NL9101077A - Werkwijze en inrichting voor het verrichten van plaatsbepaling. - Google Patents

Description

WERKWIJZE EN INRICHTING VOOR HET VERRICHTEN VAN PLAATSBEPALING

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het verrichten van plaatsbepaling volgens welke een door een moduleerbare lichtbron uitgezonden lichtbundel een foto-gevoelige laag op een bepaalde plaats treft en de trefplaats van dié bundel op die laag wordt afgeleid uit twee door die bundel in die laag gegenereerde tegengesteld gerichte foto-stromen.

Een dergelijke werkwijze is bekend uit de publicatie van G.C.M. Meijer en R. Schrier in Sensors and Actuators, A21-A23 (1990), 538-543. Volgens de bekende werkwijze genereert een uitgezonden lichtbundel een foto-stroom over een onder een spanning in sperrichting staande halfgeleider-junctie. Deze halfgeleider-junctie kan worden beschouwd als een elektro-optische potentiometer, waarbij één van de twee halfgeleider-lagen wordt gebruikt als weerstandslaag. Wanneer de door de invallende lichtbundel op de gevoelige laag gegenereerde foto-stroom wordt afgenomen op twee, onder een zelfde spanning staande plaatsen ter weerszijden van de trefplaats van de bundel op de laag, is de grootte van de in elk punt afgenomen stroom omgekeerd evenredig met de afstand tussen de afnameplaats en de trefplaats van de invallende bundel. Volgens de bekende werkwijze wordt de lichtbron gemoduleerd en worden de afgenomen stromen via twee symmetrische voorversterkers in serie met hoog-doorlaatfilters in een gebalanceerde mixer synchroon gedetecteerd.

Aan de bekende werkwijze kleeft het nadeel dat de beide voorversterkers, de hoog-doorlaatfilters en de gebalanceerde mixer aan zeer nauwe specificaties moeten voldoen, wat inherent leidt tot hoge produktiekosten. Daarenboven bestaat een inrichting waarin deze werkwijze wordt toegepast uit zeer veel componenten, wat eveneens kostenverhogend werkt en wat het moeilijk maakt een dergelijke inrichting met de foto- gevoelige laag in één halfgeleider-schakeling te integreren tot een zogeheten "smart sensor".

Doel van de uitvinding is een werkwijze en inrichting te verschaffen waaraan deze bezwaren niet kleven.

De uitvinding voorziet hiertoe in een werkwijze volgens welke de foto-stromen worden omgevormd tot gemoduleerde signalen, welke signalen bij afwisseling worden verwerkt en met welke signalen bij afwisseling de lichtbron wordt gemoduleerd.

Omdat bij deze werkwijze de gemoduleerde signalen zelf worden gebruikt om de lichtbron te moduleren vervalt de noodzaak van een afzonderlijke modulatie-oscillator, die volgens de bekende werkwijze wel wordt vereist. De werkwijze wordt bovendien sterk vereenvoudigd doordat de signalen bij afwisseling worden verwerkt. Hiermede vervalt de behoefte aan een symmetrische verwerkingsinrichting met identieke voorversterkers en hoog-doorlaatfilters en een gebalanceerde mixer, en kan worden volstaan met een inrichting die minder componenten omvat volgens minder strenge specificaties.

In een uitvoeringsvoorbeeld van de werkwijze worden de foto-stromen omgevormd tot periode-gemoduleerde signalen, waarbij de duur van een periode telkens volgens een lineaire vergelijking afhankelijk is van de sterkte van een foto-stroom.

Bij voorkeur wordt de duur van de periode afhankelijk gemaakt van de sterkte van de foto-stroom door additieve foutbronnen in de omzetting van de foto-stroom tot periode-gemoduleerd signaal achtereenvolgens te bepalen en te elimineren. Bepaling en eliminatie van additieve foutbronnen is overeenkomstig de uitvinding mogelijk door bijvoorbeeld de lichtbron uit te schakelen en eventueel optredende lekstromen om te vormen tot gemoduleerde signalen, voor welke signalen de signalen bij ingeschakelde lichtbron worden gecorrigeerd.

De uitvinding heeft voorts betrekking op een inrichting voor het verrichten van plaatsbepaling, omvattende een modu-leerbare lichtbron welke een lichtbundel uitzendt, een foto-gevoelige laag die door een door de lichtbron uitgezonden lichtbundel op een bepaalde plaats kan worden getroffen, en een inrichting voor het meten van twee door de lichtbundel in die laag gegenereerde tegengesteld gerichte foto-stromen.

Een dergelijke inrichting is bekend uit de hierboven aangehaalde publicatie van Meijer en Schrier. Aan de bekende inrichting zijn de met de bekende werkwijze samenhangende bezwaren verbonden.

De uitvinding voorziet in een inrichting voor het verrichten van plaatsbepaling waaraan deze bezwaren niet kleven.

Overeenkomstig de uitvinding omvat de inrichting voor het meten van de foto-stromen een commutatorschakeling waarmee telkens één van de foto-stromen wordt geleid naar een stroom-spanningsomzetter, alsmede een spanningsgestuurde oscillator in serie met genoemde stroom-spanningsomzetter, en wordt de lichtbron gemoduleerd met het uitgangssignaal van genoemde oscillator.

In een uitvoeringsvoorbeeld van een inrichting volgens de uitvinding omvat de spanningsgestuurde oscillator een eerste versterker, waarvan de uitgang door een capacitieve eerste lus is teruggekoppeld naar een eerste ingang, wordt een tweede ingang op een constante referentiespanning gehouden en is genoemde uitgang van genoemde versterker verbonden met een eerste ingang van een tweede versterker waarvan de uitgang door een capacitieve tweede lus is teruggekoppeld naar de eerste ingang van de eerste versterker en waarvan een tweede ingang is verbonden met de uitgang van de stroom-spanningsomzetter, en omvat de oscillator een inversieschakeling welke in serie is verbonden met de tweede versterker, en welke door een resistieve lus is teruggekoppeld naar de eerste ingang van de eerste versterker en door een vierde lus is teruggekoppeld naar de lichtbron.

De omzetting van spanning naar periode en de synchrone detectie in deze inrichting maken een zeer nauwkeurige meting van de foto-stromen mogelijk. De periode van het uitgangssignaal is recht evenredig met de piek-tot-piek waarde van de foto-stromen en is onafhankelijk van laagfrequente of gelijk-spanningscomponenten in het signaal op de tweede ingang van de tweede versterker of in de foto-stromen. De periode van het uitgangssignaal is in hoge mate ongevoelig voor ver storingen zoals "slew rate", transiënte signalen en d.c.-fouten in de samenstellende delen van de inrichting.

Teneinde eventuele fouten die worden geïntroduceerd door uitgangsweerstanden van de commutatorschakeling te elimineren omvat een uitvoeringsvoorbeeld van de inrichting in serie met de commutator een resistief teruggekoppelde derde versterker, via welke bij afwisseling één van de twee foto-stromen wordt afgevoerd.

In een voorkeursuitvoering is de tweede versterker een comparatorschakeling en worden de eerste versterker en de inversieschakeling gevoed door een dubbele spanningsbron met uitgangsspanningen op gelijke afstand boven en onder de referentiespanning.

Wanneer in een dergelijke inrichting op de tweede ingang van de comparator een blokvormig signaal met constante piek-naat-piek-waarde wordt aangeboden is het uitgangssignaal een wisselspanning met constante periode, waarbij de duur van het positieve en het negatieve deel van een periode even lang zijn (het uitgangssignaal heeft een duty-cycle van 0.5).

Bij voorkeur omvat de comparatorschakeling een ingangsschakeling door middel waarvan de tweede ingang van de comparatorschakeling kan worden ontkoppeld van de stroom-spanningsomzetter en op de referentiespanning kan worden gebracht.

Met een dergelijke ingangsschakeling is het mogelijk additieve foutbronnen in de omzetting van de foto-stroom tot periode-gemoduleerd signaal te bepalen en vervolgens de aldus bepaalde additieve fouten te elimineren uit de bepaalde waarden van de foto-stromen.

In een praktisch voordelige en compacte uitvoeringsvorm zijn de foto-gevoelige laag en de inrichting voor het meten van de foto-stromen in één halfgeleider-schakeling geïntegreerd, en heeft men de beschikking over een smart sensor gekregen. De uitgangssignalen van een smart sensor zijn geschikt om rechtstreeks door een microprocessor of een computer te worden verwerkt.

In weer een volgend uitvoeringsvoorbeeld omvat de inrichting een processor-inrichting welke de lichtbron en de commutatorschakeling aanstuurt en welke uit de uitgangs- signalen van de oscillator de trefplaats van de lichtbundel op de laag afleidt.

Indien in het laatste uitvoeringsvoorbeeld de comparatorschakeling een ingangsschakeling omvat door middel waarvan het signaal op de tweede ingang van de comparatorschakeling kan worden gekozen wordt deze ingangsschakeling eveneens door de processor-inrichting aangestuurd.

In het nu volgende zal de uitvinding worden toegelicht aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld onder verwijzing naar de tekening. In de tekening toont: figuur la: het beginsel van de werkwijze voor het verrichten van een plaatsbepaling door middel van de meting van foto-stromen en figuur lb: een vereenvoudigd model van een foto-gevoelige laag met foto-stromen; figuur 2: een functiediagram van een inrichting voor het verrichten van plaatsbepaling; figuur 3a: het schema van de spanningsgestuurde oscillator uit figuur 2 en figuur 3b: het verloop van enkele spanningen in de oscillator uit figuur 3a; figuur 4: een functiediagram van een ander uitvoeringsvoorbeeld van de inrichting, voorzien van een microprocessor.

Figuur la toont een bekende foto-gevoelige laag voor plaatsdetectie, met halfgeleider-junctie 1 waarover door bron 2 een spanning in sperrichting is aangelegd, een lichtbron 3, in dit geval een licht-emitterende diode LED, en twee in de halfgeleider tegengesteld gerichte stromen I] 4 en I2 5, afkomstig van twee punten gelegen ter weerszijde van de trefplaats van de door de LED uitgezonden bundel op de halfgeleiderlaag.

Figuur lb toont een vereenvoudigd model waarin de foto-stroom afkomstig is van een fictieve stroombron 6 en de trefplaats van de lichtbundel wordt bepaald door de afstanden R] en R2 tot de beide tegengestelde punten waar de stromen I] en I2 worden afgenomen. Is x0 de trefplaats van de lichtbundel op de laag, waarbij x0 een waarde tussen -1 en 1 heeft, dan wordt x0 gegeven door

(1).

Figuur 2 toont een functiediagram van een inrichting volgens de uitvinding met achtereenvolgens een lichtbron, in casu een LED 7, door schakelaars P] en P0 verbonden met een stroombron 8. Een door de LED uitgezonden bundel treft een foto-gevoelige laag 9, de hieruit resulterende foto-stroom, voorgesteld door een fictieve stroombron 10 vertakt zich in twee tegengesteld gerichte stromen I] 11 en I2 12. Met behulp van een door een signaal P2 aangestuurde commutatorschakeling 13 wordt één van beide foto-stromen afgevoerd naar aarde, terwijl de andere foto-stroom wordt toegevoerd aan een resistief teruggekoppelde stroom-spanningsomzetter 14. De uitgangsspanning van stroom-spanningsomzetter 14 wordt toegevoerd aan de tweede ingang van een comparatorschakeling 15, welke schakeling deel uitmaakt van een spanningsgestuurde oscillator. Deze spanningsgestuurde oscillator omvat een eerste versterker 16 waarvan de uitgang door een capacitieve eerste lus 17 is teruggekoppeld naar een eerste ingang en waarvan de tweede ingang aan aarde ligt, waarbij voorts de uitgang is verbonden met een eerste ingang van de comparator-schakeling 15. De uitgang van de comparator 15 is door een capacitieve tweede lus 18 teruggekoppeld naar de eerste ingang van de versterker 16 en is voorts in serie verbonden met een inversieschakeling 19, welke weer door een derde resistieve lus 20 is teruggekoppeld naar de eerste ingang van de versterker 16. Met het uitgangssignaal van de inversieschakeling 19 wordt schakelaar P0 aangestuurd, waardoor dus de lichtbron 7 door het uitgangssignaal wordt gemoduleerd.

De figuur toont voorts een microprocessor 21, welke de schakélaars Pt en P2 aanstuurt en welke de uitgangssignalen verwerkt. De spanningsgestuurde oscillator 15-20 vormt de gegenereerde foto-stromen en een eventuele lekstroom om in blokvormige periode-gemoduleerde signalen, waarvan de periode Ti is gerelateerd aan de stroom door de lineaire vergelijking T| = al, + b, (i = 0,1,2) (2) .

Om de additieve parameter b in deze vergelijking te elimineren wordt de donkerstroom I0 gemeten. De relatieve positie x van de trefplaats van de lichtbundel wordt gegeven door

(3) .

Omdat de stromen gemoduleerd worden speelt een eventuele d.c.-component in I0 geen rol, zodat vergelijking (3) met behulp van (2) kan worden herleid tot

(4) .

Figuur 3a toont weer de oscillator van figuur 2, waarin de tweede ingang van de versterker 16 met aarde is verbonden en waarvan de uitgang Vout een blokgolfgenerator 22 aanstuurt welke een blokvormig signaal met de frequentie van het uitgangssignaal Vout aanbiedt aan de tweede ingang van de comparatorschakeling 15.

De werking van deze oscillator is als volgt. De versterker 16 met terugkoppelcapaciteit C! werkt als een lineaire integrator voor de stroom IR0 door Rq. Wanneer voor de comparatorschakeling 15 een dubbele spanningsbron met spanningen ±VS wordt gebruikt, bedraagt deze stroom Iro = ±Vs/ro, waarin het teken wordt bepaald door de uitgangs-toestand van de inversieschakeling 19. De toestand van de comparatorschakeling 15 verandert zodra de uitgangsspanning V4 van de versterker 16 de waarde van V3 kruist. Onder de aanname dat V3 = 0 vindt dit bijvoorbeeld plaats op de ogenblikken tj en ti+1/ zoals is aangegeven in figuur 3b. Door het schakelen van de uitgangsspanning V5 van de comparatorschakeling 15 van -Vs naar +VS wordt lading Q2 = 2VSC2 overgedragen naar op het ogenblik t,, wat resulteert in een stap in de spanning V4f = -2VSC2/C} (5).

Vervolgens wordt de capaciteit Cy ontladen gedurende een tijd T2 tot aan de volgende nuldoorgang. Dit proces wordt herhaald en een periodiek signaal wordt gegenereerd. Wanneer V3 = 0 bedraagt de periode Tp0:

Tp0 = ΤΊ + T2 = 4C2Rq (6) .

De periode van het signaal is onafhankelijk van offset-spanningen van de comparatorschakeling 15 en de inversieschakeling 19 en (in eerste orde) ook van de offset-spanning van de versterker 16 en onafhankelijk van een gelijk- \ spanningscomponent in V3. Wanneer echter V3 gemoduleerd wordt door een signaal dat, zoals in figuur 3a, is afgeleid van het uitgangssignaal Vout zelf is een andere situatie ontstaan.

Wanneer bijvoorbeeld de spanning V3 de blokgolfvorm heeft die is weergegeven in figuur 2b dan worden Tj en T2 verlengd met een tijd = T2 = T waarvoor geldt dat T = (Va^VJRoC! (7).

Figuur 4 toont een ander uitvoeringsvoorbeeld van een inrichting volgens de uitvinding. Voor de betekenis van de verwijzingscijfers 8 tot en met 21 zij verwezen naar figuur 2. In figuur 4 omvat de spanningsgestuurde oscillator in serie met de eerste inversieschakeling 19 een tweede inversieschakeling 22 waarvan de uitgang met de capacitieve tweede lus 18 is teruggekoppeld. De stroombron 8 van de lichtbron 7 wordt gemoduleerd met behulp van twee schakel-transistoren 25, 26, waarbij de basisstroom van één van de transistoren 25 wordt geleverd door een deler 23, 24, in serie met de tweede inversieschakeling 22. Figuur 4 toont voorts in serie met de commutator 15 een resistief teruggekoppelde derde versterker 27, via welke bij afwisseling één van de twee foto-stromen wordt afgevoerd. Het eenvoudige ingangscircuit in figuur 2 is, wanneer dit wordt uitgevoerd met MOS-transistorschakelaars, niet erg geschikt om de foto-stromen te verwerken. Dit is een gevolg van de invloed van de weerstanden van de schakelaars in de AAN-positie. Een typische waarde voor deze weerstanden is een paar honderd ohms met een spreiding tot circa 10%, waardoor de invloed ervan op het meetresultaat voor de relatieve positie x te hoog is. Met het in figuur 4 getoonde ingangscircuit wordt dit bezwaar ondervangen: de waarde van de ingangsimpedanties van de stroom-spanningsomzetter 14 en de derde operationele versterker 27 is onafhankelijk van de relatieve positie x, zodat deze impedanties geen oorzaak van niet-lineair gedrag van het circuit kunnen zijn. Een inrichting volgens figuur 4 heeft ook op lange termijn een goede stabiliteit, zelfs bij gebruik van relatief eenvoudige versterkers. De onnauwkeurigheid van de inrichting voor het meten van de foto-stromen is kleiner dan 10'4 bij een verplaatsingsbereik van de invallende lichtvlek van 3 mm.

Claims (11)

1. Werkwijze voor het verrichten van plaatsbepaling volgens welke een door een moduleerbare lichtbron uitgezonden lichtbundel een foto-gevoelige laag op een bepaalde plaats treft en de trefplaats van die bundel op die laag wordt afgeleid uit twee door die bundel in die laag gegenereerde tegengesteld gerichte foto-stromen, met het kenmerk. dat de foto-stromen worden omgevormd tot gemoduleerde signalen, welke signalen bij afwisseling1 worden verwerkt en met welke signalen bij afwisseling de lichtbron wordt gemoduleerd.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk. dat de foto-stromen worden omgevormd tot periode-gemoduleerde signalen, waarbij de duur van een periode telkens volgens een lineaire vergelijking afhankelijk is van de sterkte van een foto-stroom.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de duur van de periode afhankelijk wordt gemaakt van de sterkte van de foto-stroom door additieve foutbronnen in de omzetting van de foto-stroom tot periode-gemoduleerd signaal achtereenvolgens te bepalen en te elimineren.

4. Inrichting voor het verrichten van plaatsbepaling, omvattende een moduleerbare lichtbron welke een lichtbundel uitzendt, een foto-gevoelige laag die door een door de lichtbron uitgezonden lichtbundel op een bepaalde plaats kan worden getroffen, en een inrichting voor het meten van twee door die lichtbundel in die laag gegenereerde tegengesteld gerichte foto-stromen, met het kenmerk, dat de inrichting voor het meten van de foto-stromen een commutatorschakeling omvat waarmee telkens één van de foto-stromen wordt geleid naar een stroom-spanningsomzetter, alsmede een spannings-gestuurde oscillator in serie met genoemde stroom-spanningsomzetter, en waarbij de lichtbron wordt gemoduleerd met het uitgangssignaal van genoemde oscillator.

5. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de spanningsgestuurde oscillator een eerste versterker omvat waarvan de uitgang door een capacitieve eerste lus is teruggekoppeld naar een eerste ingang, een tweede ingang op een constante referentiespanning wordt gehouden en genoemde uitgang is verbonden met een eerste ingang van een tweede versterker waarvan de uitgang door een capacitieve tweede lus is teruggekoppeld naar de eerste ingang van de eerste versterker en waarvan een tweede ingang is verbonden met de uitgang van de stroom-spanningsomzetter, alsmede een inversieschakeling welke in serie is verbonden met de tweede versterker, en welke door een resistieve derde lus is teruggekoppeld naar de eerste ingang van de eerste versterker en door een vierde lus is teruggekoppeld naar de lichtbron.

6. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat deze in serie met de commutatorschakeling een resistief teruggekoppelde derde versterker omvat, via welke bij afwisseling een van de twee foto-stromen wordt afgevoerd.

7. Inrichting volgens één der conclusies 5 of 6, met het kenmerk, dat de tweede versterker een comparator-schakeling is, en de eerste versterker en de inversie-schakeling worden gevoed door een dubbele spanningsbron met uitgangsspanningen op gelijke afstand boven en onder de referentiespanning.

8. Inrichting volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de comparatorschakeling een ingangsschakeling omvat door middel waarvan de tweede ingang van de comparatorschakeling kan worden ontkoppeld van de stroom-spanningsomzetter en op de referentiespanning kan worden gebracht.

9. Inrichting volgens één der conclusies 3-8, met het kenmerk, dat de foto-gevoelige laag en de inrichting voor het meten van de foto-stromen in één halfgeleider-schakeling zijn geïntegreerd.

10. Inrichting volgens één der conclusies 3-9, met het kenmerk, dat deze een processor-inrichting omvat welke de lichtbron en de commutatorschakeling aanstuurt en welke uit de uitgangssignalen van de oscillator de trefplaats van de lichtbundel op de laag afleidt.

11. Inrichting volgens conclusies 8 en 10, met het kenmerk. dat de processor-inrichting de ingangsschakeling van de comparatorschakeling aanstuurt.