SU1368632A1 - Фотоэлектрический способ измерени положени объекта и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике. Цель изобретени .- повышение точности измерений за счет исключени  вли ни  темг1ературной нестабильности окружающей среды.Ис- точник 3 света генерирует последовательность линейноспадающих по мощности импульсов света, формируемых при помощи генератора 1 пилообразного напр жени . Отраженный объектом 17 световой поток генерирует логарифмически спадающие сигналы холостого хода фотодиодов 18, 19, которые выдел ютс  на выходе буферных повторителей 8, 9. Сигнал с выхода повторител  8 в сумматоре 10 складываетс  с опорным напр жением U. На два входа компаратора 14 поступают сигналы с выходов повторител  9 и пикового детектора 12. На выходе компаратора 14 после сравнени  двух сигналов формируетс  пр моугольный импульс длительность которого определ ет положение объекта 17. 2 с.п. ф-лы, 3 ил. м оэ оэ ю

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано в системах активного контрол  гибкого автоматизированного производ ства.

Цель изобретени  - повышение точности измерений за счет исключени  вли ни  температурной нестабильности окружающей среды.

На фиг. 1 приведена функциональна  схема устройства, реализующего способ; на фиг. 2 - диаг эаммы напр жений- , по сн ющие формирование пр моугольного импульса; на фиг. 3 - диаграмма расположени  световой марки на светочувствительных фотосло х фотодиодов.

Устройство, реализующее способ, содержит проекционный оптико-электронный канал, который включает генератор 1 пилообразного напр жени , источник 2 тока, управл емый напр жением , импульсный источник 3 света, пр моугольную диафрагму 4 и объек- : тив 5 i

Приемный оптико-электронный канал включает в себ  объектив 6,диф- ференциальный фотодетектор 7, буфер

напр жени , подключенный к входу управл емого источника 2 тока.

Фотодиоды 18 и 19 дифференциального фотодетектора 7 одноименными электродами, например анодами, подключены к входам буферных повторителей 8 и 9 напр жени , в то врем  как их электроды противоположной пол рности заземлены,,

Выход буферного повторител  8 подключен к входу сумматора 10, второй вход сумматора соединен с незаземленным электродом например анодом, по- лупроводникового диода 20, подключенного к генератору 21 стабильного тока в пр мом направлении. Выход сумматора 10 соединен с входом пикового детектора 12 и с одним из входов ком- паратора 13. Выход пикового детектора 12 подключен -к одному из входов компаратора 14.

Выход буферного повторител  9 подключен к входу пикового детектора 11 и второму входу компаратора 14. Выход пикового детектора 11 соединен с вторым входом компаратора 13. Вход щие в состав устройства функциональные электронные узлы выполнены по стаци

ные повторители 8 и 9 напр жени ,сум- ЗО онарной схемотехнике, матор 10 напр жени , пиковые детекто-, Способ осуществл етс  следующим ры 11 и 12, компараторы 13 и 14 напр жени . Импульсный источник 3 света.

образом.

Поток электромагнитной энергии в виде импульсов, линейноспадающих во

диафрагма 4, объективы 5 и 6 и дифПоток электромагнитной энергии в виде импульсов, линейноспадающих во

ференциальный фотодетектор .7 закреп- времени, от источника 3 света прохолены неподвижно в корпусе 15, установленном на стойке 16. .Объективы 5 и 6 установлены в корпусе 15 так, что .их оптические оси расположены симметрично относительно оси симметрии устройства и пересекаютс  с ней под углом oi в плоскости объекта 17 измерени . Нормаль N к поверхности объекта совпадает с осью симметрии устройства.

Источник 3 света, диафрагма 4 и дифференциальный фотодетектор 7 установлены в корпусе, 15 таким образом, что центры источника 3 света и диафрагмы 4, а также лини  раздела светочувствительных фотослоев фотодиодов 18 и 19 дифференциального фотодетектора 7 расположены на лини х, совмещенных с оптическими ос ми соответствующих объективов 5 и 6. Импульсный источник 3 света подключен к выходу источника 2 тока, работой которого управл ет генератор 1 пилообразного

7

дит через пр моугольную диафрагму 4 . и направл етс  на входной зрачок объектива 5. Последний формирует изображение диафрагмы 4 на поверхнос40 ти объекта 17 в виде пр моугольной световой марки. Отраженный объектом 1 измерени  световой поток поступает в входной зрачок объектива 6, который, в свою очередь, формирует изображение

45 световой марки в плоскости, чувствительного сло  дифференциального фотодетектора 7. Перемещение поверхности объекта 17 вдоль по нормали N к его поверхности приводит к перемещению изображени  световой марки 22 в плоскости дифференциального фотодетектора 7 перпендикул рно линии раздела светочувствительных слоев фотодиодов 18 и 19 (фиг. 3). Величина перемещени  изображени  световой марки определ етс  выражением

х V- x/cosoL, (1) где х - перемещение изображени  световой марки в плоскости диф50

55

онарной схемотехнике, Способ осуществл етс  следующим

образом.

Поток электромагнитной энергии в виде импульсов, линейноспадающих во

7

дит через пр моугольную диафрагму 4 . и направл етс  на входной зрачок объектива 5. Последний формирует изображение диафрагмы 4 на поверхнос0 ти объекта 17 в виде пр моугольной световой марки. Отраженный объектом 17 измерени  световой поток поступает в входной зрачок объектива 6, который, в свою очередь, формирует изображение

5 световой марки в плоскости, чувствительного сло  дифференциального фотодетектора 7. Перемещение поверхности объекта 17 вдоль по нормали N к его поверхности приводит к перемещению изображени  световой марки 22 в плоскости дифференциального фотодетектора 7 перпендикул рно линии раздела светочувствительных слоев фотодиодов 18 и 19 (фиг. 3). Величина перемещени  изображени  световой марки определ етс  выражением

х V- x/cosoL, (1) где х - перемещение изображени  световой марки в плоскости диф0

5

ференциального фотодетекто- ра 7;

V линейное увеличение приемного объектива 6; с6 - угол между нормалью к поверхности и оптической осью объектива 6,

Световой поток, переносимый изображением марки при облучении свето- чувствительных слоев фотодиодов 18 и 19 дифференциального фотодетектора 7, вызывает генерацию фотоэлектрических сиг-налов холостого хода за счет бесконечно большого входного сопро- тивлени  буферных повторителей 8 и 9 напр жени , к которым подключены фотодиоды 18 и 19. При этом величина сигналов холостого хода описываетс  выражением

4X1(2)

где К

К Т

1п(1

(2)

-посто нна  Больцмана 1,38-10- Дж/К ;

е - зар д электрона 1,6-10 к1; Т - температура фотодиода IQ - темнотой обратный ток фотодиода ;

-фототоки, генерируемые световым потоком изображени  марки в элементах дифференциального фотодетектора.

В свою очередь, величина фототоков I а, и 1ф определ етс  выраже (t.

нием

9,12) -/5ESep,(j ,

(3)

Если сложить один из полученных сигналов с некоторым посто нным во времени опорным напр жением , и сравнить между собой больший по амплитуде из полученных сигналов (например , U),(t) (фиг. 2) с посто нным напр жением , равным амплитудному значению меньшего из полученных сигналов,

где В - интегральна  чувствительность . то по результату срав ени  выдел етфотодиодов;с  пр моугольный импульс напр жени ,

Е - интенсивность принимаемого длительность которого  вл етс  искофотоприемником светового по- мой функцией положени  объекта изметока;

площади чувствительного сло  фотодиода в 18 и 19 дифференциальной пары (фиг. 3), освещенные изображением марки 22.

Если величина принимаемого светового потока больше 50 лн, то практически дл  всех фотодиодов выполн ет Р 1Ф .)

45

50

рени  (фиг. 2г,д). Передний фронт пр моугольного импульса совпадает во времени с моментом начала излучени  светового сигнала t. Задний фронт импульса формируетс  в момент t совпадени  сравниваемых сигналов, который находитс  из следукнцего услови :

К Т

In

ft маке

+ и.

кт

In

с  условие () I и выражение (2) принимает следующий вид:

и

XX 4(11

кт 1ц),(фгЬ

1пс . ,

При облучении поверхности объекта измерени  световым потоком в виде импульсов линейно спадающих во времени интенсивность принимаемого светового потока E(t) будет описыватьс  следующей зависимостью (фиг,2а):

E(t) Е,(1 - 1); О t Т,

(5)

где t - текущее значение времени;

Т - период следовани  импульсов; EQ - амплитудное значение интенсивности принимаемого светового потока.

Тогда с учетом выражений (3) ,и (5) величина фототоков, генерируемых фо- тодиода 1И дифференциальной пары,будет описыватьс  следующей зависимостью:

5 20

р,(2)

(t) I

р1(г)макс

(i-b.

VI -IP/ ,

(f,(2baxc ор2(3,(«рг)

(6) (7)

25

В этих услови х ЭДС холостого хода, выдел ема  фотодиодами, с учетом (4) будет описыватьс  логарифмически следующей функцией (фиг.26,в):

30

Uxx.U)(t)

(1-|)

35

К Т 1ф|(2)макс е . I,

Если сложить один из полученных сигналов с некоторым посто нным во времени опорным напр жением , и сравнить между собой больший по амплитуде из полученных сигналов (например , U),(t) (фиг. 2) с посто нным на .(8)

пр жением, равным амплитудному значению меньшего из полученных сигналов,

45

50

рени  (фиг. 2г,д). Передний фронт пр моугольного импульса совпадает во времени с моментом начала излучени  светового сигнала t. Задний фронт импульса формируетс  в момент t совпадени  сравниваемых сигналов, который находитс  из следукнцего услови :

Т

In

ft маке

+ и.

кт

In

(Ь-)

IУ макс Т

(9)

55

Реша  уравнение (9) относительно t находим зависимость, определ ющуюдлительность выделенного пр моугольного импульса от положени  объекта

4t,t-Ъ,-Т 1-е.

eU,n

ЦТ

( Угмакс

(10)

.макс

С учетом выражени  (7) выражение (10) преобразуетс  к следующему виду:

Г -Sbi ч 1

t - Т l-e (|Z3.) . (11) L f- J

Как следует из (11), длительность вьщеленного интервала fit пропорциональна соотношению освещенных изображением марки площадей чувствительного сло  элементов дифференциального фотодиода (фиг. 3), не зависит от интенсивности отраженного объектом светового потока и однозначно определ ет положение объекта в системе координат прибора.

Термостабильность процесса измерени  достигаетс  путем формировани  опорного напр  жени  и при помощи полупроводникового диода. Если пропускать через диод 20 посто нный стабилизированный по величине ток от генератора 21 стабильного тока (Г.С. Т.) в пр мом направлении, то падение напр жени  на полупроводниковом диоде 20 буДет описыватьс  формулой

1368632в

НИИ температуры дифференциального фотодетектора 7. Подставл   (12) в (11) с учетом формулы (1) получают окончательное измерительное соотношение способа измерени  дл  случа  использовани  световой марки пр моугольной формы

10

15

20

25

bt Т l-e С

С п х C,i +х

(13)

где С - ширина изображени  световой марки (фиг, 3); х - перемещение поверхности объекта.

Таким образом, положение объекта оцредел ют по формуле т , ч. Г -Г

n.i . о X

С cost6 1-е

J

где X С

( -т)

+е oV перемещение объекта; поперечный размер .изображени  диафрагмы; линейное увеличение фокусирующего , объектива; угол между нормалью к поверхности объекта и оптической осью объектива; период следовани  импульсов света;

V об

т .и.

f-t

(12)

IQ const; I const,

где К - посто нна  Больцмана; е - зар д электрона; Т - температура диода; Гр - ток от генератора стабильного тока, Ijj - обратный ток диода.

Ток генератора 21 стабильного тока заведомо стабилизирован и не мен етс  при колебании температуры. В случае использовани  кремниевого по- лупроводников.ого диода 20 температурна  составл юща  его обратного тока IP  вл етс  малой величиной, что позвол ет пренебречь изменением обратного тока диода с колебанием температуры .

В случае использовани  германиевого диода 20 сохранение неизменности обратного тока диода I,, наблюдаетс  в более узком диапазоне колебаний температуры.

Таким образом, в указанных услови х эксплуатации диода 20 падение напр жени  на нем линейно измен етс  с изменением температуры. Использование падени  напр жени  на диоде 20 в качестве опорного термостабили- зирует процесс измерени  при колеба-

bt Т l-e С

С п х C,i +х

(13)

5

0

5

0

5

0

5

0

5

где С - ширина изображени  световой марки (фиг, 3); х - перемещение поверхности объекта.

Таким образом, положение объекта оцредел ют по формуле т , ч. Г -Г

n.i . о X

С cost6 1-е

J

где X С

( -т)

+е oV перемещение объекта; поперечный размер .изображени  диафрагмы; линейное увеличение фокусирующего , объектива; угол между нормалью к поверхности объекта и оптической осью объектива; период следовани  импульсов света;

длительность сформированного пр моугольного импульса; стабилизированный по величине ток, протекающий через полупроводниковый диод; обратный ток полупроводникового диода.

Чувствительность предлагаемого способа может измен тьс  за счет

масштабного множител  вида е То

(выражение (13) и (14) в широких пределах изменением тока 1|- в результате соответствующей регулировки генератора стабильного тока и последовательным включением нескольких диодов

V об

т t 1„ 1 г

20 при фиксированном токе I

Таким образом, в способе отпадает необходимость регулировани  чувствительности устройства за счет изменени  коэффициента усилени  фотоэлектрических сигналов в тракте фотоприемник - усилитель (повторитель) напр жени , что сопровождалось бы изменением шумового разброса результатов измерени  и снижением точности измерени  в целом.

Неоднородность электрических параметров фотодиодов дифференциальной пары не вли ет на качество обработки

фотоэлектрических сигналов. В предложении о существующем различии квантовой эффективности фотоприемников и fsjH их темновых токов 1вгИ Гд, дл  измерительного временного интервала с учетом (10) и (12) можно записать

ut Т 1-е

m

|,рг; 1о. + 102 p.;pz; lo,; оР

const; m -In

I2

Возможное различие значений перечисленных электрических параметров фотодиодов дифференциальной пары несколько измен ет позиционную чувствительность , но не вл и ет на точность

В результате работы проекционного канала на поверхности объекта формируетс  изображение диафрагмы 4 с линейно мен ющейс   ркостью. Отражен- ный объектом световой поток вызывает генерацию логарифмически спадающих сигналов холостого хода фотодиодов 18 и 19 дифференциальной пары, которые выдел ютс  на выходе буферных повторителей 8 и 9 напр жени . С учетом того, что одну и ту же длитель- 5 ностб измерительного импульса fit (выражени  (11), (14) можно получить при симметричном смещении изображе- ни  световой марки от центрального положени  на одну и ту же величину в сторону одного или второго фотодиода 18, 19 дифференциальной пары, необходимо обеспечить два выхода измерительного сигнала.

Принцип работы устройства дл  слунапример , при помощи регулировки генератора стабильного тока указанным способом.

измерений ни при изменении отражающей способности поверхности объекта, ни в случае колебани  TJMпepaтypы. Возникающее изменение чувствительное- 25 ча  смещени  изображени  марки 22 в ти может быть легко скомпенсировано, сторону фотодиода 18 (фиг. 36).

На выходе повторител  9 будет наблюдатьс  сигнал холостого хода большей амплитуды, который поступает на Устройство работает следующим об- ЗО один из входов компаратора 14. Сни- разом.маемый с выхода повторител  8 фотоГе нератор 1 пилообразного напр же- электрический сигнал меньшей ампли- ни  вырабатывает последовательность туды поступает на вход сумматора 10,

где складываетс  с опорным напр жеснимаемым с диода 20. С выхода сумматора 10 сумма перечисленных сигналов поступает на вход пикового детектора 12, который формирует посто нный во тремени сигнал, равный источник 3 света. В качестве источни- 40 п° величине сумме амплитуд фотоэлек- ка 3 света используетс  полупроводни- трического и опорного сигналов (фиг. 2Х крвый светодиод, мощность излучени  Сигнал с выхода .пикового детектора 12 которого линейно зависит только от величины протекающего через светодиод

тока. Отличительной особенностью про- 45 пр моугольный импульс напр жени  с екционного канала  вл етс  некритич- длительностью, определ емой выраже- ность-к качеству его выполнени . Отсутствие стабильности амплитуды ли- нейно спадающих импульсов напр жени  или тока на выходе блоков (1) или (2) Q эквивалентно по характеру вли ни  изменению отражательной способности поверхности объекта (изменению интенсивности отраженного светового потолинейно спадающих импульсов напр жени  с периодом следовани  Т, которые нием U,, поступают на вход источника 2 тока, управл емого напр жением, который формирует последовательность линейно спадающих импульсов тока, питающих

поступает на другой вход компаратора 14, который и выдел ет измерительный

нием (14).

Аналогична  процедура вьщелени  амплитудного значени  осуществл етс  пиковым детектором 11 дл  фотоэлектрического сигнала большей амплитуды, снимаемого с выхода повторител  9. Однако, в этом случае посто нный сигнал с выхода пикового детектора 11, поступающий на вход компаратора 13, будет всегда больше поступающего на вход компаратора фотоэлектрического сигнала меньшей амплитуды (в данном случае от фотодиода 19). При

ка), что не вли ет на точность определени  положени  объекта по принципу работы предлагаемого способа.

К такому же эффекту .приводит и изменение светоотдачи полупроводнико68632

8 света вследствие

10

20

вого источника 3 его старени .

В результате работы проекционного канала на поверхности объекта формируетс  изображение диафрагмы 4 с линейно мен ющейс   ркостью. Отражен- ный объектом световой поток вызывает генерацию логарифмически спадающих сигналов холостого хода фотодиодов 18 и 19 дифференциальной пары, которые выдел ютс  на выходе буферных повторителей 8 и 9 напр жени . С учетом того, что одну и ту же длитель- 5 ностб измерительного импульса fit (выражени  (11), (14) можно получить при симметричном смещении изображе- ни  световой марки от центрального положени  на одну и ту же величину в сторону одного или второго фотодиода 18, 19 дифференциальной пары, необходимо обеспечить два выхода измерительного сигнала.

Принцип работы устройства дл  слу 25 ча  смещени  изображени  марки 22 в сторону фотодиода 18 (фиг. 36).

снимаемым с диода 20. С выхода сумматора 10 сумма перечисленных сигналов поступает на вход пикового детектора 12, который формирует посто нный во тремени сигнал, равный п° величине сумме амплитуд фотоэлек- трического и опорного сигналов (фиг. 2 Сигнал с выхода .пикового детектора 12

поступает на другой вход компаратора 14, который и выдел ет измерительный

45 пр моугольный импульс напр жени  с длительностью, определ емой выраже- Q

55

нием (14).

Аналогична  процедура вьщелени  амплитудного значени  осуществл етс  пиковым детектором 11 дл  фотоэлектрического сигнала большей амплитуды, снимаемого с выхода повторител  9. Однако, в этом случае посто нный сигнал с выхода пикового детектора 11, поступающий на вход компаратора 13, будет всегда больше поступающего на вход компаратора фотоэлектрического сигнала меньшей амплитуды (в данном случае от фотодиода 19). При

15

20

У,1368632

том измерительный пр моугольный мпульс на выходе компаратора 13 форироватьс  не будет.

В случае смещени  изображени  мари в противоположном от центрального оложени  направлении рассмотренный роцесс обработки сигналов повторит  в npofивоположной последовательноси дл  рассмотренных частей приемно- ю го канала устройства.

Таким образом, по вление информативного импульса напр жени  на одном из выходов схемы указывает направление смешени  световой марки, а его лительность характеризует величину смещени , это позвол ет однозначно определить положение измер емого объекта.

Способ определени  положени  объ- екта и устройство дл  его реализации позвол ет исключить вли ние на точность измерени  изменений интесивнос- ти отраженного объектом светового потока в широких пределах, св занных с колебанием оптических свойств поверхности объекта, неоднородности электрических параметров фотодиодов дифференциальной пары, изменени  светоотдачи импульсного источника света вследствие его старени , а также изменени  температуры и амплитуды выходных импульсов генератора пилообразного напр жени .

При осуществлении предлагаемого способа измерений совмещены процессы обработки фотоэлектрических сигналов и их аналого-цифрового преобразовани , что упрощает процедуру сопр жени  реализующих способ устройств со счетно-вычислительной техникой и позвол ет примен ть способ в автоматизированном производстве. Чувстви- тельность способа может варьироватьс  в широких пределах без изменени  динамического диапазона измерений.

Claims (2)

1. Фотоэлектрический способ изме- повторител , второй вход - с входом рени  положени  объекта, заключающийс  в том, что формируют световой поток, на поверхности объекта формируют световую марку, регистрируют

генератора стабильного тока, выход второго буферного повторител  св зан с входом второго пикового.детектора и с вторым входом первого компаратора , выход сумматора подключен к втор

отраженное от поверхности объекта

55

изображение световой марки при помощи му входу второго компаратора.

5

0

32

5

0

5

0

5

10

дифференциального координатно-чувст- вительного фотодиода, преобразуют его в первый и второй электрические сигналы , отличающийс  тем, .что, с целью повышени  точности изме рений, путем модул ции светового потока формируют последовательность световых импульсбв линейно уменьшающейс  мощности, формируют стабилизированное опорное напр жение, суммируют его с первым электрическим сигналом , меньший по амплитуде электрический сигнал преобразуют в посто нный , сравнивают с ним переменный сигнал большей амплитуды, по результату сравнени  формируют пр моугольный импульс, по длительности которого определ ют положение объекта.

2. Устройство дл  измерени  положени  объекта, содержащее оптически св занные источник света, диафрагму, проекционный и приемный объективы, располагаемые таким образом, что их оптические оси симметричны относительно нормали к поверхности объекта , и дифференциальный координатно- чувствительный фотодиод, первый и второй буферные повторители, входы которых св заны с первым и вторым выходами дифференциального .координат- но-чувствительного фотодиода, соответственно третий и четвертый выходы дифференциального координатно-чувст- вительного фотодиода заземлены,о т - личающеес  тем, что, с целью повьшени  точности измерений, оно снабжено последовательно соединенными генератором пилообразного напр жени  и управл емым источником тока, последовательно соединенными полупроводниковым диодом и генератором стабильного тока, последовательно соединенными сумматором, первым пиковым детектором и первым компаратором , последовательно соединенными вторым пиковым детектором и вторым компаратором, первый вход сумматора св зан с выходом первого буферного

повторител , второй вход - с входом

55

генератора стабильного тока, выход второго буферного повторител  св зан с входом второго пикового.детектора и с вторым входом первого компаратора , выход сумматора подключен к второ му входу второго компаратора.

а

16

Ж

6)

13

«

л

Фае.)