sposób przetwarzania zmian strumienia świetlnego na dwa sygnały
advertisement
ZECZPOSPOLITA OPIS PATENTOWY 153 557 Patent dodatkowy do patentu nr Int. Cl.5 G01B 11/00 POLSKA j^Ss^^mJ/(&$&., GO ID 5/36 Zgłoszono: 87 08 06 (P. 267213) CZYTELM Pierwszeństwo OGÓLNA URZĄD PATENTOWY RP Zgłoszenie ogłoszono: 89 02 20 Opis patentowy opublikowano: 1991 10 31 Twórca wynalazku: Tadeusz Karczmarczyk Uprawniony z patentu: Politechnika Warszawska, Warszawa (Polska) SPOSÓB PRZETWARZANIA ZMIAN STRUMIENIA ŚWIETLNEGO NA DWA SYGNAŁY ELEKTRYCZNE W OPTOELEKTRONICZNYM PRZETWORNIKU DO POMIARU DŁUGOŚCI LUB KĄTA Przedmiotem wynalazku jest sposób przetwarzania zmodulowanych wzorcem zmian strumienia świetlnego na dwa sygnały elektryczne w optoelektronicznym przetworniku do pomiaru długo¬ ści lub kąta. Pomiar ten polega na zamianie przemieszczenia trzpienia pomiarowego na ciąg zliczanych impulsów elektryczny eh. Z trzpieniem pomiarowym trwale związany jest oświetlony wzorzec współpracujący z przeciwwzorcem, generujący zmiany strumienia świetlnego. Wzorzec i przeciwwzorzec charakteryzują się okresowo zmiennym, wzdłuż jednego kierunku, rozkładem jasnych i ciemnych pól, tworzącym po przejściu strumienia świetlnego w przestrzeni za nimi prążki Moire\ Występujące w trakcie przesuwania wzorca cykliczne zmiany strumienia świetl¬ nego powodują proporcjonalne zmiany sygnału elektrycznego generowanego przez fotodetektor. Najczęściej przesuwający się wzorzec jest modulatorem czterech sygnałów periodycznych, z których drogą sumowania różnicowego tworzy się dwa okresowe przebiegi napięciowe lub prą¬ dowe pozbawione składowych stałych i przesunięte wzajemnie w fazie o 90°. Z sygnałów tych po ich wzmocnieniu, interpolacji, formowaniu kształtu prostokątnego, a następnie różnicz¬ kowaniu tworzy się ciąg impulsów zliczanych w liczniku i wyświetlanych w postaci cyfrowej na wyświetlaczu. W znanym rozwiązaniu układ detekcyjny zmian strumienia świetlnego składa się z równo od siebie odległych i ustawionych w jednej linii czterech fotoelementów. Przesunięcie fazowe 90° pomiędzy kolejnymi sygnałami wytwarzanymi przez foto elementy, zapewnione jest dzięki zachowaniu odległości środków sąsiednich fotoelementów, mierzonej w kierunku największych zmian rozkładu intensywności pola prążkowego za wzorcami równej czwartej części stałej prążka, gdzie przez stałą prążka rozumie się najkrótszy odcinek, w którym następuje cykli¬ czna zmiana sygnału optycznego pola prążkowego. Jeden z wyjściowych sygnałów elektrycznych tworzony jest przez odjęcie od sygnału z pierwszego fotoelementu, sygnału z fotoelementu trzeciego. Drugi okresowy sygnał elektryczny tworzony jest przez odjęcie od sygnału z dru153 557 2 153 557 giego fotoelementu, sygnału z fotoelementu czwartego• Odejmowanie sygnałów, w wyniku któ¬ rego eliminuje się składową stałą i dwukrotnie zwiększa amplitudę realizują operacyjne wzmacniacze różnicowe. Dwukrotny wzrost amplitudy wynika z faktu, że odejmowane sygnały przesunięte są względem siebie w fazie o 180 . Wadą tego rozwiązania jest to, że przy zmianie stałej prążka lub zmianie jego orienta¬ cji kątowej zmienia się także kąt przesunięcia fazowego pomiędzy sygnałami wyjściowymi układu detekcyjnego♦ Istota wynalazku polega na tym, że zmiany strumienia świetlnego detekuje się za pomo¬ cą pięciu fotoelementów i jeden z dwu sygnałów wyjściowych przetwornika tworzy się przez odjęcie od sygnału z fotoelementu środkowego sygnału będącego połową sumy sygnałów z fo¬ toelementów skrajnych, a drugi sygnał tworzy się z różnicy sygnałów z fotoelementów usy¬ tuowanych po obu stronach fotoelementu środkowego. Dzięki takiemu tworzeniu sygnałów wyjściowych przetwornika, są one pozbawione składowych stałych i są przesunięte względem siebie o 90° z wyeliminowaniem wpływu na to przesunięcie zarówno zmian stałej prążka jak i jego orientacji kątowej. Przedmiot wynalazku jest bliżej objaśniony w przykładzie wykonania zilustrowanym ry¬ sunkiem, który przedstawia schemat ideowy układu detekującego zmiany promieniowania świe¬ tlnego , Układ wyposażony jest w pięć fotoelementów 1, 2, 3f 4, 5 równo od siebie odległych i ustawionych w jednej linii, przy czym odległość pomiędzy środkami skrajnych fotoelemen¬ tów 1, 5, mierzona w kierunku największych zmian rozkładu intensywności pola prążkowego za wzorcami równa jest stałej prążka D. Sygnały prądowe z fotoelementu środkowego 3 i fotoelementów 2, 4, usytuowanych obok niego zamieniane są indywidualnie na sygnały napię¬ ciowe V2, V3, V4 w konwerterach prąd - napięcie K2, K3f K4. Natomiast sygnały prądowe z fotoelementów skrajnych 1, 5, po zsumowaniu zamieniane są na napięcie przez konwerter K1 o dwukrotnie mniejszym oporze R/2 sprzężenia zwrotnego w stosunku do oporów R sprzężenia zwrotnego dla pozostałych konwerterów K2f K3, K4. Ma to na celu zrównanie amplitud i składowych stałych. Sygnały napięciowe V2, V4, pochodzące z fotoelementów 2, 4, usytuowa¬ nych w sąsiedztwie fotoelementu 3 są odejmowane od siebie przez operacyjny wzmacniaoz różnicowy W1, na wyjściu którego uzyskuje się jeden z sygnałów wyjściowych przetworni¬ ka C(x). Drugi sygnał wyjściowy S(x) uzyskuje się na wyjściu wzmacniacza różnicowego W2 przez odjęcie od doprowadzonego na jego wejście napięcia V3 z fotoelementu środkowego 3 napięcia V1 powstałego z sumy prądów od fotoelementów skrajnych 1,5. W rezultacie otrzy¬ muje się dwa sygnały C(x), S(x) przesunięte w fazie o 90°. Symetria układu detekcji po¬ woduje, że zmiany stałej D prążków oraz zmiany ich orientacji kątowej nie wpływają na przesunięcie fazowe sygnałów - zmieniają się tylko amplitudy tych sygnałów. Zastrzeżenie patentowe Sposób przetwarzania zmian strumienia świetlnego na dwa sygnały elektryczne w opto¬ elektronicznym przetworniku do pomiaru długości lub kąta za pomocą fotoelementów usta¬ wionych w jednej linii i równo od siebie odległych, znamienny tym, że zmia¬ ny strumienia świetlnego detekuje się za pomocą pięciu fotoelementów (1, 2, 3, 4, 5) i jeden z dwu sygnałów elektrycznych /s(x)J tworzy się przez odjęcie od sygnału z fotoele¬ mentu środkowego (3), sygnału będącego połową sumy sygnałów z fotoelementów skrajnych (1, 5), a drugi sygnał/c(x)y tworzy się z różnicy sygnałów z fotoelementów (2, 4) usytuowa¬ nych po obu stronach fotoelementu środkowego (3). 153 557 U2 C(x) UA J? W1 YK2 f KA II C*l (Xl (*) (i / R U3 fV2 K r /ki £1 'K3 S(x) U1 -/W2
