Способ измерения расстояний до объекта и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники. Целью изобретения является повышение точности за счет исключения влияния на результат измерения нестабильности мощности источника света, чувствительности фотоприемника и коэффициента отражения поверхности объекта . Падающий на светоотражающую поверхность 4 объекта поток светового излучения отражается ею, регистрируется в фиксированной точке и преобразуется в электрический сигнал. Измерение проводится в три такта, в каждом из которых подающий и отраженный потоки проходят через комбинацию из прозрачной и полупрозрачной половин 9 и 10 комбинированной плэ7

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (54)5 G 01 В 21/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕН1 НОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ (/l

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ. (21) 4808674/28 (22) 02.04.90 (46) 07.12,92, Бюл. М 45 (71) Самарский авиационный институт им,акад.С.П. Королева (72) Н.Е.Конюхов, H.È,Ëèìàíoâà, А.Р.Шишкин и В.M.Ãðå÷èojíèêîâ (56) Авторское свидетельство СССР

М 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) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЙ

ДО ОБЬЕКТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ... ЯЛ,, 1779919 А1 (57) Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники. Целью изобретения является повышение точности за счет исключения влияния на результат измерения нестабильности мощности источника света. чувствительности фотоприемника и коэффициента отражения поверхности объекта. Падающий на светоотражающую поверхность 4 объекта поток светового излучения отражается ею, регистрируется в фиксированной точке и преобразуется в электрический сигнал. Измерение проводится в три такта, в каждом из которых подающий и отраженный потоки проходят через комбинацию из прозрачной и полупрозрачной половин 9 и 10 комбинированной пла1779919 стины 8, вращаемой микродвигателем 11 с двухразрлдным преобразователем 12 уголков, при одинаковом для всей пластины 8 коэффициенте преломления света.

Осуществление трех тактов измерения взамен одного в сочетании с указанным комбинационным изменением оптических характеристик среды распространения падающего и отраженного световых потоков позволяет через ряд заранее известных параметров связать аналитическим соотношением величину расстояния до объекта с отношением разностей величин электриИзобретение относитсл к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для измерения расстояния до различных абьектов.

Известен способ контроля перемещений объекта, заключающийся в том, ITo направляют излучение на объект, измеряют поток излучения, неперекрытого объектом и по величине этого потока судят о перемещении, причем измеряют поток излучения, не перекрытого объектом на двух длинах волн.

Устройство, реализующее способ, содер>кит установленные последовательно осветитель, объектив, диафрагму, связываемую с объектом, обтюратор, фотоприемник и электронный блок.

Недостатком данного способа и устройства является необходимость располагать фотоприемник за обьектом, что не всегда возможно. Имеющалсл температурная отстройка дает возможность испольэовать в качестве излучателя света только излучатели типа лампы накаливания. Это не позволяет получить отстройку от влияния температуры для современных полупроводниковых излучателей — фотодиодов, полупроводниковых лазеров и т.д. Кроме того, способ и устройство не предусматривают отстройку от влияния температуры на второй не менее важный элемент оптоэлектронной пары — фотоприемник, что снижает реальную точность измерений.

Известен также способ измерения перемещений, заключающийся в том, что вблизи от отражающей свет поверхности объекта, расстояние до которого измеряется, располагают торцы излучающего и приемного световодов, связанных соответческих сигналов, полученных в трех тактах измерения. В результате использования укаэанного отношения в качестве информативного параметра при определении искомого расстояния абсолютные значения изменения величин электрических сигналов, вызванные дестабилизирующими факторами, не оказывают влияния на разности этих величин, а, следовательно, не влияют и на результат измерения расстояния до объекта, чем и обеспечивается положительный . эффект в виде повышения точности. 1 з.п. ф-лы, 5 ил, ственно с источником излучения и фотоприемником, освещают с помощью источника излучения и излучающего световода отражающую поверхность объекта и измеряют величину сигнала фотоприемника (прототип).

Устройство. реализующее способ. содержит осветительный и приемный световоды, связанные соответственно с источником иэлученил и фотоприемником, торцы которых расположены вблизи от поверхности обьекта. По величине сигнала с фотоприемника U и по.функциональной зависимости

U = f(l), которая получена при некоторых первоначальных значениях мощности излучателя света, чувствительности фотоприемника и коэффициента отражения от отражающей поверхности onðåäåëÿ îò величину 1 расстояния до объекта.

Недостаток способа и устройства — зависимость результата измерений величины ! от изменения мощности источника излучения, чувствительности фотоприемника, коэффициента отражения поверхности контролируемого объекта (КО).

Целью изобретения является повыше-. ние точности измерений.

Поставлен нал цель достигается тем, что в известном способе, заключающемся в том, что формируют падающий на светоотражающую поверхность объекта поток светового излучения, регистрируют в фиксированной точке отраженный световой поток, преобразуют его в электрический сигнал, величину которого используют для определения расстояния до объекта, согласно изобретению, осуществляют дополнительно второй и третий такты измерения, 10

1779919

10

30

55 изменяя коэффициент поглощения света среды распространения световых потоков так, что в первом такте и для одного из потоков, падающего или отраженного, во втором такте коэффициент поглощения среды имеет одно значение, а в третьем такте и для другого потока во втором такте — другое значение, при неизменных во всех тактах коэффициенте преломления света среды и длине оптического пути потоков в ней, а расстояние до объекта определяют по отношению разностей величин электрических сигналов, полученных в трех тактах измерения.

Устройство, реализующее способ, содержащее источник светового излучения, фотоприемник, излучающий и приемный световоды, свободными торцами оптически связываемые между собой через светоотражающую поверхность объекта, согласно изобретению снабжено комбинированной пластиной, установленной между свободными торцами световодов и светоотражающей поверхностью объекта, параллельно ей с возможностью вращения в плоскости установки и состоящей иэ прозрачной и полупрозрачной пластин одинаковой толщины, соединенных встык и выполненных из материала с одинаковым коэффициентом преломления света, микродвигателем, кинематически связанным с комбинированной пластиной, преобразователем угол — код, подключенным к микродвигателю, дешифратором, первый и второй входы которого соединены, соответственно; с одноименными выходами преобразователя угол — код, тремя одновибраторами; входы которых соединены, соответственно с выходами дешифратора, тремя блоками памяти, управляющие входы которых соединены, соответственно, с выходами одновибраторов, а информационные входы соединены с выходом фотоприемника, и вычислительным блоком, входы которого соединены, соответственно, с выходами блоков памяти.

Изобретение иллюстрируется фиг.1-5;

Устройство для измерения расстояний до объекта содержит расположенные последовательно источник 1 излучения, излучающий световод 2, формирующий падающий луч 3 света, отражающийся от поверхности

4 КО, приемный световод 5, принимающий часть отраженного луча 6, фотоприемник 7, комбинированную пластину 8, расположенную между торцами световодов 2 и 5 и поверхностью 4. Пластина 8 состоит из расположенных в одной плоскости и соединенных встык прозрачной и полупрозрачной пластин 9 и 10 соответственно.

Устройство содержит также соединенные последовательно микродвигэтель 11, вращающий комбинированную пластину 8, преобразователь 12 угол — код, дешифратор

13, а также первый, второй, третий одновибраторы 14, 15 и 16 соответственно, входы которых подключены соответственно к первому, второму и третьему выходам дешифратора 13, первый, второй и третий блоки памяти 17, 18 и 19, управляющие входы которых соответственно соединены с выходами одновибраторов 14, 15 и 16. В состав устройства входит вычислительный блок 20, входы которого соединены с выходами блоков памяти 17, 18 и 19 соответственно. Входы блоков памяти 17, 18 и 19 подключены к выходу фотоприемника,7.

Способ осуществляется устройством следующим образом.

С помощью источника 1 и излучающего световода 2 освещается поверхность 4 КО.

Часть отраженного от поверхности 4 света детектируется фотоприемником 7. С учетом линейности фотодиода в режиме генератора тока величина сигнала U на выходе фотоприемника 7 будет равна

U =- Ь. + Ь Еф, (1) где Еф. — мощность света. падающего на фотодиод, b0, b> — коэффициенты преобразования.

Проводяттри такта измерения выходного сигнала фотоприемника, в каждом из которых падающий и отраженный лучи 3 и 6 соответственно проходят через комбинацию прозрачных и полупрозрачных пластин.

В первом. такте лучи 3 и 6 пропускают через прозрачную пластину 9. В этом случае мощность света на, выходе излучающего световода 2 — L и мощность света Еф. свя-, заны соотношением

Еф = Ейехр(-(1.к1+ La< )), (2) где k — коэффициент, учитывающий диаграмму направленности световодов 2 и 5, неполное отражение света от поверхности 4 и т,д.;

L — длина пути света в пластине; к1 — коэффициент поглощения света в материале прозрачной пластины, В первом такте, когда падающий и отраженный свет пропускают через прозрачную пластину, величина сигнала с выхода фотоприемника — U> будет с учетом (1) и (2) равна

U< = bc + b1E

Во втором такте падающий свет (луч 3) попрежнему пропускают через прозрачную пластину 9, а отраженный свет (луч 6), в отличие от первого такта, пропускают через полупрозрачную пластину 10. В полупрозрачной пластине свет поглощается, но не

1779919 рассеивается, а величина сигнала с выхода фотоприемника 7 во втором такте- Uz будет равна

02 = Ьо+ Ь1Еп1ехр((1 к + L fez)), (4) где к2 — коэффициент поглощения света в материале полупрозрачной пластины.

В третьем такте и падающий (луч 3), и отраженный (луч 6) свет пропускают через полупрозрачную пластину, поэтому величина сигнала с выхода фотоприемника 7 в третьем такте составит

0з = Ьо + Ь > Ейехр(-(L lcd+ L te )) ° (5)

Используя (3), (4) и (5), можно найти величину

1 = (in((03 U2)/(U2 01Я)/(IC1 /4 ). (6)

Измеряемое расстояние!, исходя из геометрических соображений, можно представить следующей формулой где L находится в соответствии с выражением (6), n — коэффициент преломления света на границе воздух — пластина, д — толщина пластины, а — расстояние между центрами световодов 2 и 5.

Необходимо отметить, что результат измерения I не зависит от величин Ьо, Ь|, Еп,k

Устройство, реализующее способ, работает следующим образом.

Вал микродвигателя 11, который вращает комбинированную пластину 8, установлен перпендикулярно плоскости пластины 8. Вращение пластины обеспечивает проведение трех тактов измерения сигналов 0>, Uz, 0з фотоприемника 7 согласно описанному выше способу. При повороте вала микродвигателя 11 меняется входная величина (угол) на входе двухразрядного преобразователя 12 угол — код. Так как этот преобразователь должен иметь всего два разряда,то он можетбыть выполнен, например, в виде контактов (электропроводящих дорожек), расположенных непосредственно на валу или же содержать диск, расположенный на валу микродвигателя 11. У двухразрядного преобразователя угол — код цифровой код на выходе изменяется при изменении угла на каждые 90О. Поэтому в первом такте на выходе преобразователя 12 имеется цифровой код 00. Бо втором такте на выходе преобразователя 12 имеется цифровой код 01, а в третьем такте — цифровой

10 код 10. При повороте вала на оставшиеся

90 до полного оборота вала никаких измерений сигналов фотоприемника 7 не производится. Дешифратор 13 дешифрирует данные цифровые коды, в результате чего на первом. втором и третьем выходах дешифратора 13 появляются сигналы в первом, втором и третьем тактах соответственно. По переднему фронту этих сигналов запускаются одновибраторы 14, 15 и 16, каждый из которых генерирует импульс длительностью

+HMn Импульсы.с выходов одновибраторов

14, 15 и 16 поступают на управляющие входы блоков памяти 17, 18 и 19. Благодаря

15 этому впервом такте,,когда на выходе фотоприемника 7 имеется сигнал 0>, в блоке 17 памяти запоминается величина 0<. Во втором такте, когда на выходе фотоприемника

7 имеется сигнал Uz, в блоке 18 памяти за20 поминается величина Uz, à в третьем такте, когда на выходе фотоприемника 7 имеется сигнал Оз, в блоке 19 памяти запоминается величина 0з, Длительность импульсов одновибратора выбирают такой, чтобы в блоках

25,памяти 17, 18 и 19 успевали запоминаться соответствующие сигналы. Типичные значения гикал составляют единицы — десятки милисекунд.

Сигналы 01, Uz, 0з с блоков 17. 18 и 19

30 памяти поступают в вычислительный блок

20, который вычисляет расстояние 1 в соот. ветствии с выражениями (6) и (7). В памяти блока 20 хранятся величины d, à, и, с1 и к2 .

В одном иэ вариантов вычислительный блок

35 20 содержит микроЭВМ и интерфейс, последний в свою очередь содержит аналогоцифровой преобразователь (АЦП) и коммутатор. который подключает АЦП к блокам 17, 18, 19 памяти. Применение бло40 ков 12 — 19 позволяет не синхронизировать работу микроЭВМ и вращение комбинированной пластины 8.

Кроме этого, благодаря наличию блоков

12 — 19 возможна работа устройства в стро45 бирующем режиме. В этом случае с какоголибо внешнего устройства (на фиг,1 не показано) на синхронизирующий вход дешифратора 13 (на фиг.1 не показан) поступает в момент времени, когда необходимо

50 измерить величину..1, синхронизирующий сигнал, длительность которого Tcwxp. > Top., где Т р. — период вращения микродвигателя

11. Работа дешифратора 13 и, следовательно, блоков 14 — 19 возможна только при

55 наличии этого синхронизирующего импульса. Следовательно, в блоках памяти запоминается информация ° соответствующая моменту времени, когда действовал синхронизирующий сигнал (в остальное время бло1779919 ки 17 — 19 работают в режиме хранения).

Если необходима непрерывная работа устройства, то дешифратор 13 не синхронизируют извне, он постоянно находится в рабочем режиме, при этом в блоках 17 — 19 5 памяти информация обновляется при каждом обороте пластины 8.

Учитывая, что величины и, б, а, к>, к в выражениях (6) и (7) есть постоянные, то фактически величину I определяют, исходя 10 иэ величины г - (Оз — U2)/(Uz — U1) (то есть при изменении изменяется только величина z), Поэтому возможно определение величины !, исходя из величины z no заранее определенной зависимости - f(z), для опре- 15 деления которой можно испольэовать выражение (7) с учетом того, что !. - Inz/(êf — к2).

Зависимость - f(z) можно также найти при калибровке устройства, в этом случае она хранится, например, в виде таблицы в памя- 20 ти микроЭВМ, входящей в состав вычислительного блока 20, Такой подход позволяет существенно уменьшить время вычислений.

Конкретный способ определения зависит от технических характеристики микроЭВМ 25 и необходимой скорости измерения величи- ны !.

Увеличение точности измерений I в предложенном способе достигается за счет независимости результата измерений от 30 воздействия дестабилизиру:ощих факторов, таких как температура, старение, изменение коэффициента отражения отражающей поверхности, изменение чувствительности фотоприемника, изменение мощности све- 35 та, излучаемого источником излучения и т.д.

Это объясняется тем, что величина в выражении(7) не зависит от величин bo, Ь, Ел, Е

Формула изобретения 40

1. Способ измерения расстояний до объекта. заключающийся в том, что формируют подающий на светоотражающую поверхность объекта поток светового излучения, регистрируют в фиксированной 45 точке отраженный световой поток, преобразуют его в электрический сигнал, величину которого используют для определения расстояния до объекта, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, осуществляют дополнительно второй и третий такты измерения, изменяя коэффициент поглощения света среды распространения световых потоков так, что в первом такте и для одного иэ потоков, падающего или отраженного, во втором такте коэффициент поглощения среды имеет одно значение, à в третьем такте и для другого потока во втором такте — другое значение, при неизменных, во всех тактах, коэффициенте преломления света среды и длине оптического пути потоков в ней, а расстояние до объекта определяют по отношению разностей величин электрических сигналов, полученных в трех тактах измерения.

2. Устройство для измерения расстояний до объекта, содержащее источник светового излучения. фотоприемник, излучающий и приемный световоды, свободными торцами оптически связываемые между собой через светоотражающую поверхность объекта, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что. с целью повышения точности, оно снабжено комбинированной пластиной, установленной между свободными торцами световодов и светоотражающей поверхностью объекта параллельно ей с возможностью вращения в плоскости установки и состоящей из прозрачной и полупрозрачной пластин одинаковой толщины, соединенных встык и выполненных из материала с одинаковым коэффициентом преломления света, микродвигателем, кинематически связанным с комбинированной пластиной, преобразователем угол — код, подключенным к микродвигателю, дешифратором, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с одноименными выхода-. ми преобразователя угол — код, тремя одновибраторами, входы которых соединены соответственно, с выходами дешифратора, тремя блоками памяти, управляющие входы которых соединены соответственно с выходами одновибраторов, а информационные входы соединены с выходами фотоприемника, и вычислительным блоком, входы которого соединены соответственно с выходами блоков памяти.

1779919

Еид А

Составитель H. Лиманова

Техред М.Моргентал Корректор А. Мотыль

Редактор С. Кулакова

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 4428 Тираж . Подписное 8НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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