Двухкоординатный оптический датчик положения

 

Изобретение относится к области регистрации и обработки электромагнитного излучения в оптическом диапазоне длин волн и может быть применено для контроля направления оптических лучей в зеркальных концентрирующих системах солнечных электростанций. Цель изобретения - расширение области применения датчика путем повышения информативности и количества его управляющих сигналов. Датчик дополнительно содержит в каждом канале операционный усилитель 16 и блок 12 регулирования коэффициента усиления входного дифференциального усилителя 11, выполненный на полевом транзисторе 15, включаемом в цепь отрицательной обратной связи, блок 25 расфокусировки, выполненный на полевом транзисторе 29, включенный в цепь смещения нуля входного дифференциального усилителя 11, и прецизионный делитель 24 напряжения, подключенный к базе полевого транзистора 15, управляемый блоком 21 выбора зоны нечувствительности датчика. 1 ил.

COOS СОВЕТСКИХ.

СОЦИМИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ н втогскомм свмдЬткпьСтвм

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И 0 ГИРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР (21) 4228282/31-25 (22) 13.04.87 (46) 07.03.90. Бюл. Р 9 (71) Западный филиал Всесоюзного теплотехнического научно-исследовательского институт им. Ф.Э.Дзержинского (72) В.В.Зяблицев, А.Г.Костюковский и Г.Е.Пыльникова (53) 621.383(088.8) (56} Патент CIilA У 4082947, кл. 6 01 3 1/00, 1978.

Авторское свидетельство СССР

Р 827984, кл. G 01 J 1/44, 198 1. (54) ДВУХКООРДИНАТНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ

ДАТЧИК ПОЛОЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к области регистрации и обработки электромагнитного излучения в оптическом диапазоне длин волн и может быть применено для контроля направления onÄÄSUÄÄ 1548671 А1 (51) 5 С, 01 Л 1/44 тических лучей в зеркальных концентрирующих системах солнечных электростанций. Цель изобретения — расширение области применения датчика путем повышения информативности и количества его управляющих сигналов.

Датчик дополнительно содержит в каждом канале операционный усилитель 16 и блок 12 регулирования коэффициента усиления входного дифференциального усилителя 11, выполненный на полевом транзисторе 15, включаемом в цепь отрицательной обратной свйзи, блок 25 расфокусировки, выполненный на полевом транзисторе 29, включенный в цепь смещения нуля входного дифференциального усилителя 11, и прецизионный делитель 24 напряжения, подключенный к базе полевого транзистора 15, управляемый блоком 21 выбора зоны нечувствительности датчика. 1 ил.

1548671

Изобретение относится к области регистрации и обработки электромагнитного излучения в оптическом диапазоне длин волн и может быть при5 менено для контроля направления оптических лучей, например, в зеркальньгх концентрирующих системах (ЗКС) солнечных электростанций и солнечных печей. 4 Q

Целью изобретения является расширение области применения датчика путем повышения информативности и количества его управляющих сигналов.

На чертеже приведена функциональ- 15 ная схема датчика положения.

Датчик содержит оптический блок

1, четырехквадрантный фотоприемник

2 с фотоэлементами 3-6 и центральным фотоэлементом 7, зенитальный ка- 20 нал 8 управления и азимутальный канал 9 управления, дифференциальные усилители 10 и 11, блок 12 регулирования коэффициента усиления, имеющий резисторы 13 и 14 и полевой транзистор 15 операционный усилитель 16 с коэффициентом усиления

K = К„, операционный усилитель 17 с коэффициентом усиления К = А k,, где А — отношение углового размера поперечника теплоприемника к ширине зоны нечувствительности фотодатчика, первый пороговый элемент 18, пороговый элемент 19 в каждом канале управления, дополнительный пороговый элемент 20 в ка,"кцом канале управления, блок 21 выбора зоны нечувствительности датчика, имеющий выходной разъем 2" и заглушкупрограмматор 23, установленную на поле 3КС по месту подключения датчика, прецизионный делитель 24 напряжения с набором резисторов, блок 25 расфокусировки в каждом канале, имеющий резисторы 26-28, полевой транзистор 29 и RC-фильтр 30 и 31. При этом к входу первого дифференциального усилителя 10 подключен центральный фотоэлемент 7 четырехквадрантного фотоприемника 2, противоположные фотоэлементы 3„ 5 и 4, б которого попарно в каждом канале 8 и 9 управления подключены к входу соответствующего дифференциального усилителя 1 1, блок 12 регулирования ко55 эффициента усиления включен в цепь отрицательной обратной связи соот ветственного дифференциального усилителя 11, выход которого подключен к инвертирующим входам операционных усилителей 16 .и 17, причем выход операционного усилителя 16 с меньшим коэффициентом усиления подключен к инвертирующему входу дополнительного порогового элемента 20, а с большим коэффициентом усиления - к инвертирующему входу порогового элемента 19 канала, инвертирующие входы пороговых элементов 19 и 20 объединены и подключены к выходу первого дифференциального усилителя 10, подключенного к входу первого порогового элемента 18, выход которого подключен к инвертирующему входу операционного усилителя 16, инвертирующий вход операционного усилителя

17 с большим коэффициентом усиления подключен к выходу дополнительного порогового элемента 20, при этом в каждом канале 8 или 9 неинвертирующий вход дифференциального усилителя 11 через соответствующий блок

25 расфокусировки подключен к шине нулевого потенциала датчика, управляющий вход блока 12 регулирования коэффициента усиления через прецизионный делитель 24 подключен к первому вьгходу блока 21 выбора зоны нечувствительности датчика, второй выход которого подключен к управляющему входу блока 25 расфокусировки.

Датчик вырабатывает следующие сигналы: ЗАХВАТ (ПОИСК) — сигнализирует о том, что отраженный от гелиостата солнечный поток попал в апертурный угол фотодатчика и плотность солнечного потока достаточна для работы

ЗКС; СЛЕЖЕНИЕ (1 или 2) — сигнализирует о том, что отраженный поток попал в требуемую зону поверхности теплоприемника; ЗЕНИТ ВВЕРХ (ВНИЗ) управляющий сигнал точного слежения для зенитального привода; АЗИМУТ

ВПРАВО (ВЛЕВО) — управляющий сигнал точного слежения цля азимутального привода; РФК 1, 2 (РАСФОКУСИРОВКА) управляющий сигнал смещения равносигнальной зоны фотодатчика в пространстве.

Дтачик работает следующим образом.

При подключении фотодатчика к блоку 21 выбора зоны нечувствительности датчика на управляющем входе блока 12 автоматической регулировки усиления дифференциального усилителя 11 устанавливается заданный уровень на5 154 пряжения, определяю)ций режим работы полевого транзистора 15, а следовательно, и заданный коэффициент усиления дифференциального усилителя. 11.

В шину РФК поступает нулевой потенциал, запирающий полевой транзистОр

29 блока 25 расфокусировки.

В исходном состоянии источник излучения (Солнце) находится вне границ апертурного угла фотодатчика.и солнечное пятно не засвечивает фо. тоэлементы четырехквадрантного фотоприемника. Фоновая засветка не оказывает влияние на работу фотодатчика, так как фотоэлементы 3, 5 и 4, 6 включены по дифференциальной схеме,,а мощность фона недостаточна для срабатывания порогового элемента 18. На выходе датчика присутствует сигнал

ЗАХВАТ, сигнализирующий о работоспособности фотодатчика и отсутствии источника излучения .в его апертурном углу. Сигнал ЗАХВАТ блокирует работу операционных усилителей 16 и 17 и на информационных выходах фотодатчика ЗЕНИТ ВВЕРХ (ВНИЗ), АЗИМУТ

ВПРАВО (ВЛЕВО) сигналы отсутствуют.

При уменьшении угла рассогласования между направлением на источник излучения и равносигнальной зоной фотодатчика фотоэлементы четырехквадрантного фотоприемника последовательно засвечиваются. При достаточной яркости источника излучения. сигнал с выхода центрального фотоэлемента 7 через первый дифференциальный усилитель 10 поступает на вход порогового элемента 18, вызывая его срабатывание. На выходе фотодатчика появляется сигнал ЗАХВАТ, усилитель 16 открывается и сигналы с. его выхода поступают на первый вход порогового элемента 20, на второй вход которое го поступает пороговый уровень с выхода усилителя 10. Пороговый элемент 20 производит сравнение сигнала рассогласования с выхода усилителя 16 с порогом, задаваемым усилителем

10, и, поскольку засвечен только фотоэлемент 3 (или 5) и сигнал на выходе усилителя 11 максимален, на выходе порогового элемента 20 формируется сигнал СЛЕЖЕНИЕ, сигнализирующий о том, что отраженный луч находитсявне контуров теплоприемника. Сигнал

СЛЕЖЕНИЕ блокирует работу усилителя

17 и на информационных выходах фотодатчйка. сигналы отсутствуют. При

8671 6

30

35.что соответствует угловой зоне не"чувствительности 1 + 2 + 4 .+ 8 I цифровой двоичный код уставки зоны нечувствительности фотодатчика.

При этом уменьшается смещение, подаваемое на затвор полевого транзистора 15, и увеличивается его сопротивление, что приводит к уменьшению коэффициента усиления дифференциального усилителя 11.

Таким образом, для достижения заданного уровня напряжения на инвертирующих входах элементов 19 и 20 необходимо увеличивать перемещение пят5

15 дальнейшем уменьшении рассогласования сигнал с выхода усилителя 16 уменьшается н при равенстве сигналов с выходов усилителя 16 и 10 пороговый элемент 20 выдает на выход сигнал СЛЕЖЕНИЕ, который сигнализирует о том, что отраженный луч находится в контуре теплоприемника. Усилитель

17 открывается и на выходе порогового элемента 19 появляется сигнал рассогласования ЗЕНИТ ВВЕРХ. (ВНИЗ) или АЗИМУТ ВПРАВО (ВЛЕВО). Сигналы на информационных входах присутствуют до тех пор, пока источник излучения не попадает в равносигнальную зону фотодатчика. Поскольку коэффициенты усиления усилителей 16 и 11 раэл чнь) К16= К„К,1 = А К т где

) А» 1, то угловые пороги срабатывания элементов 20 и 19 оказываются различными, причем угловой порог срабатывания элемента 19 значительно (в А раэ) меньше углового порога срабатывания элемента 20. При паразитном изменении интенсивности солнечного излучения. (облачность, дымка, пыль, туман и т.п.) сигналы с выходов усилителей 10, 16 и 17 изменяются пропорционально, так что угловые пороги срабатывания элементов 20 и 19 остаются постоянными, чем осуществляется стабилизация рабочих режимов при изменении интенсивности падающего. солнечного потока.

При переносе оптического датчика из одного местоположения в другое . осуществляется автоматическая смена рабочего режима фотодатчика за счет перемычек на заглушке-программаторе 23 по месту его установки. При этом допустим, появляется перемыч ка, создающая сигнал 8 и шину ОВ, I

15, где .1, 2, 4, 8 и 15 —

15486 71 на на фотомишени. Стабилизация рабочего режима при изменении яркости солнечного сияния происходит аналогично описанному процессу, Датчик позволяет с помощью блока

2S расфокусировки автоматически сместить равносигнальное направление, например, при аварийной расфокусировке солнечного пятна с центрального приемника при аварии или стабилизации плотности солнечной радиации при изменении яркости солнечного сияния.

При поступлении на вход оптическо- 15 го датчика сигнала РФК 1 он фильтруется на RC-фильтре 30 и 3.1, открывает полевой транзистор 29. При этом уменьшается напряжение, поступающее ! с фотоэлемента 5. Это эквивалентно смещению солнечного пятна вверх. На

1 выходе оптического датчика появля;. ется сигнал ЗЕНИТ НАЗАД, для компенсации которого необходимо сместить пятно на фотомишени вниз. 25

Работа блока расфокусировки по каналу 9 азитума по сигналу РФК 2

| происходит аналогично.

Использование фотодатчика позволяет повысить КПД установок 3КС за счет стабилизации рабочих режимов при изменении яркости солнечного сияния, повысить производительность труда за счет организации автоматической обработки информации о фактическом положении пятна на центральном приемнике и повысить технику безопасности при аварийных ситуациях на центральном приемнике.

Формула изобретения

Двухкоординатный оптический датчик положения светового луча, содержащий четырехквадрантный фотоприемник, последовательно включенные пер- 45 вый дифференциальный усилитель и

1 первый пороговый элемент, а также два канала управления, каждый из которых содержит дифференциальный усилитель и пороговый элемент, причем к входу первого дифференциального усилителя подключен центральный фотоэлемент четырехквадрантного фотоприемника, противоположные фотоэлементы которого попарно в каждом канале управления подключены к входу соотФ ветствующего дифференциального усилителя, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения датчика путем повышения информативности и количества его управляющих сигналов, в него введены в каждый из каналов управления блок расфокусировки и блок регулирования коэффициента усиления, два операционных усилителя с различными коэффициентами усиления и дополнительный пороговый элемент, а также прецизионный делитель напряжения и блок выбора зоны нечувствительности датчика, при этом блок регулирования коэффициента усиления включен в цепь отрицательной обратной связи соответствующего дифференциального усилителя, выход которого подключен к инвертирующим входам операционных усилителей, причем выход операционного усилителя с меньшим коэффициентом усиления подключен к инвертирующему входу дополнительного порогового элемента, а с большим коэффициентом усиления — K инвертирующему вхо ду порогового элемента канала, неинвертирующие входы пороговых элементов объединены и подключены к выходу первого дифференциального усилителя, выход первого порогового элемента подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя с меньшим коэффициентом усиления, неинвертирующий вход операционного усилителя с большим коэффициентом усиления подключен к выходу дополнительного порогового элемента, при этом в каждом канале неинвертирующий вход дифференциального усилителя через со.ответствующий блок расфокусировки подключен к шине нулевого потенциала датчика, управляющий вход блока регулирования коэффициента усиления через прецизионный делитель подключен к первому восходу блока выбора зоны нечувствительности датчика, второй выход которого подключен к управляющему входу блока расфокусировки.