SU1105923A2

SU1105923A2 - Photoelectric displacement encoder

Info

Publication number: SU1105923A2
Application number: SU823530464A
Authority: SU
Inventors: Николай Евгеньевич Конюхов; Александр Андреевич Плют; Сергей Александрович Матюнин
Original assignee: Куйбышевский Ордена Трудового Красного Знамени Авиационный Институт Им.Акад.С.П.Королева
Priority date: 1982-12-27
Filing date: 1982-12-27
Publication date: 1984-07-30

Abstract

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ В КОД по авт. св. № 851437, отличающийс тем, что, с целью повышени разрешающей способности преобразовател , в него введены компаратор напр жени , преобразователь напр жени в код, блок логической обработки сигналов и дополнительна пара идентичных младшему разр ду светочувствительных дорожек , зубцы электродов которых сдвинуты относительно зубцов электродов младшего разр да на половину ширины одного зубца, а общий электрод дополнительных дорожек соединен с входом компаратора напр жени , блок логической обработки сигналов состоит из инвертора, суммирующего усилител , двух аналоговых ключей, выходы которых подключены к первому входу суммирующего усилител , второй вход которого соединен с источником питани , а выход - с входом преобразовател напр жени в код, и инвертирующего усилител , вход которого соединен с входом первого аналогового ключа и общим электродом светочувствительных дорожек младшего разр да фотоприемника, выход инвертирующего усилител соединен С с входом второго аналогового ключа, управл ющий вход которого через инвертор сое (Л динен с управл ющим входом первого аналового ключа и с выходом компаратора напр жени . / СП со ю 00PHOTOELECTRIC MOVEMENT CONVERTER TO CODE by author. St. No. 851437, characterized in that, in order to increase the resolution of the converter, a voltage comparator, a voltage converter into a code, a logical signal processing unit, and an additional pair of photosensitive tracks identical to the younger section, the teeth of the electrodes of which are shifted relative to the teeth of the younger electrodes, are introduced into it a half-width of one tooth, and the common electrode of additional tracks is connected to the input of a voltage comparator, the logical signal processing unit consists of an inverter, with a dummy amplifier, two analog switches, the outputs of which are connected to the first input of a summing amplifier, the second input of which is connected to the power source, and the output to the input of the voltage converter in the code, and an inverting amplifier whose input is connected to the input of the first analog switch and the common electrode photosensitive tracks of the low-end photodetector, the output of the inverting amplifier is connected to the second analog key input, the control input of which is through the inverter soy (Linen with the control input m analovogo first key and a comparator output voltage. / Joint venture with 00

Description

Изобретение относитс к информационно-измерительной технике.The invention relates to information and measurement technology.

По основному авт. св. № 851437 известен фотоэлектрический преобразователь перемещени в код, содержащий объектив, измерительный блок, источник питани , фотоприемник с электродами, выполненный в виде расположенных между электродами и смещенных относительно друг друга светочувствительных дорожек. Причем в измерительный блок вход т компараторы напр жени , подключенные.к общим электродам двух светочувствительных дорожек каждого разр да преобразовател , а в цепь оптической св зи фотоприемника с источником излучени введен оптический клиновидный модул тор с прозрачными электродами, выполненный из вещества, мен ющего коэффициент пропускани под действием электрического пол , электроды которого подключены к след щему усилителю, входы которого св заны с источником питани и электродом светочувствительной дорожки фотоприемника 1.According to the main author. St. No. 851437 is known a photoelectric transducer for moving into a code comprising a lens, a measuring unit, a power source, a photodetector with electrodes, made in the form of light-sensitive tracks arranged between the electrodes and offset relative to each other. Moreover, voltage measuring comparators connected to the common electrodes of two photosensitive tracks of each bit of the converter are included in the measuring unit, and an optical wedge-shaped modulator with transparent electrodes introduced from a substance changing the transmittance is introduced into the optical coupling circuit of the photodetector with the radiation source. under the action of an electric field, the electrodes of which are connected to the following amplifier, the inputs of which are connected to the power source and the electrode of the photosensitive track of the photo-receivers ika 1.

Недостатком известного преобразовател вл етс ограниченна разрещающа способность , определ ема шириной «зубца электродов младщего разр да фотоприемника .A disadvantage of the known converter is the limited resolution, determined by the width of the wave of the electrodes of the younger discharge of the photodetector.

Целью изобретени вл етс повыщение разрешающей способности преобразовател .The aim of the invention is to increase the resolution of the converter.

Поставленна цель достигаетс тем, что в фотоэлектрический преобразователь перемещени в код введены компаратор напр жени , преобразователь напр жени в код, блок логической обработки сигналов и дополнительна пара идентичных младшему разр ду светочувствительных дорожек, зубцы электродов которых сдвинуты относительно зубцов электродов младшего разр да на половину щирины одного зубца, а общий электрод дополнительной пары дорожек соединен с входом компаратора напр жени , блок логической обработки сигналов состоит из инвертора, двух аналоговых ключей, выходы которых подключены к первому входу суммирующего усилител , второй вход которого соединен с источником питани , а выход - с входом преобразовател напр жени в код, и инвертирующего усилител , вход которого соединен с входом первого аналогового ключа и общим электродом светочувствительных дорожек младщего разр да фотоприемника, вь1ход инвертирующего усилител соединен с входом второго аналогового ключа, управл ющий вход которого через инвертор соединен с управл ющим входом первого аналогового ключа и выходом компаратора напр жени .The goal is achieved by introducing a voltage comparator, a voltage converter into a code, a logical signal processing unit, and an additional pair of photosensitive tracks identical to the low-order part of the photoelectric transducer, the teeth of the electrodes of which are shifted relative to the teeth of the lower-order electrodes by half the width. one tooth, and the common electrode of an additional pair of tracks is connected to the input of a voltage comparator, the logical signal processing unit consists of an inverter, the analog switches, the outputs of which are connected to the first input of a summing amplifier, the second input of which is connected to a power source, and the output to the input of a voltage converter into a code, and an inverting amplifier whose input is connected to the input of the first analog switch and the common electrode of light-sensitive tracks of the youngest discharge of the photodetector, the inverter amplifier is connected to the input of the second analog switch, the control input of which through the inverter is connected to the control input of the first analog switch and Exit comparator voltage.

На фиг. 1 представлена принципиальна схема фотоэлектрического преобразовател перемещени в код; на фиг. 2 - характерисика вход-выход след щего усилител ; на фиг. 3 - зависимости выходных сигналовFIG. 1 is a schematic diagram of a photoelectric displacement transducer to a code; in fig. 2 - characteristic of the input-output of the following amplifier; in fig. 3 - dependence of the output signals

элементов фотоэлектрического преобразовател перемещени в код от положени границы свет-тень на поверхности фотоприемника .elements of the photoelectric transducer movement in the code from the position of the light-shadow border on the surface of the photodetector.

Фотоэлектрический преобразователь перемещени в код состоит из объектива 1, клиновидного оптического модул тора 2 с прозрачными электродами 3, фотоприемника 4, выполненного в виде светочувствительных дорожек 5, заключенных между электродами 6 и 7.The photoelectric transducer of movement into a code consists of a lens 1, a wedge-shaped optical modulator 2 with transparent electrodes 3, a photodetector 4, made in the form of photosensitive tracks 5, enclosed between electrodes 6 and 7.

Профилированные электроды 6 подключены к источникам питани 8, а общие электроды 7 двух светочувствительных дорожек одного разр да подключены к соответствующему компаратору напр жени 9. Один из электродов 11 светочувствительной дорожки 10 соединен с источником питани 8, а другой - с сопротивлением нагрузки 12 и неинвертирующим входом след щего усилител 13. Инвертирующий вход стед щегоThe profiled electrodes 6 are connected to the power sources 8, and the common electrodes 7 of two photosensitive tracks of one bit are connected to the corresponding voltage comparator 9. One of the electrodes 11 of the photosensitive track 10 is connected to the power source 8, and the other to the load resistance 12 and a non-inverting input the next amplifier 13. Inverting input of the standby

усилител 13 соединен через делитель напр жени 14 с источником питани 8, выход усилител 13 соединен с прозрачными электродами 3 клиновидного оптического модул тора 2. Оптический модул тор 2 выполнен из вещества, мен ющего коэффициент пропускани под действием электрического пол , например из жидкокристалли , ческого вещества. Причем оптический модул тор 2 расположен таким образом, что острый угол модул тора 2 направлен в сторону проецируемой световой области. След щий усилитель 13 обладает характеристикой , изображенной на фиг. 2. В фотоприемник 4 введена дополнительна пара 15 идентичных младшему разр ду светочувствительных дорожек, зубцы электродов которыхthe amplifier 13 is connected via a voltage divider 14 to a power source 8, the output of the amplifier 13 is connected to the transparent electrodes 3 of a wedge-shaped optical modulator 2. The optical modulator 2 is made of a substance that changes the transmission coefficient under the action of an electric field, for example, a liquid crystal . Moreover, the optical modulator 2 is located in such a way that the acute angle of the modulator 2 is directed toward the projected light region. The following amplifier 13 has the characteristic shown in FIG. 2. An additional pair of 15 light-sensitive tracks, identical to the younger ones, are introduced into the photodetector 4, the teeth of which are electrodes

сдвинуты относительно зубцов электродов младшего разр да на половину ширины одного зубца, а общий электрод 16 дополгштельных дорожек соединен с входом компаратора напр жени 17. В измери- ельныйshifted relative to the teeth of the lower-order electrodes by half the width of one tooth, and the common electrode 16 of the additional coupling tracks is connected to the input of the voltage comparator 17. In the measuring

блок преобразовател введены преобразователь напр жени в код 18 и блок логической обработки сигналов, состо щий из инвертора 19, двух аналоговых ключей первого 20 и второго 21, соединенных на выходе и подключенных через суммирующий усилитель 22 к преобразователю напр жени в код 18 и инвертирующего усилител 23, вход которого соединен с входом первого ключа 20 и общим электродом 7 светочувствительных дорожек младщего разр да фотоприемника 4. Причем выход усилител 23 соединен с входо.м второго ключа 21, управл ющий вход которого через инвертор 19 соединен с управл ющим входом первого ключа 20 и выходом компаратора напр жени 17. Сверху на металлические электродыThe converter unit has a voltage converter in code 18 and a logic signal processing unit, consisting of an inverter 19, two analog switches of the first 20 and second 21 connected at the output and connected via a summing amplifier 22 to a voltage converter in code 18 and an inverting amplifier 23 whose input is connected to the input of the first switch 20 and the common electrode 7 of the photosensitive tracks of the junior discharge of the photodetector 4. Moreover, the output of the amplifier 23 is connected to the input of the second switch 21, the control input of which through p 19 is connected to a control input of the first switch 20 and the output voltage of the comparator 17. On top of the metal electrodes

фотоприемника 4, так, чтобы перекрыть дорожки между электродами, нанесена светочувствительна ,, например кадмиевоселениста , пленка. Выходы компараторов напр жени 9 и выходы преобразовател напр жени в код 18 вл ютс выходом преобразовател перемещени в код. Дл реализации N-разр дного преобразовател необходимо 2N светочувствительных дорожек, кажда пара из которых представл ет из себ дорожки между двум профилированными в виде «зубцов пр моугольной формы электродов, сдвинутых относительно друг друга таким образом, что зубцы одного электрода наход тс против впадин другого. Преобразователь работает следующим образом. Изображение контролируемого объекта с помощью объектива 1 проецируетс через клиновидный оптический модул тор 2 на плоскость фотоприемника 4 в виде границы светлой и темной областей. При этом часть светочувствительных дорожек разр дов фотоприемника 4 и часть светочувствительной дорожки 10 засвечиваетс падающим на фотоприемник 4 световым потоком. Сигнал Uu, снимаемый с нагрузочного сопротивлени 12, поступает на неинвертирующий вход след щего усилител 13. На инвертирующий вход усилител 13 подаетс опорное напр жение Uon - Разность напр жений Uiz - Uon усиливаетс след щим усилителем 13 и поступает на прозрачные электроды 3 оптического модул тора. При этом вещество оптического модул тора 2 переходит в непрозрачное состо ние, начина с острого угла модул тора 2. Это приводит к тому, что полубесконечный световой зонд укорачиваетс , превраща сь в световой зонд щириной Н, прилегаю щий к границе свет - тень. При этом щирина сформированного светового зонда равна щирине одного зубца &N светочувствительной дорожки младшего разр да преобразовател . Сигналы Uj{, снимаемые с общих электродов 7 светочувствительных дорожек фотоприемника 4, поступают на компараторы напр жени 9, выходной сигнал которых соответствует логической единице при и логическому нулю при . Причем при перемещении светового зонда напр жени , снимаемые с дополнительной пары 15 светочувствительных дорожек Шд и с пары дорожек .младщего разр да фотоприемника Ui, измен ютс по линейно-пилообразному закону и сдвинуты относительно друг друга на величину - (фиг. 3). Компаратор напр жени 9 дорожек младщего разр да и компаратор 17 дополнительной пары дорожек выдел ют положение светового зонда , когда соответствующее напр жение Ui, Uy переходит через ноль. Линейно измен ющийс при перемещении светового зонда сигнал Ui через аналоговые ключи 20 и 21 и инвертирующий усилитель 23 подаетс на вход суммирующего усилител 22, где суммируетс с посто нной величиной Umin- Дл тех положений светового зонда, когда выходной сигнал компаратора 17 соответствует логической единице напр жение U пары светочувствительных дорожек младщего разр да фотоприемника 4 через открытый аналоговый ключ 20 поступает на вход суммирующего усилител 22, где суммируетс с напр жением Umi, Причем величина напр жени Umid выбираетс из услови Uu т1пЦ(х)|. В этом случае выходное напр жение Uji суммирующего усилител 22, поступающее на вход преобразовател напр жени в код 18, предстаап ет из себ при перемещении светового зонда на отрезках 2 (2tf + 1), i О, 1, 2 ..., т. е. на отрезках между одной из впадин и зубцом верхнего профилированного электрода 6 светочувствительных дорожек младщего разр да фотоприемника 4, линейно возрастающее напр жение, измен ющеес от нул при X 2ANi до Umin + max Ui(x) Г1ри х 2jiN(2i + l). При этом аналоговый ключ 21 закрыт. Дл тех положений светового зонда AN(2i +l)(i + 1), когда выходной сигнал ко.мпаратора напр жени 17 соответствует логическому нулю, т.е. на отрезках между одним из зубцов и впадиной верхнего профилированного электрода 6, аналоговый ключ 20 закрыт, а аналоговый ключ 21 открыт. При этом напр жение Ц , снимаемое с дорожек младшего разр да фотоприемника 4 и наход щеес на линейно падающем участке (фиг. 3), инвертируетс усилителем 23. Дл приведенной конструкции фотоприемника , светочувствительные дорожки которого заключены между идентичными профилированными электродами maxUi(x) /minUi(x)/ Umin При этом выходное напр жение Ui., усилител 23 на отрезках 4 N(2i+ l)(i + + 1) измен етс от Uzj Umin ДО Uz3 -Umin. Выходное напр жение усилител 23 через открытый аналоговый ключ 21 суммируетс усилителем 22 с напр жением Um и поступает на вход преобразовател напр жени в код 18. В этом случае выходное напр жение Uit суммирующего усилител 22 при перемещении светового зонда на отрезках AN(2i + l)(i + 1) измен етс по линейно возрастающему закону от U2i О до U22 2Umin. Таким образом, входное напр жение преобразовател напр жени в код 18 при перемещении светового зонда Ujz измен етс по линейно возрастающему закону от нул до 2Umin с периодом Тх ДЫ. Поэтому выходной код преобразовател напр жени в код 18 пр мо пропорционален положению светового зонда в промежутках между зубцами профилированных электродов фотоприемника , т.е. выходной код преобразовател перемещени в код состоит из двух частей: старша часть выходного кода считываетс с кодирующего фотоприемника 4 с дискретностью AN; младша часть выходного кода поступает с преобразовател напр жени в код 18 с дискретностью, определ емой числом его разр дов. Разрешаюш,а способность R такого преобразовател перемещени в код ограничиваетс не шириной зубцов электродов младшего разр да фотоприемника дЫ как в прототипе, а величиной неоднородности светочувствительной пленки по поверхности :photodetector 4, so as to block the track between the electrodes, caused photosensitive, for example cadmium, a film. The outputs of the voltage comparators 9 and the outputs of the voltage converter in code 18 are the output of the displacement converter in the code. In order to realize an N-bit converter, 2N photosensitive tracks are needed, each pair of which consists of tracks between two profiled "rectangular teeth of electrodes that are displaced relative to each other in such a way that the teeth of one electrode are opposite the pits of the other. The Converter operates as follows. The image of the object being monitored with the aid of lens 1 is projected through the wedge-shaped optical modulator 2 onto the plane of the photoreceiver 4 as the boundary of the light and dark regions. In this case, part of the photosensitive tracks of the photodetector 4 bits and part of the photosensitive track 10 are illuminated by the light flux incident on the photodetector 4. The signal Uu, taken from the load resistance 12, is fed to the non-inverting input of the tracking amplifier 13. The inverting input of the amplifier 13 is supplied with the reference voltage Uon - The voltage difference Uiz - Uon is amplified by the tracking amplifier 13 and is applied to the transparent electrodes 3 of the optical modulator. In this case, the substance of the optical modulator 2 goes into an opaque state, starting from the acute angle of the modulator 2. This causes the semi-infinite light probe to be shortened, turning into a light probe with width H, adjacent to the light-shadow interface. At the same time, the width of the formed light probe is equal to the width of one tooth & N of the light-sensitive track of the lower bit of the transducer. The signals Uj {, taken from the common electrodes 7 of the photosensitive tracks of the photodetector 4, are fed to the voltage comparators 9, the output signal of which corresponds to a logical one at and logical zero at. Moreover, when the light probe is moved, the voltages taken from the additional pair of 15 photosensitive paths Sd and from the pair of tracks of the low bit of the photodetector Ui vary linearly and are shifted relative to each other by the magnitude (Fig. 3). The voltage comparator of 9 junior discharge tracks and the comparator 17 of an additional pair of lanes select the position of the light probe when the corresponding voltage Ui, Uy passes through zero. The light signal Ui, which varies linearly when the light probe moves, is fed through analog switches 20 and 21 and inverting amplifier 23 to the input of summing amplifier 22, where it is summed with a constant value Umin-For those positions of the light probe, when the output signal of the comparator 17 corresponds to a logical unit voltage U of a pair of photosensitive tracks of the lower category of the photodetector 4 through the open analog switch 20 is fed to the input of summing amplifier 22, where it is summed with the voltage Umi, and the voltage value Umid is chosen from the condition Uu t1PTs (x) |. In this case, the output voltage Uji of summing amplifier 22, which is fed to the input of voltage converter in code 18, consists of when the light probe moves in sections 2 (2tf + 1), i О, 1, 2 ..., m. E. On the sections between one of the valleys and the tooth of the upper profiled electrode 6 photosensitive tracks of the younger discharge of the photodetector 4, linearly increasing voltage, varying from zero at X 2ANi to Umin + max Ui (x) Г1ри x 2jiN (2i + l) . In this case, the analog key 21 is closed. For those positions of the light probe AN (2i + l) (i + 1), when the output signal of the voltage capacitor 17 corresponds to a logical zero, i.e. on the segments between one of the teeth and the depression of the upper profiled electrode 6, the analog key 20 is closed, and the analog key 21 is open. At the same time, the voltage C, removed from the low-voltage tracks of the photoreceiver 4 and located in the linearly falling section (Fig. 3), is inverted by the amplifier 23. For the reduced construction of the photo-receiver, the photosensitive tracks of which are enclosed between identical shaped maxUi (x) / minUi electrodes (x) / Umin In this case, the output voltage Ui., the amplifier 23 in the 4 N (2i + l) (i + + 1) segments varies from Uzj Umin TO Uz3 -Umin. The output voltage of the amplifier 23 through the open analog switch 21 is summed by the amplifier 22 with the voltage Um and is fed to the input of the voltage converter in code 18. In this case, the output voltage Uit of the summing amplifier 22 when the light probe moves on segments AN (2i + l) (i + 1) varies in a linearly increasing manner from U2i 0 to U22 2Umin. Thus, the input voltage of the voltage converter in code 18 when moving the light probe Ujz varies according to a linearly increasing law from zero to 2Umin with a period of Tx DS. Therefore, the output code of the voltage converter in code 18 is directly proportional to the position of the light probe in the gaps between the teeth of the shaped electrodes of the photodetector, i.e. the output code of the displacement transducer to the code consists of two parts: the high part of the output code is read from the encoding photodetector 4 with the resolution AN; The younger part of the output code comes from the voltage converter into code 18 with a discreteness determined by the number of its bits. The resolution, and the ability R of such a displacement transducer to the code is not limited by the width of the teeth of the lower-order photodetector EHD as in the prototype, but by the size of the insensitivity of the photosensitive film over the surface:

R 6AN R 6AN

где В, А - рассто ние от дна впадины и от зубца профилированного электрода 6 до общего электрода 7.where B, A is the distance from the bottom of the depression and from the tooth of the profiled electrode 6 to the common electrode 7.

Предлагаемый фотоэлектрический преобразователь перемещени в код может использоватьс как дл построени преобразователей линейных перемещений в код, так и дл построени преобразователей угла поворота вала в код.The proposed photoelectric displacement transducer into a code can be used both for building transducers of linear displacements into a code, and for constructing transducers of the angle of rotation of the shaft into a code.

Экономический эффект обусловлен теми техническими преимуществами, которые описаны выше.The economic effect is due to the technical advantages described above.

(риг.З(rig. 3

Claims

PHOTOELECTRIC CONVERTER OF MOVING TO CODE by ed. St. No. 851437, characterized in that, in order to increase the resolution of the converter, a voltage comparator, a voltage to code converter, a logic signal processing unit and an additional pair of photosensitive identical to the younger discharge horns whose electrode teeth are shifted relative to the lower electrode electrodes by half the width of one tooth, and the common electrode of the additional tracks is connected to the input of the voltage comparator, the logical signal processing unit consists of an inverter, total the amplifier, two analog switches, the outputs of which are connected to the first input of the summing amplifier, the second input of which is connected to the power source, and the output to the input of the voltage to code converter, and the inverting amplifier, the input of which is connected to the input of the first analog switch and the common photosensitive electrode tracks of the least discharge of the photodetector, the output of the inverting amplifier is connected to the input of the second analog switch, the control input of which through the inverter is connected to the control input of the first anal Vågå key and a comparator output voltage.

<rie. 1 ll05923