Прецизионный датчик расстояний



Прецизионный датчик расстояний
Прецизионный датчик расстояний
Прецизионный датчик расстояний
Прецизионный датчик расстояний
Прецизионный датчик расстояний
Прецизионный датчик расстояний
Прецизионный датчик расстояний

 


Владельцы патента RU 2567185:

Открытое акционерное общество "Специальное конструкторское бюро станочных информационно-измерительных систем с опытным производством" (ОАО "СКБ ИС") (RU)

Изобретение касается прецизионного датчика расстояния. Особенностью указанного датчика является то, что приемная схема выполнена двухканальной и состоит из оптической системы, включающей две ромб-призмы и два отклоняющих клина, и приемной проекционной системы, включающей цилиндрическую линзу и сферический объектив, а в качестве фотодетектора использована двухкоординатная ПЗС-матрица, выход которой подключен к персональному компьютеру или контроллеру. Технический результат заключается в повышении абсолютной и относительной точности измерений. 2 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в точном приборостроении, машиностроении, метрологии и других отраслях промышленности.

Известен лазерный радар MV260 (фирмы Metric Vision, США, Приложение к настоящему описанию предполагаемого изобретения), построенный по принципу светолокации.

Основным недостатком известного лазера является низкая абсолютная точность, лежащая в диапазоне 0,1÷0,025 мм, а также высокая цена прибора и большие его габариты.

Известны также триангуляционные датчики расстояния фирмы MEL Mikroelektronik Германия, один из которых, модель M7LL (http://www.melsensor.de/optoelectronic-distance-sensors.html?Itemid=64), выбран в качестве прототипа к заявленному прецизионному датчику расстояний. Известный датчик содержит осветительную схему с лазерным диодом, формирующую узкий зондирующий световой луч, направленный на измеряемую поверхность, и одноканальную приемную схему с позиционно-чувствительным фотодиодом или с ПЗС-линейкой в качестве детектора. За счет того, что оптические оси осветителя и приемной схемы разнесены на параллактический угол φ≠0, в приемной плоскости возникают линейные параллаксы изображений светлых точек, зависящие от координаты дальности Z до объекта, которые и измеряются с помощью линейного детектора.

Основным недостатком прототипа является неустранимая нестабильность выходных данных, вызванная тем, что отсчетная точность определения координат сигнального изображения достигает величин ≈0,1÷0,03 мкм. Кроме того, при одноканальной приемной схеме в прототипе невозможно обеспечить стабильность на таком уровне между осью зондируемого луча и приемным изображением из-за деформаций конструкции прибора. Поэтому в рекламных материалах приборов, выпускаемых этой фирмой, приводятся только параметры чувствительности (разрешения), а реальная точность хуже параметров чувствительности измерений примерно в 10 и более раз. Так, в прототипе для диапазона измерений ΔZ=100 мм разрешение δZ=0,06 мм, то есть относительная точность ε = δ Z Δ Z = 6 10 4 . Реальная точность измерений намного хуже и лежит в диапазоне ε≥10-3÷10-2.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение абсолютной и относительной точности измерений.

Для достижения технического результата в прецизионном датчике расстояний, содержащем осветительную схему с лазерным диодом, приемную схему и фотодетектор, приемная схема выполнена двухканальной и состоит из оптической системы, включающей две ромб-призмы и два отклоняющих клина, и приемной проекционной системы, включающей цилиндрическую линзу и сферический объектив, а в качестве фотодетектора использована двухкоординатная ПЗС-матрица, выход которой подключен к персональному компьютеру или специализированному контроллеру.

По сравнению с известными аналогами и прототипом предлагаемая конструкция прецизионного датчика расстояний позволяет повысить точность измерений за счет выполнения приемной схемы двухканальной, использования ромб-призм и ПЗС-матрицы. Совокупность таких существенных признаков позволила исключить нестабильность выходных данных при любых деформациях конструктивных элементов, что существенно влияет на повышение точности измерений.

Таким образом предлагаемое изобретение обеспечивает достижение поставленной задачи, является новым и промышленно применимым.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 представлена принципиальная схема прецизионного датчика расстояний,

на фиг. 2 представлены изображения в виде световых линий, формируемые в плоскости приемной ПЗС-матрицы.

Прецизионный датчик расстояний (фиг. 1) содержит осветительную схему, состоящую из лазерного диода 1, объектива 2 и призмы 3 и формирующую узкий зондирующий световой поток, распространяющийся по оси датчика на измеряемую поверхность объекта, двухканальную приемную схему, состоящую из оптической системы, включающей два отклоняющих клина 4 и две ромб-призмы 5, и приемной проекционной системы, включающей цилиндрическую линзу 6 и проекционный сферический объектив 7, двухкоординатную ПЗС-матрицу 8, используемую в качестве фотодетектора, выход которой подключен к персональному компьютеру ПК. Буквой В обозначена линейная база датчика.

Схема датчика функционирует следующим образом.

Осветительная схема формирует на поверхности объекта зондирующее световое («точечное») пятна круглой формы. Диффузная часть отраженного от объекта светового потока попадает на входные отклоняющие клинья 4, далее проходит ромб-призмы 5 и поступает на приемную проекционную систему. В отличие от традиционных изоморфных систем (сферического объектива 7), эта система анаморфотна и содержит дополнительно цилиндрическую линзу 6 с плоскостью фокусировки по оси OY.

В результате в плоскости приемной двухкоординатной ПЗС-матрицы 8 будет построено два изображения в виде световых линий вдоль оси 0′Y′ с Δ X 2 ' - расстоянием между ними (фиг. 2б). В традиционных схемах (без анаморфота 6) проекционная система строит «точечные» изображения с расстоянием Δ X 1 ' между ними (фиг. 2а).

Выходной информацией о координате дальности Z является расстояние ΔХ′, измеряемое в плоскости ПЗС-матрицы 8:

где:

Z - расстояние до объекта,

φ1 - параллактические углы,

Vx - увеличение проекционного объектива.

Из фиг. 1 и 2 видно, что малые линейные и угловые подвижки всех элементов схемы заявленного датчика не приводят к изменению величины Δ X 2 ' , то есть обеспечивают нерасстраиваемость ее при измерении координаты Z. Так, малые наклоны отклоняющих клиньев 4, очевидно, не изменяют угол между входным и выходным лучами, а также и наклоны ромб-призм 5 из-за четности числа отражений в них. Смещения проекционного объектива 7 и ПЗС-матрицы 8 приводят к смещению всего изображения, оставляя неизменным расстояние Δ X 2 ' , а эффектов от смещения цилиндрической линзы 6 по оси 0X не происходит вообще, так как она эквивалентна плоскопараллельной пластине в направлении 0X. Смещение оси осветительной схемы и формируемого ею зондирующего луча по оси 0X приводит также только к смещению всего сигнального изображения по оси ΔХ′ без изменения Δ X 2 ' .

Для заявленного прецизионного датчика расстояний выходная информация о Z представляется в виде среднего значения ΔХ по всем строкам ПЗС-матрицы 8, то есть:

где:

Δ X 2 ' - расстояние между энергетическими центрами изображений сигнальных линий, измеренное по i-й строке ПЗС-матрицы 8,

М - число строк ПЗС-матрицы 8.

Дифференцируя уравнение (2), получаем выражение для погрешностей измерений 8L:

где:

δ ( Δ X i ' ) - погрешность измерения энергетического центра сигнальной линии по i-й строке ПЗС-матрицы 8.

Погрешность δ ( Δ X i ' ) зависит от многих параметров (от свойств измеряемой поверхности, параметров осветительной и приемной схем, от режимов работы ПЗС-матрицы и т.д.) и носит случайный характер. Поэтому величину δ ( Δ X i ' ) проще всего определить экспериментально, что и было сделано на макетном образце заявленного датчика расстояний. Оказалось, что

где

ΔХ-X - размер пикселов ПЗС-матрицы 8.

С учетом этой величины из уравнения (3) выражение для погрешностей имеет следующий вид:

Следует отметить, что для однокоординатного фотодетектора (ПЗС-линейки) М=1. Таким образом, повышение чувствительности измерений схемы (фиг. 1) по сравнению с прототипом составляет величину M 30 для ПЗС-матриц 1000×1000 пикселов.

Изготовленный и испытанный макетный образец заявленного датчика расстояний показал, что погрешность измерений δZ расстояния до объекта составила величину, равную 0,003÷0,01 пиксела, включая случайную погрешность измерений и долговременную нестабильность за t≥8 часов. Для ПЗС-матрицы разрядности 1240х1024 пикселов относительная точность измерений составляет ε 2 10 5 . Параметры оптической схемы макетного образца определяет измерительный диапазон по дальности Z=300 мм, при этом погрешность измерения δZ≤7 мкм, включая временную нестабильность выходных данных за время 8 часов. Достигнутая на макетном образце относительная точность измерений равна

и может быть улучшена в 2÷3 раза на этапе создания опытных образцов заявленного прецизионного датчика расстояний.

Таким образом, использование заявленного изобретения позволяет повысить абсолютную и относительную точности измерений.

Прецизионный датчик расстояний, содержащий осветительную схему с лазерным диодом, приемную схему и фотодетектор, отличающийся тем, что приемная схема выполнена двухканальной и состоит из оптической системы, включающей две ромб-призмы и два отклоняющих клина, и приемной проекционной системы, включающей цилиндрическую линзу и сферический объектив, а в качестве фотодетектора использована двухкоординатная ПЗС-матрица, выход которой подключен к персональному компьютеру или специализированному контроллеру.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области обнаружения и распознавания малогабаритных беспилотных летательных аппаратов (МБЛА). В заявленном способе примененяются три и более изображений и сигналов в трех и более пространственно разнесенных точках на гиростабилизирующих платформах, связанных между собой рабочими базами.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в оптико-электронных системах, в которых фотоприемные устройства размещены на снаряжении бойца.
Изобретения относятся к системам для активной защиты Земли и могут быть использованы при реализации комплексов для борьбы с летающими объектами естественного и искусственного происхождения, приближающимися к Земле.

Изобретение относится к области океанографических измерений и преимущественно может быть использовано для контроля состояния поверхности океана. Технический результат - повышение точности определения характеристик морской поверхности за счет разделения воздействия на отражённый от морской поверхности радиосигнал двух факторов, доминантных ветровых волн и мелкомасштабной ряби. Сущность: формируют короткие радиоимпульсы постоянной длительности и вертикально зондируют ими морскую поверхность, регистрируют отражённые радиоимпульсы и по их форме определяют характеристики морской поверхности, при этом дополнительно формируют более длинные радиоимпульсы и вертикально зондируют ими морскую поверхность, причем длительность дополнительно сформированных радиоимпульсов обеспечивает одновременное отражение от всей площади морской поверхности, освещаемой в пределах диаграммы направленности антенны, определяют амплитуду отраженных импульсов большей длительности, по ней определяют скорость ветра, и определяют характеристики морской поверхности с учетом скорости ветра.

Изобретение относится к области океанологических измерений и преимущественно может быть использовано для контроля состояния поверхности океана. Технический результат - повышение точности определения асимметрии распределения возвышений морской поверхности. Сущность: формируют короткие радиоимпульсы постоянной длительности, зондируют ими морскую поверхность в надир и регистрируют отражённые радиоимпульсы.

Система предназначена для измерения и контроля геометрических параметров железобетонных шпал, влияющих на прочность и надежность работы рельсового пути. На каркасе установлена линейная направляющая, с перемещаемой кареткой.

Настоящее изобретение относится к области оптической связи. Согласно способу используют лазерный луч, который состоит из импульсов длительностью не менее 1 нс, которые формируют из множества волн путем фазовой синхронизации и интерференции.

Изобретение относится к приборостроению и предназначено для формирования лазерного растра систем управления, лазерных прицелов и может быть использовано при управлении, посадке и стыковке летательных аппаратов, проводке судов по сложным фарватерам, обнаружении оптикоэлектронных приборов по «блику», дистанционном управлении робототехническими устройствами.

Изобретение относится к области измерительной лазерной техники. Способ электронного сканирования пространства для получения трехмерной модели портрета сцены заключается в проецировании структурированной лазерной подсветки, формируемой с помощью нескольких лазерных генераторов линий, расположенных под фиксированными углами относительно друг друга, регистрации ее с помощью матричного фоторегистрирующего устройства, последовательно снимающего кадры с подсветкой и без подсветки для последующего дифференцирования фона, передаче изображения линий подсветки на вычислительное устройство и определении вычислительным устройством объемного изображения сцены триангуляционным методом.

Изобретение относится к автоматизированным системам обнаружения и мониторинга нефтегенных загрязнений морского нефтегазового промысла. Система включает в себя сеть флуоресцентных лидаров, установленных на нефтегазодобывающей платформе, танкерах, осуществляющих транспортировку нефти, и судах, обслуживающих промысел; сеть установленных на удалении от нефтегазодобывающей платформы автоматических плавучих комплексов мониторинга (КМ), каждый из которых содержит контактирующие с водой датчики регистрации нефтегенных углеводородов, физико-химических и гидрологических параметров воды, и находящийся в погружном, в частности, в подледном положении герметичный буй, в котором размещены программируемый контроллер с системами сбора, предварительной обработки и передачи данных, генерируемых датчиками КМ; а также единую автоматизированную информационную систему (ИС) с функциями сбора, обработки и хранения данных, генерируемых лидарами и плавучими КМ.

Изобретение относится к области стереоскопической или трехмерной ("3D") фотографии. .
Изобретение относится к технологии синтеза двойных гексацианоферратов (II) и может быть использовано для изготовления (NH4)2MgFe(CN)6. .

Изобретение относится к устройствам для закрепления струн клавишного музыкального инструмента и позволяет повысить качество звучания посредством того, что штифт 4 связан с рамой 5 с возможностью продольного перемещения и фиксации и несет буртик 6 для обеспечения возможности регулировки угла излома струны 2, расположенной под ним и связанной со штифтом посредством образования петли.

Изобретение относится к маркшейдерско-геодезическому приборостроению. .

Изобретение относится к маркшейдерскому и геодезическому приборостроению и позволяет повысить точность автоматического измерения горизонтальных проложений. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения мгновенных величин крутящего момента и осевой силы или крутильной и осевой деформации валов, испытывающих динамические нагрузки в процессе работы.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано при монтаже цилиндрических резервуаров нефтехранилищ . .

Способ определения дальности и скорости удаленного объекта заключается в многократном зондировании объекта импульсами лазерного излучения, приеме и регистрации отраженного объектом сигнала с его привязкой к импульсам стабильной тактовой частоты и статистической обработке зарегистрированных данных.
Наверх