RU2167394C2

RU2167394C2 - Optoelectronic displacement transducer

Info

Publication number: RU2167394C2
Application number: RU98104332A
Authority: RU
Inventors: О.А. Добисов; В.В. Кочергин; А.В. Полубарьев; Е.А. Чекулаев
Priority date: 1998-03-12
Filing date: 1998-03-12
Publication date: 2001-05-20

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: invention can be utilized for remote determination of displacement of objects. Transducer has receiving-transmitting system including light- emitting diode with condenser and multiscan with objective lens, converter, integrator and pulse generator. Transducer is supplemented with corner reflector, voltage amplifier, retrieval-storage unit, second integrator, relay and bipolar power supply source. EFFECT: increased measurement accuracy, monitoring of loss of optical coupling. 3 cl, 1 dwg

Description

Устройство относится к измерительной технике и может быть использовано в системах технического зрения, устройствах автоматики и телемеханики для дистанционного определения положения объектов в пространстве, когда информативным параметром является положение зоны с неравномерной освещенностью, сформированной на фоточувствительном приемнике. The device relates to measuring technique and can be used in vision systems, automation and telemechanics for remote location of objects in space, when the informative parameter is the position of the zone with uneven illumination formed on a photosensitive receiver.

Известны оптико-электронные датчики перемещения, выполненные на приборах с зарядовой связью, например [1]. Их основные недостатки: чувствительность к засветке и ограниченное быстродействие, обусловленное ограничением скорости накопления и переноса заряда, сложность. Known optoelectronic displacement sensors made on devices with charge coupling, for example [1]. Their main disadvantages: sensitivity to flare and limited speed due to the limitation of the rate of accumulation and charge transfer, complexity.

Известен мультискан с электрической схемой коммутации [2], который как датчик перемещения чувствителен к фоновой засветке. Known multiscan with an electrical switching circuit [2], which, as a displacement sensor, is sensitive to background illumination.

Прототипом предлагаемого датчика является "Устройство для определения светового пятна'' [3]. The prototype of the proposed sensor is "Device for determining the light spot '' [3].

Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом решает задачу повышения динамической точности, надежности и расширения функциональных возможностей, в частности обеспечения контроля оптического сигнала между излучателем и приемником. The proposed device in comparison with the prototype solves the problem of increasing dynamic accuracy, reliability and expansion of functionality, in particular, providing control of the optical signal between the emitter and receiver.

Блок-схема устройства изображена на чертеже. The block diagram of the device shown in the drawing.

Оптико-электронный датчик перемещения содержит объект перемещения 2, с размещенным на нем уголковым отражателем 1, приемопередающую систему 3, включающую в себя светодиод с конденсором 4 и мультискан 5 с объективом 6, генератор импульсов напряжения 7, преобразователь 8, усилитель 9, схему выборки-хранения 10, интеграторы 11 и 12, источники смещения 13 и 14, реле 15 со своими контактами 16 и 17, источник питания с выводами 18 и 19. Выход интегратора 12 является первым выходом 20, а контакты 16 реле 15 вторым выходом 21 устройства; 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 - операционные усилители; 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 - резисторы; 48, 49, 50, 51, 52 - конденсаторы; 53 - электронный ключ. The optical-electronic displacement sensor contains a displacement object 2, with an angular reflector 1 placed on it, a transceiver system 3, which includes an LED with a capacitor 4 and a multiscan 5 with a lens 6, a voltage pulse generator 7, a converter 8, an amplifier 9, a sample circuit storage 10, integrators 11 and 12, bias sources 13 and 14, relay 15 with its contacts 16 and 17, a power source with terminals 18 and 19. The output of the integrator 12 is the first output 20, and contacts 16 of the relay 15 are the second output 21 of the device; 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 — operational amplifiers; 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 - resistors; 48, 49, 50, 51, 52 - capacitors; 53 - electronic key.

Генератор импульсов 7 соединен со светодиодом 4 и с электронным ключом 53 устройства выборки-хранения 10. Светодиод с конденсором 4 и объектив 6 мультискана 5 установлены так, что отраженный уголковым отражателем 1 световой поток находится в поле зрения объектива, который строит изображение конденсора на фоточувствительной линейке мультискана. При перемещении уголкового отражателя поперек световых лучей в плоскости чертежа это изображение перемещается по фоточувствительной линейке. Делительная шина мультискана 5 соединена с источниками смещения 13 и 14, первые входы которых соединены с выходом интегратора 12, а вторые - с отрицательной 18 и положительной 19 шинами двуполярного источника питания. Общая шина мультискана 5 через последовательно соединенные преобразователь 8, усилитель 9, схему выборки-хранения 10, интеграторы 11 и 12 соединена с первым выходом устройства 20 и с первыми входами источников смещения 13 и 14. Вторые входы интеграторов 11 и 12 соединены с шинами 18 и 19 соответственно. Обмотка реле 15 подключена к выходу интегратора 11, его контакты 16 соединены со вторым выходом 21 устройства, а контакты 17 включены между входом и выходом операционного усилителя 27. The pulse generator 7 is connected to the LED 4 and to the electronic key 53 of the sample-storage device 10. The LED with a capacitor 4 and the lens 6 of the multi-scan 5 are installed so that the light flux reflected by the corner reflector 1 is in the field of view of the lens, which builds the image of the condenser on a photosensitive ruler multiscan. When you move the corner reflector across the light rays in the plane of the drawing, this image moves along the photosensitive ruler. The dividing bus of the multiscan 5 is connected to bias sources 13 and 14, the first inputs of which are connected to the output of the integrator 12, and the second - with negative 18 and positive 19 buses of the bipolar power source. The common bus multiscan 5 through a series-connected Converter 8, amplifier 9, the sample-storage circuit 10, the integrators 11 and 12 are connected to the first output of the device 20 and to the first inputs of the bias sources 13 and 14. The second inputs of the integrators 11 and 12 are connected to the buses 18 and 19 respectively. The relay coil 15 is connected to the output of the integrator 11, its contacts 16 are connected to the second output 21 of the device, and the contacts 17 are connected between the input and output of the operational amplifier 27.

Преобразователь 8 выполнен на операционных усилителях 22, 23 и 24, соединенных в кольцо, на первом из которых собран преобразователь ток - напряжение, на втором - усилитель напряжения, на третьем - интегратор. Усилитель напряжения 9 выполнен на операционном усилителе 25, на выходе которого включен разделительный конденсатор 49. Устройство выборки-хранения содержит электронный ключ 53, коммутируемый генератором 7, и запоминающий конденсатор 50. Интеграторы 11, 12 и источники смещения 13 и 14 выполнены на операционных усилителях 26, 27, 28 и 29 соответственно. В обратной связи операционного усилителя 26, кроме необходимого конденсатора 51, включен резистор 39 для получения дифференцирующего эффекта. Все устройства, выполненные на операционных усилителях, имеют стандартное исполнение (см., например, [4], с. 27, 94). Converter 8 is made on operational amplifiers 22, 23 and 24 connected in a ring, on the first of which a current-voltage converter is assembled, on the second - a voltage amplifier, on the third - an integrator. The voltage amplifier 9 is made on an operational amplifier 25, at the output of which an isolation capacitor 49 is included. The sample-storage device contains an electronic switch 53 switched by a generator 7, and a storage capacitor 50. The integrators 11, 12 and bias sources 13 and 14 are made on operational amplifiers 26 , 27, 28, and 29, respectively. In the feedback of the operational amplifier 26, in addition to the necessary capacitor 51, a resistor 39 is included to obtain a differentiating effect. All devices made on operational amplifiers have a standard design (see, for example, [4], p. 27, 94).

Работа устройства осуществляется следующим образом. The operation of the device is as follows.

Генератор импульсов 7 вырабатывает импульсы напряжения прямоугольной формы высокой частоты, которые через светодиод 4 создают модулированный световой поток и синхронно с частотой модуляции коммутируют ключ 53 устройства выборки-хранения 10. Световой поток светодиода, сформированный конденсором в параллельный пучок, отражается уголковым отражателем 1 на объектив 6, который формирует сфокусированное модулированное световое пятно на мультискане 5. Одновременно на фоточувствительную поверхность мультискана через объектив 6 попадает фоновая засветка, распределение которой вдоль фоточувствительной поверхности мультискана носит случайный характер в зависимости от окружающей объект перемещения 2 световой обстановки, воспринимаемой объективом 6. Устройство содержит два работающих практически независимо дpуг от друга следящих контура, один из которых воспроизводит в определенном масштабе суммарный ток фоновой засветки мультискана, другой - воспроизводит перемещение уголкового отражателя 1 в поле зрения объектива 6. Первый следящий контур, играющий вспомогательную роль, образует преобразователь 8, выполненный, как указано, из трех, соединенных в кольцо элементов, образующих следящую систему. Задающим воздействием этой следящей системы является ток фоновой засветки, снимаемый с общей шины мультискана 5, а выходной величиной - выходное напряжение операционного усилителя 24. Так как следящий контур астатический, то ошибка этой системы по отношению к постоянному и медленноменяющемуся току фоновой засветки равна нулю, поэтому с выхода усилителя 22 снимается сигнал, пропорциональный, во-первых, величине модулированного светового потока, воспринимаемого фоточувствительной пластинкой мультискана, во-вторых, - пропорциональный рассогласованию между центром модулированного оптического пятна на мультискане и его так называемой эквипотенциалью, положение которой на фоточувствительной линейке мультискана определяется разностью напряжений, прикладываемых к делительной шине, снимаемых с выхода источников смещения 13 и 14. В исходном положении, когда центр оптического пятна и эквипотенциаль находятся посредине линейки мультискана, выходные напряжения источников смещения 13 и 14 равны и противоположны по знаку, при этом выходное напряжение интегратора 11 при равенстве сопротивлений резисторов 43, 46 и 42, 45 соответственно равно нулю. При наличии рассогласования между эквипотенциалью и модулированным световым пятном, вызванным перемещением уголкового отражателя, сигнал рассогласования, снимаемый с усилителя 22, усиливается усилителем 9 и через разделительный конденсатор 49 поступает на схему выборки-хранения 10, которая в данном случае играет роль фазового детектора, так как с его выхода - конденсатора 50 снимается постоянное напряжение, полярность которого изменяется при изменении фазы входного сигнала на 180 град. Это напряжение по цепи вызывает изменение выходных напряжений интеграторов 11 и 12 и далее - дисбаланс выходных напряжений источников 13 и 14, который приводит к смещению эквипотенциали в направлении уменьшения рассогласования. В каждом новом согласованном положении выходное напряжение интегратора 12 будет в соответствующем масштабе пропорционально величине перемещения модулированного светового потока вдоль фоточувствительной линейки мультискана. Полярность выходного напряжения изменяется в зависимости от направления смещения пятна относительно среднего положения. Таким образом, обеспечивается линейная зависимость выходного напряжения интегратора 12 от перемещения уголкового отражателя 1, что и требуется. The pulse generator 7 generates high-frequency rectangular voltage pulses that create a modulated light flux through LED 4 and synchronously switch the key 53 of the sample-storage device 10 simultaneously with the modulation frequency. The light flux of the LED formed by the condenser into a parallel beam is reflected by an angle reflector 1 to the lens 6 , which forms a focused modulated light spot on the multiscan 5. At the same time, the background gets onto the photosensitive surface of the multiscan through the lens 6 I’m a flare, the distribution of which along the photosensitive surface of the multiscan is random in nature, depending on the moving environment 2 of the light environment perceived by the lens 6. The device contains two servo loops operating almost independently from each other, one of which reproduces the total background illumination current of the multiscan on a certain scale , the other reproduces the movement of the corner reflector 1 in the field of view of the lens 6. The first tracking circuit, which plays an auxiliary role, azuet converter 8 constructed as stated three connected in a ring elements forming the servomechanism. The defining effect of this servo system is the background current taken from the common bus of the multiscan 5, and the output voltage is the output voltage of the operational amplifier 24. Since the servo circuit is astatic, the error of this system with respect to the constant and slowly changing background current is zero, therefore a signal is output from the output of amplifier 22, proportional, firstly, to the magnitude of the modulated light flux perceived by the photosensitive multiscan plate, and secondly, proportional the matching between the center of the modulated optical spot on the multiscan and its so-called equipotential, the position of which on the photosensitive ruler of the multiscan is determined by the difference in the voltages applied to the dividing bus taken from the output of the bias sources 13 and 14. In the initial position, when the center of the optical spot and the equipotential are in the middle multiscan lines, the output voltages of the bias sources 13 and 14 are equal and opposite in sign, while the output voltage of the integrator 11 with the equality rotations of resistors 43, 46 and 42, 45 respectively equal to zero. If there is a mismatch between the equipotential and the modulated light spot caused by the movement of the corner reflector, the mismatch signal taken from the amplifier 22 is amplified by the amplifier 9 and fed through the isolation capacitor 49 to the sample-storage circuit 10, which in this case plays the role of a phase detector, since from its output, the capacitor 50, a constant voltage is removed, the polarity of which changes when the phase of the input signal changes by 180 degrees. This voltage across the circuit causes a change in the output voltages of the integrators 11 and 12 and further - an imbalance in the output voltages of the sources 13 and 14, which leads to a shift in the equipotential in the direction of decreasing the mismatch. In each new coordinated position, the output voltage of the integrator 12 will be proportionally proportional to the magnitude of the displacement of the modulated light flux along the photosensitive ruler of the multiscan. The polarity of the output voltage varies depending on the direction of displacement of the spot relative to the middle position. Thus, a linear dependence of the output voltage of the integrator 12 on the movement of the corner reflector 1 is provided, which is required.

Контроль наличия оптического сигнала, который невозможно обеспечить измерением промежуточных переменных, так как все они имеют практически нулевые значения в следящем режиме, обеспечивается следующим образом. На вход интеграторов 11 и 12 через резисторы 38 и 41 соответственно подаются постоянные напряжения смещения от источников 18 и 19, которые не нарушают работу следящей системы, ввиду их малости по сравнению с динамическим диапазоном изменения входных сигналов этих интеграторов. Величины напряжений смещения, приведенные к сигнальным входам интеграторов составляют 10...100 мВ и по нижнему уровню должны быть не меньше, чем собственные напряжения смещения операционных усилителей 26 и 27. При указанном уровне выходного сигнала интегратора 11 реле 15 не срабатывает и цепь, соединенная с выходом 21, будет разомкнута. При отсутствии оптической связи (между элементами 4, 2 и 6) модулированный сигнал и сигнал, снимаемый с устройства выборки-хранения, будет равен нулю. При этом под действием тока смещения, протекающего через резистор 38, интегратор 11 насыщается, реле 15 срабатывает и своими контактами 16 замыкает цепь выхода 21 устройства, а контактами 17 - вход и выход операционного усилителя 27, обнуляя тем самым выходной сигнал устройства. По схеме чертежа изготовлен макетный образец устройства и проведены его испытания. Устройство не чувствительно к фоновой засветке практически при любом ее уровне ниже уровня насыщения мультискана. Благодаря второму интегратору обеспечены более высокая динамическая точность, обусловленная повышением порядка астатизма следящей системы по модулированному источнику сигнала и возможность контроля потери оптической связи, вызванной, например, загрязнением оптических деталей в реальных условиях эксплуатации. Monitoring the presence of an optical signal, which cannot be ensured by measuring the intermediate variables, since they all have practically zero values in the tracking mode, is ensured as follows. At the input of the integrators 11 and 12, resistors 38 and 41, respectively, are supplied with constant bias voltages from sources 18 and 19, which do not interfere with the operation of the servo system, due to their smallness compared to the dynamic range of input signals of these integrators. The bias voltages given to the signal inputs of the integrators are 10 ... 100 mV and should be no lower than the bias intrinsic bias voltages of the operational amplifiers 26 and 27. At the indicated level of the output signal of the integrator 11, the relay 15 does not work and the circuit connected with output 21, it will be open. In the absence of optical communication (between elements 4, 2 and 6), the modulated signal and the signal taken from the sampling-storage device will be zero. In this case, under the action of the bias current flowing through the resistor 38, the integrator 11 is saturated, the relay 15 is activated and closes the output circuit 21 of the device with its contacts 16, and the input and output of the operational amplifier 27 with contacts 17, thereby resetting the output signal of the device. According to the drawing scheme, a prototype device was manufactured and tested. The device is not sensitive to background illumination at almost any level below the saturation level of the multiscan. Thanks to the second integrator, higher dynamic accuracy is ensured due to an increase in the astatism order of the servo system with a modulated signal source and the ability to control the loss of optical communication caused, for example, by the contamination of optical parts under real operating conditions.

Источники информации
1. Авторское свидетельство N 1490489, СССР.Sources of information
1. Copyright certificate N 1490489, USSR.

2. Авторское свидетельство N 1238644, СССР. 2. Copyright certificate N 1238644, USSR.

3. Устройство для определения светового пятна. Заявка на изобретение 95-111969 от 11.07.95 г. (положительное решение от 21.10.96 г.) - прототип. 3. Device for determining the light spot. Application for invention 95-111969 from 07/11/95 (positive decision from 10/21/96) - a prototype.

4. Гутников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Л.: Энергоатомиздат, 1988. 4. Gutnikov B.C. Integrated electronics in measuring devices. L .: Energoatomizdat, 1988.

Claims

1. Optoelectronic displacement sensor containing a transceiver system, including a LED with a condenser and a multiscan with a lens, a converter, the input of which is connected to a common multiscan bus, an integrator, the output of which is connected to the first output of the device and to the first inputs of the first and second sources bias, the outputs of which are connected to the first and second conclusions of the dividing bus of the multiscan, respectively, as well as a pulse generator connected to the LED, characterized in that the corner from a locator connected to a transceiver unit and connected to a transceiver system, a voltage amplifier, a sampling-storage device, a second integrator and a relay, and a bipolar power source connected in series, the input of a voltage amplifier connected to the output of the converter, the control input of the sampling-storage device connected to a pulse generator, the input of the first integrator is connected to the output of the second integrator, the positive and negative poles of the bipolar power source are connected to the second inputs the first and second integrators and with the second inputs of the first and second bias sources, one pair of relay contacts is connected to the second output of the device, the second pair is included in the feedback circuit of the first integrator.

2. The optical-electronic sensor according to claim 1, characterized in that the converter is made of a current-voltage converter connected to a ring of a converter, a voltage amplifier and an integrator, the input-output of the device being a current-voltage converter, respectively.

3. The optical-electronic sensor according to claim 1, characterized in that the sampling and storage device is made in the form of a key with a storage capacitor included in the output.

4. The optical-electronic sensor according to claim 1, characterized in that the corner reflector is made in the form of a prism, the length of which is equal to the center distance of the condenser and the lens and the transceiver system.