专利名称:速度可调式斩光器的制作方法
本发明属于光学和光声学中使用的机械式光束调制器。
国内外，速度可调式斩光器有多种形式。例如，有的方法是采用一个斩光盘，通过光敏元件将光路的通断信号作为速度反馈信号，把这一信号与一个频率给定的方波信号进行相位比较，即鉴相，再通过电路来进行相位锁定，这种方法的缺点是线路复杂，价格昂贵;有的方法采用步进电机作为调速元件，用一个频率很稳定的标准振荡器，经过脉冲分配器和功率放大器后，驱动步进电机转动。这种方法的特点是频率稳定性好，温度漂移小，但是限于步进电机的工作原理，其转轴在每一个步距角之间的转动方式是跳跃的，因而使斩光盘在调制光束的过程中产生了附加的相位噪声，从而使整个测量系统的灵敏度降低，这种方法依然不够理想。
在参考了前人工作的基础上，本发明提出了一种简单，可靠，稳定的方法，使速度可调式斩光器的斩光频率与控制信号的频率，或电压，或电流的大小成线性关系。
本发明的这种速度可调式斩光器的要点是在设计思想上应用了两个结构简单的非线性频率电压变换器(3)，(4)，利用一个减法器(5)将这两个非线性频率电压变换器(3)，(4)组合起来。当两个变换器(3)，(4)的元件参数一致时，当调节器(6)使减法器(5)的输出为零时，两个变换器(3)，(4)的输入频率便一一对应，从而实现斩光器输入与输出之间的线性联系。
本发明与现有技术相比，具有以下优点(1)本发明利用两个简单的非线性频率电压变换器(3)，(4)，与一个减法器(5)的组合，即可实现速度可调式斩光器的输入与输出之间的线性联系。
(2)本发明的两个非线性频率电压变换器(3)，(4)的输入频率与输出电压之间的非线性关系，是建立上述这种线性联系的过渡手段。
(3)本发明的控制方式可以采用频率信号，直流电压信号或直流电流信号。
(4)本发明结构简单，性能稳定，精度高，成本低，容易制作。
以下结合附图叙述本发明的详细内容图1为速度可调式斩光器基本单元(G)的结构原理图。
图2为非线性频率电压变换器(3)，(4)的输入输出特性曲线。
图3为非线性频率电压变换器(3)，(4)的电路原理图。
图4为两个非线性频率电压变换器(3)，(4)与减法器(5)的组合电路原理图。
图5为比例微分积分调节器(6)，功率驱动器(7)和调速电动机(8)的电路原理图。
图6为转速频率转换器(9)，斩光盘(10)和斩光频率转换器(11)的电路结构原理图。
图7为采用频率信号作为速度可调式斩光器的输入控制信号的一个实施例。
图8为采用直流电压信号作为速度可调式斩光器的输入信号的一个实施例。
图9为采用直流电流信号作为速度可调式斩光器的输入信号的一个实施例。
本发明如图1所示，由控制信号(1)，输入插座(2)，非线性频率电压变换器(3)，(4)，减法器(5)，比例微分积分调节器(6)，功率驱动器(7)，调速电动机(8)，转速频率转换器(9)，斩光盘(10)，斩光频率转换器(11)，输出插座(12)所组成。虚线框内的部份(G)是速度可调式斩光器的基本单元。
工作原理如下控制信号(1)是一个频率为f1的连续方波信号，通过插座(2)，送往非线性频率电压变换器(3)，根据非线性频率电压变换器(3)的输入输出特性曲线(图2a)转换成相应的输出电压U1，送往减法器(5)的同相端。转速频率转换器(9)与调整电动机(8)的转轴相连接，它将调速电动机(8)的转速信号n，线性地变为频率信号f2(f2＝K2·n)，然后再送往非线性频率电压变换器(4)。同样，根据非线性频率电压变换器(4)的输入输出特性曲线(图2b)转换成相对应的输出电压U2，送往减法器(5)的反相端。在刚开机的瞬间。调速电动机(8)的转速为零(n＝0)，则f2＝0，u2＝0。于是，减法器(5)的输出端出现一个大的正电压，再送往比例微分积分调节器(6)的输入端，经过其内部的RC网络，使调节器(6)的输出电压迅速增加，经过功率驱动器(7)使调速电动机(8)迅速启动，转速逐渐增大，转速频率转换器(9)的输出频率f2也逐渐增加。由于f2的增大，f1与f2的差异变小，u1与u2的差异也随之变小，减法器(5)的输出电压也随之变小，调节器(6)的输出电压缓慢地增加，调速电动机(8)的转速也缓慢地增加。一旦当f2＞f1时，便有u2＞u1，于是减法器(5)的输出为负电压，经过RC比例微分积分环节，调节器(6)输出电压便作缓慢地减少，调速电动机(8)的转速便作微微的改变，直至f2＝f1，减法器(5)的输出为零，调节器(6)便在这一临界点附近，不断地维持调速电动机(8)作恒速转动。此时，装在调速电动机(8)转轴上的斩光盘(10)也作恒速转动，入射的光束被斩光盘(10)机械地通断调制。由于各种斩光盘(10)透光孔的数目是不同的，因此用斩光频率转换器(11)把光的通断次数转变为电的频率信号，通过插座(12)输出。
非线性频率电压变换器(3)，(4)的实施细节，参见图3。输入为一个连续方波信号，经过反相器(13)整形后送往D触发器(14)，D触发器(14)的S端接有电容(15)，在S端和Q端之间跨接电阻(16)和二极管(17)，当D触发器(14)的CP端受脉冲触发后，Q端的状态即由0变1，经电阻(16)向电容(15)充电，经过一段时间延迟后，S端的电压升到置1开启电平，Q端的状态即由1回复到0。与此同时，二极管(17)将电容(15)上的电荷释放掉。在这一过程中，Q端便输出一个宽度固定的负脉冲方波信号，经过反相器(18)变为正脉冲。该脉冲信号通过电阻(19)和电容(20)，电阻(21)和电容(22)组成的两级低通滤波器滤波后，送往由运算放大器(23)构成的射极跟随器，经过阻抗变换后输出。该电路的特性曲线(图2)是非线性的。
两个非线性频率电压变换器(3)，(4)与减法器(5)组合的实施细节，参见图4。控制信号(1)是频率为f1的方波连续信号，送往非线性频率电压变换器(3)，其输出U1经过电阻(24)送往运算放大器(28)的同相端。来自转速频率转换器(9)的频率为f2的方波连续信号被送入非线性频率电压变换器(4)，其输出U2经过电阻(26)送往运算放大器(28)的反相端。电阻(25)，(27)用于确定减法器(5)的比例系数。当两个变换器(3)，(4)的元件参数一致时，当调节器(6)使减法器(5)的输出为零时，这两个变换器(3)，(4)的输出电压也相等，即U1＝U2＝U。由图2可知，两者的输入频率也相等，即f1＝f2＝f。由此便建立了控制信号的频率f1与转速信号的频率f2之间的一一对应的关系。在这里，两个变换器(3)，(4)本身所固有的非线性特性仅仅起了一个过渡作用，与最终结果无关。
比例微分积分调节器(6)，功率驱动器(7)和调速电动机(8)的实施细节，参见图5。减法器(5)的输出信号，经过电阻(29)送入由运算放大器(30)组成的比例微分积分调节器(6)。其RC网络的比例系数K由电阻(29)，(31)确定，K＝-R31/R29。微分时间常数τD由电位器(32)和电容(33)确定，τD＝R32·C33。积分时间常数τI由电阻(31)，(32)和电容(33)确定，τI＝(R31+R32)·C33。调节器(6)的输出经过电阻(34)送入功率驱动器(7)。电阻(39)是反馈电阻。运算放大器(36)的输出经过补偿二极管(38)和电阻(39)送往中功率三极管(40)，再去推动大功率三极管(41)，电阻(42)是大功率三极管的基极电阻，电阻(43)并联在调速电动机(8)的两端，当调速电动机(8)开路时，电阻(43)将作为功率驱动器(7)的负载电阻。
转速频率转换器(9)，斩光盘(10)和斩光频率转换器(11)的实施细节，参见图6。斩光盘(10)和测速盘(44)相距一定的间隔距离，固定在调速电动机(8)的转轴(45)上，与调速电动机(8)一起作同步旋转。转速频率转换器(9)用发光二极管(46)作为光源，电阻(47)是限流电阻。在测速盘(44)转动的过程中，光束通过盘上的透光孔(48)，将光射向光敏三极管(49)。电阻(50)，二极管(51)和电位器(52)为三极管(53)的临界截止偏置电路，电阻(54)是它的集电极电阻，根据光通断的次数，输出频率相应的方波连续信号(55)。同理，斩光频率转换器(11)用发光二极管(56)作为光源，电阻(57)起限流作用。在斩光盘(10)转动时，光束通过盘上的透光孔(58)，将光射向光敏三极管(59)。电阻(60)，二极管(61)和电位器(62)为三极管(63)的临界截止偏置电路，电阻(64)是它的集电极电阻。三极管(65)和电阻(66)构成一个反相器，将斩光频率信号整形成为方波连续信号(67)，再送往输出插座(12)。
下面简述本发明在控制信号分别为频率信号，直流电压信号和直流电流信号时的三个实际应用。
(1)以频率信号作为速度可调式斩光器的输入控制信号的实施细节，参见图7。反相器(68)，(69)，(70)，(71)，电位器(72)，电阻(73)和电容(74)构成一个环形振荡器，振荡频率为fc，经过输入插座(2)送往基本单元(G)。斩光器的斩光频率f可以通过输出插座(12)，外接一只数字式频率计(75)来进行监视。实测控制信号的频率fc与斩光频率f之间呈极好的线性关系。频率稳定度为±0.2%/小时。本实例中所用的振荡器，可以采用任何电平匹配的振荡器。
(2)以直流电压信号作为速度可调式斩光器的输入控制信号的实施细节，参见图8。电压源(76)产生一个可调的直流控制电压Uc，经过压控振荡器(77)，将直流电压信号Uc转变为频率信号fc，经过输入插座(2)送往基本单元(G)。与图7的实例相妨，若压控振荡器(7)的压频特性是线性的，则控制信号的电压幅值Uc与斩光频率之间呈线性关系。
(3)以直流电流信号作为速度可调式斩光器的输入控制信号的实施细节，参见图9。电流源(78)产生一个可调的直流控制电流Ic，这一电流信号被同时送到由高输入阻抗运算放大器(79)构成的射极跟随器的同相输入端和电阻(80)。由于高阻抗运算放大器的输入端不取电流，故直流控制电流Ic全部流过电阻(80)，在电阻(80)上形成的电压降就是直流控制电压Uc。同样，经过压控振荡器(77)，将直流电压信号Uc转变为频率信号fc，再经过输入插座(2)送往基本单元(G)。与图8的实例相妨，直流控制电流Ic与斩光频率之间呈线性关系。
权利要求
1.一种属于光学和光声学技术领域：
的速度可调式斩光器，由控制信号(1)，减法器(5)，比例微分积分调节器(6)，功率驱动器(7)，转速频率转换器(9)，斩光盘(10)，斩光频率转换器(11)所组成，其特征在于采用了非线性频率电压变换器(3)，(4)，并与减法器(5)，调节器(6)等合理地组合在一起。
2.根据权利要求
1所述的非线性频率电压变换器(3)，(4)，其特征在于由D触发器(14)，与非门(13)，(18)，电阻(16)，(19)，(21)，二极管(17)，电容(15)，(20)，(22)，运算放大器(23)组成。
3.根据权利要求
1所述的非线性频率电压变换器(3)，(4)，其特征在于其输入频率与输出电压之间呈非线性关系。
4.根据权利要求
1所述的速度可调式斩光器，其特征在于要同时使用两个非线性频率电压变换器(3)，(4)，并且这两个非线性频率电压变换器(3)，(4)的元件参数必须一致。
5.根据权利要求
1所述的速度可调式斩光器，其特征在于两个非线性频率电压变换器(3)，(4)的输出分别被接入减法器(5)的同相输入端和反相输入端，经过比例微分积分调节器(6)的调节，使减法器(5)的输出为零，此时两个非线性频率电压变换器(3)，(4)的输入频率便一一对应，从而实现速度可调式斩光器输入控制信号与输出斩光频率之间的线性联系。
专利摘要
本发明速度可调式斩光器，属于光学和光声学技术领域：
，主要用于光束的机械式调制。本发明采用两个结构简单的非线性频率电压变换器，通过一个减法器将这两个非线性频率电压变换器组合起来。当两个非线性频率电压变换器的元件参数一致时，通过调节器的调节，可实现速度可调式斩光器输入与输出之间的线性联系。本发明结构简单，性能稳定，精度高，成本低，容易制作。
文档编号G02F2/00GK86100557SQ86100557
公开日1987年2月25日 申请日期1986年4月12日
发明者王寅观, 邵良华, 钱梦 申请人:同济大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan