СПОСОБ КОНТРОЛЯ РАВНОМЕРНОГО НАТЯЖЕНИЯ И ВЫРАВНИВАНИЯ ПЛОСКИХ УПРУГИХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ЕГО РЕАЛИЗУЮЩЕЕ Российский патент 2015 года по МПК G01L5/04 

Изобретение относится к области геодезии, аэрофотосъемке, в частности к лазерным измерительным системам (ЛИС) для обеспечения натяжений упругих материалов с высокой точностью, которые применяются в качестве специальных средств, выполняющих различные задачи в приборостроении, машиностроении, метрологии, легкой промышленности особенно там, где предъявляются высокие требования к выравниванию упругих поверхностей и усилиям обеспечивающим равномерное натяжение материалов например упругих поверхностей большой площади традиционно связанных с механическими способами натяжения и контроля за прилагаемыми усилиями при натяжении, таких как например пластиковые пленки в аэрофотоаппаратах и других областях промышленности.

Известны способы и устройства для обеспечения необходимых натяжений упругих материалов, где в качестве «натяжителей» применяются специальные устройства кассетного типа с использованием механизмов линейного и кругового действия и динамометров для измерений прилагаемых усилий, при этом динамометр является эталоном и фиксирует прилагаемые усилия в Кг/С на см² поверхности материала [Кн. Щербаков Я.Е. Расчет и конструирование аэрофотоаппаратов М., 2-е изд., перераб. и доп. Машиностроение. Гл. 2, 3., 1979. - 264 с.].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения нестабильности пространственного положения объектов и определения отклонения их формы от прямолинейности используемые при геодезическом мониторинге за состоянием инженерных объектов, в которых применяют пленки в качестве частично отражающих поверхностей в узлах измерительных систем. [Патент РФ №2366894, Кл. G01C 1/00; 11/00 от 09.08.2007 г. (прототип)].

Недостатком является применение механических систем для контроля за усилиями при натяжении и выравнивании пленки измерительных марок, например динамометра, который является эталоном и измеряет прилагаемые усилия в Кг/С на см. кв. поверхности материала что приводит к усложнению конструкции, увеличению веса, габаритов, стоимости всего устройства при этом остается необходимость трудоемкого контроля за состоянием натяжения пленки каждой измерительной марки при ее установке.

Целью изобретения является повышение точности измерений, оптимизация параметров, упрощение конструкции и снижение стоимости устройств, а также значительное сокращение времени и трудоемкости при установке, например, измерительных марок лазерных измерительных систем (ЛИС), аэрофотокасет и контроля за их состоянием.

Поставленная цель достигается тем, что для контроля за усилиями при натяжении и выравнивании упругих поверхностей используют свойствах звуковых волн одинаковой частоты собственных колебаний способных создавать «интерференционную картину» при наложении (явление резонанса), а в качестве измерительного (сравнительного) средства при настройке рабочих параметров измерительных марок применяется музыкальный камертон.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг.1 показана принципиальная схема исследуемого устройства, на Фиг.2 приведена схема взаимодействия звуковых колебаний пленки 6 (λ1) и эталонного источника колебаний 10 (λ0)(камертона), на Фиг.3 показана схема подключения щупа и камертона к блоку сравнения звуковых колебаний.

Устройство содержит лазер 1, телескопическую систему 2, устройство фиксирующее положение валиков 3, зажим фиксирующего устройства 4, направляющие ограничители пленки 5, пленка 6, проекция 7 отраженного лазерного пучка от пленки 6, спаренный молоточек 8, щуп 9 и камертон 10 подключенные к блоку сравнения звуковых колебаний 11, S - платформа кассеты толщиной s, d_вал - диаметр валика, l - базовый размер кассеты, h - ширина пленки, D_РП - диаметр референтного пучка, РН - референтное направление, ω - угол поворота валика В при натяжении пленки 6, пленка 6, λ₁ - длина звуковых волн излучаемых при вынужденной вибрации пленки, λ₀ - длина волны камертона, λ₃ - длина результирующих амплитудных волн.

Способ реализуется следующим образом:

Измерительные марки устанавливают на участке исследуемого объекта, пленку 6 фиксируют на двух расположенных по диагонали конструкции кассеты валиках dвал по образующей. Один из валиков 3 выбранной измерительной марки закрепляют в конструкции кассеты, а другой прокручивают на угол со с определенным усилием, при этом производят одновременное постукивание спаренным двойным молоточком 8 по поверхности пленки 6 и камертона 10, что вызывает возникновение звуковых колебаний пленки 6 и эталонного источника (камертона 10); при этом постепенное натяжение исследуемого материала пленки 6 в конструкции кассеты достигаемое прокручиванием валика 3 (Фиг.1, 2) неизбежно приведет к интерференции звуковых волн, при которой выполняется условие:

f₀=f_k или λ₀=λ_k

где

f₀, f₁, f_i, …f_k диапазон частот звукового ряда;

λ₀ - длина волны камертона;

λ₃ - длина результирующих амплитудных волн.

При этом появляется эффект резонанса который регистрируется либо настройщиком, который с помощью зажимов 4 производит жесткую фиксацию положения пленки или блоком сравнения звуковых колебаний 11.

При создании современных высокоточных измерительных систем, предназначенных для измерений поперечных смещений крупных плоскостных инженерных объектов, существенное значение имеет диапазон измеряемых величин, от которого зависит регистрация допустимых и предельных отклонений геометрических параметров этих объектов от исходных.

Большой измерительный диапазон (±30 мм) на дистанциях L (0÷100 м), по сравнению с другими измерительными системами обеспечивает лазерная сканирующая измерительная система (ЛИС МИИГАИК) в которой в качестве частично-отражающих поверхностей в конструкции измерительных марок использовалась пластмассовая пленка (Фиг.1).

Физико-механические показатели пленки ЛАВСАН применяемой в качестве частично-отражающих поверхностей

Удельный вес, г/см³ 1.40 Температура плавления, °С 265 Предел упругости, кгс/мм ² 10 Ударная прочность, кгс/см³ 12000 Предел прочности при растяжениях, кгс/см² 1800 Количество двойных перегибов более 10000 Коэффициент преломления 1,64 Прозрачность ≥90 Горючесть Не горит Коэффициент линейного расширения на 1°С 3·10^-5 Термостойкость, °С 150 Твердость по Моосу 3 Толщина, мм 1.15÷1.25

Так как основным требованием является равномерность натяжения пленки 6 в конструкции измерительных марок, измерения перемещений, возникающие вследствие поперечных смещений реперных точек измеряемого объекта производят после отражения референтного лазерного сканирующего пучка от частично-отражающих поверхностей пленки 6 под заданными углами на всех измерительных марках, используя свойства упругих тел создавать звуковые колебания определенной длины волны т.е. резонировать. Вибрация вызываемая постукиванием спаренным двойным молоточком 8 по камертону 10 упругой поверхности пленки 6, натягиваемой на валики 3 конструкции, приводит к возникновению звуковых колебаний в диапазоне частот f₁, f_i, …f_k звукового ряда, которые резонируют с источником звуковых волн, например с музыкальным камертоном 10, настроенным на постоянную частоту звуковой волны f₀=435 Гц первой музыкальной октавы (нота Ля) и принятым в России в 1862 г. в качестве эталона (Брокгауз, Эфрон). Опорный звуковой сигнал рассматривают с позиции длины волны, которую образуют в воздухе звуковые колебания в соответствии с известным соотношением:

f=C_зв/λ,

где f - частота волновых колебаний; С_зв - линейная скорость волнового процесса в среде его распространения при этом значение линейной скорости распространения звука в воздухе ≈343 м/с в нормальных условиях;

λ - длина волны излучателя.

Постепенное натяжение пленки 6 валиками 3 (Фиг.1, 2) приводит к интерференции звуковых волн и звуковому резонансу,

Рекомендуемое значение усилий натяжения пленки 6, середина звукового ряда первой октавы - нота Фа (f₀≈300 ГЦ), где эталоном является камертон 10, используемый при настройке духовых музыкальных инструментов, или музыкальная нота До первой октавы (камертон для органов f₀=264 Гц и 528 Гц второй октавы).

При измерениях проводимых на объектах, пленка 6 должна быть выполнена из однородного полимерного материала одинакового размера и качества на всех измерительных марках в системе ЛИС. При одинаковых условиях эксплуатации измерительных марок (температура, влажность, атмосферное давление), способ контроля за усилиями натяжении и выравнивании плоских упругих поверхностей, позволяет производить одинаковое натяжение и выравнивание поверхностей пленок 6 на всех измерительных марках располагаемых на измеряемой трассе, что позволяет получить высокую точность натяжения пленки 6 и измерений например Лазерными измерительными системами (ЛИС).

Устройство работает следующим образом. Спаренным двойным молоточком 8 одновременно ударяют по натянутой пленке 6 и камертону 10. После ударения по пленке 6 и камертону, колебания пленки 6 считанные щупом 9 и колебания считанные с камертона 10 обрабатываются блоком сравнения звуковых колебаний 11 до получения резонансного сигнала, таким образом для одинакового натяжения поверхностей измерительных марок всей Лазерной измерительной системы (ЛИС) используют свойства звуковых волн одинаковой частоты собственных колебаний материала пленки 6 способного создавать «интерференционную картину» при его наложении (явление резонанса) на рабочие параметры камертона 10.

Изобретение относится к области опто-акустических измерений натяжений упругих материалов.

Способ контроля равномерного натяжения и выравнивания плоских упругих материалов заключается в механическом измерении и контроле за усилиями натяжения. При этом используют свойства звуковых колебаний интерферировать при совпадении частот разных источников излучения, создавая звуковой резонанс, а в качестве эталонного источника звуковых колебаний применяют музыкальный камертон, настроенный на определенную длину волны f₀, и производят одновременное постукивание по поверхности пленки и камертона до возникновения звуковых колебаний пленки и эталонного источника. При этом постепенное натяжение исследуемого материала приводит к интерференции звуковых волн, при которой выполняется условие f₀=f_k или λ₀=λ_k, а эффект резонанса регистрируют. Устройство содержит лазер, телескопическую систему, фиксатор положения валика, зажим фиксирующего устройства, направляющие ограничители пленки, пленку, спаренный двойной молоточек, щуп и камертон ,подключенные к блоку сравнения звуковых колебаний.

Технический результат - повышение точности измерений, оптимизация параметров, упрощение конструкции и значительное сокращение времени и трудоемкости. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Способ контроля равномерного натяжения и выравнивания плоских упругих материалов, заключающийся в механическом измерении и контроле за усилиями натяжения отличающийся тем, что используют свойства звуковых колебаний интерферировать при совпадении частот разных источников излучения, создавая звуковой резонанс, а в качестве эталонного источника звуковых колебаний применяют музыкальный камертон, настроенный на определенную длину волны f₀, и производят одновременное постукивание по поверхности пленки и камертона, до возникновения звуковых колебаний пленки и эталонного источника, при этом постепенное натяжение исследуемого материала приводит к интерференции звуковых волн, при которой выполняется условие:
f₀=f_k или λ₀=λ_k
где
f₀, f₁, f_i, …f_k диапазон частот звукового ряда;
λ₀ - длина волны камертона;
λ_k - длина результирующих амплитудных волн;
а эффект резонанса регистрируют.

2. Способ контроля равномерного натяжения и выравнивания плоских упругих материалов по п.1, отличающийся тем, что в качестве эталонного источника звуковых колебаний применяют музыкальный камертон, настроенный на постоянную частоту звуковой волны f₀=435 Гц первой музыкальной октавы (нота Ля), при этом опорный звуковой сигнал рассматривают с позиции длины волны, которую образуют в воздухе звуковые колебания в соответствии с известным соотношением:
f=C_зв/λ,
где f - частота волновых колебаний; С_зв - линейная скорость волнового процесса в среде его распространения при значении линейной скорости распространения звука в воздухе ≈343 м/с в нормальных условиях;
λ - длина волны излучателя.

3. Способ контроля равномерного натяжения и выравнивания плоских упругих материалов по п.1 или 2, отличающийся тем, что значение усилий натяжения пленки принимают середину звукового ряда первой октавы ноту Фа (f₀≈300 ГЦ), а эталонным источником звуковых колебаний является музыкальный камертон, используемый при настройке духовых музыкальных инструментов.

4. Способ контроля равномерного натяжения и выравнивания плоских упругих материалов по п.1, отличающийся тем, что в качестве эталонного источника звуковых колебаний применяют музыкальный камертон, используемый при настройке музыкальной ноты До первой октавы, камертон для органов f₀=264 Гц и 528 Гц второй октавы.

5. Устройство контроля равномерного натяжения и выравнивания плоских упругих материалов, содержащее лазер, телескопическую систему, устройство, фиксирующее положение валика, зажим фиксирующего устройства, направляющие ограничители пленки, пленку, отличающееся тем, что в него дополнительно введены спаренный двойной молоточек, щуп и камертон, подключенные к блоку сравнения звуковых колебаний.