УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ СТРУННЫХ ОТВЕСОВ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ Российский патент 2005 года по МПК G01C15/10 G01B11/24 

Изобретение относится к области геодезических измерений, в частности к оптоэлектронным методам и средствам контроля геометрического смещения объектов относительно выбранной системы координат.

В практике гидротехнического строительства для обеспечения безопасности сооружения широко используются устройства контроля горизонтальных смещений строительной конструкции относительно прямых и обратных струнных отвесов. При этом требуемая точность измерений составляет не менее 100 мкм.

Для этих целей в мировой практике используются переносные оптико-механические координатографы, например оптический координатограф производства "Фрайбергер прецизионс-механик ГмбХ" [1], позволяющие с помощью микрометрических винтов методом оптического контроля за положением струны и измерительного инструмента обеспечить указанную точность. Однако эти приборы являются дорогостоящими прецизионными инструментами и не позволяют автоматизировать процесс измерений, что особенно важно для многоточечного контроля.

В отечественной практике используются устройства для автоматизированного измерения координат струнных отвесов гидротехнических сооружений, состоящие из генератора высокочастотного тока и двух пар взаимноортогональных индукционных катушек, расположенных симметрично относительно струны, соединенных с измерителем разности ЭДС по каждой из пар катушек, исходя из чего делают заключение о текущей координате струны [2].

Однако, как показывает опыт использования этих изделий, в реальных условиях подобные устройства не обеспечивают необходимой точности и стабильности измерений, требуют периодической калибровки, чувствительны к влиянию факторов эксплуатации.

В измерительной технике известны устройства для автоматизированного измерения координат струнных отвесов, например, model RxTxTelependulum, производства RocTest (Canada, USA) [3], содержащие оптоэлектронные сенсоры. К недостаткам этих измерителей относится небольшой диапазон измерений и крайне высокая стоимость измерителя.

В основу изобретения положена задача высокоточного автоматизированного измерения координат струнных отвесов, используемых в строительстве гидротехнических сооружений ГЭС для определения горизонтального отклонения конструкции сооружения от вертикали струнного отвеса в двух плоскостях.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для автоматизированного измерения координат струнных отвесов гидротехнических сооружений, состоящем из отражающего экрана, источника освещения, двух независимых взаимноортогональных оптических систем, каждая из которых сблокирована с соответствующей оптоэлектронной матрицей, жестко скрепленной с элементами оптических систем конструкцией объективов, при этом источник освещения и конструкции объективов жестко закреплены на опорной плите, выход первой оптоэлектронной матрицы соединен со входом первого устройства измерения координаты проекции струны, выход второй оптоэлектронной матрицы соединен со входом второго устройства измерения координаты проекции струны, выход первого устройства измерения координаты проекции струны соединен с первым входом цифрового последовательного порта связи, выход второго устройства измерения координаты проекции струны соединен со вторым входом цифрового последовательного порта связи, согласно изобретению дополнительно введены решающее устройство, содержащее два входных последовательных порта связи, выходами соединенных с контроллером, и индикатор, при этом вход решающего устройства соединен с выходом цифрового последовательного порта связи, а выход решающего устройства соединен со входом индикатора.

При этом источник освещения, состоящий из матрицы излучающих светодиодов, располагается под углом 45° к оптической оси каждой оптической системы.

Принципиальным отличием является наличие и расположение элементов предлагаемого устройства для автоматизированного измерения координат струнных отвесов гидротехнических сооружений, а также наличие в нем решающего устройства, которое одновременным учетом результатов измерений по двум ортогональным координатам исключает систематическую погрешность измерений, связанную с зависимостью измерений одной координаты от положения струнного отвеса по другой координате.

На чертеже представлена структурная схема устройства для автоматизированного измерения координат струнных отвесов гидротехнических сооружений, которое содержит струну 1, отражающий экран 2, источник освещения 3, оптические системы 4 и 5, оптоэлектронные матрицы 6 и 7, жестко скрепленные с элементами оптических систем конструкцией объективов 8 и 9. Источник освещения 3 и конструкции объективов 8, 9 жестко установлены на опорной плите 10. Выход первой оптоэлектронной матрицы 6 соединен со входом первого устройства 11 измерения координаты проекции струны 1, выход второй оптоэлектронной матрицы 7 соединен со входом второго устройства 12 измерения координаты проекции струны 1. Выход первого устройства 11 измерения координаты проекции струны 1 соединен с первым входом цифрового последовательного порта связи 13, выход второго устройства 12 измерения координаты проекции струны 1 соединен со вторым входом цифрового последовательного порта связи 13. Выход цифрового последовательного порта связи 13 соединен со входом решающего устройства 14, а выход решающего устройства 14 соединен со входом индикатора 15. Оптические оси оптических систем 4 и 5 ортогональны друг другу; источник освещения 3, состоящий из матрицы излучающих светодиодов, располагается под углом 45° к оптическим осям оптических систем 4 и 5.

Процесс измерения заключается в следующем: сформированное оптическими системами 4 и 5 изображение струны 1 оптоэлектронными матрицами 6 и 7 преобразуется в электрические сигналы, измеряемые соответственно устройствами 11 и 12 измерения координаты проекции струны. С выхода каждого устройства измерения координаты проекции струны измеренное значение соответствующей проекции струны передается через цифровой последовательный порт связи 13 на решающее устройство 14, которое на основе поступившей информации и известных параметров оптической системы вычисляет искомые координаты струны, отображаемые на индикаторе 15.

Действительные координаты струны вычисляются по формулам:

где r=d_фэ+d₃ - расстояние между центрами двух соседних фоточувствительных элементов (пикселей) оптоэлектронной матрицы, складывается из размера фоточувствительного элемента d_фэ и расстояния между смежными пикселями d₃;

n_х и n_у - номер фоточувствительного элемента (пикселя), которому соответствует центр сигнала с затененных элементов оптоэлектронной матрицы (при наблюдении темной струны на светлом фоне) по каждой коодинате;

N - общее число пикселей на фотоприемнике;

d_x и d_y - расстояния от главных плоскостей оптических систем соответственно 4 и 5 до центра координат;

и - фокусные расстояния оптических систем соответственно 4 и 5.

Технически устройства 11, 12 измерения координаты проекции струны и цифровой последовательный порт связи 13 могут быть реализованы на базе одного специализированного многофункционального микроконтроллера.

Введенные признаки разрешают техническое противоречие между требованиями высокой точности измерения координат струны и систематической погрешностью, вносимой при изменении координаты, ортогональной измеряемой.

Проведенные испытания приведенного устройства показали высокую точность измерений со среднеквадратичной ошибкой 25 мкм.

Источники

1. Презентационный лист компании ООО "Геотраверс". 197227 Россия. Санкт-Петербург., а/я 314. Тел/факс: (812)324-65-81, 259-69-36.

2. Крук Д.Е., Шайдуров Г.Я. - "Модернизация измерения координат струнных отвесов гидротехнических сооружений", М. "Гидротехнические сооружения", №1 - 2003 г.

3. Презентационный лист компании Roctest, www.roctest.com.

Устройство для автоматизированного определения координат струнных отвесов гидротехнических сооружений состоит из отражающего экрана, источника освещения, двух оптических систем, каждая из которых сблокирована с соответствующей оптоэлектронной матрицей, устройств измерения координаты проекции струны, цифрового последовательного порта связи. Также содержит решающее устройство, содержащее два входных последовательных порта связи, выходами соединенных с контроллером, и индикатор. Технический результат - высокоточное автоматизированное измерение координат струнных отвесов. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для автоматизированного определения координат струнных отвесов гидротехнических сооружений, состоящее из отражающего экрана, источника освещения, двух независимых взаимно ортогональных оптических систем, каждая из которых сблокирована с соответствующей оптоэлектронной матрицей, жестко скрепленной с элементами оптических систем конструкцией объективов, при этом источник освещения и конструкции объективов жестко закреплены на опорной плите, выход первой оптоэлектронной матрицы соединен со входом первого устройства измерения координаты проекции струны, выход второй оптоэлектронной матрицы соединен со входом второго устройства измерения координаты проекции струны, выход первого устройства измерения координаты проекции струны соединен с первым входом цифрового последовательного порта связи, выход второго устройства измерения координаты проекции струны соединен со вторым входом цифрового последовательного порта связи, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит решающее устройство, содержащее два входных последовательных порта связи, выходами соединенных с контроллером, и индикатор, при этом вход решающего устройства соединен с выходом цифрового последовательного порта связи, а выход решающего устройства соединен со входом индикатора.2. Устройство для автоматизированного определения координат струнных отвесов гидротехнических сооружений по п. 1, отличающееся тем, что источник освещения, состоящий из матрицы излучающих светодиодов, расположен под углом 45° к оптической оси каждой оптической системы.