Auswahl erforderlich und Temperaturkorrekturmaßnahmen müssen getroffen werden.

Die vorliegende Erfindung hat sich daher dem Prinzip des optoelektrischen Schattenstabes zugewandt und hat gefunden, daß zur Detektion geringer Winkel- bzw. Wegdifferenzen die Schaffung eines Abgriffsystems möglich ist. Zwar ist durch die oben schon genannte DE-OS 35 09 915 ein Beschleunigungsmesser bekannt geworden, der sich ebenfalls des vorgenannten Prinzips bedient, wobei ein Massependel verwendet wird, dessen Lage durch das Signal einer speziellen elektrischen Einrichtung abgeglichen wird, das zur Differenz der Dioden- Ausgangssignale proportional ist. Dies erfordert jedoch ein zweites, zur Summe der Dioden-Ausgangssignale proportioniertes Signal, das dazu dient, den der emittierenden Lichtquelle zugeführten Strom so zu ändern, daß das zweite Signal auf einem vorbestimmten Bezugspegel gehalten wird.

Auch hier handelt es sich jedoch um eine noch erheblich aufwendige Einrichtung, die eine selektive Auswahl der zu verwendenden Bauelemente erfordert und in der Linearität der Übertragungskennlinie einen über den maximal zulässigen Fehler von weniger als 2% gehenden Wert aufweist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abgriff der eingangs genannten Art zu schaffen, der die vorgenannten Nachteile beseitigt und aufwandslos temperaturabhängige Fotostromänderungen sowie unterschiedliche Charakteristiken der Diodenkennlinien selbsttätig eliminiert.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch aufgezeigten Maßnahmen gelöst. In der nachfolgenden Beschreibung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert, das in den Figuren der Zeichnung näher präzisiert ist. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines optoelektrischen Abgriffs, welcher besonders für Kreiselgeräte verwendbar ist,

Fig. 2 ein Strukturschaltbild des Abgriffs gemäß Fig. 1.

Anhand des Schaltbildes gemäß Fig. 1 soll die Funktion des vorgeschlagenen Abgriffs erläutert werden. Die beiden lichtempfindlichen Dioden D 1, D 2, die mit einem Abstand von nur 25 µm auf einem Chip integriert sind, werden mit einem steuerbaren Lichtstrom, der von einer LED erzeugt wird, gleichmäßig beaufschlagt. In den beiden Dioden werden die entgegengerichteten Ströme I₁ und I₂ erzeugt, die über die Arbeitswiderstände R 1 und R 2 fließen. Der Strom I₁ hängt von der Helligkeit H des von der LED emittierten Lichtstromes ab. Am Summenpunkt S 1 wird I₁ mit einem konstanten Strom I _s verglichen. Eine sich ergebende Stromdifferenz Δ I _s = I _s - I₁ wird dem Integrationsverstärker V 2 zugeführt, der die Steuerspannung U _st = 1/C ∫ Δ I _s dt erzeugt. Über den Transistor T wird nun die Helligkeit H des Lichtstromes so nachgeregelt, daß I₁ = I _s wird.

Ist am Summenpunkt S 1 der Strom I₁ kleiner als I _s, so wird die Steuerspannung U _st am Integrationsverstärker V 2 negativ ansteigen und die Helligkeit H des Lichtstromes soweit zunehmen, bis I₁ = I _s wird. Am Summenpunkt S 1 wird sich also immer ein Gleichgewichtszustand, unabhängig von der Temperatur, der Exemplarstreuung oder anderen Unsymmetrien, - nämlich I₁ = I _s = konstant - einstellen.

Da die in Differenzialanordnung geschalteten Dioden D 1 und D 2 auf einem Chip integriert sind und somit auch identische Eigenschaften besitzen, wird I₂ = I₁ sein. Am Summenpunkt S 2 wird die Differenz Δ I _D = I₂ - I _K gebildet, die bei gleichmäßiger Bestrahlung der Fotodioden auf Null kompensiert wird. Da kein Strom Δ I _D fließt, wird auch die Ausgangsspannung U _A = Δ I _D · R _A gleich Null sein.

Befindet sich nun im Lichtstrom, also zwischen der Lichtquelle LED und den Fotodioden, ein Stab, der symmetrisch einen Teil der Flächen von D 1 und D 2 abdeckt, so wird trotz der geringer werdenden aktiven Diodenflächen der Strom I₁ und I₂ konstant bleiben, da sofort eine höhere Helligkeit H über den Integrationsverstärker V 1 nachgeregelt wird.

Wird nun der Schattenstab ST ausgelenkt, so wird die aktive Fläche von D 1 verkleinert und die von D 2 vergrößert bzw. umgekehrt. Am Summenpunkt S 2 entsteht die Differenz Δ I _D = I₂ - I _k, die über RA die Ausgangsspannung U _A erzeugt. I₁ wird nach wie vor konstant gehalten, d. h. I₁ = I _s = konstant.

Mit Hilfe dieser Regeleinrichtung ist es möglich, Temperatureinflüsse, Exemplarstreuungen sowie Fertigungstoleranzen im Abgriffsystem weitgehendst zu eliminieren.

Die Funktionsfähigkeit des vorgeschriebenen Abgriffsystems läßt sich rechnerisch wie folgt nachweisen:
Anhand des Blockschaltbildes gemäß Fig. 2 wird die Ableitung der statischen Ausgangsspannung U _A in Abhängigkeit der Auslenkung Δ x des Schattenstabes St erläutert:

U _A =
H · (K _{D 2} · K _{S 2} · K _{T 2} + K _{D 1} · K _{S 1} · K _{T 1}) · Ku (1)

Die Helligkeit H der LED ergibt sich durch Umformung des Blockschaltbildes gemäß Fig. 2 wie folgt:

Wird
K _R · K _I · K _LED = K _VOR und

K _{D 1} · K _{S 1} · K _{T 1} = K 1 und

K _{D 2} · K _{S 2} · K _{T 2} = K 2

gesetzt, ergibt sich folgende Gesamtgleichung:

Da K _VOR eine integrale Regelstrecke darstellt, strebt der Funktionswert von K _VOR gegen Unendlich, so daß sich

ergibt, umgeformt

Wird K 1 = K _{D 1} · K _{S 1} · K _{T 1} und K 2 = K _{D 2} · K _{S 2} · K _{T 2} wieder in Gleichung (6) eingesetzt, so erhält man:

K _{T 1} und K _{T 2} sind die Temperaturgänge der Dioden DS 1 und D 2, die identisch sind, d. h. K _{T 1} K _{T 2} und sich somit aufheben.

K _{D 1} und K _{D 2} sind die Diodencharakteristiken, die ebenfalls identisch sind und sich nur durch das Vorzeichen unterscheiden, also K _{D 2} = -K _{D 1}, womit sich nun folgender Ausdruck ergibt:

U _A = -I _S · K _U · (K _{S 2}/K _{S 1} - 1) (8)

K _{S 2} = 1 + Δ x

K _{S 1} = 1 - Δ x

K _U = -R _A

Dies ergibt:

K* ist eine konstante Größe, die allein von den geometrischen Größen - wie Abstand, Schattenstabdurchmesser etc. - abhängig ist und einmal meßtechnisch bestimmt werden muß.

Der Abgleich dieser Anordnung gestaltet sich recht einfach und ist, wie die Gleichung (10) veranschaulicht, mit I _S und R _A möglich. Die Schaltung wird zunächst ohne Schattenstab in Betrieb genommen. Am Ausgang des Verstärkers V 1 wird sich eine geringe Ablagenspannung einstellen, die mit R _K leicht zu kompensieren ist.

Wird eine bestimmte Steilheit der Ausgangsspannung gewünscht, so kann dies mit R _A einjustiert werden.

Mit den vorgeschlagenen Maßnahmen ist nun mit geringem Aufwand an Bauelementen und einfachen Abgleich- und Justierarbeiten ein hochwertiger, den Umweltanforderungen Genüge leistender, preisgünstiger Positionierungsabgriff realisiert worden. Die bisher erforderlichen hochgenauen Einbautoleranzen entfallen und ebenfalls aufwendige Temperatur-Korrekturnetzwerke. Es ist nur mehr ein einfacher elektrischer Nullabgleich im integrierten Zustand erforderlich und der Ausgangsparameter der physikalischen Größe (Signal) ist in einem großen Bereich frei wählbar. Trotz des hohen Bedarfs hat der bisherige Stand der Technik diese einfache Lösung weder entdeckt noch nahegelegt.

Claims

Optoelektrischer Positionierungs-Abgriff, bei dem eine Lichtquelle entlang eines Strahlenpfades ein Lichtbündel zu zwei nebeneinander angeordneten lichtempfindlichen Dioden, die auf einem Clip integriert sind, lenkt, ein senkrecht zum Strahlenpfad bewegliches Element das Lichtbündel teilweise abschattet, und bei dem aufgrund von Diodenströmen die durch die mit Widerständen beschalteten Dioden fließen, einerseits ein zur Differenz der Diodenströme proportionales und die Lage des abschattenden Elements im Strahlenpfad charakterisierendes Signal erhalten wird und andererseits mittels eines Integrationsverstärkers, auf den auch eine Referenzspannung einwirkt, und eines Transistors eine Regelung der Lichtquelle erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindlichen Dioden (D 1, D 2) in einem Abstand von ca. 25 µm voneinander auf dem Chip integriert sind, und daß lediglich die an einem Summenpunkt (S 1) aus einem der Diodenströme (I₁) und einem konstanten Referenzstrom (I _s ) gebildete Stromdifferenz ( Δ I _s = I _s - I₁) über den Integrationsverstärker (V₂) und den Transistor (T) die Lichtquelle (LED) steuert.