ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ПРОХОЖДЕНИЯ МЕТКИ
PHOTOELECTRIC MARK TRACKING DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к устройствам контроля перемещения объектов с использованием отраженного света относительно контрастной метки, нанесенной на объект. Устройство может быть использовано в бесконтактных средствах контроля линейных или угловых перемещений, например для контроля скорости вращения в условиях различного внешнего освещения.
Известно фотоэлектрическое устройство контроля, содержащее светоизлучающий элемент, фотоэлектрический элемент, первый вывод которого соединен с шиной питания, а второй соединен через первый резистор с общей шиной и с прямым входом компаратора и через второй резистор с инверсным входом компаратора, который через третий и четвертый резисторы соединен с шиной питания и с общей шиной, которая через конденсатор с инверсным входом компаратора, выход которого является выходом устройства [Robert J. Widla. Precision IС Comparator Runs from +5V Logic Supply Introduction. National Semiconductor. Application Note 41, October 1970, ашп. 7, page 4].
Данное техническое решение имеет ограниченную область применения, поскольку порог срабатывания компаратора зависит только от среднего уровня освещения, который может сильно меняться как от величины внешнего светового фона, так и от величины светового потока светоизлучающего элемента, скважности световых импульсов, связанных с прохождением метки и величины контрастности отражающей поверхности объекта и метки (окружающих элементов оптического пути от светоизлучающего элемента к фотоэлектрическому элементу).
Известно фотоэлектрическое устройство контроля, содержащее светоизлучающий элемент, фотоэлектрический элемент, выход которого через усилитель и детектор соединен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с шиной опорного сигнала, а выход компаратора является выходом устройства [Patent US 4327362, НКИ 340/347, МКИ G08C 19/36, 1978].
Недостатком этого устройства является ограниченная область применения и относительно низкая достоверность функционирования, поскольку на работоспособность устройства значительное воздействие оказывает соотношение контрастностей и размеров контролируемого объекта и метки, а также условия внешнего освещения.
Известно фотоэлектрическое устройство контроля, содержащее светоизлучающий элемент, фотоэлектрический элемент, выход которого соединен через первый резистор с общей шиной и через первый конденсатор с инверсным входом компаратора, выход которого является выходом устройства, а прямой вход компаратора соединен с шиной порогового сигнала [Patent US 3924253, НКИ 340/258, MКИ G08B 13/18, 1975].
Недостатком этого устройства является ограниченная область применения и относительно низкая достоверность функционирования, поскольку на работоспособность устройства значительное воздействие оказывает соотношение контрастностей и размеров контролируемого объекта и метки, а также условия внешнего освещения, так как конденсатор хотя и снижает влияние постоянного смещения в зависимости от светоотражающих свойств объекта, необходимо вручную регулировать величину порогового сигнала, а чувствительность фотоэлектрического элемента зависит от уровня внешнего освещения.
Известно фотоэлектрическое устройство контроля, содержащее светоизлучающий элемент, фотоэлектрический элемент, выход которого соединен через RC цепь и первый резистор с шиной питания и прямым входом компаратора, инверсный вход которого соединен с выходом делителя на резисторах задания порогового уровня [Patent US 5241306, fig. 4, НКИ 340/870, МКИ G08C 19/16, 1993].
Недостатком этого устройства является ограниченная область применения и относительно низкая достоверность функционирования, поскольку на работоспособность устройства значительное воздействие оказывает соотношение контрастностей и размеров контролируемого объекта и метки, а также условия внешнего освещения.
Известно фотоэлектрическое устройство контроля прохождения метки, содержащее светоизлучающий элемент, фотоэлектрический элемент, выход которого соединен через первый резистор с общей шиной, содержащее также компаратор, выход которого является выходом устройства, прямой вход компаратора соединен с входом узла выборки максимального значения, выход которого соединен с первым входом узла суммирования-деления, выход которого соединен с инверсным входом компаратора, второй вход узла суммирования-деления соединен с выходом узла выборки минимального значения [Patent US 5877615?, НКИ 323/313 МКИ G05F 3/16, 1999].
Недостатком этого устройства, которое наиболее близко к предложенному по своему функционированию и конструктивным признаком и выбрано в качестве прототипа, является относительно низкая его достоверность функционирования. Действительно, в этом устройстве узлы выборки минимального и максимального значений соединены последовательно и управляются общим сигналом выборки и хранения зависящим от результата сравнения текущего значения входного сигнала и только одного из хранимых значений, что позволяет выделит только соседние минимум и максимум. Поскольку скорость перемещения объекта с меткой может меняться в значительных пределах, а световой поток имеет флуктуации возможно появление ложных локальных минимумов и максимумов, особенно при пересечении световым лучом области границы метки. Для таких локальных минимумов и максимумов, с незначительным перепадам значений, будет формироваться некорректное значение порога, что приведет к недостоверному функционированию всего устройства.
Предлагаемое техническое решение направлено на обеспечение надежной фиксации прохождения метки в широком диапазоне соотношений скоростей перемещения, соотношений геометрических размеров метки и промежутков между ними, а также в широком диапазоне уровней внешней фоновой подсветки и соотношений контрастности метки и поверхности объекта, что позволяет расширить область применения и повысить достоверность функционирования.
Получение указанного технического результата обеспечивается тем, что в фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки, содержащем светоизлучающий элемент, фотоэлектрический элемент, выход которого соединен через первый резистор с общей шиной, содержащем также компаратор, выход которого является выходом устройства, прямой вход компаратора соединен с входом узла выборки максимального значения, выход которого соединен с первым входом узла суммирования-деления, выход которого соединен с инверсным входом компаратора, второй вход узла суммирования-деления соединен с выходом узла выборки минимального значения, вход узла выборки минимального значения соединен с входом узла выборки максимального значения и с выходом усилителя, вход которого соединен с выходом фотоэлектрического элемента.
Другое отличие состоит в том, что в фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки светоизлучающий элемент содержит светодиод, катод и анод которого соединены соответственно с общей шиной и шиной задания тока питания.
Другое отличие состоит в том, что в фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки, светоизлучающий элемент содержит лазерный диод, катод и анод которого соединены соответственно с общей шиной и шиной задания тока питания.
Другое отличие состоит в том, что в фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки светоизлучающий элемент содержит светодиод, катод и анод которого соединены соответственно с общей шиной и выходом стабилизатора тока, который соединен через блокирующий конденсатор с общей шиной, которая соединена с общим выводом стабилизатора тока, вход которого соединен с шиной питания.
Другое отличие состоит в том, что в фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки фотоэлектрический элемент выполнен в виде фототранзистора, коллектор которого соединен с шиной питания, а эмиттер является выходом фотоэлектрического элемента.
Другое отличие состоит в том, что в фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки фотоэлектрический элемент выполнен в виде составного фототранзистора, коллектор которого соединен с шиной питания, а эмиттер является выходом фотоэлектрического элемента.
Другое отличие состоит в том, что в фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки фотоэлектрический элемент выполнен в виде фотодиода, катод которого соединен с шиной питания, а анод является выходом фотоэлектрического элемента.
Другое отличие состоит в том, что в фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки фотоэлектрический элемент выполнен в виде фотодиода, катод которого соединен с шиной питания через блокировочный резистор и с общей шиной через дополнительный блокировочный конденсатор, а анод фотодиода является выходом фотоэлектрического элемента.
Другое отличие состоит в том, что в фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки усилитель содержит операционный усилитель, прямой вход которого является входом усилителя, выход которого соединен с выходом операционного усилителя, который через первый вспомогательный резистор соединен с инверсным входом операционного усилителя, который через второй вспомогательный резистор соединен с общей шиной.
Другое отличие состоит в том, что в фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки усилитель выполнен на операционном усилителе, прямой вход которого является входом усилителя, выход которого соединен с выходом операционного усилителя и его инверсным входом.
Другое отличие состоит в том, что в фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки узел выборки максимального значения содержит первый операционный усилитель, прямой вход которого является входом узла выборки максимального значения, выход которого соединен с катодом первого дополнительного диода, инверсным входом первого дополнительного операционного усилителя и через первый дополнительный конденсатор с общей шиной, а анод первого дополнительного диода соединен с выходом первого дополнительного операционного усилителя.
Другое отличие состоит в том, что в фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки узел выборки минимального значения содержит второй операционный усилитель, прямой вход которого является входом узла выборки минимального значения, выход которого соединен с анодом второго дополнительного диода, инверсным входом второго дополнительного операционного усилителя и через второй дополнительный конденсатор с общей шиной, а катод второго дополнительного диода соединен с выходом второго дополнительного операционного усилителя.
Другое отличие состоит в том, что в фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки узел выборки максимального значения содержит первый дополнительный диод, анод и катод которого являются соответственно входом и выходом узла выборки максимального значения, выход которого через первый дополнительный конденсатор соединен с общей шиной.
Другое отличие состоит в том, что в фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки узел выборки минимального значения содержит второй дополнительный диод, катод и анод которого являются соответственно входом и выходом узла выборки минимального значения, выход которого через второй дополнительный конденсатор соединен с общей шиной.
Другое отличие состоит в том, что в фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки узел выборки максимального значения, содержит первый дополнительный компаратор, прямой вход которого соединен с входом первого аналогового ключа, управляющий вход и выход которого соединены соответственно с выходом первого дополнительного компаратора и выходом узла выборки максимального значения, выход которого соединен с инверсным входом первого дополнительного компаратора и через первый дополнительный конденсатор с общей шиной, а прямой вход первого дополнительного компаратора является входом узла выборки максимального значения.
Другое отличие состоит в том, что в фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки узел выборки минимального значения содержит второй дополнительный компаратор, инверсный вход которого соединен с входом второго аналогового ключа, управляющий вход и выход которого соединены соответственно с выходом второго дополнительного компаратора и выходом узла выборки минимального значения, выход которого соединен с прямым входом второго дополнительного компаратора и через второй дополнительный конденсатор с общей шиной, а инверсный вход второго дополнительного компаратора является входом узла минимального значения.
Другое отличие состоит в том, что в фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки узел суммирования деления содержит первый и второй входы, которые соединены соответственно через первый и второй резисторы суммирования с первым выводом резистора делителя, второй вывод которого соединен с общей шиной, выход узла суммирования деления соединен с выходом операционного усилителя узла суммирования - деления, который через резистор обратной связи соединен с инверсным входом операционного усилителя узла суммирования-деления, который через регулирующий резистор соединен с общей шиной, а прямой вход операционного усилителя узла суммирования-деления соединен с первым выводом резистора делителя.
Другое отличие состоит в том, что в фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки узел суммирования-деления содержит первый и второй входы, которые соединены соответственно через первый и второй резисторы суммирования с первым выводом резистора делителя, второй вывод которого соединен с общей шиной, выход узла суммирования деления соединен с первым выводом резистора делителя.
Другое отличие состоит в том, что в фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки узел суммирования деления содержит первый и второй входы, которые соединены соответственно через первый и второй резисторы суммирования с первым выводом резистора делителя, второй вывод которого соединен с общей шиной, выход узла суммирования деления соединен с выходом и инверсным входом операционного усилителя узла суммирования-деления, а прямой вход операционного усилителя узла суммирования-деления соединен с первым выводом резистора делителя.
Предлагаемое решение поясняется рисунками на фиг. 1-14.
На фиг 1 приведен пример структурной схемы устройства.
На фиг. 2-13 приведены примеры других вариантов схем выполнения отдельных элементов и узлов устройства.
На фиг. 14 представлены временные диаграммы сигналов, поясняющие работу устройства.
Фотоэлектрическое устройство контроля прохождения метки, показанное на фиг. 1, содержит светоизлучающий элемент 1, фотоэлектрический элемент 2, выход которого соединен через первый резистор 3 с общей шиной 4, содержит также компаратор 5, выход которого является выходом 6 устройства, прямой вход компаратора 5 соединен с входом узла выборки максимального значения 7, выход которого соединен с первым входом узла суммирования-деления 8, выход которого соединен с инверсным входом компаратора 5, второй вход узла суммирования-деления 8 соединен с выходом узла выборки минимального значения 9, вход узла выборки минимального значения 9 соединен с входом узла выборки максимального значения 7 и с выходом усилителя 10, вход которого соединен с выходом фотоэлектрического элемента 2.
Устройство воспринимает отраженный луч света от поверхности метки 11 и поверхности контролируемого объекта 12.
В фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки светоизлучающий элемент 1, как показано на фиг. 2, содержит светодиод 13, катод и анод которого соединены соответственно с общей шиной 4 и шиной 14 задания тока питания.
В фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки, показанном на фиг. 2, светоизлучающий элемент 1 содержит лазерный диод 13, катод и анод которого соединены соответственно с общей шиной 4 и шиной 14 задания тока питания.
В фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки, показанном на фиг. 3, светоизлучающий элемент 1 содержит светодиод 13, катод и анод которого соединены соответственно с общей шиной 4 и выходом стабилизатора 15 тока, который соединен через блокирующий конденсатор 16 с общей шиной 4, которая соединена с общим выводом стабилизатора 15 тока, вход которого соединен с шиной питания 17.
В фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки, показанном на фиг. 1, фотоэлектрический элемент 2 выполнен в виде фототранзистора, коллектор которого соединен с шиной питания, а эмиттер является выходом фотоэлектрического элемента 2.
В фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки фотоэлектрический элемент 2, показанный на фиг. 4, выполнен в виде составного фототранзистора 18, коллектор которого соединен с шиной питания 17, а эмиттер является выходом фотоэлектрического элемента 2.
В фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки фотоэлектрический элемент 2 выполнен, как показано на фиг. 5, в виде фотодиода 19, катод которого соединен с шиной питания 17, а анод является выходом фотоэлектрического элемента 2.
В фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки, как показано на фиг. 6, фотоэлектрический элемент 2 выполнен в виде фотодиода 19, катод которого соединен с шиной питания 17 через блокировочный резистор 20 и с общей шиной 4 через дополнительный блокировочный конденсатор 21, а анод фотодиода 19 является выходом фотоэлектрического элемента 2.
В фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки, показанном на фиг. 1, усилитель 10 содержит операционный усилитель 22, прямой вход которого является входом усилителя 10, выход которого соединен с выходом операционного усилителя 22, который через первый вспомогательный резистор 23 соединен с инверсным входом операционного усилителя 22, который через второй вспомогательный резистор 24 соединен с общей шиной 4.
В фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки, как показано на фиг. 7, усилитель 10 выполнен на операционном усилителе 22, прямой вход которого является входом усилителя 10, выход которого соединен с выходом операционного усилителя 22 и его инверсным входом.
В фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки, показанном на фиг. 1, узел выборки максимального значения 7 содержит первый операционный усилитель 25, прямой вход которого является входом узла выборки максимального значения 7, выход которого соединен с катодом первого дополнительного диода 26, инверсным входом первого дополнительного операционного усилителя 25 и через первый дополнительный конденсатор 27 с общей шиной 4, а анод первого дополнительного диода 26 соединен с выходом первого дополнительного операционного усилителя 25.
В фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки, показанном на фиг. 1, узел выборки минимального значения 9 содержит второй операционный усилитель 28, прямой вход которого является входом узла выборки минимального значения 9, выход которого соединен с анодом второго дополнительного диода 29, инверсным входом второго дополнительного операционного усилителя 28 и через второй дополнительный конденсатор 30 с общей шиной 4, а катод второго дополнительного диода 29 соединен с выходом второго дополнительного операционного усилителя 28.
В фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки узел выборки максимального значения 7, как показано на фиг. 8, содержит первый дополнительный диод 26, анод и катод которого являются соответственно входом и выходом узла выборки максимального значения 7, выход которого через первый дополнительный конденсатор 27 соединен с общей шиной 4.
В фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки по узел выборки минимального значения 9, как показано на фиг. 9, содержит второй дополнительный диод 29, катод и анод которого являются соответственно входом и выходом узла выборки минимального значения 9, выход которого через второй дополнительный конденсатор 30 соединен с общей шиной 4.
В фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки узел выборки максимального значения 7, как показано на фиг. 10, содержит первый дополнительный компаратор 31, прямой вход которого соединен с входом первого аналогового ключа, 32 управляющий вход и выход которого соединены соответственно с выходом первого дополнительного компаратора 31 и выходом узла выборки максимального значения 7, выход которого соединен с инверсным входом первого дополнительного компаратора 31 и через первый дополнительный конденсатор 27 с общей шиной 4, а прямой вход первого дополнительного компаратора 31 является входом узла выборки максимального значения 7.
В фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки узел выборки минимального значения 9, как показано на фиг. 11, содержит второй дополнительный компаратор 33, инверсный вход которого соединен с входом второго аналогового ключа 34, управляющий вход и выход которого соединены соответственно с выходом второго дополнительного компаратора 33 и выходом узла выборки минимального значения 9, выход которого соединен с прямым входом второго дополнительного компаратора 33 и через второй дополнительный конденсатор 30 с общей шиной 4, а инверсный вход второго дополнительного компаратора 33 является входом узла минимального значения 9.
Узел суммирования деления 8, как показано на фиг. 1, содержит первый и второй входы, которые соединены соответственно через первый 35 и второй 36 резисторы суммирования с первым выводом резистора делителя 37, второй вывод которого соединен с общей шиной 4, выход узла суммирования деления соединен с выходом операционного усилителя 38 узла суммирования-деления, который через резистор 39 обратной связи соединен с инверсным входом операционного усилителя 38 узла суммирования-деления, который через регулирующий резистор 40 соединен с общей шиной 4, а прямой вход операционного усилителя 38 узла суммирования-деления соединен с первым выводом резистора 37 делителя.
Узел суммирования деления 8, как показано на фиг. 12, содержит первый и второй входы, которые соединены соответственно через первый 35 и второй 36 резисторы суммирования с первым выводом резистора делителя 37, второй вывод которого соединен с общей шиной 4, выход узла суммирования деления соединен с первым выводом резистора 37 делителя.
Узел суммирования деления 8, как показано на фиг. 13, содержит первый и второй входы, которые соединены соответственно через первый 35 и второй 36 резисторы суммирования с первым выводом резистора 37 делителя, второй вывод которого соединен с общей шиной 4, выход узла суммирования деления соединен с выходом и инверсным входом операционного усилителя 38 узла суммирования-деления, а прямой вход операционного усилителя 38 узла суммирования-деления соединен с первым выводом резистора 37 делителя.
Устройство работает следующим образом.
Светоизлучающий элемент 1 формирует луч света, направленный на поверхность контролируемого объекта 12, например вал роторного механизма. Нанесенная на поверхность метка 11 отличается по своим отражательным свойствам для света от поверхности ваобъекта и при прохождении метки величина отраженного света, воспринимаемого фотоэлектрическим элементом 2, меняется, что позволяет определить момент прохождения метки в виде изменения выходного сигнала устройства на выходе 6.
Для различных поверхностей и метод, а также в зависимости от расстояния устройств от поверхности контролируемого объекта величина светового сигнала может изменяться в широких пределах. Кроме того, на фотоэлектрический элемент также воздействует посторонний свет от источников искусственного и естественного освещения как отраженный от поверхности, так и в виде внешнего фона. В связи с изложенным, использовать контроль при постоянном, один раз установленном пороге срабатывания компаратора 5, который формирует выходной сигнал прохождения метки в большом числе случаев нельзя. В предлагаемом устройстве формируется оценка сигналов соответствующих минимальному и максимальному значению соответствующих наличию или отсутствию метки на пути отраженного светового луча.
Отраженный световой луч воздействует на фотоэлектрический элемент, на выходе которого изменяется напряжение, которое формирует сигнал от изменений тока через резистор 3. Поскольку величина сигналов на выходе фотоэлектрического элемента обычно невелика, целесообразно их усилить, используя усилитель 10, что позволит более рационально использовать возможный динамический диапазон входных сигналов. Другое назначение усилителя 10 состоит в подавлении влияния возможной нагрузки на выход фотоэлектрического элемента 2, если узлы выборки максимального и минимального значения характеризуются сравнительно большими входными токами. В этом случае усилитель 10 может представлять просто повторитель, как показано на фиг. 7.
max
min
Выходной сигнал усилителя поступает на входы узлов 7 и 9, которые выбирают и сохраняют на своем выходе соответственно максимальное U и минимальное U значения сигналов. Узлы 7 и 9 обеспечивают быструю реакцию на появление соответственно большого (максимального) и низкого (минимального) уровней сигналов, которые сохраняются на конденсаторах 27 и 30 соответственно и на выходах узлов. Поскольку разряд конденсаторов происходит существенно медленнее благодаря как собственных утечек, так и входных токов узла 8 при выполнении контроля можно принять, что напряжения на входах последнего соответствуют приблизительно текущим максимальному и минимальному значениям отклика на прохождение метки и при имеющейся внешней засветке фотоэлектрического элемента 2.
Узел суммирования - деления 8 формирует на своем выходе текущее значение порога
Это пороговое напряжение используется для выделения сигнала прохождения метки компаратором 5.
На фиг. 14 приведены временные диаграммы сигналов на входах компаратора 5 при различных уровнях внешнего освещения. Сплошными линиями показаны сигналы на прямом входе компаратора 4 при низком 431, среднем 2 и высоком уровне 43 засветки и соответствующие им формируемые на инверсном входе компаратора 5 пороговые напряжения 44-46, показанные пунктирными линиями.
Поскольку пороговое значение практически не зависит от соотношения времени наличия и отсутствия метки, обеспечивается расширение области применения и высокая достоверность работы, даже если изменения уровня сигналов от внешней засветки превышают изменения сигналов, соответствующие наличию и отсутствию метки на пути распространения луча света.