Фотоэлектрический преобразователь перемещений

 

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является расширение диапазона измерений за счет расширения диапазона перемещений световых зондов. Преобразователь содержит источник света 1, последовательно установленные по ходу .светового луча теневую маску 2 с равновеликими участками и дифференциальный фотоприемник 3. выполненный в виде первого и второго фотопотенциометров 12, 13, первую и вторую мостовые схемы 4 и 6, коммутационный блок 8. Дифференциальный фотоприемник 3 включен к первую и вторую мостовые схемы 4 и 6 одновременно. Коммутационный блок 8 имеет возможность соединять второй вывод первого фотопотенциометра 12 с первым или вторым выводом фотопотенциометра 13, а также подключать первый вывод второго фотопотенциометра 13 непосредственно к измерительному плечу первой мостовой схемы 4 измерения, что позволяет увеличить размеры второго фотопотенциометра 13. Увеличение размеров фотопотенциометра 13 позволяет перемещать световые зонды на большую величину, что приводит к расширению диапазона измерений. 4 ил. с е сл оо ел о 4 со --о

3 мь

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (51} 4 С 01 В 21/00 (1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4008796/24-28 (22) 17.01.86 (46) 07.11.87. Бюл. ¹ 41 (72) В.Б.Кудрявцев, В.Б.Титов, Н.И.Зуев и Д.П.Ракчеев (53) 531.7(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1325299, кл. G 01 В 21/00, 1985. (54) ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является расширение диапазона измерений за счет расширения диапазона перемещений световых зондов ° Преобразователь содержит источник света

1, последовательно установленные по ходу .светового луча теневую маску 2 с равновеликими участками и дифферен„„Я0„„1350497 А 1 циальный фотоприемник 3. выполненный в виде первого и второго фотопотенциометров 12, 13, первую и вторую мостовые схемы 4 и 6, коммутационный блок 8. Дифференциальный фотоприемник 3 включен к первую и вторую мостовые схемы 4 и 6 одновременно. Коммутационный блок 8 имеет возможность соединять второй вывод первого фотопотенциометра 12 с первым или вторым выводом фотопотенциометра 13, а также подключать первый вывод второго фотопотенциометра 13 непосредственно к измерительному плечу первой мостовой схемы 4 измерения, что позволяет увеличить размеры второго фотопотенциометра 13. Увеличение размеров фотопотенциометра 13 позволяет перемещать световые зонды На большую величину, что приводит к расширению диапазона измерений. 4 ил.

1350497

Изобретение относится к измерительной технике °

Цель изобретения — расширение диапазона измерений за счет расширения диапазона перемещений световых зондов.

На фиг. 1 изображена схема фото электрического преобразователя перемещений, на фиг. 2-4 — принципи- 10 альная схема фотоэлектрического преэбразователя перемещений при измерении перемещений по одной из осей координат и при проведении коррекции значений выходного сигнала. 15

Фотоэлектрический преобразователь содержит источник 1 света, последовательно установленные по ходу све-: тового луча теневую маску 2, связываемую с перемещающимся объектом, 20 дифференциальный фотоприемник 3, включенный в первую мостовую схему 4 измерения с цифровым вольтметром 5 в измерительной диагонали и во вторую мостовую схему 6 измерения с циф- 25 ровым вольтметром 7 в измерительной диагонали и коммутационный блок 8.

Теневая маска 2 содержит первый и второй прозрачные участки 9 и 10, выполненные симметричными относитель- 30 . но плоскости, перпендикулярной оси 11 чувствительности дифференциального фотоприемника 3, и имеющие форму прямоугольников, Дифференциальный фотоприемник 3 выполнен в виде 35 двух фотопотенциометров 12 и 13. Первый фотопотенциометр 12 оптически связан с первым прозрачным участком

9, второй фотопотенциометр 13 оптически связан со вторым прозрачным 40 участком 10. Каждый из фотопотенциометров 12 и 13 имеет нанесенные на диэлектрическую подложку 14 резистивные слои 15 и 16 и коллекторы 17 и

18, между которыми расположены фото- 45 проводящие слои 19 и 20. Резистивный слой 15 первого фотопотенциометра 12 имеет выводы 21 и 22, а резистивный слой 16 второго фотопотенциометра 13 имеет выводы 23 и 24.

На фотопроводящие слои 15 и 16 первого и второго фотопотенциометров

12 и 13. спроектированЬ| первый и вто. рой прозрачные участки 9 и 10 теневой маски 2, представляющие собой световые зонды 25, 26.

Коллекторы 17 и 18 фотопотенциометров 12 и 13 соединены с вольтметром 5.

Коммутационный блок 8 имеет два состояния и обеспечивает включение каждого из двух фотопотенциометров

12 и 13 дифференциального фотоприемника 3 в одно из плеч мостовой схемы

4 измерения. Первый фотопотенциометр

12 включен в мостовую схему 4 измерения в качестве первого рабочего плеча, второй потенциометр 13 — в качестве второго плеча.

В первом состоянии вывод 22 фотопотенциометра 12 соединен с выводом

23 фотопотенциометра 13 (фиг. 2).

Второй вывод 24 фотопотенциометра 13 через последовательно включенный резистор 27 соединен с вторым полюсом 28 источника напряжения. С первым полюсом 29 источника напряжения соединен первый вывод 21 фотопотенциометра 12. Во втором состоянии вывод 22 фотопотенциометра 12 соединен с выводом 24 фотопотенциометра 13 (фиг. 3). Вывод 23 фотопотенциометра

13 соединен с вторым полюсом 28 источника напряжения. Во вторую мостовую схему 6 измерения дифференциальный фотоприемник 3 включен постоянно в первое рабочее плечо (фиг. 4).

Преобразователь работает следующим образом.

Для преобразования однокоординат ных перемещений теневой маски 2 вдоль оси чувствительности дифференциального фотоприемника 3 коммутационный блок 8 должен находиться в первом состоянии. В этом случае первый и второй фотопотенциометры 12 и

13 дифференциального фотоприемника оказываются включенными в мостовую схему 4 измерения в качестве переменных резисторов ЗО и 31 соответственно.

Ток по первому фотоприемнику 12 протекает от вывода 21 по резистивному слою 15 до точки попадания светового зонда 25 на фотопроводящий слой 19, откуда через фотопроводящий мостик поступает на коллектор 17, доходит до фотопроводящего мостика в точке попадания светового зонда 26 на фотопроводящий слой 20, снова поступает на реэистивный слой 16, течет до вывода 24 и далее в мостовую схему 4 измерения. Таким образом, участок резистивкого слоя 15 первого фотопотенциометра 12 от точки попадания светового зонда 25 до вывода"22 и участок резистивного слоя 16

3 1350497 второго фотопотенциометра 13 от точки попадания светового зонда 26 до вывода 24 оказываются зашунтированными через сравнительно низкоомные фо5 топроводящие мостики и коллекторы 17 и 18. При перемещении теневой маски

2 изменяются длина шунтируемых участков резистивных слоев 15 и 16, что приводит к одновременному разнонаправленному изменению на одинаковую величину сопротивлений 30 и 31 (фиг. 2) и соответственно выходного напряжения мостовой схемы 4 измерения.

Это проявляется через изменение относительных сопротивлений рабочих плеч мостовой схемы д;= ЛВ/R,. i = 12, . где д К вЂ” часть сопротивления резис тивного слоя, заключенная

10 между геометрическим и электрическим центрами зон- . да;

R — сопротивление резистивного слоя.

Для наиболее полного устранения влияния погрешностей на конечный результат измерений должно быть одновременно реализовано не менее трех уравнений, связывающих неизвестные д,, Л, и входную величину Х(г.).

Входной величиной является относи-. тельное изменение сопротивлений плеч мостовой схемы (Е,, Е 1 = X(t).

Рассматривая режим работы измери25 тельного преобразователя, соответствующего питанию мостовой схемы от источника напряжения и работе на схему с большим входным сопротивлением, имеем функцию преобразования следую30 щего вида: ется.

В этом случае первый и второй фотопотенциометры 12 и 13 оказываются включенными в мостовую схему 4 измерения в качестве двух переменных резисторов 30 и 32 (фиг. 4). Шунтиро35 вание резистивногс слоя первого фотопотенциометра 12 осуществляется аналогично. Резистивный слой 16 второго фотопотенциометра 12 шунтируется от точки попадания светового зонда 26 на фотопроводящий слой 20 до вывода

23. При перемещении теневой маски 2 изменяется длина шунтируемых участков резистивных слоев 15 и 16 что приводит к одновременному однонаправ- 4 ленному изменению на одинаковую величину сопротивлений 30 и 32. При этом коэффициент симметрии мостовой схемы 4 останется таким же, как и при первом положении коммутационного

50 блока 8. Если значение выходного напряжения вольтметра 5 изменяется, то это свидетельствует о наличии относительной неоднородности фотопроводимости. Неоднородная фотопроводимость в пределах ширины зондовых областей 25 и 26 приводит к несовпадению геометрического и электрического ценров зонда. где V — - напряжение источника питания мостовой схемы;

P — коэффициент симметрии моста;

Г„,E — относительные изменения сопротивлений плеч мостовой схемы под действием входной величины Х(с).

Сопротивление Z первого рабочего плеча увеличивается на величину

Z„E,, а сопротивление Z второго рабочего плеча уменьшается на величину.

ZzE>. С учетом величин д, и д изменения сопротивлений равны Z E +

+ д,) и Z (E<+ Л ) соответственно.

Как следует из выражения (1) в первом состоянии коммутационного блока 8 функция преобразования мостовой схемы 4 эквивалентна линейному алгебраическому уравнению (1 — 7Р,) Е, + (1

+ (11 Р1 м,) д1 + (1,+ Р, )7

+ 1м)4 + (1+ м)д = (2) Для определения наличия под световыми зондами 25 и 26 относительной неоднородности фотопроводимости фотопроводящих слоев 19 и 20 и введения коррекции в значение выходного сигнала мостовой схемы 4 измерения при преобразовании перемещений коммутационный блок 8 должен находиться во втором состоянии. B этом состоянии показания цифрового вольтметра 7 не используются. Во время переключения световой зонд не перемещаVp 4

5 box p +

1350497

+ 1)Y Ч3

) У, Г(Р, Р2 (Рз + 1 (7) 1 эквиваленткоторое при Р, но выражению

= P>

20 Y КмV

4Уз

+ ум

У1 У1 з где (4)

25 (Pa + )) Y

Р ((Р 1)У Ч) (Р2 + 1)Y, 1 2 РУ

Ч1

Р2 + 1 У2

"2 Р V а

Р1+1У1

Y м1 Р

Y — показания цифрового вольтметра 5;

P — коэффициент симметрии мос1 товой схемы 4 измерения, Функция преобразования мостовой

10 схемы 6 измерения в первом состоянии коммутационного блока 8 соответствует функции преобразования мостовой схемы с одним первым рабочим плечом, Величина Я равна нулю вследствие

15 однонаправленного перемещения зондов на одинаковую величину. Относительное изменение сопротивления рабочего плеча равно д1, д

Как следует из (1) у. VP2 11 2 )

Р, + 1 Р, + 1+ Р,(,-d,) " что эквивалентно уравнению: где Y2 — показания цифрового вольтметра 8;

P> — коэффициент симметрии мосто30 вой схемы 7 измерения.

Функция преобразования мостовой схемы 4 измерения во втором состоянии коммутационного блока 8 соответствует функции преобразования мостовой схемы с двумя рабочими плечами. вследствие равнонаправлен- 40 ного перемещения зондов.

Относительное изменение сопротивления первого рабочего плеча равно

Л1, а второго " Д2, Коэффициент симметрии моста 5 равен Р .

Как следует из (1) ЧРЬ Ь1- 2 (5) РЬ+ 1 Рз+ 1 + Р54 Л2

) где Y — показания цифрового вольтметра 6; что эквивалентно уравнению (1 Р Ум ) 41 — (1 + Ум

= (Р, +1)Y, (6)

55 (Рз + 1) h где Y м Р

В результате решения системы уравнений (2), (4), (б) получают выражение (1-P,) Y) Р, V (Р„+ 1) У, + 1 — (Р + 1) —

У, P, V V (P2 + 1) Уг.

Р, ((Р, + 1) Y2 — V7

Рз (Р2 + 1) У2 Г(Ръ + 1) — Vj

Выражение (8) позволяет определить перемещение теневой маски 2 вдоль оси чувствительности фотопотенциометра с учетом погрешностей функционирования его частей.

Подключение первого вывода 23 фотоприемника 13 к второму полюсу 28 источника напряжения позволяет увеличить размеры второго фотопотенциометра 13, что увеличивает диапазон возможных перемещений световых зондов 23 и 26, а следовательно, и диапазон измерений.

Формула изобретения

Фотоэлектрический преобразователь перемещений, содержащий источник света, последовательно установленные по ходу светового потока теневую маску с первым и вторым равновеликими прозрачными участками и дифференциальный фотоприемник, первую и вторую мостовые схемы измерения, коммутационный блок, начало первого рабочего плеча первой мостовой схемы измерения соединено с началом рабочего плеча второй мостовой схемы измерения, концы второго рабочего плеча первой мостовой схемы и смежного рабочему плечу измерительного плеча второй мостовой схемы объединены, 7

7 3504 дифференциальный фотоприемник выполнен в виде первого и второго фотопотенциометров, каждый из которых включен в первое и второе смежные

5 рабочие плечи первой мостовой схемы соответственно и в рабочее плечо второй мостовой схемы измерения, прозрачные участки теневой маски выполнены симметрично относительности плоскости, перпендикулярной оси чувствительности дифференциального фотоприемника, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерений, коммутационный блок выполнен с возможностью подключения первого вывода второго потенциометра непосредственно к концу второго измерительного плеча первой мостовой схемы измерения и предназначен для поочередного включения во второе рабочее плечо первой мостовой схемы измерения второго потенциометра таким образом, что к измерительной диагонали второй мостовой схемы измерения.подключен первый или второй выводы второго фотопотенциометра.

Фиг. 5

1350497

Составитель Е,Глазкова

Техред Л.Олийнык Корректор A.Обручар

Редактор С,Патрушева

Заказ 5249/40

Тираж 677 Подписное

ВНИИПИ Государственногс комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная,