Бесконтактное устройство для измерения расстояния до различных точек поверхности объекта

Изобретение относится к области метрологии, в частности к средствам бесконтактного измерения расстояний, размеров и формы объектов. Технический результат заявленного изобретения состоит в увеличении дальности действия устройства, обеспечении бесконтактного способа сканирования измеряемых точек на поверхности объекта, упрощении конструктивного исполнения устройства в виде компактного прибора, не имеющего разнесенных на расстояние составных узлов - жезла и антенны. Указанный технический результат достигается в устройстве для измерения расстояний до различных точек поверхности объекта, содержащем возбудитель акустического излучения, выполненный в виде жезла, имеющего два разнесенных по длине акустических излучателя и рукоятку с пусковой кнопкой, приемник акустического излучения, выполненный на трех микрофонах, закрепленных в вершинах треугольника, формирователь переднего фронта импульса, вход которого соединен с пусковой кнопкой, а выход соединен с генератором, имеющим возможность поочередного подключения к каждому акустическому излучателю, а также с трехканальным электронным блоком, каждый канал которого включает последовательно соединенные полосовой усилитель, компаратор, счетчик измерителя временных интервалов, причем электронный блок подключен к микрофонам и к общему интерфейсу и ЭВМ. При этом приемник акустического излучения выполнен в виде штатива с площадкой, в плоскости которой размещены три микрофона, расположенные в вершинах равнобедренного прямоугольного треугольника с длиной катетов не более 40 см, совпадающих с осями координат х и у измеряемого пространства; над точкой пересечения медиан упомянутого треугольника на высоте не более 70 см с помощью стойки установлен шарнир, на котором в средней точке между акустическими излучателями закреплен жезл, а на противоположном от рукоятки с кнопкой конце жезла установлена компьютеризированная лазерная рулетка, оптическая ось которой лежит на одной прямой с геометрическими центрами акустических излучателей жезла, причем рулетка соединена кабелем связи с ЭВМ. 3 ил.

 

Изобретение относится к области метрологии, в частности к средствам бесконтактного измерения расстояний, размеров и формы объектов.

Известно устройство измерения расстояния до поверхности объекта, содержащее лазер, приемник акустического излучения, выполненный на 3-х микрофонах, закрепленных в вершинах треугольника, стороны которого образованы жесткими стержнями, последовательно соединенные приемник оптического излучения и формирователь переднего фронта импульса, а также трехканальный электронный блок, каждый канал которого включает последовательно соединенные полосовой усилитель, компаратор, счетчик измерителя временных интервалов и подключен к общим интерфейсу и ЭВМ (патент РФ №2139497).

Известно также устройство, в котором вместо лазера в качестве возбудителя акустического излучения использован электроискровой щуп, а в электронный блок введена дополнительная линия регулируемой задержки переднего фронта импульса (патент РФ №2225591).

К общему недостатку указанных устройств можно отнести то, что оба примененных в них типа возбудителей акустического излучения (лазер или электроискровой щуп) генерируют при работе сильную электромагнитную помеху. При этом можно отметить, что хотя источник электромагнитной помехи в указанных устройствах различен, так, в лазере им является высоковольтный импульс поджига газоразрядных ламп накачки оптического стержня, а в щупе - высоковольтный электроискровой зазор, оба они при работе иногда вызывают сбой работы счетчиков временных интервалов. Вследствие этого снижается надежность функционирования электронных регистрирующих блоков указанных измерительных устройств. Это обстоятельство было выявлено при лабораторных и производственных испытаниях экспериментальных образцов измерительных устройств, выполненных по схемам аналогов.

Известно устройство, принятое за прототип, в котором с целью повышения надежности рассматриваемой измерительной аппаратуры, достигаемой за счет отсутствия сигнала собственной помехи, возбудитель акустического излучения выполнен в виде электродинамического жезла, имеющего заостренный наконечник и рукоятку с пусковой кнопкой, на котором закреплены два разнесенных по длине пьезоэлектрических излучателя (патент РФ №2260772).

Однако указанное устройство-прототип тоже не лишено некоторых недостатков, например:

- малая дальность действия, позволяющая контролировать размеры и форму объектов с габаритными размерами не более 2,5×1,5×1,5 м в измерительном поле многомикрофонной антенны 4×2×2 м;

- наличие в составе устройства-прототипа громоздкой треугольной акустической антенны с длиной стороны не менее 1 м, требующей индивидуального подбора взаиморасположения с каждым измеряемым объектом, что вызывает затруднения при работе в условиях тесных промышленных помещений;

- ручной контактный способ сканирования акустическим жезлом контрольных точек на поверхности измеряемых объектов затруднителен для передвижения устройства-прототипа по протяженным трассам, особенно вдоль вертикальной оси системы координат.

Задачей заявленного изобретения является создание бесконтактного измерительного устройства, не имеющего вышеуказанных недостатков прототипа. Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, состоит в увеличении дальности действия устройства, обеспечении бесконтактного способа сканирования измеряемых точек на поверхности объекта, упрощении конструктивного исполнения устройства в виде компактного прибора, не имеющего разнесенных на расстояние составных узлов - жезла и антенны.

Указанный технический результат достигается в устройстве для измерения расстояний до различных точек поверхности объекта, содержащем возбудитель акустического излучения, выполненный в виде жезла, имеющего два разнесенных по длине акустических излучателя и рукоятку с пусковой кнопкой, приемник акустического излучения, выполненный на трех микрофонах, закрепленных в вершинах треугольника, формирователь переднего фронта импульса, вход которого соединен с пусковой кнопкой, а выход соединен с генератором, имеющим возможность поочередного подключения к каждому акустическому излучателю, а также с трехканальным электронным блоком, каждый канал которого включает последовательно соединенные полосовой усилитель, компаратор, счетчик измерителя временных интервалов, причем электронный блок подключен к микрофонам и к общему интерфейсу и ЭВМ. Однако в отличие от прототипа приемник акустического излучения выполнен в виде штатива с площадкой, в плоскости которой размещены три микрофона, расположенные в вершинах равнобедренного прямоугольного треугольника с длиной катетов не более 40 см, совпадающих с осями координат х и у измеряемого пространства, при этом над точкой пересечения медиан упомянутого треугольника на высоте не более 70 см с помощью стойки установлен шарнир, на котором в средней точке между акустическими излучателями закреплен жезл, а на противоположном от рукоятки с кнопкой конце жезла установлена компьютеризированная лазерная рулетка, оптическая ось которой лежит на одной прямой с геометрическими центрами акустических излучателей жезла, причем рулетка соединена кабелем связи с ЭВМ.

На прилагаемой фиг.1 представлена функциональная схема заявленного устройства.

Устройство для измерения расстояний до различных точек 1 поверхности контролируемого изделия 2 содержит жезл 3, имеющий рукоятку 4 с пусковой кнопкой 5 и акустические излучатели 6 и 7. На противоположном от рукоятки с кнопкой конце жезла установлена компьютеризированная лазерная рулетка 8, оптическая ось которой лежит на одной прямой с геометрическими центрами акустических излучателей 6 и 7. Жезл 3 в средней между акустическими излучателями точке закреплен на шарнире 9, установленном на стойке 10, которая опирается на площадку 11 штатива 12. В плоскости площадки 11 размещены три микрофона 13, 14, 15, образующие вершины равнобедренного прямоугольного треугольника. Пусковая кнопка 5 соединена со входом формирователя переднего фронта импульса 16, выход которого соединен с генератором 17, а также с трехканальным электронным блоком 18, каждый канал которого включает последовательно соединенные полосовой усилитель 19, компаратор 20 и счетчик измерителя временных интервалов 21. Электронный блок 18 подключен к общему интерфейсу 22 и ЭВМ 23.

Устройство работает следующим образом.

Вращением за рукоятку 4 жезла 3 относительно шарнира 9 лазерный луч рулетки нацеливают на контрольную точку 1 поверхности контролируемого изделия 2, при этом информация об измеренном расстоянии между контрольной точкой и базовой опорной поверхностью корпуса рулетки подается по кабелю связи на ЭВМ.

Затем на рукоятке 4 нажимается пусковая кнопка 5, запускающая работу формирователя переднего фронта импульса 16, на выходе которого формируются управляющие импульсы с частотой порядка 1 Гц. Эти импульсы поступают на вход генератора 17 и синхронно на входы «Start» измерителя временных интервалов 21. Под влиянием управляющих импульсов генератор поочередно подает возбуждающее напряжение на акустические излучатели 6 и 7 жезла 3. При этом в излучателях поочередно возбуждаются механические микроколебания, вызывающие сферическую звуковую волну, которая начинает распространяться в окружающем воздушном пространстве.

Акустические сигналы от каждого излучателя 6 и 7 жезла поочередно приходят на микрофоны 13, 14, 15. Эти сигналы преобразуются в микрофонах в электрические и через полосовой усилитель 19 передаются на вход компаратора 20. С выхода компаратора сигналы поступают на входы „Stop" счетчика измерителя временных интервалов 21.

Измеритель временных интервалов 21 определяет интервалы времени t₁, t₂, t₃ между моментом генерации фронта звуковой волны каждым излучателем жезла и моментами воздействия этого фронта на микрофоны 13, 14, 15. Информация об указанных временных интервалах через интерфейс 22 поступает в ЭВМ 23.

ЭВМ по специальной программе вычисляет сначала расстояния L₁, L₂, L₃ между каждым излучателем жезла и каждым из микрофонов по формулам:

L₁=t₁·с; L₂=t₂·с; L₃=t₃·с,

где с - скорость звука в окружающей воздушной среде,

а затем, зная указанные расстояния и базы разнесения микрофонов, триангуляционным методом определяются координаты х, у, z геометрических (акустических) центров излучателей в системе координат приемной антенны, образуемой тремя микрофонами.

Далее по программе происходит построение прямой, проходящей через эти центры, на которой откладывается известное расстояние L₀+ΔL₀ между точкой 1 - мишенью лазерного луча рулетки и центром ближайшего к ней излучателя жезла, где L₀ - показание рулетки, переданное в ЭВМ, a ΔL₀ - отступ базовой (опорной) плоскости корпуса рулетки от центра ближайшего к ней излучателя жезла, что позволяет определить координаты контрольной точки поверхности измеряемого изделия, обозначенной пятном лазерного луча рулетки.

Таким образом, сутью заявленного устройства является использование акустического канала, локализованного в ограниченном пространстве над площадкой со штативом с высотой расположения шарнира, для определения углового расположения контрольной точки на поверхности измеряемого изделия в системе координат треугольной микрофонной антенны, с одновременным использованием оптического канала - лазерной рулетки для определения дистанции от сканируемой точки на поверхности изделия до известной координаты вдоль трассы лазерного луча.

В качестве лазерной рулетки были использованы рулетки, выпускаемые фирмой "Leica Geosystems", например модели Leica Disto A6, Dimetix DLS-BH 15н и др. В настоящее время подобные рулетки выпускаются и некоторыми другими фирмами.

Измерительное устройство с указанной совокупностью признаков было создано и успешно испытано на лабораторной базе заявителя, лабораторный образец устройства представлен на прилагаемых фотоснимках (фиг.2 и 3).

Бесконтактное устройство для измерения расстояния до различных точек поверхности объекта, содержащее возбудитель акустического излучения, выполненный в виде жезла, имеющего два разнесенных по длине акустических излучателя и рукоятку с пусковой кнопкой, приемник акустического излучения, выполненный на трех микрофонах, закрепленных в вершинах треугольника, формирователь переднего фронта импульса, вход которого соединен с пусковой кнопкой, а выход соединен с генератором, имеющим возможность поочередного подключения к каждому акустическому излучателю, а также с трехканальным электронным блоком, каждый канал которого включает последовательно соединенные полосовой усилитель, компаратор, счетчик измерителя временных интервалов, причем электронный блок подключен к микрофонам и к общему интерфейсу и ЭВМ, отличающееся тем, что приемник акустического излучения выполнен в виде штатива с площадкой, в плоскости которой размещены три микрофона, расположенные в вершинах равнобедренного прямоугольного треугольника с длиной катетов не более 40 см, которые совпадают с осями координат х и у измеряемого пространства, при этом над точкой пересечения медиан упомянутого треугольника на высоте не более 70 см с помощью стойки установлен шарнир, на котором в средней точке между акустическими излучателями закреплен жезл, а на противоположном от рукоятки с кнопкой конце жезла установлена компьютеризированная лазерная рулетка, оптическая ось которой лежит на одной прямой с геометрическими центрами акустических излучателей жезла, причем рулетка соединена кабелем связи с ЭВМ.