Оптоелектронний датчик кута повороту вала

Реферат: Оптоелектронний датчик кута повороту вала містить систему освітлення, фотоприймач, кодовий диск, який механічно зв'язаний з валом і систему з відбиваючими та невідбиваючими світло поверхнями, розміщеними на торці диска. Джерело випромінювання активується з різною періодичністю та тривалістю часу, світловий канал попадає перпендикулярно або під кутом на фотоприймач і може змінювати своє положення вздовж його активного елемента, що 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 світлового каналу відносно контактів активного елемента, робота підсилювача фотоструму, який з'єднаний з аналогово-цифровим перетворювачем, забезпечується мікропроцесором і синхронізована з джерелом випромінювання. UA 80956 U (12) UA 80956 U UA 80956 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до вимірювальної техніки, а саме до оптоелектронних перетворювачів кутових переміщень, що перетворюють величину кута обертання в аналогову електричну величину чи цифровий код, і може бути використаний для автоматизації вимірювання кутів в оптичному приладобудуванні, приладо- та машинобудуванні. Відомий [1] пристрій для вимірювання кута відхилення поверхні, що містить корпус із опорою, виконаною у вигляді двох центруючих призм, і стійку, на якій вертикально розміщений шток із можливістю вертикального переміщення вздовж стійки з закріпленою на ній стрілкою та вимірювальною шкалою. Контролююча деталь встановлюється на центруючі призми і закріплюється гвинтом. Стрілка за допомогою штока приводиться до контакту з контролюючою поверхнею деталі. У випадку відхилення поверхні деталі від бази стрілка вказує на круговій шкалі кут відхилення. За допомогою пружини шток повертається в початкове положення. Недоліком такого пристрою є проведення кутових вимірювань для обмеженої кількості деталей, наявність безпосереднього контакту з об'єктом положення якого визначається, виконання трудоємних операцій та складність конструкції, що обмежує область використання пристрою, знижує його надійність та не дозволяє вимірювати відхилення в локальній зоні з заданою точністю та врахуванням напрямків їх змін. Відомий [2] оптоелектронний датчик кута, що містить джерело світла, фотоприймач, електроди, які закріплені на фотоприймачу та забезпечують електричний контакт з ним, причому верхній електрод виконаний у вигляді провідних смуг змінного перерізу на поверхні фоточутливого матеріалу. Джерело світла створює на поверхні фотоприймача світлова пляма. При переміщенні плями по поверхні або зміна його розміру дискретно змінюється електричний сигнал на виході фотоприймача. Для кутових вимірювань використовуються два верхніх електроди, які розміщені взаємноперпендикулярно один одному на поверхні фоточутливого шару. Недоліком такого датчика є низька точність вимірювання кутових переміщень, вимірювання кута відхилення тільки для близько розміщених об'єктів та складність конструкції, що обмежує область використання датчика, знижує його надійність та не дозволяє вимірювати кути відхилення з заданою точністю. Відомий [3] датчик кута повороту вала, що вибраний як прототип, в якому є система з N фоточутливих елементів з контактами, кодовий диск або стрічка з прозорими та непрозорими для світла ділянками або з відбиваючими чи не відбиваючими світло ділянками, та система освітлення. Якщо система освітлення розташована напроти фоточутливих елементів з контактами, то датчик працює на просвічування і кодовий диск або стрічка мають прозорі та непрозорі для світла ділянки однакової ширини D. Якщо система освітлення та фоточутливі елементи розташовані у одній площині, датчик працює на відбивання світла і кодовий диск або стрічка мають ділянки, що відбивають або не відбивають світло. Ширина d та кількість N фоточутливих елементів, а також ширина ділянок на кодовому диску або стрічці D пов'язані співвідношенням Nd=(N-1)D. Електронна схема датчика перетворює сигнали від фотоприймачів у цифрові сигнали, які визначають положення вала і повторюються через 2N значень або після проходження кодовою стрічкою або диском відстані 2D. Такий датчик може вимірювати як відносні, так і абсолютні значення кута повороту валу. Недоліком датчика кута повороту вала є необхідність виготовлення кодового диску або кодової стрічки, проводити спеціальні заходи для виключення паразитного освітлювання фоточутливих елементів, розташованих поруч, тобто забезпечувати високу ступінь паралельності (колімування) світла від освітлювача або суттєве рознесення у просторі фоточутливих елементів, розташованих поруч. Крім того, при виході з ладу хоча б одного фоточутливого елемента або системи освітлення, прилад виходить з ладу, що суттєво зменшує його надійність. Такі датчики мають складну конструкцію, незначну область використання та надійність. 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 оптоелектронного датчика кута повороту вала, який підвищує надійність, розширює область його використання та дозволяє вимірювати абсолютні та відносні кути повороту вала з врахування напрямку їх змін при спрощенні конструкції. Поставлена задача вирішується тим, що оптоелектронний датчик кута повороту вала містить систему освітлення, фотоприймач, кодовий диск, який механічно зв'язаний з валом і систему з відбиваючими та невідбиваючими світло поверхнями, розміщеними на торці диска, джерело випромінювання активується з різною періодичністю та тривалістю часу, світловий 1 UA 80956 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 канал попадає перпендикулярно або під кутом на фотоприймач і може змінювати своє положення вздовж його активного елемента, що 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 світлового каналу відносно контактів активного елемента, робота підсилювача фотоструму, який з'єднаний з аналогово-цифровим перетворювачем, забезпечується мікропроцесором і синхронізована з джерелом випромінювання. Світловий канал, який згенерований джерелом випромінювання і попадає перпендикулярно або під кутом на фотоприймач, може змінювати своє положення вздовж його активного елемента, дозволяє проводити вимірювання абсолютних та відносних кутів повороту вала з врахування напрямку їх змін при розміщенні джерела випромінювання по відношенню до відбиваючих світло ділянок та фотоприймача в різних зонах конструкції, що розширює область використання оптоелектронного датчика 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 активного елемента 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 відбиваючої світло ділянки приводить до одночасної зміни положення світлового каналу вздовж активного елемента по відношенню до його контактів, то це приводить до зміни величини фотоерс на контактах фотоприймача та сигналу на вході підсилювача фотоструму. Така робота фотоприймача дозволяє вимірювати кутові або лінійні переміщення з заданою точністю та врахувати напрямки їх змін, що також розширює область використання датчика та підвищує його надійність без ускладнення конструкції. Самостійна робота джерела випромінювання з різною періодичністю й тривалістю часу при перебуванні мікропроцесора в режимі таймера та його синхронна робота з підсилювачем фотоструму й аналогово-цифрововим перетворювачем забезпечується мікропроцесором з різною періодичністю та тривалістю часу і дозволяє спростити електричну схему, що підвищує надійність датчика без ускладнення його конструкції. На фіг. 1 наведена залежність величини сигналу на вході підсилювача фотоструму від положення світлового каналу відносно контактів активного елемента фотоприймача. На фіг. 2 наведена функціональна схема оптоелектронного датчика кута повороту вала. Фотоприймач 1 містить корпус 2, який виготовлений із непрозорого для світлового випромінювання матеріалу з теплопровідною 3 підкладкою на якій розміщений активний 5 елемент, виготовлений з плоскопаралельної монокристалічної пластинки моносульфіду германію (GeS), легованого 0,5-1,0 ат. % сурми (Sb) з нанесеними компланарними контактами 6 і 8, які з'єднані з струмовиводами 7 і 9. Робоча сторона корпуса 2 має прозоре для світлового випромінювання вікно 4, проходячи через яке відбитий від відбиваючого 12 світло ділянки світловий А канал попадає на активний 5 елемент посередині між контактами 6 і 8. Вхід підсилювача 13 фотоструму з'єднано з струмовиводами 7 і 9 фотоприймача 1, а електричний вихід підключений до аналогово-цифрового 14 перетворювача, який з'єднаний з мікропроцесором 15. Робота підсилювача 13 фотоструму й аналогово-цифрового 14 перетворювача забезпечується мікропроцесором 15 з різною періодичністю й тривалістю часу та синхронізована з джерелом 10 випромінювання. Джерело 10 випромінювання, яке розміщене нерухомо, генерує світловий канал, який попадає перпендикулярно або під кутом на фотоприймач 1 і може змінювати своє положення відносно контактів 6 і 8 вздовж активного 5 елемента у випадку зміни положення відбиваючої 12 світло ділянки, яка знаходиться на кодовому диску 11. Оптоелектронний датчик кута повороту вала працює наступним чином. В початковий момент часу або у випадку появи спаду напруги на вході підсилювача 13 фотоструму, мікропроцесор 15 активує джерело 10 випромінювання, яке в свою чергу генерує світлове випромінювання у вигляді світлового А каналу, що відбившись від відбиваючої 12 світло ділянки, проходить через вікно 4 і попадає на активний 5 елемент посередині між контактами 6 і 8. Така поведінка світлового А каналу не зумовлює на електричному виході підсилювача 13 фотоструму появу напруги U0A (фіг. 1). У нашому випадку U0A =0 і приймається за величину опорної напруги для каналу А та передається на аналогово-цифровий 14 перетворювач, який генерує відповідний цифровий код для занесення його в пам'ять мікропроцесора 15. 2 UA 80956 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 У випадку, коли відбулося кутове переміщення вала відбиваючої 12 світло ділянки в одну з сторін, то відповідно пропорційно змінилося і положення світлового А каналу вздовж активного 5 елемента по відношенню до контактів 6 і 8, що привело до зміни фотоерс на виході фотоприймача 1. Одночасно мікропроцесор 15 запускає процес вимірювання величини і полярності напруги UA на виході підсилювача 13 фотоструму, яка передається на аналоговоцифровий 14 перетворювач і генерується відповідний цифровий код для занесення його в пам'ять мікропроцесора 15. Зміна полярності напруги U A дозволяє визначити напрями кутового переміщення вала, а різниця у значеннях величин напруг UA і U0A пропорційна величині кутового переміщення. При необхідності продовження вимірювань кутового переміщення вала відносно останнього положення відбиваючої 12 світло ділянки за величину опорної напруги U 0A мікропроцесор 15 вибирає величину останнього значення напруги UA. Якщо в процесі генерування світлового А каналу не відбулося кутового переміщення відбиваючої 12 світло ділянки то спад напруги на виході підсилювача 13 фотоструму рівний U 0A, мікропроцесор 15 переходить в режим таймера, а джерело 10 випромінювання продовжує працювати самостійно до появи спаду напруги на вході підсилювача 10 фотоструму. Робота мікропроцесора 15 з різною періодичністю та тривалістю часу задається апаратно або програмно, що разом із його роботою в режимі таймера забезпечує енергоефектівність оптоелектронного датчика. Така робота оптоелектронного датчика дозволяє вимірювати як відносні, так і абсолютні значення кута повороту вала. У випадку, коли на валу, що обертається, механічно закріплений кодовий 11 диск із рівномірно розмішеними на торці відбиваючими 12 та не відбиваючими світло ділянками, оптоелектронний датчик кута повороту вала може працювати як датчик стабілізації частоти обертання без ускладнення конструкції. В початковий момент часу одна з відбиваючих 12 світло ділянок знаходиться в такому положені, що світловий А канал відбившись від неї попадає на середину між контактами 8 і 6 активного 5 елемента фотоприймача 1. При співпаданні частоти обертання кодового 11 диску з частотою активації мікропроцесором 15 джерела 10 випромінювання відбиваюча 12 світло ділянка буде займати одне і теж положення по відношенню до фотоприймача 1, що відповідно забезпечить незмінне положення світлового А каналу по відношенню до контактів 6 і 8 активного 5 елемента. У випадку зміни частоти обертання кодового 11 диску, положення світлового А каналу зміниться, що приведе до зміни фотоерс на виході фотоприймача 1 та появи спаду напруги UA на виході підсилювача 13 фотоструму. Зміна полярності напруги U A дозволить мікропроцесору 15 визначити збільшення або зменшення частоти обертання, а різниця у значеннях величин напруг UA і U0A буде пропорційна величині зміни частоти. Кількість відбиваючих 12 світло ділянок на кодовому 11 диску та частота активації джерела 10 випромінювання визначають дискретність керування частотою обертання кодового 11 диску, що в свою чергу приводе до стабілізації частоти його обертання. 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 атомно-гладкими поверхнями розміром до 15 × 8x0,1 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 оптоелектронний датчик кута повороту вала підвищує надійність, розширює область його використання та дозволяє вимірювати абсолютні та відносні кути повороту вала з врахування напрямку їх змін при спрощенні конструкції. Джерела інформації: 1. Патент RU № 2142112. Устройство для измерения угла отклонения поверхности, MПK G01B 5/24. Опуб. 27.11.1999. 2. Патент DE №19937809. Оптоелектронний датчик кута, МПК G01D 5/26. Опуб. 15.02.2001. 3. Патент US №7026604 В2. Vernierscaled high-resolution encoder, МПК G01D 5/34. Опуб. 11.04.2006. 4. Блецкан Д.И. Кристаллические и стеклообразные халькогениды Si, Ge, Sn и сплавы на их основе. - Ужгород. ВАТ "Видавництво "Закарпаття»».-2004. -Т. І.-292 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 60 Оптоелектронний датчик кута повороту вала, що містить систему освітлення, фотоприймач, кодовий диск, який механічно зв'язаний з валом і систему з відбиваючими та невідбиваючими 3 UA 80956 U 5 світло поверхнями, розміщеними на торці диска, який відрізняється тим, що джерело випромінювання активується з різною періодичністю та тривалістю часу, світловий канал попадає перпендикулярно або під кутом на фотоприймач і може змінювати своє положення вздовж його активного елемента, що 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 світлового каналу відносно контактів активного елемента, робота підсилювача фотоструму, який з'єднаний з аналогово-цифровим перетворювачем, забезпечується мікропроцесором і синхронізована з джерелом випромінювання. Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 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