CS242969B1

CS242969B1 - Digital photoelectric position sensor

Info

Publication number: CS242969B1
Application number: CS843693A
Authority: CS
Inventors: Miloslav Macho; Jan Vodicka
Original assignee: Miloslav Macho; Jan Vodicka
Priority date: 1984-05-18
Filing date: 1984-05-18
Publication date: 1986-05-15
Also published as: CS369384A1

Abstract

Fotoelektrické číslicové čidlo polohy je určeno pro přesné snímání mechanického posunutí, nebo úhlu natočení. Měřený objekt je mechanicky spojen s pohyblivou clonkou, umístěnou mezi světelným zdrojem a fotocitlivými prvky obrazového polovodičového snímače, například řádkově uspořádanými. Výstup obrazového snímače je připojen přes zesilovač a amplitudový selektor na vyhodnocovací zařízení, které vyhodnocuje počet osvětlených fotocitlivých prvků obrazového snímače udávající polohu měřeného objektu jako počet elektrických impulsů, čidlo dává předpoklad využití zejména u miniaturních mechanismů se snímáním polohy do několika centimetrů nebo úhlu natočení do 180°.The photoelectric digital position sensor is intended for precise sensing of mechanical displacement or angle of rotation. The measured object is mechanically connected to a movable diaphragm, located between the light source and the photosensitive elements of the image semiconductor sensor, for example arranged in rows. The output of the image sensor is connected via an amplifier and an amplitude selector to an evaluation device, which evaluates the number of illuminated photosensitive elements of the image sensor indicating the position of the measured object as the number of electrical pulses. The sensor is suitable for use especially in miniature mechanisms with position sensing up to a few centimeters or a rotation angle up to 180°.

Description

Vynález se týká fotoelektrického číslicového čidla polohy s polovodičovým obrazovým snímačem.The invention relates to a photoelectric digital position sensor with a semiconductor image sensor.

Dosud známá fotoelektrická číslicová čidla polohy pracují bud na přírůstkovém principu, nebo pracují jako čidla absolutní s využitím kódových obrazců. Nevýhodou čidel s přírůstkovým principem je možnost znehodnocení Informace o poloze rušivými signály, poruchami v napájení a podobně.The prior art photoelectric digital position sensors work either on an incremental principle or as absolute sensors using code patterns. The disadvantage of sensors with incremental principle is the possibility of deterioration of the position information by disturbing signals, disturbances in the power supply and the like.

Další nevýhodou přírůstkového měření polohy je to, že číselný údaj je výsledkem integrace předchozích změn, takže případné nepřeánosti při snímání a zpracování přírůstků se hromadí a chyba snímání polohy může obecně vzrůstat s časem.Another disadvantage of the incremental position measurement is that the numerical value is the result of the integration of previous changes, so that any inaccuracies in sensing and processing the increments accumulate and the position sensing error can generally increase with time.

Nevýhodou absolutních čidel s kódovými obrazci jsou vysoké nároky na výrobní technologie, složitost a robustnost, takže je nelze realizovat v miniaturním provedení.The disadvantages of absolute encoders with code patterns are the high demands on manufacturing technologies, complexity and robustness, so they cannot be realized in miniature versions.

Podstata fotoelektrického číslicového čidla polohy podle vynálezu spočívá v tom, že měřený objekt je mechanicky spojen s pohyblivou clonkou, umístěnou mezi světelným zdrojem a fotocltlivými prvky obrazového polovodičového snímače, jehož vstupy jeou připojeny k výstupům generátoru řídicích signálů a výstup polovodičového obrazového snímače je připojen přes zesilovač na vstup amplitudového selektoru, který má připojen výstup na jeden ze vstupů vyhodnocovacího zařízení a druhý vstup tohoto vyhodnocovacího zařízení je připojen ke generátoru řídicích signálů.The principle of the photoelectric digital position sensor according to the invention is that the measured object is mechanically connected to a movable orifice located between the light source and photo-sensitive elements of the image semiconductor sensor, whose inputs are connected to the outputs of the control signal generator and the semiconductor image sensor output to an input of an amplitude selector having an output connected to one of the inputs of the evaluation device and the other input of the evaluation device being connected to a control signal generator.

Hlavní výhody fotoelektrického číslicového čidla polohy podle vynálezu jsou v tom, že toto čidlo umožňuje absolutní .snímání polohy s číslicovým výstupem a dává předpoklad využití zejména pro miniaturní mechanismy se změnami polohy do několika centimetrů, nebo úhlu natočení do 180°.The main advantages of the photoelectric digital position sensor according to the invention are that it enables absolute position sensing with digital output and provides an application especially for miniature mechanisms with positioning up to a few centimeters or an angle of rotation up to 180 °.

Na připojeném výkresu je na obr. 1 uvedeno principiální blokové schéma příkladu fotoelektrického číslicového čidla podle vynálezu s řádkovým polovodičovým obrazovým snímačem a na obr. 2 je uveden příklad časových průběhů signálů na vstupech vyhodnocovacího zařízení.In the accompanying drawing, FIG. 1 shows a schematic block diagram of an example of a photoelectric digital sensor according to the invention with a line semiconductor image sensor, and FIG. 2 shows an example of the waveforms of the signals at the inputs of the evaluation device.

Pohyblivá celona £, která je mechanicky spojena s objektem, jehož polohu chceme zjiš£ovat, je umístěna mezi světelným zdrojem £ a fotocltlivými prvky £, které jsou součástí polovodičového obrazového snímače £.The movable screen 4, which is mechanically connected to the object to be located, is located between the light source 4 and the photo-sensitive elements 4 which are part of the semiconductor image sensor 8.

Fotocitlivé prvky 3, uspořádané například v.řádku jsou zakrývány pohyblivou clonou £. Počet fotocltlivých prvků £ osvětlených světelným zdrojem 2 je pak úměrný souřadnici x /obr. 1/, odpovídající vyhodnocované poloze.The photosensitive elements 3 arranged, for example, in a row, are covered by a movable screen 6. The number of photo-sensitive elements 4 illuminated by the light source 2 is then proportional to the coordinate x / fig. 1 /, corresponding to the position to be evaluated.

Polovodičové obrazové snímače £, vyráběné v současné době například na principu nábojově vázaných struktur a určené pro snímání televizního obrazu, obsahují kromě fotocitlivých snímacích prvků £ i obvody pro zpracování optických signálů a obvody pro převod optických signálů a obvody pro převod optických signálů jednotlivých fotocltlivých prvků £ na elektrické impulsy.The semiconductor image sensors currently manufactured, for example, on the principle of charge-coupled structures and intended for capturing television images, contain, in addition to the photosensitive sensing elements 6, optical signal processing circuits and optical signal conversion circuits and optical signal conversion circuits of the individual photo-sensitive elements. for electrical impulses.

činnost takovýchto průmyslově vyráběných obrazových snímačů £ je zabezpečována generátorem £ řídicích signálů, který dodává na vstupy obrazového snímače £ elektrické signály, definované výrobcem snímače.the operation of such industrially produced image sensors 6 is provided by a control signal generator 6 which supplies electrical signals defined by the sensor manufacturer to the inputs of the image sensor 6.

Na výstupu obrazového snímače £ je pak periodicky se opakující série elektrických impulsů u níž velikost prvního impulsu odpovídá intenzitě osvětlení prvního fotocitlivého prvku 3, velikost druhého impulsu v sérii odpovídá intenzitě osvětlení druhého fotocitlivého prvku £ atd.The output of the image sensor 6 is then a periodically repeating series of electrical pulses in which the magnitude of the first pulse corresponds to the illumination intensity of the first photosensitive element 3, the magnitude of the second pulse in series corresponds to the illumination intensity of the second photosensitive element 6, etc.

Přivedou-li se tyto výstupní signály obrazového snímače _4 například přes zesilovač 2 na vstup amplitudového selektoru T_, budou mít na tomto vstupu impulsy odpovídající osvět leným fotocitlivým prvkům 2 větší úroveň, než impulsy, odpovídající zacloněným fotooitlivým prvkům 2·If these output signals of the image sensor 4 are applied, for example, via an amplifier 2 to the input of the amplitude selector T, at this input the pulses corresponding to the illuminated photosensitive elements 2 will have a higher level than the pulses corresponding to the blinded photosensitive elements 2.

Amplitudový selektor Ί. ztvaruje na normovanou úroveň pouze impulsy, které překročí je ho nestavenou prahovou hladinu, tj. pouze impulsy, odpovídající osvětleným fotocitlivým prvkům 2 obrazového snímače' _4· ^z výstupu amplitudového selektoru T_ pak přichází na jeden vstup vyhodnocovacího zařízení 2 skupina impulsů, v níž počet impulsů n odpovídá počtu osvětlených fotocitlivýoh prvků' 2 obrazového snímače 2 /průběh b na obr. 2/ a je tudíž úměrný souřadnici' x, udávající polohu clonky 2 ^a tím i polohu měřeného předmětu /obr. 1/.Amplitude selector Ί. shapes only pulses to the standardized level, which exceeds the non-set threshold level, i.e. only pulses corresponding to the illuminated photosensitive elements 2 of the image sensor 4 ^{from the} output of the amplitude selector T, n corresponds to the number of illuminated photosensitive elements 2 of the image sensor 2 (waveform b in FIG. 2) and is therefore proportional to the x coordinate indicating the position of the aperture 2 ^and thus the position of the object to be measured (FIG. 1 /.

Pro zabezpečení činnosti vyhodnocovacího zařízení £ jsou na jeho druhý vstup přivedeny synchronizační signály z výstupu generátoru 2 řídicích signálů a tyto synchronizační signály udávají například počátek jednotlivých skupin výstupních impulsů amplitudového selektoru T_ /průběh a na obr. 2/. Amplitudový selektor £ může být realizován například pomocí napěťového komparátoru.In order to ensure the operation of the evaluating device 6, its second input is provided with synchronization signals from the output of the control signal generator 2 and these synchronization signals indicate, for example, the origin of the individual groups of output pulses of the amplitude selector T (waveform). The amplitude selector 6 can be realized, for example, by means of a voltage comparator.

Funkci vyhodnocovacího zařízení 2 může plnit například čítač nebo část mikroprocesorového systému a podobně. Vyhodnocovací zařízení 2 může být také vybaveno elektrickým výstupem v /obr. 1/ pro další zpracování.The function of the evaluation device 2 can be performed, for example, by a counter or part of a microprocessor system and the like. The evaluation device 2 can also be equipped with an electrical output in FIG. 1 / for further processing.

Průmyslově vyráběné obrazové snímače 2 obsahují například v řádkovém uspořádání 256 až několik tisíc fotooitlivých elementů. Proto je možné fotoelektrickým čidlem podle vynálezu dosáhnout vysoké přesnosti měření polohy i u relativně malých posunutí.The industrial image sensors 2 comprise, for example, in the array arrangement 256 to several thousand photo-sensitive elements. Therefore, the photoelectric sensor according to the invention can achieve high position measurement accuracy even at relatively small displacements.

Fotoelektrický snímaě podle vynálezu je možné dále využít i pro snímání úhlu natočení například v rozsahu do 180°. Clonka 2 může být s měřeným objektem spojena přes převodové ústrojí.The photoelectric sensor according to the invention can also be used for sensing an angle of rotation, for example in the range up to 180 °. The diaphragm 2 can be connected to the measured object via a transmission device.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

Photoelectric digital position sensor characterized in that the measured object is mechanically connected to a movable orifice (1) located between the light source (2) and the photosensitive! elements (3) of a semiconductor image sensor (4), whose inputs are connected to a control signal generator (5) and the output of the image sensor (4) is connected via an amplifier (6) to an input of an amplitude selector (7) the input of the evaluation device (8) is connected to the control signal generator (5).