Оптический способ измерения расстояния до подвижной отражающей поверхности в выбранный момент времени



Оптический способ измерения расстояния до подвижной отражающей поверхности в выбранный момент времени
Оптический способ измерения расстояния до подвижной отражающей поверхности в выбранный момент времени
Оптический способ измерения расстояния до подвижной отражающей поверхности в выбранный момент времени

 


Владельцы патента RU 2414681:

Научно-техническое учреждение "Инженерно-технический центр" открытого акционерного общества "Ижевский мотозавод "Аксион-холдинг" (НТУ "ИТЦ") (RU)

Способ включает формирование лазерного излучения, направляемого на объект измерения. Отражение от поверхности объекта «собирается» конденсором, один фокус которого располагается на поверхности объекта, а другой - на чувствительной площадке фотодиода. Временную шкалу для измеряемых моментов времени создают колебаниями основного генератора. Запуск лазера производят периодически, кратно периодам основного генератора. Ответный сигнал фотодиода используют для измерения его положения на временной шкале в выбранный период запуска лазера. Для этого производят изменение управляющего напряжения нониусного генератора, в результате чего нониусный генератор изменяет частоту генерации, следовательно, изменяется наклон линейной функции взаимного сдвига фаз двух генераторов. Момент времени изменения частоты нониусного генератора определяют аналитически как проекцию на временную ось точки пересечения линейных функций взаимного сдвига фаз двух генераторов, рассчитанных до и после изменения управляющего напряжения. Расчет каждого из двух параметров линейных функций производят накоплением и анализом целых чисел номеров периодов основного генератора, которые отмечают изменением разности фаз функции сдвига. Период основного генератора, который отмечают изменением разности фаз, характеризуется тем, что этот период «охватывается» периодом нониусного генератора, если он превышает период основного, или период нониусного генератора «вписывается» внутрь периода основного, если он меньше его. Обработку образованного массива чисел с целью получения обоих параметров линейной функции взаимного сдвига фаз двух генераторов производят по теории неэвклидовой разностной цепной дроби. Технический результат заключается в расширении области использования. 2 ил.

 

Изобретение относится к бесконтактным оптическим методам измерения физических параметров объектов.

Известен способ определения толщины диэлектрического покрытия, основанный на оценке разности фаз двух отраженных электромагнитных волн от двух границ раздела среды при ее зондировании одним излучателем, а прием отраженных сигналов осуществляется двумя приемниками (см. патент на изобретение №2350899 С1, МПК G01B 7/06, опубл. 27.03.2009 г.).

Недостатками известного способа являются усредненная оценка толщины покрытия на значительной площади отражающей поверхности и недостаточная точность измерения, ограниченная длиной волны электромагнитного излучения.

Известен интерферометрический способ измерения толщины и показателя преломления прозрачных объектов, взятый в качестве прототипа (см. патент на изобретение №2313066 С1, МПК № G01B 11/02, G01N 21/45, опубл. 20.12.2007 г.). С помощью источника света формируют низкокогерентное оптическое излучение, которое разделяют на опорный и измерительный пучки. Опорный и измерительный пучки направляют по опорному и измерительному оптическим путям. Размещают на оптическом пути измерительного пучка исследуемый объект. Измеряют изменение относительно начального значения оптической разности хода для лучей двулучевого интерферометра. Измеряют оптическую разность хода для лучей двулучевого интерферометра, которая является результатом измерения.

Недостатком прототипа является ограниченная область его применения, что обусловлено необходимостью использования при его осуществлении двулучевого интерферометра сложной конструкции.

Задачей заявляемого изобретения является расширение области использования бесконтактных оптических методов измерения физических параметров объектов, а именно возможность эхозондирования подвижных органов организма человека.

Поставленная задача решена тем, что в оптическом способе измерения расстояния до подвижной отражающей поверхности в выбранный момент времени, включающем формирование лазерного излучения, направляемого с помощью зеркала на объект измерения, согласно изобретению диффузное отражение от отражающей поверхности объекта «собирается» конденсором, один фокус которого располагается на отражающей поверхности объекта, а другой - на чувствительной площадке фотодиода (pin-фотодиода), временную шкалу для измеряемых моментов времени создают колебаниями основного генератора, оцифровку которых производят на счетчике, запуск лазера производят периодически, кратно периодам основного генератора, ответный сигнал фотодиода используют для измерения его точного положения на временной шкале только в выбранный период запуска лазера, для этого производят изменение управляющего напряжения нониусного генератора, в результате изменения управляющего напряжения нониусный генератор изменяет частоту генерации, следовательно, изменяется наклон линейной функции взаимного сдвига фаз двух генераторов, момент времени изменения частоты колебаний нониусного генератора определяют аналитически как проекцию на временную ось точки пересечения линейных функций взаимного сдвига фаз двух генераторов, рассчитанных до и после изменения управляющего напряжения. Расчет каждого из двух параметров указанных линейных функций производят накоплением и анализом целых чисел номеров периодов основного генератора, которые отмечают изменением разности фаз функции сдвига, период основного генератора, который отмечают изменением разности фаз, характеризуется тем, что этот период «охватывается» периодом нониусного генератора, если он превышает период основного, или период нониусного генератора «вписывается» внутрь периода основного генератора, если он меньше периода основного генератора. Математическая обработка образованного массива целых чисел с целью получения обоих параметров линейной функции взаимного сдвига фаз двух генераторов производится по теории неэвклидовой разностной цепной дроби (кандидатская диссертация Чуракова В.Л. «Обобщенный нониусный метод измерения длительности временных интервалов» 21 февраля 1989 г. ЛИТМО г.Ленинград).

Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что предлагаемая новая последовательность действий с инфракрасным излучением, полученным от полупроводникового лазера, позволяет точно рассчитать расстояния до подвижной отражающей поверхности в выбранный момент времени за счет определения момента времени срабатывания фотодиода на сигнал диффузного отражения как точку на временной шкале, образованной колебаниями основного генератора; указанный момент времени фиксируется изменением частоты колебаний нониусного генератора, сдвиг фазы которого по отношению к фазе основного генератора есть линейный процесс как до, так и после момента изменения его частоты, точку перегиба непрерывной функции сдвига фазы определяют математической обработкой цифровых данных о сдвиге фазы нониусного генератора до и после указанного момента.

На фиг.1 схематично изображено устройство, посредством которого может быть реализован предложенный способ измерения расстояния до отражающей поверхности объекта.

Упомянутое выше устройство содержит полупроводниковый лазер 1 (фиг.1), излучение которого, отразившись от зеркала 2, попадает на отражающую поверхность 3. Отраженное излучение от этой поверхности «собирается» конденсором 4 и фокусируется на чувствительную площадку фотодиода 5. Выход основного генератора 6 соединяется со счетным входом счетчика 7 и с входом определителя момента изменения разности фаз 8. Схема совпадения 9 дешифрирует определенное состояние счетчика 7 для формирования сигнала запуска полупроводникового лазера 1, а все выходы счетчика 7 соединяются с блоком управления 10 и с информационным входом двухпортового ОЗУ 11. Выделение из серии импульсов фотодиода 5 сигнала, предназначенного для измерения, производится на схеме совпадения 12, второй вход которой соединен с выходом блока управления 10. Выход схемы совпадения 12 соединен со счетным входом триггера 13, выход последнего соединен с управляющим входом нониусного генератора 14. Выход нониусного генератора соединен с вторым входом определителя момента изменения разности фаз 8, выход которого соединен с входом «W» (запись) двухпортового ОЗУ 11, а вход «R» (чтение) которого соединен с выходом блока управления 10.

Устройство работает следующим образом.

Колебания основного генератора 6 пересчитываются счетчиком 7, младшие разряды которого дешифрируются схемой совпадения 9. Периодический сигнал с выхода схемы совпадения 9 используется для запуска лазера 1, излучение которого, отразившись от зеркала 2, направляется на отражающую поверхность 3. Диффузное отражение от поверхности 3 «собирается» конденсором 4 и фокусируется на чувствительную площадку фотодиода 5. Положение сигнала с фотодиода 5 на временной шкале, которую образуют оцифрованные колебания основного генератора 6 счетчиком 7, соответствует мгновенному расстоянию отражающей поверхности 3 от зеркала 2. Так как рассматривается случай подвижной отражающей поверхности 3, поэтому циклическое накопление измерений сигнала с фотодиода 5 невозможно. В данном случае блок управления 10 своим сигналом на схеме совпадения 12 выбирает нужный период излучения лазера 1 и соответствующий ему ответный сигнал, зафиксированный фотодиодом 5, который проходит через схему совпадения 12 и переводит по счетному входу триггер 13 в противоположное положение. В этот момент времени изменяется потенциал на управляющем входе нониусного генератора 14, следовательно, изменяется частота генерации нониусного генератора 14. Этот момент изображен на фиг.2 как измеряемый момент времени. Положение этого момента времени на временной шкале фиг.2 (счетчик периодов основного генератора) можно точно рассчитать, если определить параметры линейных функций взаимного сдвига фаз двух генераторов, рассчитанных до и после изменения управляющего напряжения. Именно решению этой задачи служит определитель момента изменения разности фаз 8, который фиксирует моменты изменения разности фаз фиг.2 и записывает состояние счетчика 7 в двухпортовое ОЗУ 11. Блок управления 10 считывает массив чисел, содержащихся в двухпортовом ОЗУ 11, и рассчитывает параметры линейных функций взаимного сдвига фаз двух генераторов, используя теорию неэвклидовой разностной цепной дроби. Ниже приведены основные положения этого математического аппарата, который предложен в кандидатской диссертации как отдельный раздел теории чисел в высшей алгебре. Пусть период основного генератора - То, а период нониусного генератора - Tn и их соотношение: Tn=(1+А)*То, где А есть часть периода То, на которую этот период меньше периода нониусного генератора. Следовательно, спустя один период основного генератора взаимный сдвиг фаз двух генераторов увеличится на А-ю часть периода основного генератора. Этот процесс происходит до тех пор, пока указанный сдвиг фаз достигнет такой величины, что период нониусного генератора «охватит» период основного генератора - это и есть момент изменения разности фаз фиг.2.

Назовем интервал времени от одного момента изменения разности фаз до другого такого же момента циклом первого порядка, пусть он содержит К1 периодов основного генератора, тогда этот цикл создает взаимный сдвиг фаз двух генераторов В, равный В=А·К1-1. Очевидно, что В<А. Далее рассматриваются циклы первого порядка, следующие друг за другом, отмечается, что через К2 таких циклов последний из последовательности циклов первого порядка содержит на один период основного генератора меньше, чем все предыдущие, - укороченный цикл. Цикл второго порядка есть последовательность циклов первого порядка, начинающийся сразу после укороченного и заканчивающийся укороченным циклом. Цикл второго порядка создает сдвиг фаз С, равный С=В·К2-А, очевидно, что С<В. Далее рассматриваются циклы более высоких порядков до тех пор, пока создаваемый достигнутым циклом сдвиг фаз не будет меньше заданной величины. Этим определяется первый параметр линейных функций взаимного сдвига фаз двух генераторов - начальный сдвиг фаз по временной шкале. Второй параметр - коэффициент наклона прямой или коэффициент пропорциональности между периодами генераторов рассчитывается как

Оптический способ измерения расстояния до подвижной отражающей поверхности в выбранный момент времени, включающий формирование лазерного излучения, направляемое с помощью зеркала на объект измерения, отличающийся тем, что диффузное отражение от отражающей поверхности объекта «собирается» конденсором, один фокус которого располагается на отражающей поверхности объекта, а другой - на чувствительной площадке фотодиода (pin-фотодиода), временную шкалу для измеряемых моментов времени создают колебаниями основного генератора, оцифровка которых производится на счетчике, запуск лазера производят периодически, кратно периодам основного генератора, ответный сигнал фотодиода используют для измерения его точного положения на временной шкале только в выбранный период запуска лазера, для этого производят изменение управляющего напряжения нониусного генератора, в результате изменения управляющего напряжения нониусный генератор изменяет частоту генерации, следовательно, изменяется наклон линейной функции взаимного сдвига фаз двух генераторов, момент времени изменения частоты колебаний нониусного генератора определяют аналитически как проекцию на временную ось точки пересечения линейных функций взаимного сдвига фаз двух генераторов, рассчитанных до и после изменения управляющего напряжения, расчет каждого из двух параметров указанных линейных функций производят накоплением и анализом целых чисел номеров периодов основного генератора, которые отмечают изменением разности фаз функции сдвига, период основного генератора, который отмечают изменением разности фаз, характеризуется тем, что этот период «охватывается» периодом нониусного генератора, если он превышает период основного, или период нониусного генератора «вписывается» внутрь периода основного генератора, если он меньше периода основного генератора, математическую обработку образованного массива целых чисел с целью получения обоих параметров линейной функции взаимного сдвига фаз двух генераторов производят по теории неэвклидовой разностной цепной дроби.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, например, для измерения радиальных зазоров между торцами лопаток вращающегося ротора и статором турбомашины.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения зазоров между деталями машин и механизмов, в частности, для контроля расстояния между верхними торцами роторных лопаток и внутренней поверхностью корпуса роторной машины.

Изобретение относится к области метрологии, в частности к бесконтактным средствам измерения расстояний и формы объектов, и может применяться в различных отраслях промышленности, например в машиностроении, турбиностроении, судостроении и других.

Изобретение относится к способу бесконтактного измерения поперечного профиля или расстояния между рельсами, в частности в зоне стрелочного перевода, а также к устройству для реализации способа.

Изобретение относится к оптико-электронным системам технического зрения и может быть использовано в датчиках положения подвижного объекта относительно неподвижного, например, для определения положения подрессоренного кузова железнодорожного вагона относительно оси колесной пары.

Изобретение относится к оптоэлектронике, голографии, интерферометрии, спектроскопии Фурье и предназначено для электронного измерения пространственного и временного распределения амплитуд и фаз световых волн.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к волоконной оптике, и предназначено для бесконтактного преобразования перемещений в электрический сигнал.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения радиальных зазоров между торцами лопаток вращающегося ротора и корпусом турбины при экспериментальных исследованиях и доводке газотурбинных двигателей (ГТД)

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к технологическому оборудованию для определения предельных отклонений рельсовых путей, и может быть использовано преимущественно для периодических измерений пролета (сужения или уширения колеи рельсового пути) и разности отметок головок рельсов в одном поперечном сечении

Изобретение относится к устройству для определения расстояния между, по меньшей мере, одной рабочей лопаткой и окружающей, по меньшей мере, одну рабочую лопатку стенкой машины для превращения кинетической энергии потока в механическую энергию, а также к применению устройства

Изобретение относится к устройству для определения расстояния между, по меньшей мере, одной рабочей лопаткой и окружающей, по меньшей мере, одну рабочую лопатку стенкой газовой турбины, а также к применению способа

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике с применением видеотехнологий и может быть использовано для определения межэлектродного расстояния в системе расположенных на малом расстоянии один над другим по вертикали и полностью перекрывающихся электродов сложной геометрической формы для электронных ламп в случае отсутствия возможности наблюдения межэлектродного расстояния сбоку перпендикулярно нормали к плоскостям электродов

Изобретение относится к электротехнике, в частности к измерению воздушного зазора электрической машины, например гидрогенератора

Устройство содержит источник монохроматического излучения, выход которого совмещен с входом одномодового световода, формирующего на выходе точечный источник монохроматического излучения, совмещенный с передним фокусом оптической системы, формирующей параллельный пучок света. Две прозрачные пластины установлены перпендикулярно оптической оси и параллельно друг другу. По периметру первой пластины на стороне, обращенной ко второй пластине, под углом ~120° друг к другу расположены три участка с наклонными к плоскости первой пластины поверхностями. За второй пластиной помещены оптически сопряженные с участками наклонной поверхности три линейных матричных фотоприемника, выходы которых подключены к компьютеру. Одна из пластин жестко закреплена на объекте контроля. Участки наклонной поверхности и поверхность второй пластины, обращенные друг к другу, выполнены с высоко отражающим покрытием, участки наклонной поверхности выполнены с перепадом высот от центра первой пластины к ее краю на величину, равную, как минимум, половине длины волны монохроматического излучения. Длины участков наклонной поверхности соответствуют длине рабочих окон линейных матричных фотоприемников. Технический результат - повышение точности определения положения одного объекта относительно другого до 0,01 нм за меньшее время (до 1 мксек) в большем диапазоне расстояний между объектами. 4 ил.

Устройство содержит неподвижную часть, подвижную часть с установленным на ней объектом, источник монохроматического излучения, одномодовый световод, формирующий точечный источник, совмещенный с передним фокусом оптической системы, две параллельные прозрачные пластины, установленные перпендикулярно оптической оси. Первая пластина установлена на неподвижной части и по ее периметру на стороне, обращенной ко второй пластине, под углом ~120° друг к другу расположены три участка с наклонными к плоскости пластины поверхностями с перепадом высот от центра пластины к ее краю на величину, равную, как минимум, половине длины волны монохроматического излучения. Вторая пластина закреплена на объекте и по ее периметру под углом ~120° закреплены три актюатора. За второй пластиной установлены оптически сопряженные с участками наклонной поверхности три линейных матричных фотоприемника, выходы которых подключены ко входам компьютера. Выходы компьютера подключены к приводу подвижной части и трем актюаторам. Поверхности участков наклонных поверхностей и второй пластины, обращенные друг к другу, выполнены с высоко отражающим покрытием. Технический результат - перемещение объекта с нанометровой точностью в большом диапазоне расстояний - от нескольких нм до 1 м. 5 ил.
Наверх