ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ РАЗМЕРОВ ОБЪЕКТА Российский патент 1995 года по МПК G01B21/10 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, для измерения диаметров круглых лесоматериалов, особенно в составе автоматизированных систем учета и управления технологическими процессами производства лесоматериалов.

Известен фотоэлектрический датчик диаметров бревен, включающий источник света, собирательную линзу, экран с вертикальным рядом щелевых отверстий и фотоприемник, выполняющий возвратно-поступательные перемещения в процессе работы вдоль вертикальной оси экрана.

Недостатками датчика являются низкая точность измерения за счет возможности перемещений измеряемого предмета вдоль оптической оси линзы и недостаточная надежность за счет использования механически перемещающихся элементов устройств. Известно устройство для измерения диаметров сырья, содержащее источник излучения, растр, фотоприемник и развертывающий блок, выполненный в виде замкнутой ленты, вращающейся в плоскости, параллельной плоскости растра и отражателя, расположенного на ней. Недостатками этого устройства является его сложность, низкое быстродействие и малая надежность за счет применения механической развертки лучей. Известно также устройство для определения наименьшего диаметра круглых лесоматериалов, например бревен, содержащее щелевой источник направленного света, фотоэлектрический приемник в виде ряда фотоэлектрических преобразователей, блоки усиления, преобразования, коммутации, памяти и циклического счетчика.

Устройство определяет число незатененных фоточувствительных элементов, которое однозначно связано с измеряемым диаметром круглых лесоматериалов. Недостатком этого устройства является большое число фоточувствительных элементов, а следовательно, сложность и низкая надежность устройства.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устpойство для измерения площади непрозрачных плоских фигур, относящееся к контрольно-измерительной технике. Оно может быть использовано в измерительных машинах, предназначенных для измерения площади плоских фигур, например, лекал, кож и т.п. в кожгалантерейной, швейной, меховой отраслях промышленности.

В устройстве применены источники многолучевого (рассеянного) излучения. Измеряемая фигура перемещается вблизи линейки приемников в поперечном направлении и освещается с помощью линейки излучателей. При этом используются приемники, часть которых находится на пути излучения нескольких излучателей, излучатели, на пути излучения которых находится хотя бы один общий приемник, включают и выключают поочередно, а сигналы на выходах приемников, находящихся на пути излучения одного и того же излучателя во включенном состоянии, регистрируются также поочередно. Недостатком этого устройства является близкое расположение линейки приемников от измеряемого предмета, большие погрешности, имеющие место в случае смещения предмета вдоль нормали к линейкам приемников и излучателей, большое число элементов в линейке приемников и излучателей.

В техническом решении, выбранном в качестве прототипа, предложен способ измерения положения объекта. Для осуществления предложенного способа используется устройство, содержащее генератор импульсов, два счетчика импульсов, постоянное запоминающее устройство, два дешифратора, матрицы ключей и усилителей, линейки излучателей и фотоэлектрических приемников.

Недостатком этого устройства является низкая точность и надежность работы устройства, большое суммарное число излучателей и приемников, увеличенные размеры линейки приемников или излучателей, так как формулы для определения основных геометрических параметров линеек не позволяют оптимизировать их значения, не учитывают объемный характер измеряемых тел.

Цель изобретения повышение точности и надежности работы устройства при одновременном сокращении числа излучателей и фотоприемников в линейках, выравнивания раскрывов линеек.

Это достигается тем, что в фотоэлектрическом измерителе диаметров круглых лесоматериалов содержатся генератор импульсов, два счетчика импульсов, постоянное запоминающее устройство, два дешифратора, матрицы ключей и усилителей, линейки излучателей и фотоэлектрических приемников. Последние выполнены с периодами размещения излучателей и фотоприемников, определяемым по формуле
σ= Т1/(2*r2)=T2/(2*r1)=k/2 где σ расстояние между соседними лучами, а r1 и r2 целые остатки разложения периодов Т1 и Т2 на сомножители, k наибольший общий делитель периодов Т1 и Т2. Излучатели и фотоприемники одновременно включаются по одному в каждой линейке с тактом колебаний генератора, причем генератор импульсов, первый счетчики импульсов по первому входу, постоянное запоминающее устройство по первому выходу, первый дешифратор, матрица ключей и передающая линейка включены последовательно, постоянное запоминающее устройство по первому выходу, второй дешифратор, матрица усилителей по первому входу и второй счетчик импульсов по первому входу также соединены последовательно. Кроме того, постоянное запоминающее устройство по второму выходу соединено со счетчиками импульсов по вторым входам, а линейка приемников соединена с вторым входом матрицы усилителей.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что изобретение в отличие от прототипа всегда обеспечивает равные раскрывы местоположений центров круглых лесоматериалов, линейки излучателей и линейки приемников (т. е. 2*N*T2 2*M*T1 σ *Q, где Q число интервалов (σ ). При этом максимальный наклон лучей w ограничивается величиной
tg w T0 /(x1 + x2), где T 0= r1*T1 r2*T2 r1*r2*k.

Вследствие этого может быть получено квазипараллельное поле лучей и малая зависимость погрешности измерения круглых лесоматериалов от смещения предметов вдоль оси х (см. фиг. 2). В изобретении интервал σ определяется величиной Т1/(2*r2) или Т2/(2*r1) или общим делителем k. Вследствие этого в отличие от прототипа, для одного и того же интервала σ при выбранных значениях х1 и х2 существует множество значений периодов Т1 и Т2, что позволяет оптимизировать эти размеры и, следовательно, оптимизировать суммарное количество излучателей и фотоприемников. Таким образом, предлагаемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение изобретения с другими техническими решениями показывает, что используемые в изобретении элементы, в том числе линейки приемников и излучателей, широко известны. Однако изобретение по размещению излучателей и фотоприемников в линейках и применение элементов с предложенными связями и временными характеристиками в измерителях диаметров круглых лесоматериалов характеризуется новой совокупностью существенных признаков. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 показана структурная схема устройства; на фиг. 2 расположение излучателей, приемников и измеряемого предмета, лучей между излучающими и приемными элементами.

Устройство содержит генератор 1 импульсов, первый счетчик 2 импульсов, постоянное запоминающее устройство 3, первый дешифратор 4, матрицу ключей 5, передающую линейку 6, второй дешифратор 7, матрицу усилителей 8, линейку приемников 9 и второй счетчик импульсов 10.

Устройство работает следующим образом.

Генератор импульсов 1 генерирует последовательность тактовых импульсов, которая подается на первый счетчик импульсов 2. На выходе этого счетчика с каждым импульсом 1 формируются адреса постоянного запоминающего устройства 3, по которым на выходе 1 постоянного запоминающего устройства генерируется код. Первая часть этого кода поступает на дешифратор 4, а вторая на дешифратор 7. Дешифраторы формируют сигналы, которые в нужной последовательности подают напряжения на излучающие элементы передающей линейки с помощью матрицы ключей и подключают с помощью матрицы усилителей выходы элементов приемной линейки к счетчику 10. Фрагмент последовательности включения излучающих и приемных элементов приведен на фиг. 3. Из фиг. 2, 3 следует, что для измерения диаметра D с дискретой σ используются как горизонтальные, так и наклонные лучи. При этом дискрета измерения (см. фиг. 2) будет долью периодов размещения элементов приемника и передатчика.

Взаимосвязь между периодами Т1 и Т2 размещения элементов передающей и приемной линеек и дискретой σ определяется соотношением (для случая, когда х1 |x2|)
σ Т1/(2*r2) T2/(2*r1), где r1 и r2 целые остатки разложения периодов Т1 и Т2 на общие сомножители.

После последовательного обзора точек 0, 1, 2, 3, и вывода данных со счетчика 10 постоянное запоминающее устройство 3 на втором выходе формирует сигнал R, которым приводятся в исходное состояние счетчики 2 и 10. Далее процесс измерения повторяется.

Генератор импульсов 1, счетчики 2 и 10, память 3, дешифраторы 4 и 7 выполнены на микросхемах, матрица ключей на транзисторах, блок усилителей на основе операционных усилителей и логических микросхем, обеспечивающих коммутацию усилителей.

Экспериментальные исследования предлагаемого фотоэлектрического измерителя диаметров круглых лесоматериалов показали, что по сравнению с устройством аналогичного назначения (прототипом) предлагаемое устройство имеет меньшее число элементов в линейках приемника и передатчика, потребляет меньшую энергию, поскольку в каждый момент времени включен только один излучатель и один фотоприемник, имеет повышенную надежность и меньшую стоимость.

σ Т1/(2*r2) T2/2*r1). Указанная формула получена из следующих соотношений.

2.1. Исходные соотношения.

2.1.1. Период излучателей есть Т1. Излучатели имеют координаты: х х1, y м*Т1 (м 0, ±1, ±2, ±М).

2.1.2. Период приемников есть Т2. Элементы приемной линейки имеют координаты: х х2, y n*T2 (n 0, ±1, ±2, ±N).

2.1.3. Центр измеряемого круглого лесоматериала размещен на линии х 0 (вертикальная линия на фиг. 2).

2.1.4. Единицы измерения координат х1 и х2 и периодов Т1 и Т2 выбраны такими, что их значения являются целыми числами.

2.2. Следствия из исходных соотношений.

2.2.1. Из п. 2.1.4 следует, что числа х1 и х1-х2 могут быть разложены на сомножители, один из которых (k1) является наибольшим общим делителем х1 и х1-х2, а с и d соответственно целыми остатками. Тогда соотношение
q x1/(x1-x2) k1*c/k1*d c/d есть рациональное число (например, 1/2, 1/3, 5/7, 7/5 и т.д.).

2.2.2. Из п. 2.1.4 следует, что числа Т1 и Т2 могут быть разложены на сомножители, один из которых k является наибольшим общим делителем, а r1 и r2 соответственно целыми остатками. Тогда
Т1/T2 r2/r1 и
r1*T1 r2*T2 T0
Величину Т0 можно рассматривать как период размещения излучателей и приемников, имеющих одинаковые ординаты. Лучи, соединяющие эти элементы, параллельны между собой и осью х. Поэтому такие элементы будем называть противостоящими. Координата у противостоящих элементов есть
y*r1*T1 *r2*T2*T0*k*r1*r2 где целое число.

П р и м е р 1. Пусть Т2 1.2 см 12 мм, Т1 1,8 см 18 мм, тогда Т1/Т2 18/12 (6*3)/(6*2) 3/2. Здесь k 6 наибольший общий делитель, r2 3, r1 2. Координаты у противостоящих элементов есть
y*3*12*2*18 *36. где 0,±1,±2,
2.3. Вывод взаимосвязи между периодами Т1 и Т2 размещения элементов передающей и приемной линеек и дискретой 6.

Исходя из уравнения прямой, проходящей через точки (х х1, y м*Т1) и (х х2, y= n*T2) можно найти координаты точек пересечения спектров излучений, исходящих из точки х х2, y n*T2 *T0 + p2*T2, где p2 0, ±1,±2, с прямой х 0 и спектра лучей, исходящих из точки x x1, y м*Т1*Т0 + р1*Т1, где р1 0,±1,
Эти координаты будут
y(02) *T0 + p2*T2*q + j*T1*(1-q)
y(01) *T2 + p1*T1*(1-q) + i*T2*q где j, i 0,±1,±2. Разность между ближайшими координатами y(01) и y(02) будет равна интервалу
σ= k*F_мин/d; где F_мин есть минимальное, но неравное нулю значение функционала
F r2*(j-p2) + c*r1*(p2-i).

П р и м е р 2. Пусть Т1 18, Т2 12, r1= 2, r2 3, k 6. Тогда F_мин для q равных 1/3, 1/2 и 2/3 соответственно равны 1,1 и 2, а σ соответственно равны 2, 3 и 4. На интервале Т0 укладывается L интервалов σ, где L r1*r2*d/F_мин
В нашем случае q 1/2, F_мин 1, d 2 и σ= k/2 T1/2*r2 T2/2*r1. а L 2*r1*r2
П р и м е р 3. Пусть k=6, q=1/2, r1=2, r2=3.

Тогда d 2, f_мин 1 и σ 3. Определим возможные значения периодов Т1, Т2, Т0 и числа элементов для линеек приемников и передатчиков, имеющих длину 720 мм и σ3. Эти данные приведены в таблице.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, для измерения диаметров круглых лесоматериалов. Цель изобретения повышение точности и надежности измерений. Измеритель содержит генератор импульсов 1, два счетчика импульсов 2, 10, постоянное запоминающее устройство 3, два дешифратора 4, 7, матрицы ключей и усилителей, линейки излучателей и фотоэлектрических приемников 6, 9, выполненных с неодинаковыми периодами размещения элементов, одновременно включенных по некоторому правилу только по одному в каждой линейке с тактом колебаний генератора, причем генератор импульсов, первый счетчик импульсов по первому входу, постоянное запоминающее устройство по первому выходу, первый дешифратор, матрица ключей и передающая линейка включены последовательно, постоянное запоминающее устройство по первому выходу, второй дешифратор, матрица усилителей по первому входу и второй счетчик импульсов по первому входу также соединены последовательно, кроме того, постоянное запоминающее устройство по второму выходу соединено со счетчиками импульсов по вторым входам, а линейка приемников соединена с вторым входом матрицы усилителей. 2 ил. 1 табл.

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ РАЗМЕРОВ ОБЪЕКТА, содержащий генератор импульсов, два счетчика импульсов, постоянное запоминающее устройство, два дешифратора, матрицы ключей и усилителей, линейки излучателей и фотоприемников, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и надежности за счет сокращения числа излучателей и фотоприемников в линейках и выравнивания раскрывов линеек, линейки выполнены с периодами размещения излучателей и фотоприемников, определяемыми по формуле
σ = T1/(2·r2) = T2/(2·r1) = k/2,
где σ расстояние между соседними лучами;
r1 и r2 целые остатки разложения периодов T1 и T2 на сомножители;
k наибольший общий делитель T1 и T2,
генератор импульсов, первый счетчик импульсов по первому входу, постоянное запоминающее устройство по первому выходу, первый дешифратор, матрица ключей и передающая линейка включены последовательно, постоянное запоминающее устройство по первому выходу, второй дешифратор, матрица усилителей по первому выходу и второй счетчик импульсов по первому входу также соединены последовательно, постоянное запоминающее устройство по второму выходу соединено со счетчиками импульсов по вторым входам, а линейка приемников соединена с вторым входом матрицы усилителей, матрица ключей предназначена для одновременного включения по одному излучателю и приемнику в каждой линейке.