Двоканальний оптоелектронний датчик переміщення

Реферат: Двоканальний оптоелектронний датчик переміщення містить джерела випромінювання, фотоприймач, рухомий оптичний. Елемент, який відрізняється тим, що імпульсні джерела випромінювання, які почергово створюють незалежні світлові канали з різною періодичністю та тривалістю часу, закріплені на різних рухомих підкладках напроти вікон фотоприймача, активний елемент якого виготовлений з плоскопаралельної монокристалічної пластинки моносульфіду германію (GeS), легованого 0,5-1,0 ат. % сурми (Sb), величина та полярність напруги на виході фотоприймача залежить від положення світлових каналів біля його контактів, вікнами фотоприймача є лінзи, у фокусі яких розміщений активний елемент. UA 80954 U (12) UA 80954 U UA 80954 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до пристроїв контрольно-вимірювальних приладів, які відрізняються оптичними засобами вимірювання, а саме оптоелектронних датчиків, що забезпечують вимірювання лінійних або малих переміщень, та може бути використана у приладо- та машинобудуванні, а також в авіаційній та космічній промисловості. Відомий [1] оптичний датчик переміщення, який містить корпус для з'єднання з нерухомою частиною об'єкта, розташовані в ньому послідовно джерело світла, шторку зі скошеною крайкою й фотоелектричний перетворювач, при цьому шторка встановлена перпендикулярно світловому потоку з можливістю переміщення у своїй площині й з'єднана з рухомою частиною об'єкта, фотоелектричний перетворювач виконаний у вигляді лінійки фотоелементів зі схемами керування й зчитування інформації, шторка встановлена з можливістю переміщення перпендикулярно осі лінійки, а її скошена крайка розміщена під кутом до зазначеної осі, при цьому площини лінійки й шторки паралельні. Технічним результатом є підвищення точності вимірювань. Недоліком такого оптичного датчика переміщення є наявність багатьох фотоелементів зі схемами керування й зчитування інформації, що значно понижує надійність такого датчика та ускладнює його конструкцію. Крім того він не дозволяє вимірювати локальні переміщення з заданою точністю в діапазоні малих переміщень за рахунок набору дискретних фотоелементів у вигляді лінійки та вимірювання в декількох зонах без ускладнення конструкції. Відомий [2] датчик лінійних переміщень, що містить джерело світлового випромінювання й послідовно розташовані по ходу випромінювання конденсатор, пропускаючу дифракційну решітку, що має дві групи розгорнутих одні відносно інших на кут 0 штрихів, рухливу відбивну дифракційну решітку, що скріплюється з об'єктом, чотири лінзи, розташовані попарно за кожною групою штрихів, і чотири фотоприймачі, розташовані у фокусах лінз, групи штрихів пропускаючої решітки зміщені одні відносно інших уздовж бісектриси кута розвороту, у парах фотоприймача з лінзами встановлені уздовж напрямки бісектриси кута й включені зустрічно, при цьому пари рознесені в напрямку, перпендикулярному бісектрисі кута таким чином, що фазове зміщення між сигналами фотоприймачів, розташованих у цьому напрямку, дорівнює 90°, а кут розвороту q між групами штрихів визначається з формули q=d/D, де d постійна проникної решітки; D - відстань між оптичними осями лінз. Технічним результатом є зниження жорсткості вимог до виготовлення вузлів датчика й приладу, у який він установлюється, та підвищення точності вимірів. Недоліком такого датчика лінійних переміщень є наявність конденсора та багатьох фотоприймачів із схемами керування та лінзами, пропускаючу та рухливу відбивну дифракційні решітки, що понижує надійність такого датчика та ускладнює його конструкцію. Крім того він не дозволяє вимірювати локальні переміщення з заданою точністю в діапазоні малих переміщень в декількох зонах без ускладнення конструкції. Відомий [3] оптичний датчик переміщень, який вибрано як прототип, що містить світлодіод, два фотоприймачі й рухливий екран, що відбиває, оптично з'єднаний світлодіод з першим фотоприймачем, поверхня, що відбиває, рухливого екрана виконана у вигляді ввігнутого сферичного дзеркала, оптична вісь якого нахилена до оптичної осі світлодіода на кут, при якому при найбільшому переміщенні забезпечується максимальна освітленість першого фотоприймача, а другий фотоприймач має постійний оптичний зв'язок із світлодіодом з можливістю її регулювання, причому вихід другого фотоприймача з'єднаний з виходом першого фотоприймача послідовно й зустрічно. Технічним результатом є спрощення конструкції оптичного датчика переміщення та підвищення його точності. Недоліком такого оптичного датчика переміщення є велика нелінійність залежності сигналу фотоприймача від відстані до рухомого екрану, що приводить до ускладнення обробки отриманої інформації та конструкції в цілому, а також відсутність можливості проводити вимірювання переміщення з заданою точністю в декількох зонах без ускладнення конструкції. Відомо [4], що наявність неоднорідностей різних типів та пов'язаного з ними потенціального рельєфу суттєво впливає на властивості нерівноважних напівпровідників, створюючи значні флуктуації електростатичного потенціалу, що приводить до фотовольтаїчних ефектів. Задачею корисної моделі є розробка такого двоканального оптоелектронного датчика переміщення, який має розширену область використання та дозволяє вимірювати локальні малі переміщення з заданою точністю незалежно у двох зонах досліджуваної конструкції з врахування напрямків їх змін без ускладнення конструкції. Поставлена задача вирішується тим, що двоканальний оптоелектронний датчик переміщення, що містить джерела випромінювання, фотоприймач, рухомий оптичний елемент, імпульсні джерела випромінювання, які почергово створюють незалежні світлові канали з різною періодичністю та тривалістю часу, закріплені на різних рухомих підкладках напроти вікон 1 UA 80954 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 фотоприймача, активний елемент якого виготовлений з плоскопаралельної монокристалічної пластинки моносульфіду германію (GeS), легованого 0,5-1,0 ат. % сурми (Sb), величина та полярність напруги на виході фотоприймача залежить від положення світлових каналів біля його контактів, вікнами фотоприймача є лінзи у фокусі яких розміщені активні елементи. Використання двох імпульсних джерел випромінювання, які почергово створюють незалежні світлові канали з різною періодичністю та тривалістю часу і розміщені напроти фотоприймача на окремих рухомих підкладках в різних зонах вимірювання локального переміщення, дозволяє значно розширити область використання двоканального оптоелектронного датчика переміщення без ускладнення його конструкції. Фотоприймач містить активний елемент у вигляді плоскопаралельної монокристалічної пластинки з моносульфіду германію (GeS), легованого сурмою (Sb) в кількості 0,5-1,0 ат. %, з нанесеними компланарними омічними контактами, при освітленні якої світловим каналом виникає фотоерс. Фотоерс досягає максимального значення при розміщенні світлового каналу біля одного з контактів і зменшується по мірі переміщення світлового каналу в бік другого контакту, приймаючи нульове значення посередині між ними, після чого, змінивши полярність на протилежну, знову зростає і досягає максимального значення біля другого контакту. Так як зміна положення джерела випромінювання, закріпленого на підкладці в зоні вимірювання локального переміщення, приводить до одночасної зміни положення світлового каналу на поверхні активного елемента по відношенню до його контактів, то це приводить до зміни величини фотоерс на контактах фотоприймача та сигналу на вході підсилювача фотоструму. Для підвищення чутливості фотоприймача на його корпусі розміщені лінзи у фокусі яких знаходиться активний елемент. Така робота фотоприймача дозволяє використати два незалежні світлові канали в різних зонах вимірювання локального переміщення з врахування напрямку їх змін, що значно розширює область використання двоканального оптоелектронного датчика переміщення без ускладнення його конструкції. На фіг. 1 наведена залежність величини сигналу на вході підсилювача фотоструму від положення світлового каналу між контактами фотоприймача. На фіг. 2 наведена функціональна схема двоканального оптоелектронного датчика переміщення. Фотоприймач 1 двоканального оптоелектронного датчика переміщення містить корпус 2, який виготовлений із непрозорого для світлового випромінювання матеріалу з теплопровідною 3 підкладкою на якій розміщений активний 6 елемент, виготовлений з плоскопаралельної монокристалічної пластинки моносульфіду германію (GeS), легованого 0,5-1,0 ат. % сурми (Sb) з нанесеними компланарними контактами 7 і 9, які з'єднані з струмовиводами 8 і 10. Робоча сторона корпуса 2 має дві фокусуючи лінзи 4 і 5, які розміщені таким чином, що світлові канали А і Б проходячи через них попадають на активний 6 елемент відповідно біля контактів 9 і 7. Вхід підсилювача 11 фотоструму з'єднано з струмовиводами 8 і 10 фотоприймача 1, а електричний вихід підключений до блоку 12 обробки інформації, який синхронізований з роботою імпульсних джерел 13 і 14 випромінювання, що розміщені напроти фотоприймача 1 та закріплені на різних рухомих підкладках 15 і 16, що знаходяться в зонах локального переміщення. Двоканальний оптоелектронний датчик переміщення працює наступним чином. В початковий момент часу активується імпульсне джерело 13 випромінювання, яке закріплене на рухомій підкладці 15 в першій зоні локального переміщення та генерує світловий імпульс, що утворює світловий канал А, який пройшовши через фокусуючу 4 лінзу попадає на активний 6 елемент біля контакту 9 і зумовлює на виході фотоприймача 1 появу фотоерс певної полярності та величини, яка активує блок 12 обробки інформації. Одночасно, на електричному виході підсилювача 11 фотоструму утворюється напруга U0A тієї ж полярності та пропорційна величині фотоерс на виході фотоприймача 1, яка приймається за опорну напругу для каналу А. Величина та полярність напруги на виході підсилювача 11 фотоструму передається на блок 12 обробки інформації, який генерує відповідний цифровий код для занесення його в пам'ять. Коли спад напруги на виході підсилювача 11 фотоструму рівний U 0A блок 12 обробки інформації переходить в режим таймера. В інший момент часу активується імпульсне джерело 14 випромінювання, яке закріплене на рухомій підкладці 16 в другій зоні локального переміщення та генерує світловий імпульс, що утворює світловий канал Б, який пройшовши через фокусуючу 5 лінзу попадає на активний 6 елемент біля контакту 7 і зумовлює на виході фотоприймача 1 появу фотоерс іншої полярності та величини, яка активує блок 12 обробки інформації. Одночасно, на електричному виході підсилювач 11 фотоструму утворюється напруга U0Б тієї ж полярності та пропорційна величині фотоерс на виході фотоприймача 1, яка приймається за опорну напругу для каналу Б. Величина та полярність напруги на виході підсилювача 11 фотоструму передається на блок 12 обробки 2 UA 80954 U 5 10 15 20 25 30 35 40 інформації, який генерує відповідний цифровий код для занесення його в пам'ять. Коли спад напруги на виході підсилювача 11 фотоструму рівний U0Б блок 12 обробки інформації переходить в режим таймера. У випадку, коли відбулися переміщення в локальних зонах, то положення джерел 13 і/або 14 випромінювання, які знаходяться у відповідних зонах, пропорційно змінилося і привело до зміни в тій же площині положень світлових каналів А і/або Б по відношенню до контактів 9 і/або 7 активного 6 елемента, що привело до зміни фотоерс на виході фотоприймача 1 і вмиканню блока 12 обробки інформації та вимірюванню величин і полярностей напруг відповідно UА та UБ на виході підсилювача 11 фотоструму. Відповідні величини та полярності напруг на виході підсилювача 11 фотоструму передаються на блок 12 обробки інформації, який генерує відповідні цифрові коди для занесення їх в пам'ять. Робота блока 12 обробки інформації з різною періодичністю та тривалістю часу задається апаратно або програмно та синхронізована з джерелами 13 і 14 випромінювання, що забезпечує незалежне вимірювання переміщень в локальних зонах з різною періодичністю та тривалістю часу. Збільшення або зменшення величини напруг UА та UБ по відношенню до відповідних величин опорних напруг U 0A і U0Б дозволяє визначити напрями переміщення в локальних зонах, а різниця у значеннях величин напруг UА і UБ та відповідно U0A і U0Б пропорційна величині переміщення. Чутливість та діапазон вимірюваних переміщень двоканального оптоелектронного датчика переміщення, що заявляється, можна змінювати незалежно по світлових каналах А і Б, розміщуючи їх таким чином, щоб вони в початковий момент часу попадали на активний 6 елемент біля відповідних контактів 9 і 7 на різних відстанях до них (фіг 1). Плоскопаралельна монокристалічна 6 пластинка моносульфіду германію (GeS), легованого 0,5-1,0 ат. % сурми (Sb), вирощена із газової фази методом статичної сублімації в герметично запаяних попередньо відкачаних кварцових ампулах. Габітус кристалів - плоскопаралельні пластинки з природними атомногладкими поверхнями розміром до 15 × 8 × 0,1 мм. На поверхню (001) одержаної монокристалічної пластинки наносилися компланарні індієві контакти. Лінійність вольт-амперних характеристик при освітленості контактів пластинки та в темноті підтверджує омічність контактів [4]. Ширина світлового зонда не перевищувала 0,5 мм. Запропонований двоканальний оптоелектронний датчик переміщення має просту конструкцію, розширену область використання та дозволяє вимірювати локальні малі переміщення з заданою точністю незалежно у різних зонах досліджуваної конструкції з врахування напрямків їх змін. Джерела інформації:. 7 1. Патент RU №2226670. Оптический датчик перемещений, МПК G01B 11/00. Опуб. 10.04.2004. 6 2. Патент RU №2086913. Датчик линейных перемещений, МПК G01B11/00. Опуб. 10.08.1997. 7 3. Патент RU №2164662. Оптический датчик перемещений, МПК G01B 11/00. Опуб. 27.03.2001. 4. Блецкан Д.И. Кристаллические и стеклообразные халькогениды Si, Ge, Sn и сплавы на их основе. - Ужгород. ВАТ "Видавництво "Закарпаття".-2004. -Т. 1.-292 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 Двоканальний оптоелектронний датчик переміщення, що містить джерела випромінювання, фотоприймач, рухомий оптичний елемент, який відрізняється тим, що імпульсні джерела випромінювання, які почергово створюють незалежні світлові канали з різною періодичністю та тривалістю часу, закріплені на різних рухомих підкладках напроти вікон фотоприймача, активний елемент якого виготовлений з плоскопаралельної монокристалічної пластинки моносульфіду германію (GeS), легованого 0,5-1,0 ат. % сурми (Sb), величина та полярність напруги на виході фотоприймача залежить від положення світлових каналів біля його контактів, вікнами фотоприймача є лінзи, у фокусі яких розміщений активний елемент. 3 UA 80954 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4