Оптический датчик перемещений

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля или измерения линейных размеров. Оптический датчик перемещений содержит светодиод, первый и второй фотоприемники, подвижный отражающий экран и измерительный шток. Первый фотоприемник освещается отраженным от подвижного экрана световым потоком, который создается светодиодом. Отражающая поверхность подвижного экрана выполнена в виде вогнутого сферического зеркала. Оптическая ось зеркала наклонена к оптической оси светодиода на угол, при котором при наибольшем перемещении обеспечивается максимальная освещенность первого фотоприемника. Второй фотоприемник имеет постоянную регулируемую оптическую связь со светодиодом. Выход второго фотоприемника соединен с выходом первого фотоприемника последовательно и встречно. Изобретение позволяет упростить конструкцию оптического датчика перемещений и повысить его точность. 3 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в других областях техники для контроля или измерения линейных или небольших перемещений.

Известен оптический датчик перемещений, содержащий фотоприемник, четыре светодиода, расположенные симметрично относительно оптической оси фотоприемника, отражатель, закрепленный на объекте измерения, и оптическую собирающую систему, выполненную в виде пяти линз (см. патент RU N 2044264 по классу G 01 B 11/00, Б.И. N 26 за 1995 год). Недостатком этого датчика является сложность конструкции, ее громоздкость и возможность появления погрешностей измерения из-за нестабильности световых потоков светодиодов.

Известен оптический датчик перемещений, содержащий последовательно установленные источник излучения, коллиматор, отражатель, связанный с объектом измерения, объектив и приемный блок, причем отражатель выполнен в виде усеченной триппель-призмы (см. а.с. РФ N 1765689 по классу G 01 B 11/00, Б.И. N 36 за 1992 год). Недостаток этого датчика связан с погрешностью измерения, появляющейся из-за нестабильности светового потока источника излучения.

Наиболее близким по технической сущности и предлагаемому оптическому датчику перемещений является оптический датчик линейных перемещений, содержащий световой источник излучения, два фотоприемника, отражающую поверхность, первую собирающую линзу и дополнительную собирающую линзу, установленную по ходу излучения после первой собирающей линзы (см. а.с. РФ N 1613850 по классу G 01 B 11/00, Б.И. N 46 за 1990 год). Недостатком этого датчика является сложность конструкции и погрешность измерения, связанная с нестабильностью светового потока источника излучения.

Целью настоящего изобретения является упрощение конструкции оптического датчика перемещений и повышение его точности.

Поставленная цель достигается тем, что в известном оптическом датчике перемещений, содержащем светодиод, два фотоприемника и подвижный отражающий экран, отражающая поверхность последнего выполнена в виде вогнутого сферического зеркала, оптическая ось которого наклонена к оптической оси светодиода на угол, при котором при наибольшем перемещении экрана обеспечивается максимальная освещенность первого фотоприемника, а второй фотоприемник имеет постоянную оптическую связь со светодиодом с возможностью ее регулировки, причем выход второго фотоприемника соединен с выходом первого фотоприемника последовательно и встречно.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется следующим.

Экспериментально исследована зависимость выходного сигнала фотоприемника от перемещения плоского отражающего экрана с помощью установки, схема которой представлена на фиг. 1. Установка содержит светодиод 1, фотоприемник 2, в качестве которого использовался фотодиод, и подвижный отражающий экран 3, плоскость которого перпендикулярна оптической оси светодиода. Торцевые части светодиода и фотоприемника расположены в плоскости 4.

График зависимости выходного сигнала фотоприемника от расстояния L между плоскостью 4 и подвижным экраном 3 показан на фиг.2. На этом графике можно выделить два характерных участка I и II.

На участке 1 выходной сигнал фотоприемника с ростом расстояния L увеличивается и в точке А достигает максимума. Рост выходного сигнала фотоприемника при увеличении расстояния L на этом участке объясняется возрастанием освещенности фотоприемника. Светодиод 1 (см. фиг. 1) имеет определенную диаграмму направленности излучения, показанную пунктиром 5. При увеличении расстояния L до отражающего экрана 3 лучи светодиода, имеющие большую яркость, начинают попадать на светочувствительную площадку фотоприемника. Например, луч "a" на фиг. 1. При малом расстоянии L этот луч на светочувствительную площадку фотоприемника уже не попадает (луч "b" на фиг. 1).

В точке А (см. фиг.2) освещенность фотоприемника достигает максимального значения и далее с ростом расстояния L начинает уменьшаться по известному в оптике закону обратно пропорционально квадрату расстояния.

Участок I зависимости U_вых=f(L) составляет 3-4 мм и может быть использован для измерения малых перемещений или линейных размеров. Для линеаризации характеристики на этом участке необходимо увеличить освещенность фотоприемника в конце диапазона перемещения. С этой целью подвижный отражающий экран выполнен в виде вогнутого сферического зеркала, оптическая ось которого наклонена к оптической оси светодиода на некоторый угол, при котором в конце диапазона перемещения экрана фотоприемник окажется в фокусе сферического зеркала, вследствие чего освещенность фотоприемника возрастает.

На фиг.3 представлен чертеж конструкции предлагаемого оптического датчика перемещений. Оптический датчик перемещений содержит светодиод 1, первый фотоприемник 2, второй фотоприемник 3, подвижный отражающий экран 4 и измерительный шток 5, с помощью которого воспринимаются измеряемые перемещения L_x объекта измерения.

Рабочие торцевые поверхности светодиода и первого фотоприемника лежат в одной плоскости, а отражающая поверхность подвижного экрана 4 выполнена в виде вогнутого сферического зеркала, оптическая ось которого наклонена к оптической оси светодиода на угол а, при котором при максимальном перемещении экрана 4 фотоприемник 2 окажется в фокусе сферического зеркала.

Второй фотоприемник 3 имеет постоянную оптическую связь со светодиодом 1 и может перемещаться в осевом направлении, что позволяет изменять его освещенность.

Выходные клеммы первого и второго фотоприемников включены последовательно и встречно.

Оптический датчик перемещений работает следующим образом.

При начальном положении измерительного штока 5, когда подвижный экран 4 находится на минимальном расстоянии от светодиода 1, перемещением второго фотоприемника 3 добиваются нулевого значения выходного сигнала датчика. В этом случае начальный сигнал первого фотоприемника 2 компенсируется сигналом второго фотоприемника 3 и характеристика датчика будет проходить через начало координат.

В дальнейшем при перемещении измерительного штока 5 и увеличении расстояния между экраном 4 и светодиодом 1 освещенность первого фотоприемника возрастает, а освещенность второго фотоприемника 3 остается неизменной, поэтому выходной сигнал датчика будет увеличиваться пропорционально перемещению измерительного штока.

В конце диапазона измерения освещенность фотоприемника 2 увеличивается еще дополнительно за счет того, что его светочувствительная площадка окажется в фокусе сферического вогнутого зеркала, что обеспечивает высокую линейность характеристики датчика.

Предлагаемый оптический датчик перемещений отличается простотой конструкции и миниатюрностью, так как в нем отсутствуют оптические линзы, используемые для формирования световых потоков.

Выполнение отражающей поверхности подвижного экрана в виде вогнутого сферического зеркала и поворот оптической оси этого зеркала на некоторый угол относительно оптической оси светодиода позволили линеаризовать характеристику датчика и тем самым повысить его точность.

Применение второго фотоприемника, имеющего постоянную оптическую связь со светодиодом, и соединение выходов первого и второго фотоприемников последовательно и встречно позволило исключить погрешности датчика, связанные с непостоянством напряжения питания светодиода или изменением яркости свечения светодиода.

Формула изобретения

Оптический датчик перемещений, содержащий светодиод, два фотоприемника и подвижный отражающий экран, оптически связывающий светодиод с первым фотоприемником, отличающийся тем, что отражающая поверхность подвижного экрана выполнена в виде вогнутого сферического зеркала, оптическая ось которого наклонена к оптической оси светодиода на угол, при котором при наибольшем перемещении обеспечивается максимальная освещенность первого фотоприемника, а второй фотоприемник имеет постоянную оптическую связь со светодиодом с возможностью ее регулировки, причем выход второго фотоприемника соединен с выходом первого фотоприемника последовательно и встречно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3