Оптоэлектронный измеритель скорости движения объекта

 

Сущность изобретения: измеритель содержит источник излучения, частотный модулятор, оптическую систему, фотоприемник, усилитель, двухканальную логическую схему, счетчик импульсов, функциональный преобразователь. 1 ил. , 1 табл.

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в приборостроении для измерения скорости движущихся объектов.

Известно устройство измерения средней скорости движущегося объекта [1] , содержащее два канала с источниками света и приемными фотодиодами, расположенными перпендикулярно и по разные стороны его траектории. По интервалу времени между моментами перекрытий движущимся объектом световых потоков и длине базы между каналами определяется средняя скорость на заданном участке траектории. Недостатками устройства являются необходимость использования двух каналов и возможность определения только усредненной, а не мгновенной скорости.

Известно одноканальное устройство измерения скорости, содержащее полупроводниковый источник излучения световых волн с частотным модулятором его интенсивности свечения, усилитель электрических сигналов, два триггера, два формирователя, дешифратор, функциональный преобразователь, два элемента И, один из них - с инверсным выходом и счетчик импульсов, причем источник света оптически связан с фотоприемником, выход модулятора подключен к полупроводниковому источнику света и к первому входу логической схемы, а фотоприемник через усилитель подключен к второму входу логической схемы, выход которой через второй элемент И связан со счетчиком, причем логическая схема обеспечивает при подаче на ее входы синхронных сигналов одинакового уровня (включая нулевое значение) выходной сигнал одного уровня, а при подаче на ее входы сигналов разного уровня - выходной сигнал другого уровня [2] .

Однако логическая схема И-НЕ имеет недостатки, поскольку при включении питания на ее выходе устанавливается напряжение, соответствующее логической "1", при этом входы остальных элементов, подключенных к выходу И-НЕ, оказываются под напряжением с сосредоточением зарядов на n-p-переходах в области базы и коллектора, причем переходы эмиттер-база оказываются смещенными в прямом направлении. Все устройство в целом неоправданно усложнено применением компараторов, элементов И, триггеров, дешифратора, формирователей и функционального преобразователя, что существенно снижает быстродействие и надежность.

Цель изобретения - упрощение и повышение быстродействия при измерении гиперзвуковых скоростей объекта.

Цель достигается за счет того, что в оптоэлектронном измерителе скорости движущегося объекта, содержащем полупроводниковый источник излучения, подключенный к частотному модулятору интенсивности его свечения и оптически связанному с фотоприемником, выход которого через усилитель подключен к первому входу логической схемы, на второй вход которой подключен частотный модулятор интенсивности свечения, а выход логической схемы через двоичный счетчик подключен к функциональному преобразователю, логический элемент выполнен в виде четырехплечевого симметричного моста, первая и третья вершины которого через токоограничивающие резисторы подключены к разнополярным клеммам соответствующих источников питания равной величины, вторая вершина моста, образованная смежными плечами, каждое из которых состоит из одинаковых резисторов, подключенная к двоичному счетчику и через сопротивление нагрузки - к нулевой шине, при этом общая точка соединения сопротивления нагрузки и нулевой шины является четвертой вершиной моста, образованной двумя другими смежными плечами, каждое из которых состоит соответственно из последовательно соединенных диода и резистора, общие точки соединения которых подключены соответственно к аноду третьего и к катоду четвертого диодов, катод и анод которых являются первым и вторым входами логического элемента.

На чеpтеже представлена схема измерителя.

Оптоэлектронное устройство для измерения скорости движущегося объекта содержит полупроводниковый источник 1 излучения, периодически изменяющий его интенсивность частотный модулятор 2, короткофокусный конденсатор 3 и объектив 4, фокусирующий излучение источника в пятно малых размеров на движущемся объекте 5 внутри камеры, снабженной оптическими окнами 6. Регистрирующая часть измерителя содержит приемную оптическую систему с объективом 7, апертурной диафрагмой 8 и окуляром 9, проектирующей световой поток в размер фоточувствительного элемента фотоприемника 10. Напряжение на его выходе, колеблющееся с частотой модуляции, устанавливается равным напряжению модулятора с помощью усилителя 11, после чего оба сигнала поступают на двухканальную логическую схему 12, к выходу которой подключен счетчик 13 импульсов и функциональный преобразователь 14.

Логическая схема 12 выполнена в виде четырехплечевого симметричного моста, первая и третья вершины которого через токоограничивающие резисторы 15, 16 подключены к разнополярным клеммам 17, 18 соответствующих источников питания равной величины Е. Вторая вершина моста, образованная смежными плечами, каждое из которых состоит из одинаковых резисторов 19, 20, подключена к двоичному счетчику 13 и через сопротивление нагрузки 21 - к нулевой шине 22. Общая точка соединения сопротивления нагрузки и нулевой шины является четвертой вершиной моста, образованной двумя другими смежными плечами, каждое из которых состоит соответственно из последовательно соединенных диода 23 и резистора 24, диода 25 и резистора 26. Общая точка соединения диода 23 и резистора 24 подключена к аноду диода 27, катод которого является первым входом логического элемента. Общая точка соединения диода 25 и резистора 26 подключена к катоду диода 28, анод которого является вторым входом логического элемента. К первому входу логического элемента подключен через усилитель 11 выход фотоприемника, к второму входу - частотный модулятор 2 интенсивности свечения.

Чем меньше калибр движущегося тела, тем в меньшее пятно на нем должно фокусироваться излучение. Отсюда необходимость применения предложенных нами оптических фокусирующих средств. До и после пролета объекта регистрации расходящийся световой пучок должен быть снова сфокусирован на приемном окне фотодиода. Точность измерения возрастает с увеличением концентрации излучения источника в пятно малых размеров. Наблюдаемые на практике диаметры световых пучков в фокусе обычно составляют от 100 до 200 мкм для линз с фокусным расстоянием порядка 10 см. Минимальная ширина незатененного луча в точке пересечения траектории с оптической осью измерителя, при которой устойчиво запускается счетчик, составляет 0,01 мм, что для малых тел величиной 1 мм составляет 1% .

Логический элемент 12 выpабатывает выходной сигнал Х, который связан с входными сигналами А и Б определенной логической операцией. Если А - сигнал от модулятора полупроводникового излучателя. Б - сигнал с фотодиода на выходе операционного усилителя, то результат логической операции или зависимость между входными и выходными сигналами должна характеризоваться следующей таблицей истинности. N n/n А: Б : Х : 1 0 0 0 2 1 0 1 3 0 1 1 4 1 1 0 Этой таблице соответствует логическая операция ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ.

Для увеличения скорости выполнения логической операции по отбору событий, не совпадающих по времени с импульсами некоторой селектирующей последовательности, например модуляции интенсивности излучателя с частотой свыше 1 ГГц, потребовалось применение только диодно-резисторной логики на основе СВЧ-диодов.

Основные требования к конструкции логической схемы, удовлетворяющей ранее приведенной таблице истинности: идентичность диодов 23 и 25; попарное равенство сопротивления резисторов 15 и 16; 19 и 20, 24 и 26; равенство токов i_А= i_Б, а также U_А, U_Б>lEl. Даже в случае неравенства токов в пределах 10% имеет место лишь незначительный сдвиг нуля выходного напряжения на нагрузке U_вых ≅ 2,5 мВ. Правильное функционирование логической схемы зависит от качества источников тока i_Аи i_Б, их высокого выходного сопротивления и стабильности.

Оптоэлектронный измеритель скорости движущегося объекта работает следующим образом. Предположим для определенности, что параметры логической схемы таковы: R₁₅= R₂₁= 1 к; R₁₉= R₂₄= 100 Ом или, например, R₁₅= R₂₁= 10 к; R₁₉= R₂₄= 1 к. В нормальном состоянии диоды 23 и 25 открыты. При подаче положительного сигнала U_А от модулятора или отрицательного сигнала U_Б с усилителя соответствующие диоды запираются, мост перестает быть сбалансированным и возрастает выходное напряжение U_вых. Возможны следующие режимы.

Если включено питание логической схемы, но отключены полупроводниковый лазер 1 и модулятор 2, то сигналы сравниваемых последовательностей импульсов U_А= U_Б= 0 и напряжение на нагрузке U_вых= 0. Это соответствует поз. N 1 таблицы истинности.

При полной готовности измерителя к работе до появления движущегося объекта в заданной точке А траектории на оба входа логической схемы синфазно подаются обе группы импульсов от модулятора и усилителя, т. е. U_А>E, U_Б<-E. При их совпадении напряжение на выходе логической схемы U_вых 0, выход схемы заперт и на вход счетчика импульсы не поступают (поз. N 4 таблицы истинности).

С началом перекрытия движущимся объектом светового пучка источника импульсы от фотоприемника прекращаются, т. е. U_Б= 0, импульсы от модулятора проходя на вход логической схемы А, т. е. U_А>Е и напряжение на выходе логической схемы U + Е/2 (поз. N 2 таблицы истинности). Импульсы амплитудой + Е/2 поступают в счетчик, который считает их число вплоть до момента пролета движущимся объектом пятна источника, когда вновь начинается освещение фоточувствительного элемента фотоприемника, напряжение на входе счетчика становится равным U 0 и счет числа импульсов прекращается.

Если U_А= 0, U_Б<-Е, то U-Е/2 (поз. N 3 таблицы истинности). Этот случай практической ценности не имеет.

Если показание счетчика равно n импульсов, то для частоты модуляции f время пролета объекта мимо сфокусированного в заданной точке оси траектории пятна источника равно n/f или d/v, т. е. vn= fd, где d, v - размер и скорость объекта. Если каким-либо образом определен размер объекта, тогда его скорость v= fd/n. Последняя операция выполняется функциональным преобразователем 14. (56) 1. Викторов В. В. , Караджали Т. М. , Чурсин А. С. ПТЭ, N 5, 1983, с. 212.

2. Авторское свидетельство СССР N 1278712, кл. G 01 P 3/36, 1985.

Формула изобретения

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ОБЪЕКТА , содеpжащий полупpоводниковый источник излучения, подключенный к частотному модулятоpу интенсивности его свечения и оптически связанный с фотопpиемником, выход котоpого чеpез усилитель подключен к пеpвому входу логической схемы, на втоpой вход котоpой подключен частотный модулятоp интенсивности свечения, выход логической схемы чеpез двоичный счетчик подключен к функциональному пpеобpазователю, отличающийся тем, что с целью упpощения и повышения быстpодействия пpи измеpении гипеpзвуковых скоpостей, логический элемент выполнен в виде четыpехплечевого симметpичного моста, пеpвая и тpетьи веpшины котоpого чеpез токоогpаничивающие pезистоpы подключены к pазнополяpным клеммам соответствующих источников питания pавной величины, втоpая веpшина моста, обpазованная смежными плечами, каждое из котоpых состоит из одинаковых pезистоpов, подключена к двоичному счетчику и чеpез сопpотивление нагpузки - к нулевой шине, пpи этом общая точка соединения сопpотивления нагpузки и нулевой шины является четвеpтой веpшиной моста, обpазованной двумя дpугими смежными плечами, каждое из котоpых состоит, соответственно, из последовательно соединенных диода и pезистоpа, общие точки соединения котоpых подключены, соответственно, к аноду тpетьего и катоду четвеpтого диодов, катод и анод котоpых являются пеpвым и втоpым входами логического элемента.

РИСУНКИ

Рисунок 1