Устройство для измерения расстояний до объекта

 

Изобретение относится к области измерительной техники. Целью изобретения является повышение точности. Световое излучение от источника 1 с помощью излучающего световода 2 направляется по нормали к светоотражающей поверхности 3 объекта. Отраженное излучение попадает в приемные световоды 4,5,6 и 7, на их выходе фиксируется соответствующими фотоприемниками 8, 9, 10 и 11, полученные информационные сигналы поступают в электронный тракт для обработки и вычисления искомого расстояния. Наличие четырех приемных световодов 4, 5, 6 и V, оптические оси которых равноудалены от оптической оси излучающего световода 2, а плоскости торцов смещены относительно плоскости торца последнего на расстояния, соответственно О,-А, Д 2 Д где А-фиксированная величина, позволяет реализовать с помощью операций алгебраического сложения и деления, обработку сигналов, при коI У Ё 4 4 О Ю 00

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 В 21/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ с

» О

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЪСТВУ (21) 4808673/28 (22) 02.04.90 (46) 07.12.92. Бюл. 3Ф 45 (71) Самарский авиационный институт им. акад, С.П.Королева (72) Н.И.Лиманова (56) Авторское свидетельство СССР

hb 983453, кл, G 01 В 11/00, 1982 (аналог).

Жилин В.Г, Волоконно-оптические измерительные преобразователи скорости и давления. М.. Энергоатомиздат, 1987, с.15 (прототип). (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЙ ДО ОБЪЕКТА (57) Изобретение относится к области измерительной техники. Целью изобретения являетсяя по вы ш ение точности. Световое излучение от источника 1 с помощью иэлу° ЫЛ,, 1779918 А1 чающего световода 2 направляется по нормали к светоотражающей поверхности 3 объекта. Отраженное излучение попадает в приемные световоды 4, 5, 6 и 7, на их выходе фиксируется соответствующими фотоприемниками 8, 9, 10 и 11, полученные информационные сигналы поступают в электронный тракт для обработки и вычисления искомого расстояния. Наличие четырех приемных световодов 4, 5, 6 и 7, оптические оси которых равноудалены от оптической оси излучающего световода 2, а плоскости торцов смещены относительно плоскости торца последнего на расстояния, соответственноО,-Л, Л, 2 Л, где Л-фиксиро- . ванная величина, позволяет реализовать с помощью операций алгебраического сложения и деления, обработку сигналов, при ко1779918

45 торой результат измерения определяется не абсолютными значениями сигналов на выходах фотоприемников 8, 9, 10 и 11, а их разностями, что обеспечивает независимость результата измерений от дестабилизирующих

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения расстояний до различных объектов бесконтактным способом.

Известно устройство для контроля перемещений объекта, содержащее установленные последовательно осветитель, объектив, диафрагму, связываемую с объектом; обтюратор, содер>кащий два светофильтра, фотоприемник и электронный блок.

Недостатком данного устройства является необходимость располагать фотоприемник за объектом измерения, что не всегда. возможно. Реализуемая в устройстве отстройка от влияния температуры на результат измерений позволяет использовать в качестве излучателей света только излучатели типа лампы накаливания, для которых справедлив закон Вина. Это не дает возможности отстроиться от влияния температуры для современных полупроводниковых излучателей — фотодиодов, полупроводниковых лазеров и т,д.

Известно также устройство для измерения расстояний для объекта, содержащее осветительный и приемный световоды, связанные соответственно с источником излучения и фотоприемником, входные торцы которых расположены параллельно отражающей свет поверхности объекта, расстояние до которого измеряется, По величине сигнала фотоприемника U и по функциональной зависимости 0 = 1(1), которая получена при некоторых начальных значениях мощности излучателя света, чувствительности фотоприемника и коэффициента отражения от отражающей поверхности, определяют величину! расстояния до объекта, Это устройство имеет следующие недостатки, Во-первых, в результате воздействия мешающих факторов (например, изменение тока через источник излучения, старение и т.д.), может изменятьсл мощность источника излучения. Это приводит к ошибке в определении величины i. Во-вторых, коэффициент отражения от отражаюфакторов, связанных с временной, температурной, т.е. нестабильностью параметров источника 1 и отражающих свойств поверхности 3, чем и достигается положительный эффект в виде повышения точности. 1 ил. щей свет поверхности объекта является различным для различных объектов. Это зависит от типа материала и чистоты обработки поверхности. Очень существенным является то, что коэффициент отражения может изменяться со временем (запыление поверхности, окисление в неблагоприятной среде или под действием повышенных температур), а это, в свою очередь, также приводит к погрешности при определении величины

l. Таким образом, влияние всех вышеперечисленных факторов на результат измерений, которые не учитываются в устройстве, приводит к погрешности в определении величины 1.

Цель изобретения — повышение точности за счет устранения влияния мешающих факторов, приводящих к изменению мощности источника. света и изменению коэффициента отражения света от отражающей поверхности объекта.

Поставленная цель достигается тем, что известное устройство, содержащее источник светового излучения, излучающий и приемный световоды, торцы которых расположены в плоскости, параллельной светоотражающей поверхности объекта, и фотоприемник, согласно изобретению, снабжено вторым, третьим и четвертым приемными световодами, плоскости торцов которых параллельны плоскости торцов излучающего и первого приемного световодов и смещены относительно нее на рассто-. яния, соответственно, — Ь, 4 2Л, где Ьфиксированная величина, а оптические оси приемных световодов находятся на одинаковом расстоянии отоптической оси излуча- . ющего, вторым, третьим и четвертым фотоприемниками, оптически связанными с

40 одноименными приемными световодами, . четырьмя усилителями, входы которых соединены, соответственно. с выходами одноименных фотоприемников, четырьмя блоками вычитания, первый и второй входы первого блока вычитания соединены, соответственно, с выходами первого и третьего усилителей, первый вход второго блока вычитания объединен с одноименным входом первого блока вычитания, второй вход сое"779918 динен с выходом второго усилителя, первый вход третьего блока вычитания объединен со вторым входом второго блока вычитания, второй вход соединен с выходом четвертого усилителя, блоком сложения, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с выходами первого и второго блоков вычитания, масштабным преобраэоваreлем, вход которого объединен с первым входом блока сложения, выход соединен с первым входом четвертого блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом третьего блока вычитания, блоком деления, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с выходами блока сложения и четвертого блока вычитания, и блоком индикации, вход которого соединен с выходом блока деления.

Сог1оставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков: трех дополнительных фотоприемников, трех дополнительных приемных световодов, четырех усилителей, четырех блоков вычитания, блока сложения, масштабного преобразователя, блока деления и блока индикации и их связями с остальными элементами устройства.

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что введение новых блоков в указанной связи с остальными блоками в заявляемое устройство для измерения расстояний до объекта позволяет устранить влияние на результат измерений величин коэффициента отражения светоотражающей поверхности объекта, мощности излучения источника излучения, а также изменения этих величин в процессе измерения в результате воздействия дестабилизирующих факторов.

Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критери1о "существенные отличия".

На чертеже представлена структурная схема устройства для измерения расстояний до объекта.

Устройство для измерения расстояний до объекта содержит источник 1 светового излучения, излучающий световод2, светоотражающую поверхность 3 объекта, расстояние до которого измеряется, первый, второй, третий и четвертый приемные световоды 4, 5, 6 и 7 соответственно, торцы которых параллельны светоотражающей поверхности 3. Торцы световодов 5, 6 и 7 смещены откосительно торцов излучающего и первого приемного световодов 2 и 4 на фиксированные расстояния, соответственно, — Л h, 2 Л. Оптические оси световодов

4, 5, 6 и 7 находятся на одинаковом рассто50

45 янии от оптической оси световода 2, Устройство содержит также четыре фотоприемника 8, 9, 10 и 11. оптически связанных с одноименными приемными све1 оводами 4, 5, 6 и 7 соответственно, четыре усилителя

12, 13, 14 и 15, входы которых соединены, соответственно, с выходами одноименных фотоприемников 8, 9, 10 и 11, четырьмя блоками 16, 17, 18 и 19 вычитания. Первый и второй входы первого блока 16 вычитания соединены, соответственно, с выходами первого и третьего усилителей 12 и 14. Первый вход второго блока 17 вычитания объединен с одноименным входом первого блока I6 вычитания, а второй вход соединен с выходом второго усилителя 13. Первый вход третьего блока 18 вычитания объединен со вторым входом второго блока 17 вычитания, а второй вход соединен с выходом четвертого усилителя 15. Устройство снабжено также блоком 20 сложения, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с выходами первого и второго блоков 12 и 13 вычитания, масштабным преобразователем 21, вход которого объединен с первым входом блока 20 сложения, а выход соединен с первым входом четвертого блока 19 вычитания, второй вход блока

19 соединен с выходом третьего блока 18 вычитания, блоком 22 деления и блоком 23 индикации. Первый и второй входы блока 22 деления соединены соответственно с выходами блока 20 сложения и четвертого блока

19 вычитания, а вход блока 23 индикации соединен с выходом блока 22 деления.

Устройство работает следующим образом.

С помощью источкика излучения 1 и излучающего световода 2 освещается отражающая поверхность 3 объекта контроля. Часть отраженного от поверхности 3 света в соответствии с диаграммой направленности излучающего световода 2 через приемные световоды 4, 5, 6 и 7 попадает, соответственно, на фотоприемники

8, 9, 10 и 11 и детектируется ими. Сигналы с выходов фотоприемников 8, 9, 10 и 11 усиливаются, соответственно, в усилителях

12, 13, 14 и 15 с переменными коэффициентами усиления (коэффициентами передачи).

На выходах усилителей 12, 13, 14 и 15 в соответствии с выражением для функции преобразования волокок но-о 1тических преобразователей рефлектометрического типа сформируются, соответственно, сигналы 01. 02, 0З и U4:

01 Со + С1 + C3l

U2 = сО+ с1(! Ь)+ сз(! Л)

Оз = со + c1(l + Л) + сз(+ Л)-, 1779918

S s 6сз!

$4 6СЗЛЗ 3

04 = со + с1(! + 2 Л) + сз(! + 2 Л), где cp =- EgRKBp, с1 = Е,ИКа1, с3- ЕиЯКаз— коэффициенты, ! — измеряемое расстояние до объекта;

Л вЂ” фиксированная величина сдвига торцов приемных световодов друг относительно друга;

Еи — величина мощности излучения источника 1;

R — коэффициент отражения поверхности объекта контроля, К вЂ” коэффициент передачи последовательно соединенных приемного световода, фотоприемника и усилителя, ао, а1, аз — коэффициенты преобразования.

Добиваться строгого совпадения параметров световодов 4, 5, 6 и 7, а также фотоприемников 8, 9, 10 и 11 не требуется, так как эквивалентности величин К в четырех каналах измерения можно достигнуть, регулируя коэффициент усиления усилителей

12, 13, 14 и 15.

На выходах первого, второго и третьего блоков вычитания 16, 17 и 18 появляются сигналы S1, $2, $з, величины которых соответственно равны

$1 = Uy О1 = с1 Л+ Зсз! Ь+ Зсз1 2 +

+сзЬ, S2 = U2 01 = -c1 Ь- Зсз! Л+ Зсз! Л2 2 — сэва, $з = U4 — U2 = Зс! Л + 9сз! Л + 9сз! Ь +

+9сзЛ

Масштабный преобразователь 21 имеет коэффициент преобразования, равный трем. поэтому на выходе четвертого блока 19 вычитания сформируется сигнал

$4=$з — 3$1=6сз Ь.

Величина сигнала $э на выходе блока 20 сложения составляет

$5=$1+$2=6сз! Л.

С выхода блока деления 22 снимается сигнал S, величина которого равна

Сигнал $ = !/ Ь, величина которого не зависит от величин коэффициентов ср. с! и сз, поступает в блок индикации 23, который с учетом множителя 1И регистрирует измеряемую величину !.

Повышение точности измерения расстояния до объекта контроля в предлагаемом устройстве достигается за счет независимости результата измерений от величин коэффициентов К, R, ао, а1, аз и от величины мощности Е излучения источника 1, а также от изменения этих величин с

55 течением времени и под действием дестабилизирующих факторов. Так, например, при изменении коэффициента отражения R от поверхности 3 в результате запыления поверхности или изменения мощности Еи излучения источника 1 в результате изменения величины тока, питающего источник, под действием температуры величины

0з — U1, 02 — U1, U4 — U2 изменяются в одинаковое число раз, а величина S остается при этом постоянной, т.е. коэффициент отражения R и мощность Е излучения источника не влияют на результат измерения расстояния до объекта.

Формула изобретения

Устройство для измерения расстояний до объекта, содержащее источник светового излучения, излучающий и приемный световоды, торцы которых расположены в плоскости. параллельной светоотражающей поверхности обьекта, и фотоприемник, о тл ич а ю ще еся тем,что,с целью повышения точности, оно снабжено вторым, треть-. им и четвертым приемными световодами, плоскости торцов в которых параллельны плоскости торцов излучающего и первого приемного световодов и смещены относительно нее на расстояния, соответственно, — Л, Л, 2Л, где Л - фиксированная величина, а оптические оси приемных световодов находятся на одинаковом расстоянии от оптической оси излучающего, вторым, третьим и четвертым фотоприемниками, оптически связанными с одноименными приемными световодами, четырьмя усилителями, входы которых соединены соответственно с выходами одноименных фотоприемников, четырьмя блоками вычитания, первый и второй входы первого блока вычитания соединены соответственно с выходами первого и третьего усилителей, первый вход второго блока вычитания объединен с одноименным входом первого блока вычитания, второй вход соединен с выходом второго усили-" теля, первый вход третьего блока вычитания объединен с вторым входом второго блока вычитания, второй вход соединен с выходом четвертого усилителя, блоком сложения. первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго блоков вычитания, масштабным преобразователем, вход которого объединен с первым входом блока сложения, выход соединен с первым входом четвертого блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом третьего блока вычитания, блоком деления, первый и второй

BxopbI которого соединены соответ1779918

Составитель Н. Лиманова

Редактор С. Кулакова Техред М.Моргентал Корректор А. Мотыль

Заказ 4428 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 ственно с выходами блока сложения и четвертого блока вычитания, и блоком индикации, вход которого соединен с выходом блока деления.