Оптический датчик углового перемещения
Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения углового положения ротора гальванометрических сканаторов, используемых для лазерной маркировки и гравировки. Оптический датчик углового перемещения состоит из светодиода, освещающего щелевую диафрагму, объектива с круглой диафрагмой на входе, плоскопараллельной пластины, жестко соединенной с измеряемым объектом, фотодиода с двумя фоточувствительными площадками, вытекающие токи которых преобразуются в напряжения и вычитаются дифференциальным усилителем, выходное напряжение которого пропорционально угловому перемещению плоскопараллельной пластины, обеспечивая высокую стабильность и линейность функции преобразования датчика при малых габаритах. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к измерительной технике, преимущественно для измерения углового положения ротора гальванометрических сканаторов, используемых для лазерной маркировки и гравировки, также может использоваться для измерения углового положения объектов с ограниченным углом поворота.
Известны аналоги данного изобретения: US 6921893, US 5671043, US 5844673. Все аналоги построены на основе светодиодов в качестве источников света и фотодиодов в качестве фотоэлектрических детекторов. Преобразование углового перемещения в электрический сигнал осуществляется путем перекрытия светового потока подвижной диафрагмой, жестко связанной с ротором сканатора.
Патент US 5671043 содержит два светодиода и четыре фотодиода. Световые потоки, падающие на фотодиоды, перекрываются непрозрачной пластиной, поворачивающейся вместе с ротором, а фотодиоды установлены парами по дифференциальной схеме. Для стабилизации характеристики преобразования используется обратная связь по сумме токов всех четырех фотодиодов, управляющая через схему автоматической регулировки усиления световым потоком светодиодов. Т.к. все фотодиоды выполнены в виде отдельных элементов и световые потоки сформированы отдельными светодиодами, то использование вышеуказанной обратной связи не обеспечивает хорошую стабильность всего датчика. А используемый способ перекрытия световых потоков не позволяет получить достаточно низкую нелинейность функции преобразования датчика.
Патент US 5844673 (выбрано в качестве прототипа) существенно устраняет указанные недостатки путем использования светодиода с широкой апертурой и четырех сегментных фотодиодов, установленных максимально близко друг к другу, а между ними установлена подвижная диафрагма (типа баттерфляй). Нестабильность такого датчика определяется неравномерностью изменения светового потока светодиода из-за широкой апертуры излучения и значительной величиной распределения в пространстве элементов фотодиода. Кроме того, максимальное сближение светодиода и фотодиода не обеспечивает достаточно низкой нелинейности функции преобразования датчика, т.к. остаются нелинейные эффекты в данном способе изменения световых потоков.
Патент US 6921893 имеет те же недостатки, что и вышеописанные патенты.
Сущность заявленного изобретения состоит в том, что используется светодиод с узкой апертурой (диаметр около 5 мм и угол расходимости излучения 20-30°), который освещает щелевую диафрагму, максимально близко расположенную к светодиоду. Световой поток, проходящий щелевую диафрагму, проходит далее через диафрагму с круглым отверстием, установленную перед однолинзовым объективом. Далее световой поток, прошедший через однолинзовый объектив, проходит через плоскопараллельную пластину, жестко соединенную с ротором сканатора, ось вращения которого перпендикулярна световому потоку и параллельна длинной стороне щелевой диафрагмы. Световой поток, прошедший плоскопараллельную пластину, падает на фотодиод в виде прямоугольного светового пятна на фоточувствительную поверхность, образованную двумя фоточувствительными площадками, разделенными небольшим зазором, расположенным параллельно длинной стороне щелевой диафрагмы, причем длинная сторона светового пятна превышает размер фоточувствительных площадок. Выходной сигнал датчика формируется из разности токов, вытекающих из каждой фоточувствительной площадки, путем преобразования их в напряжение преобразователями ток-напряжение и вычитания с помощью дифференциального усилителя.
Напряжения, пропорциональные вытекающим токам из фоточувствительных площадок фотодиода, складываются суммирующим усилителем, из полученного напряжения вычитается опорное напряжение вычитающим элементом и через усилитель-корректор подается на суммирующий элемент, где суммируется с напряжением питания светодиода. Полученная сумма подается на светодиод, регулируя, таким образом, изменения параметров канала преобразования датчика с точностью до не идентичности изменения между фоточувствительными площадками фотодиода и асимметрии, возникающей по сечению светового потока, обеспечивая, таким образом, высокую стабильность функции преобразования датчика, т.к. геометрические размеры фотодиода невелики (диаметр фоточувствительных площадок составляет 3 мм), что обеспечивает их высокую геометрическую и электрическую идентичность к изменению параметров.
Зеркало, поворачивающее световой поток после щелевой диафрагмы на угол, меньший 90°, позволяет скомпоновать оптическую схему датчика так, что диаметр его основания может быть значительно уменьшен.
Фоточувствительные площадки, выполненные в виде полуокружностей и образующие в сумме полную окружность, позволяют существенно снизить нелинейность функции преобразования датчика.
Механическое соединение датчика с подвижным ротором осуществляется через плоскопараллельную пластину, жестко прикрепленную к концу ротора. Смещения ротора в осевом направлении и наклоны потока не приводят к значительным изменениям выходного сигнала датчика, т.к. смещение плоскопараллельной пластины вдоль оси вращения ротора и наклоны в перпендикулярном направлении к световому потоку не вызывают смещение светового пятна, падающего на фоточувствительные площадки фотодиода, а наклоны плоскопараллельной пластины в направлении светового потока приводят к сдвигу светового пятна вдоль зазора между фоточувствительными площадками и мало влияют на выходной сигнал датчика, т.к. падающее на фотодиод световое пятно в направлении длинной стороны превышает размер фоточувствительных площадок. Таким образом, максимальная чувствительность датчика обеспечивается в основном при вращательном движении плоскопараллельной пластины вокруг оси, совпадающей с осью вращения ротора.
На фиг.1 показана базовая реализация оптического датчика углового перемещения (оптико-механическая часть), соответствующая основному пункту формулы изобретения, где световой поток от светодиода 1 распространяется прямолинейно, последовательно проходя через щелевую диафрагму 2, диафрагму с круглым отверстием 3, объектив 4, плоскопараллельную пластину 5, прикрепленную к ротору 6, и падает на фоточувствительные площадки фотодиода 7.
На фиг.2 показаны положения светового пятна 8 на фоточувствительных площадках 9, 10 фотодиода: а) при нейтральном положении ротора, б) при повороте ротора в одно крайнее положение, с) при повороте ротора в другое крайнее положение.
На фиг.3 показана реализация оптического датчика углового перемещения при наличии между диафрагмами зеркала 11, соответствующая п.3 формулы изобретения.
На фиг.4 показана электрическая часть датчика, соответствующая п.1 и п.5 формулы изобретения, где 1 светодиод, оптический пучок от которого через оптическую часть датчика падает на фоточувствительные площадки 9 и 10. Токи, вытекающие из фоточувствительных площадок, преобразуются в напряжение преобразователями ток-напряжение 12, 13 и вычитаются дифференциальным усилителем 14, на выходе которого формируется напряжение, пропорциональное углу поворота ротора 6. Напряжения с выходов преобразователей ток-напряжение складываются суммирующим усилителем 15, из полученной суммы вычитается опорное напряжение 16 вычитающим элементом 17, полученная разность напряжений на выходе вычитающего элемента 17 через усилитель-корректор 18 подается на суммирующий элемент 19. Выходное напряжение источника напряжения 20 в сумме с напряжением, полученным на выходе усилителя-корректора, поступает на светодиод, через который замыкается на общий провод электрической схемы датчика.
Реализовано данное изобретение в качестве датчика углового перемещения ротора 6 моментного двигателя (полностью двигатель не показан) гальванометрического сканатора, используемого для лазерной маркировки и гравировки. Все элементы датчика, кроме плоскопараллельной пластины 5, жестко закрепляются на корпусе моментного двигателя, а плоскопараллельная пластина закреплена на конце ротора, как показано на фиг.1 и 2.
Работает устройство следующим образом. Световой поток от светодиода 1 проходит последовательно через щелевую диафрагму 2, диафрагму с круглым отверстием 3, объектив 4, плоскопараллельную пластину 5 и падает на фоточувствительные площадки 9 и 10 фотодиода 7 в виде прямоугольного светового пятна 8, являющегося изображением щелевой диафрагмы. При повороте ротора 6 вместе с плоскопараллельной пластиной 5 световое пятно смещается параллельно зазору между фоточувствительными площадками, освещая больше, либо одну, либо другую фоточувствительную площадку, как показано на фиг 2 б) и с). Перемещение светового пятна по фоточувствительным площадкам приводит к изменению напряжения на выходе дифференциального усилителя 14 (см. фиг.4) пропорционально угловому перемещению ротора.
1. Оптический датчик углового перемещения, включающий светодиод, подвижный ротор и фотоэлектрический детектор, отличающийся тем, что со стороны излучения светодиода, в непосредственной близости от него, установлена щелевая диафрагма, далее в направлении излучения светодиода за щелевой диафрагмой установлена диафрагма с круглым отверстием, за диафрагмой с круглым отверстием установлен объектив, за ним плоскопараллельная пластина, жестко прикрепленная к концу подвижного ротора, ось которого перпендикулярна направлению излучения светодиода и параллельна длинной стороне щелевой диафрагмы, за плоскопараллельной пластиной установлен фотоэлектрический детектор, выполненный в виде фотодиода с двумя фоточувствительными площадками, разделенными небольшим зазором, и ориентированный так, что зазор располагается параллельно длинной стороне щелевой диафрагмы, причем световое пятно, падающее на фоточувствительные площадки, имеет форму прямоугольника, длинная сторона которого превышает размер фоточувствительных площадок, выводы фотодиода от каждой фоточувствительной площадки соединены через преобразователи ток-напряжение с дифференциальным усилителем, выходное напряжение которого пропорционально угловому перемещению ротора.
2. Оптический датчик углового перемещения по п.1, отличающийся тем, что объектив выполнен однолинзовым.
3. Оптический датчик углового перемещения по п.1, отличающийся тем, что между диафрагмами установлено зеркало так, что отраженный световой пучок образует угол с падающим пучком меньше 90°.
4. Оптический датчик углового перемещения по п.1, отличающийся тем, что фоточувствительные площадки фотодиода имеют форму полуокружностей, образующих в сумме полную окружность.
5. Оптический датчик углового перемещения по п.1, отличающийся тем, что выходы преобразователей ток-напряжение соединяются с входами суммирующего усилителя, выход которого соединен с одним входом вычитающего элемента, ко второму входу которого подключено опорное напряжение, выход вычитающего элемента через усилитель-корректор соединен с одним входом суммирующего элемента, другой вход которого соединен с источником напряжения, а выход суммирующего элемента соединен с электрическим выводом светодиода, второй вывод которого соединен с общим проводом схемы.
