ОПТИЧЕСКИЙ ПРОГИБОМЕР Российский патент 1997 года по МПК G01B21/32 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к области оптических приборов для дистанционного бесконтактного контроля и измерения пространственного положения частей протяженного объекта при его деформациях.

Оно может быть использовано как измерительное устройство в машиностроении, строительстве, самолето- и судостроении.

Известны различные электрические и гидравлические (например: Гидростатический нивелир. Информационный лист НТД. Хабаровский ЦНТИ, 1990 г.) прогибомеры, которые могут контролировать деформацию объектов лишь небольшой протяженности.

Известны оптические прогибомеры (например: Устройство для измерения деформации транспортных плавучих доков. А.С. 249720. МПК G 01 L, БИ N 25, 1969 ), работающие на значительных дистанциях.

Известен оптический прогибомер (а.с. 346573, МКИ G 01 B 11/16, БИ N 23, 1972 г.), который позволяет регистрировать деформации дока длиной до нескольких сотен метров. Этот прогибомер по совокупности признаков является наиболее близким к изобретению устройством и принят за прототип. Он содержит задатчик базового направления в виде последовательно расположенных окуляра, объектива и призменного блока, образующего два оптических канала, а также установленные в каждом из каналов визирные цели в виде пластин со шкалами. Визирные цели устанавливаются в контролируемых точках (на носу и корме дока), а задатчик базового направления между контролируемыми точками (в посту управления). Задатчик создает протяженную оптическую измерительную базу в виде двух визирных линий. Отсчет величины прогиба (носа и кормы относительно поста управления) производится визуально по наблюдаемым одновременно в поле зрения окуляра шкалам обеих визирных целей, смещающимся друг относительно друга.

Оптический прогибомер имеет низкую точность измерений, обусловленную влиянием условий наблюдения и субъективностью визуальных измерений, не позволяет контролировать деформации носа и корпуса дока по отдельности и использовать прогибомер в качестве датчика аварийной сигнализации и автоматической системы выравнивания дока. Это вызвано наличием в прогибомере лишь визуальной информации о прогибе и отсутствии электрических сигналов, связанных с величинами деформаций в контролируемых точках.

Другим недостатком рассмотренного оптического прогибомера является следующее. Прогибомер на доке предназначен для контроля за деформацией дока, вызванной механическими нагрузками при постановке корабля в док. Если механическая деформация достигнет критических значений, то может наступить разрушение дока. Однако, кроме механических деформаций, док испытывает значительные температурные деформации, обусловленные разницей температур подводной и надводной части дока. Температурные деформации не угрожают прочности дока и не должны приниматься во внимание при измерении прогиба. Многолетняя практика эксплуатации доков показала, что температурная дока h_t с достаточной степенью точности определяется зависимостью
h_t k(t_в-t_п),
где t_п температура верхней части палубы дока;
t_в температура воды;
K коэффициент температурной деформации дока, определяющийся конструкцией дока.

Рассмотренный выше оптический прогибомер регистрирует лишь суммарный прогиб (механический и температурный). Это вызвано отсутствием в прогибомере электрических сигналов, связанных с температурной ситуацией во время измерения деформаций, а также невозможностью автоматического расчета и введения поправки в результат измерения при визуальных измерения.

Таким образом, недостатком рассмотренного оптического прогибомера является невозможность достижения технического результата, заключающийся в получении электрических сигналов, связанных с величинами деформаций в контролируемых точках и с температурной ситуацией во время измерения деформаций, и исключении влияния температурной деформации на результат измерений.

К причинам, препятствующим достижению требуемого технического результата при использовании рассмотренного оптического прогибомера, относятся отсутствие датчиков информации о смещении визирных целей относительно оптической измерительной базы, датчиков информации о температурной ситуации во время измерения деформаций и устройства для автоматического расчета прогиба и введения в результат измерений поправки на температурную деформацию.

Цель изобретения создании прогибомера, позволяющего повысить точность измерений и обладающего универсальными возможностями контролировать деформации носа и кормы по отдельности, использовать прогибомер в качестве датчика аварийной сигнализации и автоматической системы выравнивания дока и регистрировать только механическую составляющую прогиба.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что оптический прогибомер содержит последовательно расположенные объектив, призменный блок, образующий два оптических канала, и визирные цели, установленные в каждом из каналов; каждая из визирных целей выполнена в виде излучателя, а прогибомер снабжен двумя устройствами управления излучателем, координатным приемником оптического излучения (КПОИ), установленным перед объективом на его оптической оси, блоком питания приемника, усилителем, коммутатором, датчиком температуры, аналого-цифровым преобразователем (АЦП), программируемым контроллером, клавиатурой контроллера и индикаторным устройством; при этом электрический вход КПОИ соединен с выходом блока питания приемника, выход КПОИ со входом усилителя, выход усилителя с соответствующим входом коммутатора, выход коммутатора со входом АЦП, выход АЦП с соответствующим входом программируемого контроллера, другой вход коммутатора с выходом датчика температуры, вход каждого излучателя соединен с выходом соответствующего устройства управления излучателя, входы устройств управления с соответствующим выходом программируемого контроллера, другой вход программируемого контроллера соединен с выходом клавиатуры контроллера, а другой выход программируемого контроллера со входом индикаторного устройства.

Частные случаи выполнения прогибомера характеризуются следующими признаками.

КПОИ выполнен в виде линейного фоточувствительного прибора с зарядовой связью (ФПЗС), блок питания приемника выполнен в виде генератора управляющих сигналов, а усилитель в виде видеоусилителя.

Излучатель выполнен в виде источника излучения, расположенного на оптической оси соответствующего объектива в его фокальной плоскости.

Источник излучения выполнен в виде полупроводникового излучающего диода.

Программируемый контроллер выполнен в виде устройства ввода-вывода (УВВ), центрального процессора и оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), при этом УВВ соединено с центральным процессором, который соединен с ОЗУ, а входы и выходы программируемого контроллера являются соответствующими входами и выходами УВВ.

Изложенная совокупность существенных признаков изобретения позволяет достичь требуемого технического результата и поставленной цели. Наличие КПОИ дает возможность создать в оптических каналах измерительную базу, определяемую центром КПОИ, выполнение визирных целей в виде излучателей выработать электрические сигналы при их смещениях относительно базы, которые пропорциональны смещениям и могут использоваться для точного измерения деформации носа и кормы дока по отдельности, управлять аварийной сигнализацией и автоматической системой выравнивания дока. Наличие датчика температуры позволяет получить информацию о температурной ситуации во время измерения деформаций. Программируемый контроллер дает возможность рассчитать прогиб по измеренным деформациям носа и кормы дока и регистрировать только механическую составляющую прогиба, исключая температурную составляющую. Объективность и высокая чувствительность КПОИ позволяет повысить точность измерений по сравнению с визуальным методом.

Приведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что авторами не обнаружено устройство, характеризующееся признаками, идентичными всем существенным признакам предлагаемого устройства, а по отношению к техническому результату выявлена совокупность отличительных существенных признаков. Следовательно, предлагаемое устройство соответствует требованию новизны.

Для проверки соответствия предлагаемого устройства требованию изобретательского уровня был проведен дополнительный поиск известных решений для выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками предлагаемого изобретения. Результаты этого поиска показывают, что предлагаемое устройство не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники.

На фиг. 1 изображена структурная схема прогибомера, на фиг. 2 - структурная схема излучателя, на фиг. 3 структурная схема программируемого контроллера.

Оптический прогибомер состоит из задатчика базового направления, излучателей, устройств управления излучателем, датчика температуры, усилительно-преобразовательной части, программируемого контроллера с клавиатурой и индикаторного устройства.

Задатчик базового направления (выделен на фиг. 1 штриховой линией) содержит последовательно расположенные КПОИ 1 (фиг. 1), соединенный с блоком питания приемника 2, объектив 3 и призменный блок 4, создающий два оптических канала. В каждом канале установлена визирная цель в виде излучателя 5 (5'). Усилительно-преобразовательная часть (выделена на фиг. 1 пунктиром) содержит усилитель 6, коммутатор 7 и АЦП 8. Выход КПОИ 1 соединен со входом усилителя 6, выход усилителя 6 с соответствующим входом коммутатора 7, выход коммутатора 7 -со входом ЛЦП 8, а выход ЛЦП 8 с соответствующим входом программируемого контролера 9. Выход датчика температуры 10 соединен с другим входом коммутатора 7. Вход каждого излучателя 5 (5') соединен с выходом соответствующего устройства управления излучателем 11 (11'). Выходы устройств управления излучателем 11 и 11' соединены с соответствующим выходом программируемого контроллера 9. Другой вход контроллера 9 соединен с его клавиатурой 12, а другой выход с индикаторным устройством 13.

В частных случаях элементы прогибомера выполняются следующим образом.

КПОИ 1 (фиг. 1) выполняются в виде линейного ФИЗС, при этом блок питания 2 выполняется в виде генератора управляющих сигналов, а усилитель 6 в виде видеоусилителя.

Каждый излучатель 5 (5'), показанный на фиг. 1, выполнен в виде источника излучения 14 (фиг. 2), расположенного на оптической оси соответствующего объектива 15 в его фокальной плоскости.

Источник излучения 14 выполняется в виде полупроводникового излучающего диода.

Программируемый контроллер 9 (фиг. 1) выполнен на фиг. 3 штриховой линией и выполнен в виде УВВ 16 (фиг.3), центрального процессора 17 и ОЗУ 18. УВВ 16 соединено с центральным процессором 17, а центральный процессор 17 с ОЗУ 18. Вход и выходы программируемого контроллера 9 являются соответствующими входами и выходами УВВ 16.

Оптический прогибомер работает следующим образом (см. фиг. 1).

Визирные цели в виде излучателей 5 и 5' устанавливаются в контролируемых точках (на носу и корме дока), а задатчик базового направления (выделен штриховой линией) между контролируемыми точками (в посту управления). Программируемый контроллер 9 управляет режимом работы излучателей 5 и 5' через устройства управления излучателем 11 и 11'. Режим работы определяется способом различения изображений от различных излучателей, способ различения может быть временным или пространственным. При временном способе излучатели 5и 5' включаются поочередно. При пространственном способе излучатели 5 и 5' работают одновременно, но их изображения проектируются на разные половинки КПОИ 1. Приемный блок 4 осуществляет совмещение излучения от излучателей 5 и 5' и направляет его в объектив 3, который строит изображения излучателей 5 и 5' на КПОИ 1. Блок питания приемника вырабатывает сигналы управления КПОИ 1. С выхода КПОИ 1 снимаются сигналы, соответствующие положению излучателей 5 и 5'. После усиления усилителем 6 они поступают в коммутатор 7. На этот же коммутатор 7 от закрепленного на палубе дока датчика температуры 10 поступает сигнал, пропорциональный температуре палубы. Коммутатор 7 обеспечивает прохождение на АЦП 8 либо сигнала от усилителя 6, либо от датчика 10. АЦП 8 преобразует аналоговые сигналы в цифровую форму и направляет их в программируемый контроллер 9. По сигналам о положении изображений излучателей 5 и 5' на КПОИ 1 в контроллере 9 рассчитываются величины суммарных деформаций (механической и температурной) носа и кормы дока, а затем величина суммарного прогиба по формуле:
h=(h'+h'')/2,
где
h' деформация носа;
h'' деформация кормы;
h суммарный прогиб.

Эти величины поступают на индикаторное устройство 13. Информация о температуре воды поступает в программируемый контроллер 9 от оператора через клавиатуру контроллера 12. По сигналам о температуре воды и палубы контроллер 9 вычисляет механическую составляющую прогиба по формуле:
h_max=h-h_t h-k(t_b-t_n),
где h суммарный прогиб;
h_t температурная деформация дока.

Эта величина тоже поступает на индикаторное устройство 13. Клавиатура 12 служит также для задания режимов работы прогибомера, ввода пороговых значений прогиба, при превышении которых включается аварийная сигнализация и автоматика выравнивания дока.

Если КПОИ 1 выполнен в виде линейного ФПЗС, то под элементами ФПЗС, на которые проектируются изображения излучателей 5 и 5', образуются зарядовые пакеты. Блок питания приемника 2, выполненный в виде генератора управляющих сигналов, управляет переносом зарядовых пакетов к выходу 0фПЗС и вырабатывает синхроимпульсы, необходимые для определения положения изображений излучателей 5 и 5' на ФПЗС появляется видеосигнал, несущий информацию о пространственном положении излучателей 5 и 5'. Для усиления видеосигнала используется усилитель 6, выполненный в виде видеоусилителя.

Излучатель 5 (выделен на фиг. 2 штриховой линией) работает следующим образом. Устройство управления 11 по командам программируемого контроллера 9 (фиг. 1) управляет режимом излучения источника излучения 14 (фиг. 2), расположенного в фокальной плоскости объектива 15. Параллельный пучок излучения направляется объективом 15 на призменный блок 4.

Если источник излучения 14 (фиг. 2) выполняется в виде полупроводникового излучающего диода, то режим излучения диода задается устройством управления модуляции тока питания диода.

Программируемый контроллер 9 (выделен на фиг. 3 штриховой линией) работает следующим образом. Из ЛЦП 8 в центральный процессор 17 через УВВ 16 поступают видеосигнал от КПОИ 1 (фиг. 1) и температура палубы дока от датчика температуры 10, а через клавиатуру 12 (фиг. 2) температура воды, режим работы прогибомера и пороговые значения прогиба от оператора. Обмениваясь данными с ОЗУ 18, центральный процессор 17 через УВВ 16 и устройства управления излучателем 11 и 11' управляет режимом работы излучателей 5 и 5' (фиг. 1), рассчитывает деформации носа, кормы и механическую составляющую прогиба и выдает эти величины на индикаторное устройство 13 (фиг. 3).

В конкретном примере выполнения оптического прогибомера генератор управляющих сигналов выполнен на микросхеме К555АГ1.

В качестве линейного ФПЗС используется ФПЗС1Л.

Объективами в задатчике базового направления и в излучателях являются ахроматические объективы, рассчитанные в ИТМО.

Призменный блок, как и в прототипе, состоит из сочетания пентапризмы с крышей (типа БКП-90) и прямоугольной призмы (типа АР-90).

В качестве источников излучения в излучателях применены полупроводниковые излучающие диоды АЛ107Б.

Устройства управления выполнены в виде генераторов тока на микросхемах К561ЛА7.

Видеоусилитель выполнен на микросхемах К175УВ1А.

Датчик температуры выполнен в виде проволочного терморезистора.

Коммутатор выполнен в виде К590КАЗ.

АЦП выполнен на микросхеме КР572ПВ1А.

Программируемый контроллер построен на основе однокристального микропроцессора КМ181ОВМ86 или однокристальной микро-ЭВМ КР1816ВЕ51.

В качестве клавиатуры используется модель ESSID:E5X5R5BTC 5339R-0 серии ВТС-53.

Индикаторным устройством могут служить любые цифровые электроизмерительные приборы, например, вольтметр В7-16А.

Таким образом, вышеизложенные сведения подтверждают возможность осуществления прогибомера в той совокупности признаков, которая представлена в формуле изобретения. Средства, воплощающие предлагаемое изобретение при его осуществлении, способны обеспечить достижение вышеуказанного технического результата и решение поставленной задачи: проведение измерений с повышенной точностью, контроль деформаций носа и кормы по отдельности, использование прогибомера в качестве сигнализации и автоматической системы выравнивания дока, регистрация механической составляющей прогиба, исключая температурную. Прогибомер может быть использован в судостроении, машиностроении, строительстве, авиационной промышленности. Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует требованию промышленной применимости.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Техническим результатом является повышение точности за счет исключения влияния температурных погрешностей. Оптический прогибомер содержит последовательно расположенные объектив, призменный блок, образующий два оптических канала, и визирные цели, установленные в каждом из каналов; каждая из визирных целей выполнена в виде излучателя, а прогибомер снабжен двумя устройствами их управления соединенными последовательно координатным приемником оптического излучения (КПОИ), блоком питания приемника, коммутатором аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и программируемым контроллером, клавиатурой контроллера индикаторным устройством; и датчиком температуры, другой вход коммутатора соединен с выходом датчика температуры, вход каждого излучателя соединен с выходом соответствующего устройства управления излучателем, входы устройств - с соответствующим выходом программируемого контроллера, а другой вход программируемого контроллера соединен с выходом клавиатуры контроллера, а другой выход программируемого контроллера - со входом индикаторного устройства. Предусмотрены частные случаи выполнения элементов схемы. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Оптический прогибомер, содержащий последовательно расположенные объектив и призменный блок, предназначенный для образования двух оптических каналов, две визирные цели, размещаемые в контролируемых точках объекта в соответствующих оптических каналах, отличающийся тем, что он снабжен соединенными последовательно координатным приемником оптического излучения, установленным перед объективом, усилителем, коммутатором, аналого-цифровым преобразователем и программируемым контроллером с задатчиком в виде клавиатуры контроллера, блоком питания и управления координатным приемником оптического излучения, подключенным к приемнику, двумя устройствами управления излучателем, вход каждого из которых соединен с первым выходом программируемого контроллера, а выход с соответствующей визирной целью, выполненной в виде излучателя, индикаторным устройством, подключенным к второму выходу программируемого контроллера, и датчиком температуры, подключенным к второму входу коммутатора. 2. Прогибомер по п. 1, отличающийся тем, что координатный приемник оптического излучения выполнен в виде линейного фоточувствительного прибора с зарядовой связью, блок питания и управления координатным приемником оптического излучения снабжен генератором управляющих сигналов, а усилитель выполнен в виде видеоусилителя. 3. Прогибомер по п. 1, отличающийся тем, что каждый излучатель выполнен в виде источника излучения, расположенного на оптической оси соответствующего объектива в его фокальной плоскости. 4. Прогибомер по п. 3, отличающийся тем, что источник излучения выполнен в виде полупроводникового излучающего диода. 5. Прогибомер по п. 1, отличающийся тем, что программируемый контроллер выполнен в виде устройства ввода-вывода, центрального процессора и оперативного запоминающего устройства, при этом устройство ввода-вывода соединено с центральным процессором, который соединен с оперативным запоминающим устройством, а входы и выходы программируемого контроллера являются соответствующими входами и выходами устройства ввода-вывода.