УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФОРМЫ И ПЛОЩАДИ СВЕТОКОНТРАСТНОГО ОБЪЕКТА Российский патент 1997 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения формы, площади и координат светоконтрастных объектов, например, площади сечения листового покрова растений при расчете норм воды для их полива.

Известно устройство для измерения положения светящегося объекта, содержащее волоконно-оптический преобразователь, фотоприемник и дешифратор [1]
Недостатком данного устройства является большая избыточность волоконно-оптического преобразователя, обусловленная удвоенным количеством волокон, используемых как сигнальные и разделительные световоды. Кроме того, оно имеет узкую область применения, обусловленную тем, что им обеспечивается лишь определение положения светового луча, но не обеспечивается определение площади светоконтрастных фигур.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство для измерения положения светящегося объекта, содержащее оптически связанные объектив, волоконно-оптический преобразователь, входные торцы световодов которого расположены в фокальной плоскости объектива в виде прямоугольного растра, упорядоченного по строкам и столбцам, фотоприемники, распределитель импульсов, выполненный в виде счетчика с кодирующей матрицей, имеющей прямые и инверсные выходы, и источник синхроимпульсов, прямым выходом соединенный со входом распределителя импульсов [2]
Недостатком этого устройства являются низкое быстродействие, обусловленное используемым последовательным способом ввода информации в регистры памяти, ограниченные функциональные возможности, не обеспечивающие измерения площадей светящихся объектов или их участков и определения изменений формы этих объектов во времени, а также заниженная фоточувствительность, обусловленная делением светового потока на две части.

Техническим результатом является повышение быстродействия устройства и расширение его функциональных возможностей без ухудшения светочувствительности.

Указанная цель достигается тем, что в устройство введены групповые электрооптические затворы с управляющими входами, группа формирователей импульсов, группа элементов И-НЕ, первый и второй двоичные сумматоры, таймер, счетчик циклов с переключателем его выходов, группа элементов И, блок управления записью, блок вычисления относительной величины площади светоконтрастного объекта, первый и второй элементы ИЛИ, индикатор, дешифратор, запоминающее устройство, цифропечатающее устройство, блок ручного пуска, первый, второй, третий и четвертый элементы задержки, формирователь импульсов, первый, второй и третий регистры памяти, причем электрооптические затворы оптически сопрягают два участка световодов по столбцам растра, а выходные торцы световодов, соответствующие номерам строк растра, оптически соединены со входами групповых фотоприемников строк соответственных им номеров, групповые фотоприемники соединены своими выходами со входами группы формирователей импульсов, выходы которых соединены с первыми входами группы элементов И-НЕ, вторые входы которых соединены с прямым выходом источника синхроимпульсов, а выходы со входами первого двоичного сумматора, инверсные выходы кодирующей матрицы распределителя импульсов соединены, согласно своим разрядам, с управляющими входами групповых электрооптических затворов соответствующих столбцов световодов растра, прямой выход последнего разряда кодирующей матрицы соединен с пусковым входом счетчика циклов и первым входом переключателя, через остальные входы которого выходы счетчика циклов соединены со входом выключения источника синхроимпульсов, прямые выходы счетчика распределителя импульсов соединены с первыми входами группы элементов И, вторые входы которых соединены с прямым выходом источника синхроимпульсов, выходы групп элементов И и И-НЕ соединены с первой группой входов соответственно младших и старших разрядов блока управления записью, ко второй группе входов которого подведены выходы блока вычисления относительной величины площади светоконтрастного объекта, вход разрешения вычислений которого соединен с первым выходом таймера, второй выход которого через первый элемент ИЛИ подключен к синхровходу блока управления записью и к управляющему входу индикатора, ко входам которого через дешифратор подключены выходы блока управления записью, соединенные также со входами запоминающего устройства, связанного своими выходами со входами цифропечатающего устройства, третий выход таймера подключен к обнуляющему входу счетчика распределителя импульсов через второй элемент ИЛИ, второй вход которого, как и обнуляющий вход запоминающего устройства, соединен с выходом блока ручного пуска, соединенным также через первый элемент задержки с пусковым входом источника синхроимпульсов, выход которого через формирователь импульсов соединен со вторым входом первого элемента ИЛИ и входом второго элемента задержки, связанного непосредственно со входом разрешения записи первого регистра памяти и через третий элемент задержки со входом разрешения записи второго регистра памяти, своими входами связанного с выходами первого регистра памяти, выход второго элемента ИЛИ соединен с обнуляющими входами этих регистров памяти, ко входам первого из которых подведены выходы второго двоичного сумматора, к первой и второй группе входов которого подведены выходы соответственно первого двоичного сумматора и второго регистра памяти, выходы которого соединены также с первой группой входов блока вычисления относительной величины площади, вторая группа входов которого соединена с выходами третьего регистра памяти, хранящего двоичное число, соответствующее количеству элементов растра, выход переключателя счетчика циклов соединен через четвертый элемент задержки с обнуляющим входом этого счетчика, со входом разрешения перезаписи запоминающего устройства и с пусковым входом цифропечатающего устройства, групповой электрооптический затвор выполнен в виде двух круговых матриц жестко соединенного разъема соосных световодов, установленных на расстоянии диаметра волокна друг от друга заподлицо и закрепленных полимеризующимся веществом в электропроводящих обоймах, вместе с которыми торцы световодов покрыты напыленной оптически прозрачной электропроводящей пленкой, образующей электрический контакт с обоймами, пространство же между последними, определяемое высотой диэлектрического кольца, заполнено жидкокристаллическим веществом, образующим вместе с обоймами жидкокристаллический затвор.

На фиг. 1 показана блок-схема устройства; на фиг. 2 конструктивное исполнение группового электрооптического затвора; на фиг. 3 диаграммы напряжений блоков устройства; на фиг. 4 структурное исполнение первого двоичного сумматора; на фиг. 5 структура блока управления записью в запоминающее устройство; на фиг. 6 вид отпечатанной за три рабочих цикла информации о форме и площади светоконтрастного объекта.

Устройство для определения формы и площади светоконтрастных объектов содержит оптически связанные объектив 1, волоконно-оптический преобразователь 2, входные торцы световодов 3 которого расположены в фокальной плоскости объектива 1 в виде прямоугольного растра 4, упорядоченного по строкам и столбцам, фотоприемники 5, распределитель импульсов 6, выполненный в виде счетчика импульсов 7 с кодирующей матрицей 8, источник синхроимпульсов 9.

Световоды каждого столбца растра 4 оптически сопряжены через соответствующие электрооптические затворы 10 с групповыми фотоприемниками 5.

Кроме того, устройство содержит группу формирователей импульсов 12, выходы которых соединены с первыми входами группы элементов И-НЕ 13, вторые входы которых соединены с прямым выходом источника синхроимпульсов 9, а выходы со входами первого двоичного сумматора 14, инверсные выходы кодирующей матрицы 8 соединены, согласно своим разрядам, с управляющими входами 11 групповых электрооптических затворов 10 соответствующих столбцов световодов растра 4.

Устройство содержит также второй двоичный сумматор 15, таймер 16, имеющий три выхода, счетчик циклов 17 с переключателем 18 его выходов, группу элементов И 19, блок управления записью 20, блок 21 вычисления относительной величины площади светоконтрастного объекта, первый 22 и второй 23 элементы ИЛИ, индикатор 24, дешифратор 25, запоминающее устройство 26, цифропечатающее устройство 27, блок ручного пуска 28, первый 29, второй 30, третий 31 и четвертый 32 элементы задержки, формирователь импульсов 33, первый 34, второй 35 и третий 36 регистры памяти.

Групповой электрооптический затвор 10 выполнен в виде двух круговых матриц 37 жестко соединенного разъема 38 соосных световодов 3, установленных на расстоянии диаметра волокна друг от друга заподлицо и закрепленных полимеризующимся веществом в электропроводящих обоймах 39, вместе с которыми торцы световодов 3 покрыты напыленной оптически прозрачной электропроводящей пленкой 40, образующей их электрический контакт с обоймами 39, пространство же между последними, определяемое высотой диэлектрического кольца 41, заполнено жидкокристаллическим веществом 42, образующим вместе с обоймами 39 жидкокристаллический затвор.

Работа устройства для определения формы и площади светоконтрастного объекта может быть уяснена из чертежей, приведенных на фиг. 1 6.

В предложенном устройстве для управления электрооптическими затворами используется эффект динамического рассеяния света, возникающий в нематических жидких кристаллах 42 под действием приложенного управляющего напряжения, подаваемого с инверсных выходов кодирующей матрицы 8 и превышающего критическое для данного кристаллического вещества значение. Таким образом, в исходном состоянии устройства при обнуленном счетчике импульсов 7 на все электрооптические затворы 10 подается высокое напряжение и все они не пропускают свет.

При появлении светоконтрастного объекта в поле зрения объектива 1 изображение этого объекта проецируется на находящийся в фокальной плоскости растр 4 и может вызвать засветку одного, нескольких или всех волокон растра. Отсчет столбцов и строк растра ведется таким образом, чтобы изображение представлялось столбцами слева направо, а строками сверху вниз.

Синхронизация работы всех узлов устройства обеспечивается синхроимпульсами от их источника 9.

После включения электропитания и ручной подачи от блока 28 пускового импульса происходит обнуление запоминающего устройства 26 непосредственно, а счетчика импульсов 7, первого 34 и второго 35 регистров памяти через второй элемент ИЛИ 23. Производится также включение источника синхроимпульсов 9, осуществляемое этим же импульсом через первый элемент задержки 29. Импульсы с прямого выхода источника синхроимпульсов 9 начинают поступать на счетный вход счетчика 7, который начинает отсчет чисел от нуля. Появление на его первом прямом выходе двоичной единицы ведет к появлению на первом прямом выходе кодирующей матрицы 8 положительного импульса и к исчезновению такого импульса на инверсном выходе этой матрицы, соединенном с управляющим входом 11 первого электрооптического затвора 10. При этом происходит переход жидкокристаллического вещества 42 в оптически прозрачное состояние и оптическое закорачивание всех соосно установленных в электропроводящих обоймах 39 световодов 3 электрооптического затвора 10 первого столбца растра 4.

В результате этого световые сигналы, приходящиеся на первый столбец растра 4, распространяясь по световодам 3 (фиг. 1), вызовут появление электрических сигналов на выходах тех групповых фотоприемников 5, на которые по световодам попадают световые сигналы. Если сигнал на выходе группового фотоприемника 5 достигнет порогового значения, то на выходе соединенного с ним формирователя импульсов 12 образуется сигнал логической единицы в противном случае присутствует сигнал логического нуля.

С выходов формирователей импульсов 12 сигналы, возникающие при опросе групповых электрооптических затворов 10, поступают на первые входы группы элементов И-НЕ 13, на вторые входы которых также последовательно подаются импульсы от источника синхроимпульсов 9 (см. диаграммы фиг. 3, где цифровыми индексами отмечены номера блоков устройства). По переднему фронту каждого из синхроимпульсов формирователь 33 вырабатывает стробирующий импульс, поступающий через первый элемент ИЛИ 22 на синхровход блока управления записью 20, на входах младших разрядов которого в этот момент содержится двоичное число, подаваемое с прямых выходов счетчика 7 и представляющее собой номер опрашиваемого столбца растра 4. На старшие же разряды блока управления записью 20 с выходов группы элементов И-НЕ 13 подается двоичное число, представляющее собой состояние этого столбца растра. Вся эта информация записывается в запоминающее устройство 26.

Первый импульс с выхода формирователя импульсов 33, задержанный во времени вторым элементом задержки 30, поступает на вход разрешения записи первого регистра памяти 34, на входы которого с выходов второго двоичного сумматора 15 подается двоичное число с выходов первого двоичного сумматора 14. Это число представляет количество единиц в первом столбце растра, поскольку на вторые входы второго двоичного сумматора 15 в этот момент с выходов второго регистра памяти 35 подаются нули. Здесь необходимо отметить, что первый двоичный сумматор 14 имеет, пирамидальную структуру (фиг. 4) и на его выходах формируется двоичное число, представляющее сумму единиц на выходах группы элементов И-НЕ 13.

Импульс, обеспечивший запись состояния первого столбца растра в первый регистр памяти 34, с задержкой, обеспеченной третьим элементом задержки 31, поступает на вход разрешения записи второго регистра памяти 35. При этом производится перезапись состояния первого столбца растра из первого 34 во второй 35 регистр памяти.

Теперь при поступлении управляющего импульса с кодирующей матрицы 8 на второй электрооптический затвор 10 на выходах первого двоичного сумматора 14 появится число, представляющее сумму единиц в содержимом второго столбца растра 4. Это число поступает на первую группу входов второго двоичного сумматора 15, на первые входы которого из второго регистра памяти 35 поступает двоичное число, соответствующее количеству единиц в первом столбце растра 4. Во втором двоичном сумматоре 15 эти числа складываются и, при поступлении второго импульса с выхода второго элемента задержки 30 на вход разрешения записи первого регистра памяти 34, в него записывается эта сумма, замещая там ранее записанное число (количество единиц первого столбца растра). Еще раз задержанный третьим элементом задержки 31 второй импульс поступает на вход разрешения записи второго регистра памяти 35 и обеспечивает перезапись в него содержимого первого регистра памяти 34 (сумму единиц первого и второго столбцов растра 4).

Описанным образом в течение рабочего цикла происходит сложение единиц всех столбцов растра и запись результатов сложения во второй регистр памяти 35. Одновременно в запоминающее устройство 26 производится последовательно запись номера каждого из столбцов растра (в младших разрядах регистров запоминающего устройства) и состояния каждого из столбцов растра (в старшие разряды этих же регистров). К концу цикла последовательно записанные в старшие разряды регистров запоминающего устройства 26 состояния столбцов растра будут представлять форму светоконтрастного объекта, в младших же разрядах будут записаны номера столбцов растра.

Во втором регистре памяти 35 к концу рабочего цикла будет записано двоичное число, представляющее количество единиц всех столбцов растра. Это число поступает на первую группу входов блока 21 вычисления относительной величины площади светоконтрастного объекта, на вторую группу входов которого поступает хранящееся в третьем регистре памяти 36 число, соответствующее числу элементов растра.

При появлении положительного импульса на последнем прямом выходе кодирующей матрицы 8 запускается таймер 16, импульсом с первого выхода которого разрешается вычисление в блоке 21 относительной величины площади светоконтрастного объекта.

Сигнал со второго выхода таймера 16 через первый элемент ИЛИ 22 обеспечивает запись вычисленной величины площади в запоминающее устройство 26 и индикацию числа, соответствующего вычисленной величине, на индикаторе 24. Источник синхроимпульсов 9 прекращает свою работу одновременно с появлением положительного импульса на прямом выходе последнего разряда кодирующей матрицы 8. Этот импульс с кодирующей матрицы 8 поступает на вход выключения источника синхроимпульсов 9 через переключатель 18, установленный в первом положении (одноцикловая работа устройства).

При остановке работы источника синхроимпульсов 9 останавливается также и счетчик 7. Импульс с третьего выхода таймера 16 обеспечивает обнуление через второй элемент ИЛИ 23 уже остановленного счетчика импульсов 7, а также первого 34 и второго 35 регистров памяти.

При появлении импульса на выходе переключателя 18, обеспечивающего остановку источника синхроимпульсов 9, осуществляется задержка его четвертым элементом задержки 32 на период времени, перекрывающий окончание импульса с третьего выхода таймера 16 (см. диаграммы фиг. 3). Задержанный импульс обеспечивает обнуление счетчика циклов 17, включение цифропечатающего устройства 27 и подключение запоминающего устройства 26 на передачу его содержимого для печати.

Счетчик циклов 17 через переключатель 18 обеспечивает выключение источника синхроимпульсов 9 только через заданное этим переключателем число рабочих циклов, после чего включается цифропечатающее устройство 27. Многоцикловая работа устройства позволяет зафиксировать в динамике изменение формы и площади светоконтрастного объекта. На фиг. 6 представлены изменения во времени формы и поперечного сечения листового покрова дерева на фоне неба. Для удобства восприятия местоположение логических единиц старших разрядов растра заштриховано, а местоположение логических нулей оставлено чистым.

Распечатка результатов измерений производится слева направо и сверху вниз построчно.

Использование: в измерительной технике и предназначено для определения координат, формы и площади сечения как неподвижных, так и находящихся в движении светоконтрастных фигур и объектов. Сущность изобретения состоит в повышении быстродействия устройства и расширении его функциональных возможностей. Этот результат достигается за счет применения волоконно-оптического преобразователя с жидкокристаллическим затвором, позволяющего осуществлять совместно с другими элементами устройства параллельное постолбцовое считывание информации с предварительно задаваемым числом рабочих циклов. 6 ил.

Устройство для определения формы и площади светоконтрастного объекта, содержащее оптически связанные объектив, волоконно-оптический преобразователь, входные торцы световодов которого расположены в фокальной плоскости объектива в виде прямоугольного растра, упорядоченного по строкам и столбцам, фотоприемники, распределитель импульсов, выполненный в виде счетчика с кодирующей матрицей, имеющей прямые и инверсные выходы, и источник синхроимпульсов, отличающееся тем, что оно снабжено электрооптическим затвором, световоды выполнены из двух участков, электрооптические затворы оптически сопрягают два участка световодов каждого столбца растра, а выходные торцы световодов, соответствующие номерам строк растра, оптически соединены с входами групповых фотоприемников строк соответственных им номеров, групповые фотоприемники соединены своими выходами с входами формирователей импульсов, выходы которых соединены с первыми входами группы элементов И-НЕ, вторые входы которых соединены с прямым выходом источника синхроимпульсов, а выходы с входами первого двоичного сумматора, инверсные выходы кодирующей матрицы распределителя импульсов соединены согласно своим разрядам с управляющими входами групповых электрооптических затворов соответствующих столбцов световодов растра, прямой выход последнего разряда кодирующей матрицы соединен с пусковым входом таймера, со счетным входом счетчика циклов и первым входом переключателя, через остальные входы которого выходы счетчика циклов соединены с входом выключения источника синхроимпульсов, прямые выходы счетчика распределителя импульсов соединены с первыми входами группы элементов И, вторые входы которых соединены с прямым выходом источника синхроимпульсов, выходы групп элементов И и И-НЕ соединены с первой группой входов соответственно младших и старших разрядов блока управления записью, к второй группе входов которого подведены выходы блока вычисления относительной величины площади светоконтрастного объекта, вход разрешения вычисления которого соединен с первым выходом таймера, второй выход которого через первый элемент ИЛИ подключен к синхровходу блока управления записью и к управляющему входу индикатора, к входам которого через дешифратор подключены выходы блока управления записью, соединенные также с входами запоминающего устройства, связанного своими выходами с входами цифропечатающего устройства, третий выход таймера подключен к обнуляющему входу счетчика распределителя импульсов через второй элемент ИЛИ, второй вход которого, как и обнуляющий вход запоминающего устройства, соединен с выходом блока ручного пуска, соединенным также через первый элемент задержки с пусковым входом источника синхроимпульсов, выход которого через формирователь импульсов соединен с вторым входом первого элемента ИЛИ и входом второго разрешения записи первого регистра памяти и через третий элемент задержки с входом разрешения записи второго регистра памяти, своими входами связанного с выходами первого регистра памяти, выход второго элемента ИЛИ соединен с обнуляющими входами обоих регистров памяти, к входам первого из которых подведены выходы второго двоичного смумматора, к первой и второй группам входов которого подведены выходы соответственно первого двоичного сумматора и второго регистра памяти, выходы которого соединены также с первой группой входов блока вычисления относительной величины площади, вторая группа входов которого соединена с выходами третьего регистра памяти, хранящего двоичное число, соответствующее количеству элементов растра, выход переключателя счетчика циклов соединен через четвертый элемент задержки с обнуляющим входом этого счетчика, с входом разрешения перезаписи запоминающего устройства и спусковым входом цифропечатающего устройства, групповой электрооптический затвор выполнен в виде двух круговых матриц, жестко соединенного разъема соосных световодов, установленных на расстоянии диаметра волокна друг от друга заподлицо и закрепленных полимеризующимся веществом в электропроводящих обоймах, вместе с которыми торцы световодов покрыты напыленной оптически прозрачной электропроводящей пленкой, образующей их электрический контакт с обоймами, пространство между последними, определяемое высотой диэлектрического кольца, заполнено жидкокристаллическим веществом, образующим вместе с обоймами жидкокристаллический затвор.