датчик идентификации и контроля положения изделий

Формула изобретения

Датчик идентификации и контроля положения изделий, содержащий индуктивный чувствительный элемент, выполненный в виде катушки индуктивности, размещенной в кольцевом пазу открытой чашки ферритового сердечника, генератор электрических колебаний, к цепям колебательного контура которого подключен индуктивный чувствительный элемент, пороговый элемент, вход которого подключен к выходу генератора электрических колебаний, логический элемент 2ИЛИ-НЕ, выход которого является первым выходом датчика, инвертор, выход которого соединен с первым входом логического элемента 2ИЛИ-НЕ, инфракрасный фотоприемник, формирователь, к входу которого подключен инфракрасный фотоприемник, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности работы датчика и расширения его функциональных возможностей путем обеспечения распознавания нагретых и ненагретых металлических изделий, он снабжен вторым инфракрасным фотоприемником, подключенным к входу формирователя параллельно первому инфракрасному фотоприемнику, при этом выход формирователя подключен к второму входу логического элемента 2ИЛИ-НЕ и является вторым выходом датчика, а выход порогового элемента соединен с входом инвертора, причем инфракрасные фотоприемники установлены в одной плоскости, проходящей через ось симметрии индуктивного чувствительного элемента, и расположены один относительно другого в двух диаметрально противоположных точках со стороны внешней боковой поверхности открытой чашки ферритового сердечника вдоль прямой линии вместе с индуктивным чувствительным элементом, при этом индуктивный чувствительный элемент и инфракрасные фотоприемники образуют чувствительный элемент датчика, а открытый торец чашки ферритового сердечника и плоскости оптических окон инфракрасных фотоприемников ориентированы параллельно друг другу, направлены в одну сторону и образуют чувствительную поверхность датчика.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и предназначено для использования в металлообрабатывающем технологическом оборудовании для идентификации (распознавания) нагретых и ненагретых металлических изделий, а также в качестве датчика положения металлических изделий с учетом их термического состояния.

Известно устройство идентификации (распознавания) нагретых металлических и нагретых неметаллических изделий, содержащее последовательно соединенные высокочастотный генератор электрических колебаний с индуктивным чувствительным элементом, выполненным в виде катушки индуктивности, размещенной в кольцевом пазу чашки ферритового сердечника, и включенным в цепь его колебательного контура, пороговое устройство, последовательно включенные инфракрасный фотоприемник, формирователь, а также первую клемму, которая является первым выходом устройства, инвертор, логический элемент 2ИЛИ-НЕ, первый вход которого соединен с выходом инвертора, и вторую клемму, являющуюся вторым выходом устройства (см. авторское свидетельство СССР №1610268, МКИ ⁵ G01B 21/00 "Индуктивно-оптический датчик положения и контроля", 1987). Такое устройство не позволяет производить идентификацию нагретых и ненагретых металлических изделий.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является устройство, содержащее индуктивный чувствительный элемент, выполненный в виде катушки индуктивности, размещенной в кольцевом пазу открытой чашки ферритового сердечника, высокочастотный генератор электрических колебаний, в цепь колебательного контура которого включен индуктивный чувствительный элемент, пороговый элемент, вход которого подключен к выходу высокочастотного генератора электрических колебаний, логический элемент 2ИЛИ-НЕ, выход которого является первым выходом устройства, инвертор, выход которого соединен с первым входом логического элемента 2ИЛИ-НЕ, инфракрасный фотоприемник, формирователь, к входу которого подключен инфракрасный фотоприемник (см. авторское свидетельство СССР №1422800, МКИ ⁴ G01B 21/00 "Датчик положения и контроля", 1983).

Однако такое устройство не обеспечивает однозначного распознавания нагретых металлических изделий, так как при перемещении относительно его индуктивного чувствительного элемента контролируемых металлических изделий в нагретом и ненагретом состояниях оно в одинаковой мере реагирует как на нагретые, так и ненагретые металлические изделия, т.е. сигнал на соответствующем выходе устройства однозначно не соответствует контролируемому нагретому металлическому изделию. Кроме того, такое устройство не позволяет производить распознавание нагретых металлических и ненагретых металлических изделий.

Цель изобретения - повышение достоверности работы датчика и расширение функциональных возможностей путем обеспечения идентификации нагретых и ненагретых металлических изделий.

Поставленная цель достигается тем, что в известный датчик, содержащий индуктивный чувствительный элемент, выполненный в виде катушки индуктивности, размещенной в кольцевом пазу открытой чашки ферритового сердечника, высокочастотный генератор электрических колебаний, к цепям колебательного контура которого подключен индуктивный чувствительный элемент, пороговый элемент, вход которого соединен с выходом высокочастотного генератора электрических колебаний, логический элемент 2ИЛИ-НЕ, выход которого является первым выходом датчика, инвертор, выход которого соединен с первым входом логического элемента 2ИЛИ-НЕ, инфракрасный фотоприемник, формирователь, к входу которого подключен инфракрасный фотоприемник, введен второй инфракрасный фотоприемник, подключенный к входу формирователя параллельно первому инфракрасному фотоприемнику, при этом выход порогового элемента соединен со входом инвертора, а выход формирователя является вторым выходом датчика и подключен ко второму входу логического элемента 2ИЛИ-НЕ, причем инфракрасные фотоприемники установлены в одной плоскости, проходящей через ось симметрии открытой чашки ферритового сердечника индуктивного чувствительного элемента и расположены один относительно другого в двух диаметрально противоположных точках со стороны внешней боковой поверхности открытой чашки ферритового сердечника вдоль прямой линии вместе с индуктивным чувствительным элементом, при этом индуктивный чувствительный элемент и инфракрасные фотоприемники образуют чувствительный элемент датчика, а открытый торец чашки ферритового сердечника и плоскости оптических окон инфракрасных фотоприемников ориентированы параллельно друг другу, направлены в одну сторону и образуют чувствительную поверхность датчика.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого датчика, на фиг.2 - схема взаимного расположения в пространстве инфракрасных фотоприемников, индуктивного чувствительного элемента и контролируемого изделия, на фиг.3 - диаграммы напряжений, поясняющие работу схемы датчика при срабатывании его от нагретых металлических изделий в режиме идентификации нагретых и ненагретых металлических изделий, на фиг.4 - диаграммы напряжений, поясняющие работу схемы датчика при срабатывании его от ненагретых металлических изделий в режиме идентификации нагретых и ненагретых металлических изделий.

Датчик содержит (см. фиг.1) индуктивный чувствительный элемент 1, выполненный в виде катушки индуктивности 2, размещенной в кольцевом пазу открытой чашки ферритового сердечника 3, высокочастотный генератор электрических колебаний 4, выполненный, например, по схеме индуктивной трехточки, причем выходы индуктивного чувствительного элемента 1 подключены к цепям его колебательного контура, пороговый элемент 5, выполненный, например, по схеме триггера Шмитта, вход которого подключен к выходу высокочастотного генератора электрических колебаний 4, инвертор 6, вход которого подключен к выходу порогового элемента 5, логический элемент 2ИЛИ-НЕ 7, первый вход которого подключен к выходу инвертора 6, первую клемму 8, подключенную к выходу логического элемента 2ИЛИ-НЕ 7 и являющуюся первым выходом датчика, соединенные между собой параллельно первый и второй инфракрасные фотоприемники 9,10, каждый из которых выполнен, например, по схеме, состоящей из усилителя постоянного тока на базе операционного усилителя, инфракрасного фотодиода, включенного в фотодиодном режиме на вход операционного усилителя (см. Аксененко М.Д. и др. Микроэлектронные фотоприемные устройства / М.Д.Аксененко, М.Л.Бараночников, О.В.Смолин. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 208 с., ил., с.83, рис.4.11, Б), и транзисторного эмиттерного повторителя с открытым эмиттерным выходом, вход которого подключен к выходу усилителя постоянного тока, а его открытый эмиттерный выход является выходом фотоприемника, формирователь 11, выполненный, например, по схеме триггера Шмитта, к входу которого подключены выходы инфракрасных фотоприемников 9 и 10, а выход его соединен со вторым входом логического элемента 2ИЛИ-НЕ 7, вторую клемму 12, подключенную к выходу формирователя 11 и являющуюся вторым выходом датчика.

Инфракрасные фотоприемники 9, 10 установлены в одной плоскости, проходящей через ось симметрии чашки ферритового сердечника 3, и расположены один относительно другого в двух диаметрально противоположных точках со стороны внешней боковой поверхности чашки ферритового сердечника 3 вдоль прямой линии вместе с индуктивным чувствительным элементом 1. Индуктивный чувствительный элемент 1 и фотоприемники 9,10 образуют чувствительный элемент датчика. При этом открытый торец чашки ферритового сердечника 3 и плоскости оптических окон инфракрасных фотоприемников 9,10 образуют чувствительную поверхность датчика, ориентированы параллельно друг другу и направлены в одну сторону (см. фиг.2).

Такое взаимное расположение в пространстве индуктивного чувствительного элемента 1, фотоприемников 9,10 и контролируемого металлического изделия 15 при прохождении им в направлении стрелки 16 (17) относительно чувствительного элемента датчика параллельно его чувствительной поверхности и в пределах действия электромагнитного поля 13 всегда обеспечивает:

1) последовательное засвечивание нагретым контролируемым изделием 15 своим инфракрасным излучением 14 сначала одного фотоприемника 9 (10), потом пересечение электромагнитного поля 13 у открытого торца чашки ферритового сердечника 3, оставляя при этом фотоприемник 9 (10) в засвеченном состоянии, а затем засвечивание другого фотоприемника 10 (9), оставаясь в зоне действия электромагнитного поля и оставляя на некотором промежутке времени оба фотоприемника в засвеченном состоянии, далее затемнение фотоприемника 9 (10), оставаясь в зоне действия электромагнитного поля и оставляя при этом фотоприемник 10 (9) в засвеченном состоянии, затем выход из зоны действия электромагнитного поля 13, оставляя фотоприемник 10 (9) в засвеченном состоянии, и, наконец, затемнение фотоприемника 10 (9) и выход нагретого контролируемого металлического изделия из зоны чувствительной поверхности датчика.

Таким образом, последовательное засвечивание нагретым контролируемым изделием одного 9 (10) и другого 10 (9) фотоприемника происходит без разрыва, т.е. формируется обоими параллельно включенными фотоприемниками сплошной импульс напряжения с уровнем логической "1" длительностью, равной времени нахождения нагретого контролируемого металлического изделия в зоне чувствительности датчика, начиная с момента засветки фотоприемника 9 (10) и до момента выхода из засвеченного состояния фотоприемника 10 (9);

2) последовательное прохождение ненагретым контролируемым изделием фотоприемника 9 (10) без его засвечивания вследствие отсутствия у контролируемого изделия инфракрасного излучения 14, затем пересечение им электромагнитного поля 13 у открытого торца чашки ферритового сердечника 3, далее прохождение им фотоприемника 10 (9) без его засвечивания из-за отсутствия у контролируемого изделия 15 инфракрасного излучения 14 и выход его из зоны чувствительной поверхности датчика. Таким образом, на выходе порогового элемента 5 формируется импульс напряжения с уровнем логической "1" длительностью, равной длительности нахождения контролируемого изделия в магнитном поле 13 у открытого торца чашки ферритового сердечника 3.

Такое взаимное расположение фотоприемников, индуктивного чувствительного элемента и взаимодействие их в описанной выше последовательности с контролируемым изделием, а также соответствующая обработка предложенной схемой датчика их выходных сигналов позволяют реализовать принцип действия датчика в режиме идентификации нагретых и ненагретых металлических изделий, т.е. производить достоверно распознавание металлических изделий с учетом их термического состояния.

Датчик работает следующим образом.

При подаче напряжения питания и нахождении контролируемого изделия 15 вне зоны чувствительной поверхности датчика (см. фиг.2) генератор 4 переходит в режим генерации электрических высокочастотных колебаний, постоянная составляющая тока которых на его выходе создает падение напряжения, превышающее пороговое значение напряжения триггера порогового элемента 5. При этом пороговый элемент 5 переключается в такое устойчивое состояние, при котором на его выходе устанавливается напряжение U2 (см. фиг.3) с уровнем логического "0", которое подается на вход инвертора 6, в результате на его выходе и на первом входе элемента 2ИЛИ-НЕ устанавливается напряжение U3 (см. фиг.3) с уровнем логической "1". Фотоприемники 9 и 10 находятся в затемненном состоянии, в результате на выходе формирователя 11 и втором входе логического элемента 2ИЛИ-НЕ 7 устанавливается напряжение U1 (см. фиг3), а на выходной клемме 12 - напряжение U5 (см. фиг.3) с уровнями логического "0". При этом на выходной клемме 8 и на выходе логического элемента 2ИЛИ-НЕ 7 устанавливается напряжение U4 (см. фиг.3) с уровнем логического "0", так как происходит инвертирование напряжения с уровнем логической "1", поступившего с выхода инвертора 6 на первый вход логического элемента 2ИЛИ-НЕ, из-за установления к этому моменту на его втором входе разрешающего напряжения U1 с уровнем логической "0".

Рассмотрим работу предлагаемого датчика в режиме идентификации нагретых и ненагретых металлических изделий, при котором контролируемое изделие 15 (см. фиг.2) перемещается параллельно чувствительной поверхности датчика в пределах зоны действия электромагнитного поля 13 в одном из направлений по стрелке 16 или 17.

При введении в направлении стрелки 16 (17) в зону чувствительной поверхности датчика, например, нагретого металлического изделия 15, происходит засвечивание его инфракрасным излучением 14 (см. фиг.2), фотоприемника 9 (10), в результате на его выходе устанавливается напряжение с уровнем логической "1", которое поступает на вход формирователя 11, который переключается в такое устойчивое состояние, при котором на его выходе и на втором входе логического элемента 2ИЛИ-НЕ 7 устанавливается напряжение U1, а на выходной клемме 12 - напряжение U5 с уровнями логической "1" (см. фиг.3).

Через некоторый промежуток времени перемещающееся в выбранном направлении контролируемое изделие 15, оставляя фотоприемник 9 (10) в засвеченном состоянии, входит в зону действия электромагнитного поля 13 чашки ферритового сердечника 3. При этом происходит срыв генерации генератора 4 вследствие внесения затухания в его колебательный контур контролируемым изделием 15. В результате резко уменьшается составляющая постоянного напряжения на выходе генератора и, когда его значение оказывается ниже порогового значения триггера порогового элемента 5, последний переключается в другое устойчивое состояние, при котором на его выходе и входе инвертора 6 устанавливается напряжение U2 (см. фиг.3) с уровнем логической "1". При этом на выходе инвертора 6 и на первом входе логического элемента 2ИЛИ-НЕ 7 устанавливается напряжение U3 с уровнем логического "0". Под действием этого логического уровня переключения логического элемента 2ИЛИ-НЕ 7 в другое состояние не происходит, так как на его втором входе установлено запрещающее напряжение U1 с уровнем логической "1".

Затем перемещающееся контролируемое изделие 15, по-прежнему оставляя фотоприемник 9 (10) в засвеченном состоянии и оставаясь в зоне действия электромагнитного поля, засвечивает фотоприемник 10 (9). После чего уровень напряжения на входе формирователя 11, соответствующий уровню логической "1", не изменился, так как параллельно включенные фотоприемники 9, 10 реализуют логическую функцию МОНТАЖНОЕ ИЛИ. Поэтому описанные выше состояния схемы датчика и диаграмм напряжений на фиг.3, установившиеся до момента засветки фотоприемника 10 (9), не изменились.

При дальнейшем перемещении в том же направлении контролируемое изделие 15, оставаясь в зоне действия электромагнитного поля 13 и оставляя фотоприемник 10 (9) в засвеченном состоянии, выходит за пределы оптического окна фотоприемника 9 (10). При этом происходит затемнение фотоприемника 9 (10). После чего уровень напряжения на входе формирователя 11, соответствующий уровню логической "1", также не изменяется по причине реализации фотоприемниками 9, 10 логической функции МОНТАЖНОЕ ИЛИ. В связи с этим описанные состояния схемы датчика и диаграмм напряжений на фиг.3, установившиеся до момента затемнения фотоприемника 9 (10), также не изменились.

Далее контролируемое изделие 15, оставляя фотоприемник 9 (10) в затемненном состоянии, а фотоприемник 10 (9) в засвеченном состоянии, выходит из зоны действия электромагнитного поля 13. После чего генератор 4 снова переходит в режим генерации колебаний, т.е. в исходное состояние, в результате пороговый элемент 5 также переключается в исходное состояние, при котором на его выходе и входе инвертора 6 устанавливается напряжение U2 с уровнем логического "0". При этом на выходе инвертора 6 устанавливается напряжение U3 с уровнем логической "1", которое подается на первый вход логического элемента 2ИЛИ-НЕ 7, на втором входе которого в этот момент установлено напряжение U1 с уровнем логической "1. В результате на его выходе и выходной клемме 8 уровень напряжения U4 не изменился и остался на прежнем уровне логического "0". И на последнем отрезке своего перемещения контролируемое изделие 15 выходит за пределы оптического окна фотоприемника 10 (9). После чего он затемняется, т.е. устанавливается в исходное состояние, и на выходе формирователя 11 и на втором входе логического элемента 2ИЛИ-НЕ 7 устанавливается напряжение U1, а на выходной клемме 12 - напряжение U5 с уровнями логического "0".

Следовательно, при прохождении контролируемого нагретого металлического изделия 15 относительно чувствительной поверхности датчика на выходной клемме 12 формируется импульс напряжения U5 с уровнем логической "1", а на выходе инвертора 6 - импульс напряжения U3 с уровнем логического "0", который логическим элементом 2ИЛИ-НЕ 7 не инвертируется и на выходную клемму 8 через него не проходит, так как поданный к этому моменту с выхода формирователя 11 на второй вход логического элемента 2ИЛИ-НЕ 7 импульс напряжения U1 с уровнем логической "1" запрещает его инвертирование и прохождение.

В случае введения в направлении стрелки 16 (17) в зону чувствительной поверхности датчика ненагретого металлического изделия 15 засвечивания фотоприемников 9, 10 из-за отсутствия инфракрасного излучения 14 и переключения формирователя 11 в другое состояние не происходит, в результате на его выходе и на выходной клемме 12 формирования импульсов напряжений U1 и U5 соответственно не происходит (см. фиг.4).

В этом случае формируются только импульс напряжения U2 на выходе порогового элемента 5 с уровнем логической "1" и импульс напряжения U3 на выходе инвертора 6 с уровнем логического "0", который инвертируется логическим элементом 2ИЛИ-НЕ 7 в импульс напряжения U4 с уровнем логической "1" и проходит через него на выходную клемму 8, так как поданный к этому моменту на второй вход логического элемента 2ИЛИ-НЕ 7 с выхода формирователя 11 нулевой логический уровень напряжения U1 разрешает инвертирование и прохождение.

Таким образом, в описанном режиме работы датчика импульс напряжения U1 с уровнем логической "1" на выходной клемме 12 однозначно соответствует прохождению относительно чувствительной поверхности датчика нагретого металлического изделия, а импульс напряжения U4 с уровнем логической "1" на выходной клемме 8 - прохождению ненагретого металлического изделия, что обеспечивает достоверность распознавания датчиком нагретых металлических изделий и одновременно распознавание нагретых и ненагретых металлических изделий.

При помещении контролируемого нагретого или ненагретого металлического изделия в зону действия чувствительной поверхности датчика на его соответствующей выходной клемме устанавливается потенциал с уровнем логической "1", соответствующий информационному сигналу о положении контролируемого изделия. Причем этот сигнал продолжает присутствовать в течение всего времени нахождения контролируемого изделия в зоне действия чувствительного элемента датчика. Таким образом, имеет место однозначное соответствие информационного сигнала на соответствующей выходной клемме датчика положению контролируемого изделия в определенной точке пространства, где установлен датчик. Это, в свою очередь, позволяет использовать предлагаемый датчик в режиме контроля положения нагретых или ненагретых металлических изделий.

В режиме контроля положения нагретых металлических изделий датчик функционирует как бесконтактный оптический датчик положения. Работа датчика в этом случае описывается диаграммами, приведенными на фиг.3. При этом информационный сигнал снимается с выходной клеммы 12, а выходная клемма 8 не задействуется.

В режиме контроля положения ненагретых металлических изделий датчик функционирует как бесконтактный индуктивный датчик положения автогенераторного типа. Работа датчика в этом режиме описывается диаграммами, приведенными на фиг.4. В этом случае информационный сигнал снимается с выходной клеммы 8, а выходная клемма 12 не задействуется.

В случае когда в качестве контролируемого изделия используется нагретое неметаллическое изделие, перемещающееся относительно чувствительной поверхности датчика в пределах или за пределами его электромагнитного поля, но в пределах чувствительности фотоприемников, предлагаемый датчик функционирует как бесконтактный оптический датчик положения нагретых неметаллических изделий (прозрачных и непрозрачных). При этом работа датчика описывается диаграммами, приведенными на фиг.3. Информационный сигнал в этом режиме снимается с выходной клеммы 12, а выходная клемма 8 не задействуется.