Оптико-электронное устройство для измерения поперечных смещений

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Технический результат - повышение точности измерения путем обеспечения постоянства пространственной чувствительности устройства к поперечным смещениям. Устройство содержит задатчик базового направления, в виде блока с двумя источниками модулированного излучения, который образует равносигнальную зону. Двух делителей частоты, входы которых соединены с выходом генератора опорной частоты, с которым соединен и вход третьего делителя, второй вход первого модулятора соединен с выходом фазовращателя, и приемную часть, включающую объектив, в фокальной плоскости которого установлен фотоприемник, выход которого соединен со входом предусилителя, выходы двух полосовых фильтров соединены со входами двух выпрямителей, выходы которых соединены со входом вычитающего устройства, и индикатор, а выход третьего делителя соединен со вторым входом модулятора и со входом фазовращателя, в приемную часть введен усилитель с АРУ, третий полосовой фильтр, фильтр низкой частоты и выпрямитель, причем вход усилителя с АРУ соединен с выходом предусилителя, а его выход соединен с входами первого и второго фильтров, а выход вычислительного устройства соединен через фильтр низких частот со входом индикатора, а через третий полосовой фильтр и выпрямитель с управляющим входом усилителя с АРУ. 3 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к области оптико-электронных приборов для дистанционного бесконтактного контроля и измерения пространственного положения объекта при его возможном поперечном смещении относительно задатчика базового направления.

Оно может быть использовано как измерительное устройство в геодезии, машиностроении, авиационной промышленности, судостроении и как датчик системы автоматического бесконтактного одновременного управления движением, различными объектами по заданной траектории в дорожном и мелиоративном строительстве, горном деле, самолето- и судостроении.

Известно оптико-электронное устройство для измерения пространственного положения объекта, содержащее задатчик базового направления, формирующий базовую плоскость, и два фотоприемника, один из которых введен в зону максимальной облученности на данной дистанции (М.А.Великотный "О построении прибора управления лучом с неизменной выходной статической характеристикой". Труды ЛИТМО, выпуск 90, Ленинград, 1977 г. стр. 84-85). В указанном устройстве выходной сигнал рассогласования получают в виде отношения сигнала рассогласования к сигналу максимально возможному на данной дальности. Наличие второго приемника усложняет конструкцию устройства, а деградация фотоприемников снижает точность данного устройства, так как оно работает при условии линейности энергетических характеристик фотоприемников, регистрирующих сигнал рассогласования и максимальный уровень сигнальной засветки.

Свободным от указанных недостатков и наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и принятым авторами за прототип является оптико-электронное устройство для измерения поперечных смещений (А. с. N 1370457, G 01 B 21/00, от 25.06.86). Устройство, состоящее из задатчика базового направления, включающего объектив, проецирующий в пространство изображение граней прямоугольной светоделительной призмы, подсвечиваемой двумя источниками излучения светодиодами, расположенными у катетных граней светоделительной призмы, и электронную схему питания излучателей, включающую генератор, выход которого подключен ко входам трех делителей частоты, выходы первого и второго делителей частоты подключены ко входам первого и второго модуляторов, а выход третьего делителя частоты подключен ко входу генератора треугольных импульсов, при этом выходы первого и второго модуляторов подключены к излучателям (светодиодам), а выход генератора треугольных импульсов подключен к управляющему входу первого модулятора и через фазовращатель к управляющему входу второго модулятора и приемника, включающего объектив и фотоприемник, выход которого подключен на вход предусилителя, а выход последнего на входы двухполосовых фильтров, выходы которых через соответствующие выпрямители включены на входы сумматора, выход которого включен на вход усилителя ограничителя, выход последнего включен на входы дифференцирующей цепочки и реверсивного счетчика, при этом на второй и третий входы реверсивного счетчика подключены выходы дифференцирующей цепочки и генератора опорной частоты, а выход реверсивного счетчика включен на вход индикатора. В таком устройстве выходной сигнал определяется смещением оптической фотоприемной части с линии симметрии сканирования.

Однако с изменением пропускания воздушного тракта и увеличением дальности чувствительность к поперечным смещениям приемника данного устройства падает.

Предполагаемое изобретение направлено на решение задачи повышения точности измерения поперечных смещений путем обеспечения постоянства пространственной чувствительности устройства к поперечным смещениям. Под пространственной чувствительностью подразумевается отношение выходного сигнала устройства, например напряжения на его выходе, к величине поперечного смещения оптической оси приемника относительно базовой плоскости.

Поставленная задача решается тем, что оптико-электронное устройство для измерения поперечных смещений содержит задатчик базового направления, состоящий из оптически связанных объектива и светоделительной призмы, первого и второго источников излучения, расположенных симметрично относительно катетных граней светоделительной призмы и подключенных к выходам первого и второго модуляторов, первые входы которых соединены с выходами первого и второго делителей частоты, входы которых соединены с выходом генератора опорной частоты, с которым соединен и вход третьего делителя, второй вход первого модулятора соединен с выходом фазовращателя, и приемную часть, включающую объектив, в фокальной плоскости которого установлен фотоприемник, выход которого соединен со входом предусилителя, выходы двух полосовых фильтров соединены со входами двух выпрямителей, выходы которых соединены со входом вычитающего устройства, и индикатор, а выход третьего делителя соединен со вторым входом второго модулятора и со входом фазовращателя, в приемную часть введен усилитель с автоматической регулировкой усиления (АРУ), третий полосовой фильтр, фильтр низких частот и выпрямитель, причем вход усилителя с АРУ соединен с выходом предусилителя, а его выход соединен со входами первого и второго фильтров, а выход вычитающего устройства соединен через фильтр низких частот со входом индикатора, а через третий полосовой фильтр и выпрямитель с управляющим входом усилителя с АРУ.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена структуpная схема устройства, на фиг. 2 изображены диаграммы работы устройства, на фиг. 3 изображена принципиальная электрическая схема модулятора.

Задатчик базового направления 1 (фиг. 1) состоит из объектива 2, проецирующего грань прямоугольной светоделительной призмы 6, установленной так, что ее ребро, образованное катетными отражающими сторонами, перпендикулярно оптической оси объектива и установлено в его фокальной плоскости, подсвечиваемой источниками излучения 4, 5, причем их оптические оси проходят через ребро призмы и расположены с оптической осью объектива в одной плоскости и при этом ребро призмы, оптические оси светодиодов и объектива образуют ортогоксальную систему. Источники излучения 4, 5, образующие с призмой 6 излучатель 3, подключены к схеме питания излучателя 7, состоящей из генератора частоты 8, выход которого соединен со входами первого 9, второго 11 и третьего 10 делителей частоты, причем выход первого делителя частоты 9 подключен к первому входу первого модулятора 12, выход второго делителя частоты 11 подключен к первому входу второго модулятора 14, а выход третьего делителя частоты 10 подключен ко второму входу второго модулятора 14 и через фазовращатель 13 ко второму входу первого модулятора. Приемная часть 15 состоит из объектива 16, в фокальной плоскости которого установлен фотоприемник 17, выход которого соединен со входом предусилителя 18, а выход последнего соединен входом усилителя с АРУ 19, выход которого соединен со входами первого 20 и второго 21 полосовых фильтров, выходы которых через соответствующие выпрямители 22 и 23 соединены со входом вычитающего устройства 24, выход которого через фильтр низкой частоты 25 подключен к индикатору 26, и через полосовой фильтр 27, выпрямитель 28 с управляющим входом усилителя с АРУ 19.

Устройство работает следующим образом (см. фиг. 2). Объектив 2 задатчика базового направления 1 проецирует изображение грани светоделительной призмы 6, катетные стороны которой подсвечиваются источниками излучения 4, 5. Каждый из источников излучения 4, 5 является нагрузкой соответствующего модулятора 12 и 14, на первые входы которых через некратные делители частоты 9, 11 с генератора частоты 8 поступает переменное напряжение с частотами f₁ и f₂, соответственно. Делитель 10 вырабатывает переменное напряжение с частотой f₃ (диаграмма а фиг. 2), которое поступает на второй вход второго модулятора 14 и через фазовращатель 13, осуществляющий сдвиг фазы на 180^o, на второй вход первого модулятора 12. В результате на выходах модуляторов появится напряжение частот f₁ и f₂, соответственно промодулированное противофазным прямоугольным напряжением частоты f₃ (диаграмма б, в фиг. 2) с определенным коэффициентом амплитудной модуляции М (М 1) (Гоноровский И.С. "Радиотехнические цепи и сигналы". Радиосвязь, 1986, стр. 75). Поскольку модуляторы 12, 14 подключены к источникам излучения 4, 5, то излучение каждого источника излучения будет промодулировано в противофазе частотой f₃ с частотным заполнением для источника 4, например, f₁, а для источника 5, например, f₂. Таким образом, в пространстве будет сформировано излучение с резкой границей на оси луча, причем одна половина его будет промодулирована частотой f₁, а другая частотой f₂. Такое пространственное распределение излучения образует зону управления с оптической равносигнальной зоной (ОРСЗ), определяющей направление.

Как известно, изменение яркости источников в каналах задатчика базового направления (ЗБН) вызывают сдвиг ОРСЗ (Цуккерман С.Т. Гридин А.С. "Управление машинами при помощи оптического луча". Машиностроение, 1969, стр. 149-150) в направлении, перпендикулярном формируемой плоскости. Величина этого сдвига зависит как от значений геометрических и аберрационных параметров оптической системы ЗБН, так и абсолютной величины разбаланса яркости источников в каналах. Последнее позволяет предположить, что осуществляя модуляцию яркости в каналах, можно обеспечить требуемый закон сканирования ОРСЗ.

Облученность E₁ в плоскости, перпендикулярной оптической оси ЗБН, создаваемая источником первого осветителя (фиг. 1) зависит от координат точки, в которой исследуется облученность. При фиксированном значении координаты "y" облученность будет зависеть от величины смещения "x" исследуемой точки по известному закону (Цуккерман С.Т. Гридин А.С. "Управление машинами при помощи оптического луча". Машиностроение, 1969).

где E_max1 максимальное значение облученности, создаваемое источником первого канала осветителя, l_л ширина линейной части ОРСЗ, x координата точки анализа облученности.

Так как для рассматриваемых систем (Цуккерман С.Т. Гридин А.С. "Управление машинами при помощи оптического луча". Машиностроение, 1969).

где τ пропускание воздушного тракта L яркость источника излучения S_вых.зр. площадь выходного зрачка объектива ЗБН Z расстояние от выходного зрачка ЗБН до плоскости, в которой рассматривается распределение облученности.

При фиксированной "x" облученность будет зависеть от "y" и по закону E=E₁cosβ Известно, что размер линейной части ОРСЗ l_л определяется выражением
δϕ угловая аберрация объектива ЗБН
Z_o расстояние от выходного зрачка объектива ЗБН до плоскости фокусировки границы раздела
d поперечный размер зрачка объектива ЗБН
Для облученности, создаваемой вторым осветителем ЗБН E₂ будет

Так как ОРСЗ есть геометрическое место точек, в которых облученность от первого канала ЗБН равна облученности от второго канала, т.е. E₁ E₂, то

С учетом (1), (2) и (3), получим:

где L₁, L₂ яркости излучателей первого и второго каналов ЗБН.

Пусть относительное значение разбаланса яркости, тогда рассматривая выражение (4), видно, что величина смещения РЗС x зависит от относительного значения разбаланса δL яркости в каналах. Зададим определенный закон изменения яркости в каналах во времени.

Пусть L в первом канале изменяется по следующему закону:
L₁=L_o+ΔL sin (ωt+ϕ₁)
во втором канале
L₂=L_o+ΔL sin (ωt+ϕ₂), а ϕ₂-ϕ₁=180°
где ω круговая частота
t время
v фаза

И тогда из (4)

Таким образом, РСЗ смещается во времени по гармоническому закону, т.е. имеет место сканирование РСЗ.

Таким образом, из выражения (5) видно, что амплитуда сканирования РСЗ прямо пропорциональна абсолютной величине яркости в каналах и зависит от дистанции Z, величины аберрации и размера зрачка. Если , то величина сканирования не зависит от дистанции, и это происходит при Z_o= ∞ (Великотный М.А. "О построении прибора управления лучом с неизменной выходной статической характеристикой". Труды ЛИТМО, выпуск 90, 1977, стр. 85). В этом случае ОРСЗ смещается параллельно относительно оптической оси ЗБН по всей дистанции. При указанном способе модуляции величина регистрируемого смещения x с частотой f₃ будет пропорциональна крутизне, информация о крутизне и поперечном смещении приемной части заложена в излучении ЗБН. Излучение, формируемое задатчиком базового направления 1, собирается объективом 16 приемной части 15 и фокусируется на фотоприемник 17, преобразующий поток излучения в электрический сигнал, усиливаемый предусилителем 18. Далее сигнал поступает на вход усилителя с АРУ 19. С выхода усилителя с АРУ 19 электрический сигнал поступает на входы полосовых фильтров 20, 21, настроенным соответственно на частоты f₁ и f₂, в результате на их выходах появляется гармонический сигнал частот f₁ и f₂, промодулированный противофазными прямоугольными импульсами частоты f₃ (диаграмма г, д, фиг. 2). Выделенные выпрямителями 22, 23 огибающие этих сигналов (диаграмма е, ж, фиг. 2) поступает на вход вычитающего устройства 24. При этом на выходе вычитающего устройства появляется сигнал частоты f₃ (диаграмма з, фиг. 2), причем постоянная составляющая этого сигнала пропорциональна смещению входного зрачка приемной части 15 относительно оптической оси задатчика базового направления 1, а переменная крутизне статической характеристики приемника. С выхода вычитающего устройства 24 указанный сигнал поступает с одной стороны через фильтр низкой частоты 25, осуществляющий выделение постоянной составляющей, на индикатор 26, отградуированный в единицах поперечного смещения, а с другой через полосовой фильтр 27, настроенный на частоту f₃ и выделяющий переменную составляющую, огибающая которой выделяется выпрямителем 28, на управляющий вход усилителя с АРУ 19, осуществляющий стабилизацию его выходного сигнала при изменении сигнала на его выходе вследствие изменения дальности и пропускания воздушного тракта.

При нахождении входного зрачка приемной части 15, например, выше оптической оси задатчика базового направления 1, на объектив 16 попадут неравные разномодулированные частотами f₁ и f₂ потоки излучения, что приведет к появлению на входах вычитающего устройства 24 разных по величине постоянной составляющей сигналов (диаграмма и, к, фиг. 2). При этом на выходе вычитающего устройства 24 появится переменный сигнал частоты f₃ (диаграмма л, фиг. 2) с постоянной составляющей U_H1 и переменной U_L2, пропорциональных поперечному смещению и крутизне приемной части 15. При смещении вдоль направления, задаваемого задатчиком 1, например удалении или уменьшении пропускания воздушного тракта, при том же поперечном смещении на объектив 16 приемной части 15 попадают те же неровные разномодулированные частотами f₁ и f₂ потоки излучения, но величина коэффициента амплитудной модуляции частоты f₃ уменьшается, при этом на входах вычитающего устройства 24 сигналы выпрямителей 22, 23 будут иметь ту же постоянную составляющую и меньшую переменную частоты (диаграмма м, н, фиг. 2), а на выходе вычитающего устройства 24 сигнал сохранит ту же постоянную составляющую величиной U_H2 U_H1, а величина переменной U_L3 уменьшится (диаграмма о, фиг. 2), что приведет к изменению коэффициента усиления усилителя с АРУ 19.

В конкретном примере выполнения устройства задатчик базового направления, создающий оптическую равносигнальную зоны содержит источники, выполненные в виде инфракрасных полупроводниковых светодиодов.

Схема питания излучателя состоит из генератора опорной частоты, выполненного на логических элементах КМОП-структуры, стабилизированной кварцевым резонатором (Бородин П. И. "Импульсные устройства на морском транспорте". Транспорт, 1987, стр. 168, рис. 7.18 а), выход которого подключен ко входам трех некратных делителей частоты, например, с коэффициентами деления 6, 10, 128, образующих из частоты генератора частоты f₁, f₂, f₃ соответственно, которые выполнены на программируемых делителях типа микросхемы К564ИЕ15, на выходе которой включен любой делитель на 2, например, на Д-триггере микросхемы К561ТТ12 для получения скважности импульсов 2. Фазовращатель выполнен на логической ячейке типа "НЕ" микросхемы К561ЛН2. Модуляторы излучения светодиодов 12 и 14 идентичны и построены таким образом, что логические напряжения, поступающие на их вторые входы, позволяют переключать их коэффициент передачи, тем самым изменяя скачкообразно ток, протекающий через источники излучения 4, 5. Причем, частота переключения коэффициентов передачи определяется последовательностью прямоугольных импульсов с выхода делителя 10.

Таким образом, осуществляется дополнительная низкочастотная модуляция потока излучения, которая в каналах источников излучения, находится в противофазе и обеспечивает скачкообразное смещение равносигнальной зоны за счет изменения яркости излучателей. Электрическая принципиальная схема одного из модуляторов показана на фиг. 3. Она состоит из двух параллельно включенных ключевых каскадов по схеме Дарлингтона на транзисторах Т₁, T₂, T₃, T₄ соответственно, нагрузка которых общая светодиод VD1, причем коэффициент модуляции частотой f₃ определяется величинами токов, протекающих через каждый ключевой каскад и задается ограничивающими сопротивлениями R₄, R₅. Сопротивления R₂, R₃, R₆, R₇ служат для улучшения динамических характеристик ключевых каскадов.

В качестве фотоприемника приемной части используется фотодиод, включенный в гальваническом режиме работы.

Предварительный усилитель реализован на малошумящем усилителе типа К538УН3.

Усилитель с АРУ выполнен в виде регулируемого делителя, в нижнем плече которого, включен полевой транзистор установленного во входных цепях операционного усилителя (Алексеенко А.Г. и др. "Применение прецизионных аналоговых ИС". Радио и связь, 1981, стр. 68, рис.213 б).

Полосовые фильтры идентичны по своей структуре и реализованы по схемам активных полосовых фильтров второго порядка, настроенных соответственно на частоты f₁, f₂, f₃ (Изъюрова Г.И. "Расчет электронных схем". Высшая школа, 1989, стр. 194, рис. 7, 25).

Выпрямители приемной части идентичны и выполнены по схеме диодного моста с емкостным фильтром.

Вычитающее устройство реализовано по схеме параллельного сумматора на операционном усилителе (Алексеенко А.Г. и др. "Применение прецизионных аналоговых ИС". Радио и связь, 1981, стр. 77, рис.3.2).

Фильтр низкой частоты выполнен на RC-цепочке. В качестве индикатора может быть использован простейший стрелочный вольтметр, шкала которого отградуирована в единицах поперечного смещения.

Построение и принцип, заложенные в устройство, использующее ОРСЗ, позволяют обеспечить измерение пространственного положения одновременно нескольких приемных частей, поскольку измерительная информация заложена в излучении задатчика базового направления.

Таким образом, по совокупности перечисленных признаков оптико-электронное устройство для измерения пространственного положения объекта позволяет измерять поперечные смещения с постоянной чувствительностью, чем и достигается поставленная задача.

Указанное оптико-электронное устройство может быть использовано, например, в мелиоративном строительстве при разбивке дренажных сетей.

Формула изобретения

Оптико-электронное устройство для измерения поперечных смещений, содержащее задатчик базового направления, состоящий из оптически связанных объектива и светоделительной призмы, первого и второго источников излучения, расположенных симметрично относительно катетных граней светоделительной призмы, первого и второго модуляторов, выход первого из которых подключен к первому источнику излучения, а выход второго подключен к второму источнику, трех делителей частоты, выходы первого и второго делителей соединены с входами первого и второго модулятора, генератора опорной частоты, с выходом которого соединены входы каждого из трех делителей частоты, фазовращателя, выход которого соединен с управляющим входом первого модулятора, и приемную часть, включающую объектив, фотоприемник, установленный в фокальной плоскости объектива, предусилитель, вход которого подключен к фотоприемнику, два полосовых фильтра, два выпрямителя, входы которых соединены с выходами полосовых фильтров, вычитающего устройства, входы которого соединены с выходами выпрямителей, и индикатор, отличающееся тем, что выход третьего делителя частоты соединен с управляющим входом второго модулятора и с входом фазовращателя, в приемную часть введены усилитель с автоматической регулировкой усиления, третий полосовой фильтр, фильтр низкой частоты и третий выпрямитель, причем вход усилителя с автоматической регулировкой усиления соединен с выходом предусилителя, а его выход соединен с входами первого и второго полосовых фильтров, выход вычитающего устройства соединен с входом фильтра низких частот и входом третьего полосового фильтра, выход третьего полосового фильтра через третий выпрямитель соединен с управляющим входом усилителя с автоматической регулировкой усиления, а выход фильтра низкой частоты соединен с входом индикатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3