АДАПТИВНОЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ПРОХОЖДЕНИЯ МЕТКИ
ADAPTIVE PHOTOELECTRIC MARK TRACKING DEVICE

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 IC Comparator Runs from +5V Logic Supply Introduction. National Semiconductor. Application Note 41, October 1970, fig. 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 на оптическом 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, приор. 23.10.1978, опубл. 27.04.1982].
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, МКИ: G08B 13/18, приор. 16.01.1974, опуб. 02.12.1975].
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, приор. 06.08.1991, опубл. 31.08.1993].
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 адаптивное фотоэлектрическое устройство контроля прохождения метки, содержащее источник света, первый и второй фотоэлектрические элементы, выходы которых соединены через соответственно первый и второй резисторы с общей шиной, а также компаратор, выход которого является выходом устройства [Patent US 5877615, НКИ 323/313, МКИ G05F 3/16, приор. 06.11.1997, опубл. 02.03.1999, Fig. 6].
Недостатком этого устройства, которое наиболее близко к предложенному по своему функционированию и конструктивным признакам 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 выделить 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 адаптивном фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки, содержащем источник света, первый и второй фотоэлектрические элементы, выходы которых соединены через соответственно первый и второй резисторы с общей шиной, а также компаратор, выход которого является выходом устройства, первый и второй фотоэлектрические элементы расположены в одной плоскости с меткой, а выходы первого и второго фотоэлектрических элементов соединены через соответственно третий и четвертый резисторы с инверсным и прямым входами компаратора, которые через соответственно пятый и шестой резисторы соединены с общей шиной и первыми выводами седьмого и восьмого резисторов, вторые выводы которых соединены с общей шиной и выходом компаратора.
Другое отличие состоит в том, что в адаптивном фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки первый и второй фотоэлектрические элементы выполнены в виде фототранзисторов, коллекторы которых соединены с шиной питания, а эмиттеры являются выходами фотоэлектрических элементов.
Другое отличие состоит в том, что в адаптивном фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки первый и второй фотоэлектрические элементы выполнены в виде фотодиодов, катоды которых соединены с шиной питания, а аноды являются выходами фотоэлектрических элементов.
Другое отличие состоит в том, что в адаптивном фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки первый и второй фотоэлектрические элементы выполнены в виде дифференциальной фотодиодной пары, катоды которых объединены и соединены с шиной питания, а аноды являются выходами первого и второго фотоэлектрических элементов.
Другое отличие состоит в том, что в адаптивном фотоэлектрическом устройстве контроля прохождения метки первый и второй фотоэлектрические элементы выполнены в виде дифференциальной фототранзисторной пары, коллекторы которых объединены и соединены с шиной питания, а эмиттеры являются выходами первого и второго фотоэлектрических элементов.
Предлагаемое решение поясняется фиг. 1-4.
На фиг. 1 приведен пример структурной схемы устройства.
На фиг. 2-4 приведены примеры других вариантов схем выполнения фотоэлектрических элементов и узлов устройства.
Адаптивное фотоэлектрическое устройство контроля прохождения метки 1 в виде контрастной области на движущемся объекте 2, например на валу, содержит источник света 3, первый 4 и второй 5 фотоэлектрические элементы, выходы которых соединены через соответственно первый 6 и второй 7 резисторы с общей шиной 8, а также компаратор 9, выход которого является выходом 10 устройства. Первый 4 и второй 5 фотоэлектрические элементы расположены в одной плоскости с меткой 1, а выходы первого 4 и второго 5 фотоэлектрических элементов соединены через соответственно третий 11 и четвертый 12 резисторы с инверсным и прямым входами компаратора 9, которые через соответственно пятый 13 и шестой 14 резисторы соединены с общей шиной 8 и первыми выводами седьмого 15 и восьмого 16 резисторов, вторые выводы которых соединены с общей шиной 8 и выходом компаратора 9.
Первый 4 и второй 5 фотоэлектрические элементы, как показано на фиг. 1, выполнены в виде фототранзисторов 17 и 18, коллекторы которых соединены с шиной питания 19, а эмиттеры являются выходами фотоэлектрических элементов 4 и 5.
Первый 4 и второй 5 фотоэлектрические элементы, как показано на фиг. 2, могут быть выполнены в виде фотодиодов 20 (21), катоды которых соединены с шиной питания 19, а аноды являются выходами фотоэлектрических элементов 4 (5).
Первый 4 и второй 5 фотоэлектрические элементы, как показано на фиг. 3, могут быть объединены и выполнены в виде дифференциальной фотодиодной пары 22, катоды которых объединены и соединены с шиной питания 19, а аноды являются выходами первого и второго фотоэлектрических элементов 4 и 5.
Первый 4 и второй 5 фотоэлектрические элементы, как показано на фиг. 4, могут быть объединены и выполнены в виде дифференциальной фототранзисторной пары 23, коллекторы которых объединены и соединены с шиной питания 19, а эмиттеры являются выходами первого и второго фотоэлектрических элементов 4 и 5.
Устройство работает следующим образом.
Резисторы 16 и 15 выполняют функцию делителя напряжения для выходного сигнала компаратора 9. Резистор 14 с выхода этого делителя подает часть выходного напряжения компаратора 9 на его прямой вход, обеспечивает наличие гистерезиса. Если отраженные от метки 1 или от поверхности тела 2 световые потоки, состоящие как из внешнего освещения, так и от света от источника 3, приблизительно одинаковые, фотоэлектрические элементы 4 и 5 формируют близкие по величине сигналы, поступающие на инверсный и прямой входы компаратора 9, состояние которого и-за наличия гистерезиса не изменяется.
Состояние компаратора изменяется при прохождении края метки через луч от элемента 3.
Если метка 1 имеет более высокую отражающую способность, чем поверхность тела 2, и движется, например, вниз мимо устройства, как показано на чертеже, то при приближении метки 1 первоначально будет освещен фотоэлектрический элемент 4, на выходе которого формируется сигнал, устанавливающий компаратор 9 по выходу в нулевое состояние, которое сохраняется во время прохождения метки. Когда мимо устройства проходит другой край метки, фотоэлектрический элемент 4 менее освещен, а фотоэлектрический элемент 5 открыт и разность сигналов вызывает переключение компаратора в единичное состояние.
Таким образом, в рассматриваемом случае прохождение метки фиксируется как нулевой логический сигнал на выходе компаратора. Если метка движется в обратном направлении, ее прохождение фиксируется как единичный логический сигнал на выходе компаратора. Таким образом, не только обеспечивается обнаружение прохождения метки, но и по длительностям сигналов можно оценить направление движения метки, если протяженности метки и интервалов между ними не одинаковы.
Поскольку предлагаемое устройство реагирует не на сам уровень сигналов от фотоэлектрических элементов 4 и 5, а на их разность, устройство малочувствительно к уровню внешней засветки и соотношению такой засветки и яркости собственного источника 3.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает расширение области применения и функциональных возможностей, а также достоверности функционирования в условиях разного внешнего освещения.