Фотоэлектрический датчик положения носителя записи

 

Изобретение относится к автоматике и позволяет повысить помехоустойчивость фотоэлектрического датчика положения носителя записи. Устройство содержит источник света, фотоприемник, формирователь положительной обратной связи между источником света и фотоприемником, узел температурной стабилизации, формирователь выходного сигнала/ Носителем информации является элемент подвижной части контролируемого объекта или перфолента устройства ввода информации. Повышение помехоустойчивости датчика достигнуто введением в его схему емкостной цепи отрицательной обратной связи и формирователя , содержащего стабилизатор тока, ток которого не зависит от колебаний напряжения на шинах питания. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (505 6 06 К 7/14

:y Q (! vi „ !) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4839817/10 (22) 07,05.90 (46) 30.03.92. Бюл. N. 12 (71) Ленинградский центр научно-технического творчества молодежи "Эра" (72) В.А;Артеменко (53) 536.5(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N. 454568, кл. G 06 К 7/14, 1874.

Фотоэлектрический датчик. Л.; НПО

"Авангард", 1987, с.15. черт.

П ИЖМ. 468173.005. (54) ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК flOЛОЖЕНИЯ НОСИТЕЛЯ ЗАПИСИ (57) Изобретение относится к автоматике и позволяет повысить помехоустойчивость. Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, в частности к фотоэлектрическим датчикам, и может быть использовано в датчиках скорости, перемещений, положений, в датчиках нулевой координаты.

Известен фотоэлектрический датчик, содержащий источник света, оптически связанный с фотоприемником, выполненным на резисторе, усилитель фотоэлектрического сигнала, вход которого соединен с выходом фотоприемника, формирователь выходного сигнала, подключенный через стабилитрон к выходу усилителя.

Недостатком данного датчика является низкая защищенность от воздействия электромагнитных помех и вибраций носителя информации при быстром торможении объекта контроля.,, ЫЛ,, 1723568 А1 фотоэлектрического датчика положения носителя записи. Устройство содержит источник света,. фотоприемник, формирователь положительной обратной связи между источником света и фотоприемником, узел температурной стабилизации, формирователь выходного сигнала. Носителем информации является элемент подвижной части контролируемого объекта или перфолента устройства ввода информации, Повышение помехоустойчивости датчика достигнуто введением в его схему емкостной цепи отрицательной обратной связи.и формирователя, содержащего стабилизатор тока, ток которого не зависит от колебаний напряжения на шинах питания. 2 ил.

Цель изобретения — повышение помехостойкости датчика положения носителя записи.

Поставленная цель достигается тем, что фотоэлектрический датчик положения носителя записи. содержащий источник света, подключенный первым выводом к шине питания и расположенный против фотоприемника, который подсоединен первым выводом к первому выводу первого резистора и соединен вторым выводом с общей шиной, подключенной к эмиттеру первого транзистора и соединенной через второй резистор с базой первого транзистора и с первым выводом третьего резистора, подключенного вторым выводом к первому выводу четвертого резистора, выходную шину, соединенную с коллектором первого транзистора и пятый резистор, введены второй транзистор, подсоединенный базой к пер1723568

15

25

35

55 вому выводу фотоприемника и соединенный эмиттером с шиной питания, подключенной ко второму выводу первого резистора, третий транзистор, подсоединенный эмиттером к базе первого транзистора и к первому выводу пятого резистора и соединенный базой с первым выводом четвертого резистора, а коллектором — с коллектором второго транзистора, четвертый транзистор, подсоединенный базой ко второму выводу пятого резистора и коллектору третьего транзистора, и соединенный коллектором со вторыми выводами источника света и четвертого резистора, и конденсатор, причем конденсатор включен между первым выводом фотоприемника и коллекторами второго и третьего транзисторов, база последнего из которых соединена с эмиттером четвертого транзистора.

На фиг.1 и 2 представлены принципиальны схемы фотоэлектрического датчика положения носителя информации.

Устройство содержит источник света 1, фотоприемник 2, оптически связанный с источником света, резистор 3 задания начального тока источника света, форМирователь

4 положительной обратной связи между источником света и фотоприемником, составленный стабилизатором тока на и — р — п транзисторе 5; резисторе 6 и усилителем отрицательной обратной связи на и — р-и транзисторе 7; узел 8 температурной стабилизации на р — и — р транзисторе 9 и резисторе 10, цепь 11 отрицательной обратной связи на конденсаторе 11, формирователь

12 выходного сигнала с входом, составленным и-р-и транзистором 13 и низкоомным резистором 14, цепь разряда базы транзистора 5 — резистор 15.

Формирователь 4 имеет три выхода и один управляемый вход. Первый выход образует коллектор транзистора 5, второй— соединения эмиттера транзистора 5, базы транзистора 7 и первого вывода резистора

6, третий — соединение эмиттера транзистора 7 и второго вывода резистора 6. Управляющий вход формирователя образован соединением базы транзистора 5 и коллектора транзистора 7,.Связь между стабилизатором тока и усилителем отрицательной обратной связи осуществлена посредством резистора обратной связи 6, выполняющего роль датчика тока цепи транзистора 5, Первый вывод резистора 10 и эмиттер транзистора 9 узла стабилизации подключены к шине питания. Входом узла является соединение второго вывода резистора 10 и базы транзистора 9, Выходом — коллектор транзистора.

Составляющие компоненты датчика охвачены следующими связями: источник света 1 включен между шиной питания и первым выходом формирователя 4 тока, резистор 3 задания начального тока источника света включен между первым и вторым выводами формирователя тока, фотоприемник — между общим проводом и входом узла 8 стабилизации, выход узла 8 подключен к управляемому входу формирователя тока, конденсатор 11 цепи отрицательной обратной связи включен между входом и выходом узла 8, формирователь 12 выходного сигнала подключен к третьему низкоомному выходу формирователя 4 тока.

Выходом устройства является выход 16 формирователя выходного сигнала.

Носителем 17 информации является элемент подвижной части контролируемого объекта или перфолента устройства ввода информации.

Указанный порядок соединения узлов и элементов устройства обуславливает наличие положительной обратной связи фотоприемника с источником света. Благодаря этому устройство может пребывать в одном из двух устойчивых состояний, каждому из которых соответствует свое установившееся значение тока в цепи источника света и необходимая величина площади засветки фоточувствительной поверхности фотоприемника.

При перемещении носителя 17 информации переход схемы из одного устойчивого состояния во второе происходит лавинообразно: первый раз в результате увеличения площади засветки фотоприемника от 0 до величины SMBK второй рез — при уменьшении площади засветки до величины SM H.

Граничные условия перехода схемы устройства из одного состояния во второе описываются равенством; смак. !мин. = Ямин !мак. = k Ccp (1) где fMw.. Ямах. — необходимые для перехода схемы устройства из состояния фотоприемник затемнен" в состояние "фотоприемник засвечен", ток в цепи источника света и площадь засветки фоточувствительной поверхности фотоприемника; мак., $мин. — необходимые для обратного перехода схемы устройства к состоянию

"фотоприемник затемнен", ток в цепи источника света и площадь. засветки поверхности источника света;

k — коэффициент пропорциональности;

Фср — пороговое значение светового потока на фотоприемник.

В этих положениях носителя информации относительно оптического канала дат1723568

20

25 и

К.

; 30 я

А = х1-х2.

В соответствии с выражением (2) äîïóстимые ее пределы могут быть увеличены или уменьшены путем изменения коэффициента оптоэлектронной петли гистериса.

1 мак Ямак. х1

1 мин Ямин. х2

Для этого достаточно в соответствии с формулой (3) для 1м„. изменить сопротивление резистора R6

0,6

1мак. =—

R6 .Аналогично, если это не продиктовано другими соображениями, величина начального тока может быть изменена заменой сопротивления резистора Rg по формуле

1-1» — 0ис. пЗ + (п6 + 1 14) ГдЕ R6 = О 6/1мак., 0,6 — 0,8, Й14 =

1мак.

0п — напряжение источника питания датчика; чика необходимые для переключения схемы величины токов и площади засветки соотносятся следующим образом.

k = Iмак./1мин. = Ямак./Ямин. (2)

Первое из отношений в равенстве (2) показывает, во сколько раз лавинообразно увеличивается ток в цепи источника света при выходе объекта информации в точку с кооРДинатой x1(S = $мак.); втоРое — во сколь ко раэ должна быть уменьшена площадь засветки фотоприемника для возращения схемы к исходному состоянию при токе в цепи источника света 1мак.

В равенстве (2) отношение

k = IMaK./Iмин. именуется коээфициентом петли гистереэиса по току источника света, отношение

k = Ямак./$мин. есть коэффициент петли гистериза по пло-. щади засветки фотоприемника, В (2) площади Ямак. и Ямин, отображают. положение носителя информации относительно некоторой, произвольно взятой за нуль, точки счета — координаты х. Таким образом, заданием тока 1мин, задается пер вая координата х1 носителя информаци для срабатывания датчика на засветку фото приемника при $ = Ямак. Заданием тока 1ма задается вторая х2 координата для срабаты вания датчика на затемнение фотоприемни к а и р и S = $мин. Отсюда, допустима амплитуда вибрций носителя информации не вызывающая появления в выходном сиг нале датчика сигналов типа "дребезг кон тактов"

Бис. — напряжение на источнике света при токе 1мин., 0,6  — напряжение стабилизации на баэово-эмиттерном переходе транзистора

7, (0,6-0,8) — необходимое для срабатывания напряжение на входе формирователя выходного сигнала.

Из двух. регистрируемых координат наиболее точно положение источника информации отображает координата х2. Это объясняется тем, что формирование информационного сигнала при выходе источника информации в окрестности координаты х2 начинается с уменьшения светового потока

Ct> при стабилизированном стартовом значении тока источника света 1мак. Этого свойства достаточно для использования устройства в качестведатчика нулевой координаты, где главным требованием является точность регистрации, .Высокая точность регистрации положения объекта информации относительно выбранной в качестве нулевой координаты х2 обеспечивается высокой стабильностью работы совокупности формирователя тока положительной обратной связи и узла температурной стабилизации. При этом независимость тока1мак. в цепи источника света от колебаний напряжения питания дополняется его независимостью от колебаний температуры окружающей среды.

Действие узла 8 температурной стабилизации тока объясняется идентичностью состояний транзисторов 9 и 7 при изменениях температуры окружающей среды. Это вытекает из того, что оба транзистора включены по схеме с общим эмиттером, имеют близкие коэффициенты усиления, близкие по величине коллекторные токи и одинаковые для них условия воздействия температуры окружающей среды.

Поэтому увеличение или уменьшение тока транзистора 7 автоматически компенсируется увеличением или уменьшением тока транзистора 9. При этом токи базы и коллектора транзистора 5 и источника света остаются неизменными.

В защите датчика от воздействия индуцированных помех используются отличия в скорости нарастания и длительности действия поступающих на вход узла стабилизации сигналов. Эти отличия сводятся к следующему. Поскольку помехи в схеме возбуждаются индукционным путем, они носят импульсный характер, а длительность их воздействия ограничена. Помеха составлена последовательностью разнополярных импульсов. В отличие от помех, полезный

1723568

15

25

40

50

55 сигнал на входе узла — однополярный и превышает по длительности длительность импульсных помех.

Защита достигается введением в схему емкостной цепи отрицательно обратной связи на конденсаторе 11, На воздействие помех датчик реагирует следующим образом, При воздействии помехи на вход узла 8, изменение напряжения на коллекторе транзистора 9 приводит к подаче через цепь обратной связи (конденсатор 11) на его базу импульса противоположной полярности. В результате суммирования сигналов противоположных полярностей действующей на базу транзистора разностный сигнал оказывается недостаточным для возбуждения в выходной цепи 8 узла тока опасного изменением состояния схемы формирвоателя тока и датчика в целом.

Поскольку транзистор 9, включенный по схеме с общим змиттером, обладает детектирующими свойствами, воздействие пакета импульсов помехи плотно прилегающих друг к другу может приводит к нежелательному накоплению заряда на конденсаторе и потере эффективности действия цепи отрицательной обратной связи. С тем, чтобы уменьшить вероятность ложного срабатывания датчика от пакета импульсов, емкость конденсатора 11 выбрана так, чтобы к концу действия помехи непременная составляющая напряжения на конденсаторе оставалась много меньше средней амплитуды импульсов помехи.

Поскольку последовательность импульсов помехи содержит импульсы различной полярности, процесс ее интеграции на конденсаторе 11 удлиняется. В результате этого задержка помех становится много больше времени задержки полезного сигнала,положительной обратной связи.

Защита формирователя тока обратной связи от помех, проникающих на шину питания по цепям питания, обеспечивается применением в нем стаблизатора тока, Это объясняется тем, что ток стабилизатора. управляющий формирователем выходного сигнала, не зависит от напряжения питания и его колебаний, обусловленных воздействием помехи.

При закрытом стабилизаторе тока возможность срабатывания формирователя 12 обуславливается необходимостью возникновения в цепи: шина питания, источник света, последовательное соединение рези- 1 сторов 3, 6 и 14 — тока, равного

lIl + IMBK

Для этого напряжение на шине питания скачкообразно. должно возрастать в Краз, при этом

К = смак./IMw.

Возникновение такой помехи на шине питания маловероятно.

Упрощение схемы датчика, позволяющего реализацию его в одноблочном исполнении, достигается как выбором функциональных узлов, так и совмещением в них функций усиления, стабилизации параметров и фильтрации помех. При этом внесение фотоприемника в общий корпус обеспечивает дополнительное повышение

его помехостойкости, так как исключает необходимость применения линий связи.

Датчик работает следующим образом.

В исходном состоянии, когда оптический канал связи перекрыт носителем 17 информации, фотоприемник 2 закрыт. В цепи источника света 1 и резисторов 3, 6 и 14 протекает начальный ток

u, — u «, ВЗ + R6 + В14 где Он u U« — напряжения источника питания и на источнике света.

Ток IMw. образует на резисторе 6.и резисторе 14 падение напряжений

06 = 1мин.й6 « 0,6 В

U14 = 1мин.й14 « 0,6 В, транзисторы 9,5,7 и 13 закрыты, При перемещении носителя информации в сторону приоткрытия оптического канала связи происходит увеличение площади засветки фотоприемника и постепенное возрастание его проводимости.

При увеличении площади засветки фотоприемника до величины S1, световой поток на фотоприемник достигает величины

Ф1 = KS1 !мин.

При этом проводимость фотоприемника

2 становится достаточной для начала открывания транзистора 9. Приоткрывание транзистора 9 приводит к приоткрыванию транзистора стабилизатора тока 5 и появлению в цепи источника света составляющей тока положительной обратной связи. Световой поток на фотоприемник возрастает и приводит к соответствующему росту тока в цепи источника света.

Начавшийся при Ф1- лавинообразный процесс заканчивается установлением в цепи источника света тока мак. = 0,6И6, и напряжений на резисторах 6 и 14

06 = 1макс.R6 = 0,6, U14 = !макЛ14 > 0,6

1723568

10 открыванием транзистора 7 и ограничением дальнейшего роста тока источника света веЛИЧИНОЙ 1мак

При этом, установлением на входе формирователя выходного сигнала логической единицы высокого уровня, регистрируется нахождение носителя информации в точке с координатой х1.

Избыточный ток транзистора 9, обусловленный не пропорциональным ростом светового потока, поглощается транзистором 7.

При обратном перемещении носителя информации из точки с координатой х1 в точку с координатой х2 имеет место уменьшение избыточного тока через транзистор 7 при сохранении неизменным тока в цепи источника света и светового потока.

При выходе носителя информации в точку с координатой х2, площадь засветки уменьшается до величины Ямин, При этом световой поток начинает уменьшаться . Начавшийся процесс лавинообразного перехода схемы датчика к исходному состоянию заканчивается установлением в цепи источника света тока

Un Uuc

R3 + 6 + 14 закрытием транзисторов 9,5 и 7 и 13 установлением на резисторах 6 и 14 напряжений

06 = Йб!мин. « 0,6 В

U14 = В14!мин. « 0,6 В.

Установлением на входе формирователя выходного сигнала логического нуля низкого уровня регистрируется нахождение носителя информации в точке с координаТОЙ Х2.

Двухкратным переходом схемы датчика из одного состояния во второе и обратно заканчивается работа датчика по замкнутому контуру оптоэлектронной петли гистерзиса с коэффициентом

K = мак./!мин. = смак./Змин. X1/Х2.

Таким образом, защита датчика при вибрациях носителя информации достигнута введением в цепь источника света формирователя тока положительной обратной связи, Обуславливающей работу датчика по замкнутому контуру оптоэлектронной петли гистеризиса, повышение точности регистрации положения носителя информации обусловлено введением в схему датчика

50 топриемника и коллекторами второго транзистора и третьего транзистора, база которого соединена с эмиттером четвертого транзистора.

45 формирователя тока, построенного по схеме управляемого стабилизатора тока источника света, и подключенного управляемым входом к выходу узла температурной стабилизации. Повышение помехоетойкости датчика обеспечивается введением в его схему емкостной цепи отрицательной обратной связи и формирователя, содержащего стабилизатор тока, ток которого не зависит от колебаний напряжения на шинах питания, Кроме того, упрощение схемы датчика достигнуто выбором его составляющих, в которых стало возможным совмещение функций усилейия, стабилизации параметров и фильтрации помех.

Формула изобретения

Фотоэлектрический датчик положения носителя записи, содержащий источник света, подключенный первым выводом к шине питания и расположенный против фотоприемника. который подсоединен первым выводом к. первому выводу первого резистора и соединен вторым выводом с общей шиной, подключенной к эмиттеру первого транзистора и соединенный через второй резистор с базой первого транзистора и с первым выводом третьего резистора, подключенного вторым выводом к первому выводу четвертого резистора, выходную шину, соединенную с коллектором первого транзистора, и пятый резистор, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости, в него введены второй транзистор, подсоединенный базой к первому выводу фотоприемника и соединенный эмиттером с шиной питания, подключенной ко второму выводу первого резистора, третий транзистор, подсоединенный эмиттером к базе первого транзистора и к первому выводу пятого резистора и соединенный базой с первым выводом четвертого резистора, а коллектором с коллектором второго транзистора, четвертый транзистор, подсоединенный базой ко второму выводу пятого резистора и к коллектору третьего транзистора и соединенный коллектором со вторыми выводами источника. света и четвертого резистора. и конденсатор, причем конден-. сатор включен между первым выводом фо17235 б8. Составитель В.Артеменко

Текред M.Mî ãåíòàë Корректор М.Шароши

Редактор И.Сегляник

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

Заказ 1664 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раувская наб., 4/5