Фотоэлектрический датчик перемещения

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем одновременного измерения наряду с положением объекта скорости его перемещения и его протяженности. Луч света от импульсного источника 3 света направляется на объект, отражается от него и попадает на четырехэлементный фотоприемник 5. С выхода фотоприемника 5 сигнал через четырехканальный одночастотный усилитель 6 и четырехканальный блок 7 детектирования поступает на входы суммирующих усилителей 12,13,14,15, в которых формируются сигналы двух строк и двух столбцов. Полученные сигналы строк и столбцов поступают на компараторы 16,17,18,19, где сравниваются с пороговыми напряжениями, задаваемыми регулируемым источником 29 напряжения, и формируют сигналы разрешения счета, которые через разрешающие элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 20,21 поступают на вход счетчиков 25,26, конечное состояние которых пропорционально скорости перемещения объекта. Через разрешающие элементы И 22,23 они поступают на вход счетчиков 24,27, конечное состояние которых содержит информацию о положении объекта и его протяженности. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

ÄÄSU ÄÄ1479830 (51)4 С О! В 21/00

jò

ОПИСЛНИК ИЗОБРЕТЬНИя

Н А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЯЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

fl0 ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4212422/24 — 28 (22) 19.03.87 (46) 15.05.89. Бюл. ¹ 18 (71) Институт радиофизики и электроники АН АрмССР (72) Г.Л. Даниелян, А.М. Манукян и M.À. Есаян (53) 531.7.717(088.8) (56) Патент Японии № 56-24884, кл. G 01 В 21/00, 1980. (54) ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕЩЕНИЯ (57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем одновременного измерения положения объекта, скорости его перемещения и его протяженности. Луч света от импульсного источника 3 света направляется на объект, отражается от него и попадает на четырехэлементный фотоприемник 5. С выхода фотоприемника S сигнал через четырехканальный одночастотный усилитель 6 и четырехканальный блок 7 детектирования поступает на входы суммирующих усилителей 12, 13, 14, 15, в которых формируются сигналы двух строк и двух стобцов, Полученные сигналы строк и столбцов поступают на компараторы 16, 17, 18, 19, где сравниваются с пороговыми напряжениями, задаваемыми регулируемым источником 29 напряжения, и формируют сигналы разрешения счета, которые через разрешающие элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 20, 21 поступают на вход счетчиков 25, 26, конечное состояние которых пропорционально скорости перемещения объекта. Через разрешающие элементы И 22, 23, они поступают на вход счетчиков 24, 27, конечное состояние которых содержит информацию о положении объекта и его протяженнос- . ти, 3 ил, 1479830

Изобретение о -носится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано как бесконтактный преобразователь скорости перемещения или положения отражающего объекта.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей путем одновременного измерения положения объекта, скорости и протяженности его перемещения.

На фиг, 1 изображена блок-схема фотоэлектрического датчика перемещения; на фиг. 2 — различные фазы положения пятна — проекции отражающего объекта на элементах матрицы фотоприемника при перемещении объекта; на фиг. 3 — диаграммы работы датчика.

Фотоэлектрический датчик перемещения содержит корпус 1 со светонепро- 20 ницаемой перегородкой, конденсор 2, установленный в корпусе 1, импульсный источник 3 счета, установленный излучающей поверхностью в фокусе конденсора 2, фокусирующий блок 4, четырехквандрантный фотоприемник 5, установленный фотоприемной поверхностью перпендикулярно и симметрично оси фокусирующего блока 4, одночастотный усилитель 6, установленный в корпусе 30

1, блок 7 детектирования, состоящий из детекторов 8-11, суммирующие усилители 12-15, компараторы 16-19, элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 20 и 21, элементы 2И 22 и 23, счетчики 24-27 им- 35 пульсов, генератор 28 импульсов и регулируемый источник 29 напряжения.

Конденсор 2 и импульсный источник

3 света отделены светонепроницаемой перегородкой корпуса 1 от установлен- р0 ных в нем фокусирующего блока 4, фотоприемника 5 и одночастотного усилителя 6, соединенного четырьмя входами с четырьмя выходами четырехквандрантного фотоприемника 5. Четыре выхода одночастотного усилителя 6 соединены с входами четырех детекторов

8-11 блока 7 детектирования. Выход детектора 8 соединен с первыми входами суммирующих усилителей 12 и 14, выход детектора 9 — с вторыми входами суммирующих усилителей 12 и 13, выход детектора 10 — с вторыми входами сумсирующих усилителей 14 и 15, выход детектора 11 — с первы гл входами сумS5 мирующих усилителей 12 и 15. Выходы суммирующих усилителей 12 — 15 соединены с первыми входами компараторов

16 — 19, в орые входы которых соединены с выходом регулируемого источника 29 напряжения. Выход первого компаратора 16 соединен с первыми входами первых элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ

20 и 2И 22, выход второго компаратора

17 — с первыми входами вторых элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 21 и 2И 23, выход третьего компаратора 18 — с вторыми входами вторых элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ

ИЛИ 21 и 2И 23, выход четвертого компаратора 19 — с вторыми входами первых элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 20 и

2И 22. Выходы элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ

ИЛИ 20 и 21 и элементов 2И 22 и 23 соединены с входами разрешения счета счетчиков 25, 26, 24 и 27,счетные входы которых соединены с выходом генератора 28 импульсов и входом источника 3 света.

Фотоприемная матрица фотоприемника

5 содержит четыре приемных элемента—

30-33.

Устройство работает следующим образом.

Постоянные по амплитуде импульсы от генератора 28 импульсов поступают на импульсный источник 3 света с частотой, равной частоте пропускания каналов одночастотного усилителя 6.

Световые импульсы импульсного источника 3 света поступают на конденсор

2 и выходят из датчика в виде импульсного светового потока с малой угло- ( вой расходимостью. Отраженный от перемещаемого объекта импульсный световой поток поступает на фокусирующий блок 4, При изменении положения отражающего объекта в зоне светового потока изменяется положение пятнапроекции на фотоприемнике 5, Характерные положения 34-40 пятна-проекции на -етырех элементах 30-33 фотоприемника 5 показаны на фиг. 2, При положении отражающего объекта симметрично оси фокусирующего блока

4 пятно-проекция занимает центральное положение на фотоприемнике 5 (п. 34, фиг. 2). Импульсные токи элементов

30-33 становятся равными по амплитуде, после детектирования в блоке 7 детектирования сигналы на четырех его выходах по уровню равны. Сигналы детекторов 8-11 поступают на входы суммирующих усилителей 12-15. В первом суммирующем усилителе 12 суммируются сигналы с детекторов 8 и 9 соответствующие первому 30 и второму 31 элементам фотоприемника 5, во втором рого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 21, с выхода которого сигнал (фиг.Зд) поступает на вход разрешения счета счетчика 26, предварительно настроенного на состояние полного заполнения всех разрядов и на операцию вычитания импульсов. При наличии высокого уровня на входе разрешения счета сигнала по фиг. Зд импульсы с генератора 28 импульсов, поступающие на счетный вход счетчика 26, вычитаются и остаток, записанный в счетчике 26 после завершения прохождения по горизонтальной оси объекта, соответствует значению скорости перемещения.

При проходе отражающего объекта с постоянным коэффициентом отражения по горизонтальной оси длительность сигналов компараторов 17 и 18 прямо пропорциональна его протяженности„а при постоянной скорости перемещения— только протяженности по горизонтальной оси и может быть определена по длительности срабатывания как компаратора 17, так и компаратора 18. Naлое влияние фоновой засветки приводит к тому, что край изображения движущегося объекта перемещается по фотоприемнику 5 без изменения контраста с четко очерченной границей. ти объекта по горизонтальной оси.

При изменении коэффициента отражения объекта, например, в два раза, происходит только падение уровня сигный пунктир) длительность сигналов срабатывания компараторов !7 и 18 изих передними и задними фронтами остается неизменным. Длительность сигналов с элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ

21 и число, записываемое с счетчик

26 и характеризующее скорость перемещения объекта по горизонтальной оси, не зависит от коэффициента отражения объекта. з 1479830

4 суммирующем усилителе 13 — с детекторов 10 и 11, соответствующих второму

31 и четвертому 33 элементам фотоприемника 5 в третьем суммирующем уси ь

5 лителе 14 — с первого 30 и третьего

32 элементов, в четвертом суммирующем усилителе 15 — с третьего 32 и четв ртого 33 элементов.

Сигналы с суммирующих усилителей

12 — 15 поступают на первые входы компараторов 16-19 и сравниваются с регулируемым при настройке уровнем, поступающим на вторые входы компараторов 16-19. 15

Статическое положение объекта оценивается по срабатыванию от вертикального его края, например, по комбинации срабатывания второго компаратора 17 и отсутствия срабатывания в третьем компараторе 18, В режиме перемещения объекта фотоэлектрический датчик перемещения работает следующим образом.

Сигналы с суммирующих усилителей 25

12-15 соответствуют перемещению по двум перпендикулярным осям, проходящим по линиям разделения элементов матрицы. фотоприемника 5. При условии введения в датчик в качестве фокусирующего блока 4 линзы-ахромата аберрации оптической системы существенно уменьшаются и край светового пятнапроекции становится четко выраженным, а раздельное суммирование сигналов в суммирующих усилителях 12-15 с эле- 3 ментов матрицы фотоприемника 5 обеспечивает независимость сигнала о перемещении объекта в горизонтальном направлении (выходы суммирующих усили- -чике 27, пропорционально протяженностелей 13 и 14) от сигнала о переме40 щении в вертикальном направлении (выходы суммирующих усилителей 12 и 15) .

Скорость перемещения объекта в горизонтальном направлении фиксируется по налов на элементах фотоприемника 5 фазовому сдвигу фронта нарастания

45 без искажения размеров и формы пятнавходных сигналов с суммирующих усили- проекции объекта. При том же уровне телей 13 и 14 (фиг. За,б)и поступает срабатывания (фиг. Зг,д, горизонтальна первые входы компараторов 17 и 18.

При установлении на вторых входах компараторов 17 и 18 определенного 50 меняется незначительно, а сдвиг между уровня с выхода регулируемого источника 29 напряжения (фиг. За,б пунктир) между моментами срабатывания выходного сигнала компаратора l8 (фиг. (фиг.Зв,г) имеется временной интервал,55 обратно пропорциональный скорости перемещения. Сигналы с выходов компараторов 17 и 18 поступают иа входы вто-

9830

25

ЗР

5 147

Перемещение объекта одновременно по вертикальной и горизонтальной осям отражается на перемещении пятна-проекции под непрямыми углами к осям

{например, и. 39 и 40, фиг. 2) и является суперпозицией рассмотренных режимов работы. Например, вращающийся отражающий объект, не полностью перекрывающий световое пятно от источника 3 импульсного излучения и конденсора 2, приводит к поочередному включению (с перекрытием компараторов 16 -19), что позволяет с высокой достоверностью ицентифицировать отражающие некруглые объекты, перемещаемые захватам манипулятора, имеющим

3-4 степени свободы перемещения.

Формула из обретения

Фотоэлектрический датчик перемещения, содержащий оптически связанные импульсный источник света и конденсор, предназначенные для установки в отраженном от объекта световом потоке оптически связанных фокусирующего блока и фотоприемника, последовательно соединенные одночастотный усилитель и блок детектирования, регулируемый источник напряжения, выход фотоприемника соединен с входом одночастотного усилителя, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем измерения наряду с положением объекта скорости ceo перемещения и его протяженности, он снабжен четырьмя каналами компарирования, каждый из которых состоит из последовательно соединенных суммирующего усилителя и компаратора, двумя канапами вычисления протяженности объекта, каждый из которых состоит из последовательно соединенных элемента И и счетчика, двумя каналами вычисления скорости перемещения объекта, каждый из которых состоит из последовательно соединенных элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ HJGI u счетчика, и генератором импульсов, выход компаратора первого канала компарирования соединен с первыми входами элементов И и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ первых каналов вычисления протяженности объекта и скорости перемещения объекта, соответственно, выход компаратора второго канала компарирования соединен с первыми входами элементов

И и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ вторых каналов вычисления протяженности. объекта и скорости перемещения объекта соответственно, выход компаратора третьего канала компарирования соединен с вторыми входами элементов И и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ вторых каналов вычисления протяженности объекта и скорости перемещения объекта соответственно,выход компаратора четвертого канала компарирования соединен с вторыми входами элементов И и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ первых каналов вычисления протяженности объекта и скорости перемещения объекта соответственно, выход регулируемого источника напряжения соединен с вторыми входами компараторов каждого из четырех каналов компарирования, выход генератора импульсов соединен с импульсным источником света и счетными входами счетчиков каждого из каналов вычисления протяженности объекта и скорости перемещения объекта, первый выход блока детектирования соединен с первыми входами суммирующих усилителей первого и третьего каналов компарирования, второй выход блока детектирования соединен с первым и вторым входами суммирующих усилителей второго и первого каналов компарирования соответственно, третий выход блока детектирования соединен с вторым и первым входами суммирующих усилителей третьего и четвертого каналов компарирования соответственно, четвертый выход блока детектирования соединен с вторыми входами суммирующих усилителей второ45 го и четвертого каналов компарирования, фотоприемник выполнен четырехквандрантным, одночастотный усилитель и блок детектирования выполнены четырехканальными, фокусирующий блок выполнен в виде линзы-ахромата, оптичес50 кая ось которой совмещена с центром симметрии фоточувствительной области фотоприемника.

1479830

З7

+F2 ñ3

Составитель В. Молодцов

Редактор Л. Пчолинская Техред N.Ходанич Корректор T.Áórðåíêîâà

Заказ 2534/41

Тираж 684

Подиисное

ВНИИПИ Государственного комитета о изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035 Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r Ужгород, ул. Гагарина, 101