Оптоелектронний датчик

Реферат: Оптоелектронний датчик містить джерело випромінювання світлового каналу, фотоприймач, рухомий оптичний елемент виконано у вигляді вигнутої дзеркальної поверхні, розміщеної на рухомому елементі з можливістю кутового або лінійного переміщення, фотоприймач складається з корпусу, виготовленого з непрозорого для світлового випромінювання матеріалу з прозорим для світлового випромінювання вікном робочої сторони. Всередині корпусу розміщена теплопровідна прокладка, на якій розміщено активний елемент, виготовлений з плоскопаралельної монокристалічної пластинки моносульфіду германію (GeS), легованого 0,51,0 ат. % сурми (Sb) з нанесеними компланарними контактами, які з'єднані з струмовиводами, що з'єднані з входом підсилювача фотоструму, електричний вихід якого підключений до аналого-цифрового перетворювача, що з'єднаний з мікропроцесором. При цьому робота підсилювача фотоструму забезпечена мікропроцесором і синхронізована з джерелом випромінювання таким чином, що джерело випромінювання може бути активоване з різною періодичністю та тривалістю часу, світловий канал попадає перпендикулярно або під кутом на фотоприймач і може змінювати своє положення вздовж його активного елемента, а величина та полярність напруги на виході фотоприймача залежить від положення світлового каналу відносно контактів активного елемента. UA 105856 C2 (12) UA 105856 C2 UA 105856 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід 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 трудомістких 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 фотоприймачі 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 взаємно перпендикулярно 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 вала. Недоліком датчика кута повороту вала є необхідність виготовлення кодового диска або кодової стрічки, проводити спеціальні заходи для виключення паразитного освітлювання фоточутливих елементів, розташованих поруч, тобто забезпечувати високий 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 винаходу є розробка такого оптоелектронного датчика, який підвищує надійність, має розширену область використання, дозволяє вимірювати кутові або лінійні переміщення з заданою точністю з врахування напрямків їх змін, стабілізувати частоту обертання вала та забезпечує інформаційний зв'язок між виконавчими механізмами і пристроями управління при спрощенні конструкції. Поставлена задача вирішується тим, що оптоелектронний датчик містить джерело випромінювання світлового каналу, фотоприймач, рухомий оптичний елемент виконано у вигляді вигнутої дзеркальної поверхні, розміщеної на рухомому елементі з можливістю кутового 1 UA 105856 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 або лінійного переміщення, фотоприймач складається з корпусу, виготовленого з непрозорого для світлового випромінювання матеріалу з прозорим для світлового випромінювання вікном робочої сторони, всередині корпусу розміщена теплопровідна прокладка, на якій розміщено активний елемент, виготовлений з плоскопаралельної монокристалічної пластинки моносульфіду германію (GeS), легованого 0,5-1,0 ат. % сурми (Sb) з нанесеними компланарними контактами, які з'єднані з струмовиводами, що з'єднані з входом підсилювача фотоструму, електричний вихід якого підключений до аналого-цифрового перетворювача, що з'єднаний з мікропроцесором, при цьому робота підсилювача фотоструму забезпечена мікропроцесором і синхронізована з джерелом випромінювання таким чином, що джерело випромінювання може бути активоване з різною періодичністю та тривалістю часу, світловий канал попадає перпендикулярно або під кутом на фотоприймач і може змінювати своє положення вздовж його активного елемента, а величина та полярність напруги на виході фотоприймача залежить від положення світлового каналу відносно контактів активного елемента. Розміщення оптичного елемента у вигляді вигнутої дзеркальної поверхні на рухомому елементі, що обертається або лінійно переміщується, забезпечує вимірювання величини кутового або лінійного переміщення з заданою точністю та підвищує чутливість датчика. Світловий канал, який попадає перпендикулярно або під кутом на фотоприймач і може змінювати своє положення вздовж його активного елемента, дозволяє проводити вимірювання кутового або лінійного переміщення з врахуванням напрямку його зміни при розміщенні джерела випромінювання відносно до вигнутої дзеркальної поверхні 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 вигнутої дзеркальної поверхні приводить до одночасної зміни положення світлового каналу вздовж активного елемента по відношенню до його контактів, то це приводить до зміни величини фотоерсу 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 синхронізована робота з підсилювачем фотоструму й аналого-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. На фіг. 3 наведена функціональна схема рухомого оптичного елемента, виконаного у вигляді диска із системою відбиваючих та не відбиваючих світло ділянками. На фіг. 4 наведена функціональна схема фотоприймача при попаданні на його активний елемент двох світлових каналів. 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 вигнутої 12 дзеркальної поверхні 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 аналого-цифрового 14 перетворювача, який з'єднаний з мікропроцесором 15. Робота підсилювача 13 фотоструму й аналого-цифрового 14 перетворювача забезпечується 2 UA 105856 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 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 рухомого 11 елемента на якому знаходиться вигнута 12 дзеркальна поверхня. Оптоелектронний датчик працює наступним чином. В початковий момент часу або у випадку появи спаду напруги на вході підсилювача 13 фотоструму мікропроцесор 15 активує джерело 10 випромінювання, що в свою чергу генерує світлове випромінювання у вигляді світлового А каналу, який відбившись від вигнутої 12 дзеркальної поверхні, 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. У випадку, коли відбулося кутове переміщення вигнутої 12 дзеркальної поверхні або лінійне переміщення рухомого 11 елемента в одну з сторін, то відповідно пропорційно змінилося і положення світлового А каналу вздовж активного 5 елемента відносно до контактів 6 і 8, що привело до зміни фотоерсу на виході фотоприймача 1. Одночасно мікропроцесор 15 запускає процес вимірювання величини і полярності напруги UA на виході підсилювача 13 фотоструму, яка передається на аналого-цифровий 14 перетворювач і генерується відповідний цифровий код для занесення його в пам'ять мікропроцесора 15. Зміна полярності напруги UA дозволяє визначити напрями кутового або лінійного переміщення, а різниця у значеннях величин напруг UA i U0A пропорційна величині кутового або лінійного переміщення. При необхідності продовження вимірювань кутового або лінійного переміщення відносно останнього переміщення рухомого 11 елемента за величину опорної напруги U0A мікропроцесор 15 вибирає величину останнього значення напруги UA. Якщо в процесі генерування світлового А каналу не відбулося кутового переміщення вигнутої 12 дзеркальної поверхні або лінійного переміщення рухомого 11 елемента то спад напруги на виході підсилювача 13 фотоструму рівний U0A, 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 енергоефективність оптоелектронного датчика. Така робота оптоелектронного датчика дозволяє використати його як датчик кутового або лінійного переміщення для вимірювання як відносних, так і абсолютних значень. 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 × 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. Ширина світлового каналу не перевищувала 0,5 мм. За п. 2 формули винаходу, який відрізняється тим, що для розширення області використання та забезпечення заданої точності вимірювань кутового або лінійного переміщення у випадку віддаленого розміщення джерела випромінювання, оптичний елемент має здатність концентрувати світлове випромінювання на активному елементі. Таким оптичним елементом можуть бути ввігнуте дзеркало, лінза, дифракційна решітка та ін… За п. 3 формули винаходу, який відрізняється тим, що для розширення області використання, рухомий оптичний елемент виконано у вигляді диска із системою відбиваючих та не відбиваючих світло ділянками (фіг. 3). Випадок 1. На рухомому 11 елементі, що виконує обертовий рух навколо своєї осі, механічно закріплений рухомий оптичний 16 елемент у вигляді диска із системою відбиваючих 17 та не відбиваючих 18 світло ділянками. В початковий момент часу одна з відбиваючих 17 світло ділянок знаходиться в такому положенні, що світловий А канал відбившись від неї попадає на середину між контактами 8 і 6 активного 5 елемента фотоприймача 1 (фіг. 2). При однакових частотах обертання рухомого оптичного 16 елемента та активації мікропроцесором 15 джерела 10 випромінювання 3 UA 105856 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 відбиваюча 17 світло ділянка буде займати одне і теж положення відносно до фотоприймача, що відповідно забезпечить незмінне положення світлового А каналу по відношенню до контактів 6 і 8 активного 5 елемента. У випадку зміни частоти обертання рухомого оптичного 16 елемента, положення світлового А каналу зміниться, що приведе до зміни фотоерсу на виході фотоприймача 1 та появи спаду напруги UA на виході підсилювача 13 фотоструму. Зміна полярності напруги UA 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 17 світло ділянок на рухомому оптичному 16 елементі та частота активації джерела 10 випромінювання визначають дискретність керування частотою обертання диска, що в свою чергу визначає величину похибки частоти стабілізації його обертання. Така робота оптоелектронного датчика дозволяє використати його в якості датчика стабілізації частоти обертання. Випадок 2. Активація джерела 10 випромінювання мікропроцесором 15 з різною періодичністю приведе до того, що відбиваюча 17 світло ділянка буде займати у відповідні моменти часу різне положення по відношенню до фотоприймача 1 та до зміни положення світлового А канала між контактами 8 і 6 вздовж активного 5 елемента й появи спаду напруги U1 відповідної полярності на виході підсилювача 13 фотоструму. Відповідно до величини та полярності спаду напруги U1, аналого-цифровий 14 перетворювач згенерує відповідний цифровий код для занесення його в пам'ять мікропроцесора 15. У інший моменти часу, друга відбиваюча світло ділянка займе інше положення відносно до фотоприймача 1, що приведе до відповідної зміни положення світлового А канал між контактами 8 і 6 вздовж активного 5 елемента й появи спаду напруги U2 відповідної полярності на виході підсилювача 13 фотоструму. При однаковій величині спадів двох напруг, що мають різну полярність, на виході підсилювача 13 фотоструму, аналого-цифровий 14 перетворювач згенерує різні цифровій коди для занесення їх в пам'ять мікропроцесора 15. Визначена кількість відбиваючих світло ділянок на рухомому оптичному 16 елементі та періодичність активації джерела 10 випромінювання дозволяє аналого-цифровому 14 перетворювачу згенерувати для мікропроцесора відповідну кількість цифрових кодів для подальшої обробки отриманої інформації. Така робота оптоелектронного датчика дозволяє використати його як оптоелектронний датчик для інформаційного зв'язку між виконавчими механізмами і пристроями управління. За п. 4 формули винаходу, який відрізняється тим, що для розширення області використання світловий канал проходить через додатково встановлений світловод, вхід якого підключений до джерела випромінювання, а його вихід розміщений напроти рухомого оптичного елемента. Використання додаткового світловоду дозволить використати у конструкції датчика різні типи джерел випромінювання та встановлювати їх у різних місцях конструкції або поза нею, що розширить область його використання. За п. 5 формули винаходу, який відрізняється тим, що для розширення області використання та підвищення чутливості датчика, додаткове джерело випромінювання розміщене таким чином, що згенерований ним додатковий світловий канал разом із основним світловим каналом попадають на активний елемент із однаковими відстанями до протилежних контактів, (фіг. 4). Почергова активація джерел 10 і додаткового 19 випромінювання приводить до утворення світлових основного С і додаткового Б каналів, які відбившись від вигнутої 12 дзеркальної поверхні, що виконує кутове або лінійне переміщення, попадають на однакові відстані відносно контактів 8 і 6 активного 5 елемента і зумовлюють на електричному виході підсилювача 13 фотоструму появу напруг U0C і U0Б, рівних за величиною та різної полярності (фіг. 1). Величини спадів напру U0C і U0Б приймаються за величини опорних напруг відповідно для світлових С і Б каналів, які аналого-цифровим 14 перетворювачем генеруються у відповідні цифрові коди для занесення їх в пам'ять мікропроцесора 15. При кутовому або лінійному переміщенні рухомого 11 елемента в одну з сторін відбувається зміна положень у відповідну сторону обох світлових С і Б каналів, що приводить до появи спаду напруг UС і UБ на виході підсилювача 13 фотоструму, величина яких генерується аналогоцифровим 14 перетворювачем у відповідні цифрові коди для занесення їх в пам'ять мікропроцесора 15. Така зміна положення світлових С і Б каналів приводить до збільшення, наприклад, величини напруги UС по відношенню до величини напруги U0С та зменшенню величини напруги UБ відносно до величини напруги UОБ. Мікропроцесор 15 обчислює величину суми записаних у пам'ять значень напруг UС і UБ та знак отриманого результату. Величина суми 4 UA 105856 C2 5 10 15 20 значень напруг UС і UБ пропорційна величині кутового або лінійного переміщення, а знак отриманого результату дозволяє визначити їх напрям. Використання додаткового джерела 19 випромінювання при його розміщенні таким чином, що згенерований ним додатковий світловий Б канал разом із основним світловим С каналом попадають на активний 5 елемент із однаковими відстанями до контактів 8 і 6, забезпечує збільшення чутливості оптоелектронного датчика у 2 рази без ускладнення його конструкції. Така робота оптоелектронного датчика дозволяє використати його як датчик кутового або лінійного переміщення з підвищеною чутливістю. Запропонований оптоелектронний датчик підвищує надійність його роботи, має розширену область використання, дозволяє вимірювати кутові або лінійні переміщення з заданою точністю з врахування напрямків їх змін, стабілізувати частоту обертання вала та забезпечує інформаційний зв'язок між виконавчими механізмами і пристроями управління при спрощенні конструкції. Джерела інформації: 1. Патент RU № 2142112. Устройство для измерения угла отклонения поверхности, MI1KG01B 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. I. -292 с. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 35 40 45 50 1. Оптоелектронний датчик, що містить джерело випромінювання світлового каналу, фотоприймач, рухомий оптичний елемент, який відрізняється тим, що рухомий оптичний елемент виконано у вигляді вигнутої дзеркальної поверхні, розміщеної на рухомому елементі з можливістю кутового або лінійного переміщення, фотоприймач складається з корпусу, виготовленого з непрозорого для світлового випромінювання матеріалу з прозорим для світлового випромінювання вікном робочої сторони, всередині корпусу розміщена теплопровідна прокладка, на якій розміщено активний елемент, виготовлений з плоскопаралельної монокристалічної пластинки моносульфіду германію (GeS), легованого 0,51,0 ат. % сурми (Sb) з нанесеними компланарними контактами, які з'єднані з струмовиводами, що з'єднані з входом підсилювача фотоструму, електричний вихід якого підключений до аналого-цифрового перетворювача, що з'єднаний з мікропроцесором, при цьому робота підсилювача фотоструму забезпечена мікропроцесором і синхронізована з джерелом випромінювання таким чином, що джерело випромінювання може бути активоване з різною періодичністю та тривалістю часу, світловий канал попадає перпендикулярно або під кутом на фотоприймач і може змінювати своє положення вздовж його активного елемента, а величина та полярність напруги на виході фотоприймача залежить від положення світлового каналу відносно контактів активного елемента. 2. Оптоелектронний датчик за п. 1, який відрізняється тим, що оптичний елемент має здатність концентрувати світлове випромінювання на активному елементі. 3. Оптоелектронний датчик за пп. 1, 2, який відрізняється тим, що рухомий оптичний елемент виконано у вигляді диска із системою відбиваючих та не відбиваючих світло ділянок. 4. Оптоелектронний датчик за пп. 1-3, який відрізняється тим, що світловий канал проходить через додатково встановлений світловод, вхід якого підключений до джерела випромінювання, а його вихід розміщений напроти рухомого оптичного елемента. 5. Оптоелектронний датчик за пп. 1-4, який відрізняється тим, що містить додаткове джерело випромінювання, розміщене таким чином, що згенерований ним додатковий світловий канал разом із основним світловим каналом попадають на активний елемент із однаковими відстанями до протилежних контактів. 5 UA 105856 C2 6 UA 105856 C2 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 7