СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТА Российский патент 2016 года по МПК G01C3/08 G01S17/08 G01B11/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейной компоненты перемещения объекта при воздействии на него различных силовых факторов. Преимущественное применение изобретение может найти при испытании или мониторинге строительных конструкций.

Известен способ определения расстояния (дальности) до объекта с помощью лазерного дальномера. Способ включает зондирование объекта путем посылки на него серии лазерных импульсов и определения в каждом i-м зондировании временного интервала t_i между моментами излучения лазерного импульса и приема отраженного объектом излучения. Для каждого зондирования определяют отсчеты дальности R_i=c·t_i/2, где с - скорость света [Патент РФ №2385471]. Дальность, таким образом, измеряется как длина отрезка линии визирования дальномера (лазерного луча) от точки установки дальномера до точки отражения излучения от объекта. Если известно, что объект за время между зондированиями будет перемещаться в направлении линии визирования, то такое перемещение можно, очевидно, определить как разность двух дальностей: Π=R_i+1-R_i. Если же известно, что объект перемещается в каком-либо ином направлении, то определить величину такого перемещения значительно сложнее - для этого надо знать форму, размеры и начальное положение относительно линии визирования дальномера той поверхности, от которой отражается зондирующий импульс, и применять для вычислений достаточно сложные математические формулы. Этот недостаток делает известный способ практически неприменимым для измерения перемещений объекта, не совпадающих по направлению с линией визирования дальномера, что ограничивает функциональные возможности указанного способа.

Такого недостатка не имеет известный способ измерения линейных перемещений объекта [Патент RU №2521220] (прототип), по которому выбирают или размещают на объекте жестко связанную с ним плоскую поверхность таким образом, что она пересекает линию визирования дальномера и линию направления перемещения объекта, направляют на нее линию визирования дальномера и тарируют дальномер, для чего включают его в режим измерений дальности, перемещают дальномер в направлении перемещения объекта на заранее известное расстояние, определяют разность дальностей до и после перемещения дальномера, вычисляют тарировочный коэффициент по формуле:

К=А/r,

где: А - перемещение дальномера;

r - разность дальностей до и после перемещения дальномера, после чего начинают измерения перемещения объекта, величину которых определяют по формуле:

Π=K(R_i+1-R_i)

где R_i и R_i+1 - соответственно предыдущая и последующая дальности до объекта.

Однако в прототипе присутствуют свои недостатки, а именно:

- необходимость механически перемещать дальномер при его тарировке затрудняет применение способа в полевых условиях, так как требует квалифицированных действий оператора;

- в процессе эксплуатации возможно снижение точности тарировки из-за естественного износа или загрязнения элементов устройства для перемещения дальномера.

Технический результат изобретения состоит в упрощении применения способа в полевых условиях и повышении точности измерений.

Для этого измерения проводят двумя дальномерами, линии визирования которых направляют параллельно на известном расстоянии друг от друга и в одной плоскости с вектором ожидаемого перемещения. Это аналогично физическому перемещению при тарировке одного дальномера на известную величину и в известном направлении. Затем включают оба дальномера в режим измерений и вычисляют перемещение объекта по формуле:

где: R=R_i+1-R_i - разность дальностей после и до перемещения объекта по любому из дальномеров;

r=R₂-R₁ - разность дальностей первого и второго дальномеров;

h - расстояние между линиями визирования дальномеров;

α - угол между линией (вектором) ожидаемого перемещения объекта и плоской поверхностью.

Поскольку положение вектора перемещения известно из проектных расчетов объекта, то угол α легко определить из его чертежей, а в случае если плоская поверхность специально размещена на объекте, и из геометрии размещения такой поверхности.

Неплоскостность выбранной поверхности, а также угловое перемещение в процессе измерений объекта или дальномеров приводят к снижению точности измерений. Поэтому дополнительно контролируют условие равенства разностей измерений дальностей по каждому из двух дальномеров и делают выводы о точности проведенных измерений.

На фигуре 1 изображена схема проведения измерений прогиба моста. Ход лучей лазеров дальномеров показан утолщенными линиями, конечное положение моста - штрихпунктирными линиями, вектор перемещения объекта и геометрические построения - тонкими линиями. На фигуре 2 показан пример устройства для установки дальномеров.

Реализация способа показана на примере измерения прогиба пролета моста, т.е. вертикального плоскопараллельного перемещения объекта 9. В качестве плоской поверхности выбран элемент пролета моста, образующий с вертикалью угол α, величина которого известна из чертежа пролета. При начале работ лазерные лучи дальномеров 1 и 2, отстоящие друг от друга на величину h=АС, направляют на выбранную поверхность объекта 9, и они отражаются от нее в точках А и В. Тогда разность дальностей дальномеров составит r=R₂-R₁=ВС. Нагружаем мост, пролет перемещается на величину П=AM. Поскольку поверхность плоская и угловое положение дальномеров 1 и 2 и объекта 9 не изменилось, разность новых дальностей по каждому дальномеру будет одинаковой и равной R=АЕ=BD. Треугольники АМЕ и FMD подобны по двум углам, откуда, выразив их стороны через известные величины R, r, h и α, после некоторых преобразований получим:

Нетрудно убедиться, что формула справедлива для всех соотношений направлений перемещения и расположения поверхности объекта при условии, что учитывается знак угла по общепринятому правилу отсчета.

Установку дальномеров в приведенном выше примере можно осуществить с помощью установочного устройства (фиг. 2). Дальномеры 1 и 2 закреплены в корпусе 3 с возможностью их юстировки на параллельность лучей лазеров. Корпус 3, в свою очередь, через ось 4 и зажим 5 закреплен на подставке 6. Перемещение корпуса 3 по осям координат осуществляется поворотом его вокруг оси 4 и сферы 7, а фиксация в нужном положении - гайкой 8.

Установив подставку 6 на неподвижную поверхность, включают дальномеры 1 и 2 в режим непрерывных измерений и, отпустив гайку 8, направляют их лучи на выбранную (или установленную) на объекте плоскую поверхность. Вертикальность плоскости лучей контролируют, например, с помощью отвеса или строительного уровня, по положению стенки корпуса 3 и затягивают гайку 8. Дальномеры готовы к проведению измерений.

Способ измерения линейных перемещений объекта основан на том, что лучи двух лазерных дальномеров направляют параллельно на плоскую поверхность, находящуюся на объекте измерений. Линейное перемещение объекта определяют на основании определенных двумя указанными дальномерами расстояний с учётом угла между линией ожидаемого перемещения объекта и плоской поверхностью, а также с учётом расстояния между линиями визирования дальномеров. Технический результат заявленного решения заключается в повышении точности измерения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения линейных перемещений объекта, состоящий в том, что лазерным дальномером проводят не менее двух измерений дальности до объекта и перемещение объекта определяют по разности соседних измерений, причем линию визирования дальномера направляют на жестко связанную с объектом плоскую поверхность, которую выбирают или размещают на объекте таким образом, что она пересекает линию визирования дальномера и линию направления перемещения объекта, отличающийся тем, что измерения проводят двумя дальномерами, линии визирования которых направляют параллельно на известном расстоянии друг от друга и в одной плоскости с вектором ожидаемого перемещения, включают оба дальномера в режим измерений и вычисляют перемещение объекта по формуле:

где: R=R_i+1-R_i - разность дальностей после и до перемещения объекта по любому из дальномеров;
r=R₂-R₁ - разность дальностей первого и второго дальномеров;
h - расстояние между линиями визирования дальномеров;
- угол между вектором ожидаемого перемещения объекта и плоской поверхностью.

2. Способ измерения линейных перемещений объекта по п. 1, отличающийся тем, что контролируют условие равенства разностей измерений дальности по каждому из двух дальномеров.