Устройство для измерения углов наклона Советский патент 1983 года по МПК G01C9/20 G01C9/06 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к фотоэлектрическим устройствам для определения углов наклона, и может быть использовано, например, в машиностроении и строительстве. Известно устройство для измерения углов наклона, содержащее чувствител ный элемент, установленный в герметичной прозрачной камере, заполненной демпфирующей жидкостью и прикреп ленной через торсион к днищу камеры, источник света и вычислительное уст-л ройство, причем оптическая система выполнена в виде набора линз, формирующих три плоских веерообразных световых пучка, расходящихся под заданными углами, и чувствительный элемент выполнен в виде двух еканиеторов, укрепленных параллельно один другому и симметрично относительно точки крепления торсиона на общем основании, на входных зрачках екание торов установлены световолоконные планшайбы, а выходы сканисторов через параллельно включенные блоки для выделения сигнала и последовательно подключенные к ним блок для измерения временных интервалов и кодирую щее устройство подключены к вычислительной машине . Данное устройство позволяет измерять угловое положение объекта с выеокой точностью, однако слишком слож но в изготовлении и обслуживании, та как требует хорошей герметизации камеры и изоляции помещенных в нее сканисторов, а также затрат на обслу живание ЭВМ. Кроме того, применяемая сложная оптическая система увеличивает габариты устройства, а это в совокупности с тем, что на выходе устройства применяется ЭВМ затрудняет измерение углов наклона объектов в труднодоступных местах. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для измерения наклона объектов, содержащее камеры в виде сообщающихся сосудов, заполненные жидкостью, источник света и расположенные с.противоположной стороны камеры по разные стороны фотоэлектрические преобразователи, подключенные к узлу выделения, обработки и регистрации сигнала . Однако данное устройство не обеспечивает высокой точности измерения вследствие большой площади поверхности жидкости, воспринимакадей вибрацию, толчки и т.д., а-также погреш ности, вносимой неоднородностью электрических параметров фотоэлектрических преобразователей (фоточувст вительности, неравномерности тёмнового сопротивления,неоднородности фото чувствительности по длине каждого фотоэлектрического преобразователя). Данное устройство также не позволяет получить одновременно высокую точность измерения малых углов и большой динамический диапазон измерения без перестройки самого-устройства. Цель изобретения - изменение диапазона при сохранении точности измерений. Указанная цель достигается тем, -ЧТО устройство для измерения углов наклона содержит камеру в виде сообщающихся сосудов, заполненную жидко стью, имеющую в верхней части демпфирующий канал, устройство регистрации уровня жидкости с фотоэлектрическим преобразователем, электронную схему, причем фотоэлектрический преобразователь выполнен в виде полупроводникового сканистора, расположенного перпендикулярно уровню светонепроницаемой жидкости, перегородка, разделяющая сосуду, выполнена разборной, одна часть которой, ближняя к сканистору -закреплена неподвижно, а другие установлены с возможностью перемещения вдоль сосудов и фиксации в заданном положении, а электронная схема содержит усилитель фототока, блок развертки, блок смещения уровня, дифференцирующий усилитель, блок формирования измерительного сигнала, блок регистрации, нагрузочный резистор, причем первый выход сканистора соединен через нагрузочный резистор с массой и через усилитель фототока с блоком резвертки, первый выход которого соединен с первым входом блока формирования измерительного сигнала, а выход - с входом блока регистрации, выход усилителя фототока через дифференцирующий усилитель соединен с вторым входом блока формирования измерительного сигнала, второй выход блока развертки соединен с первым входом блока смещения уровня, а выводы делительной шины сканистора соединены с вторым и третьим входами блока смещения урввня. Длина каждой подвижной части перегородки выбрана по формуле с - -.- (Ь максимальный угол измерения, требующийся для данного диапазона а - длина фоточувствительного слоя полупроводникового сканистора; Ь - расстояние между внешними стенками сообщающихся сосу, ДОН; Ь - расстояние от сканистора до ближайшей внешней стенки сообщающихся сосудов.

На фиг. 1 изображена принципиальная электрическая схема устройства; на фиг. 2 - прозрачная камера в положении измерейия максимального угла продольный разрез; на фиг. 3 - камера с различными положениями подвижных частей перегородки-наполнителя, продольный вертикальный разрез.

Устройство содержит прозрачную плос1 ую камеру 1, заполненную наполовину светонепроницаемой жидкостью 2, источник света 3 в виде расположенных в ряд через равные интервалы светодиодов и установленный с противоположной стороны полупроводниковый сканистор 4, закрепленный на корпусе прозрачной камеры 1. Выход полупроводникового сканистора 4 соединен с нагрузочным резистором Кц и входом усилителя фототрка 5, который в свою очередь соединен с блоком развертки б, подключенным к выводам делительной шины полупроводникового сканистора 4 через блок смещения уровня 7, служащего для смещения уровня развертыванхдего напряжения. Выход усилителя фототока 5 соединен с блоком развертки б и включенными последовательно дифференцирующим усилителем 8, блоком формирования измерительного сигнала 9, блоком регистрации Ip-i Блок развертки б соединен также с блоком формирования измерительного сигнала 9.

Прозрачная камера 1 содержит перегородку-наполнитель 11, образуницую два сообщающихся сосуда 12 и 13 и сл жащую для уменьшения колебаний светонепроницаемой жидкости 2 в момент измерения. В верхней части перегородки-наполнителя 11.. имеется- демпфирующий канал 14, предназначенный для перемещения воздуха из одного сообщащегося сосуда в другой. Перегородканаполнитель 11 состоит из нескольких частей 15-17, одна из которых 15 закреплена неподвижно, а другие 16 и 1 установлены с возможностью перемещения вдоль прозрачной камеры 1 и служат для переключения диапазона измеряемых углов.

Устройство работает следующим образом.

Прозрачную камеру 1, заполненную наполовину светонепроницаемой жидкостью 2, помещают на поверхность, угол отклонения от горизонта которой необходимо определить. Световой поток от источника света 3, проходя через прозрачную камеру 1, попадает на полупроводниковый сканистор 4, при этом светонепроницаемая жидкость проецирует на нем теневую зону. В зависимости от угла наклона уровень светонепроницаемой жидкости меняется. Воздух из одного сообщающегося сосуда переходит в другой через демпфирующий канал 14, диаметр

которого не позволяет резко изменить уровень светонепроницаемой жидкости 2. в соответствии с изменением уровня светонепроницаемой жидкости меняется и размер теневой зоны на .фоточувствительном слое полупроводникового сканистора 4. С блока развертки б на выводы делительной шины полупроводникового.сканистора 4 подается пилообразное напряжение, которое, проходя через блок смещения уровня 7, сдвигает уровень пилообразного напряжения на его амплитуду, Таким образом, создается нормальный режим для работы полупроводникового сканистора. При подаче напряжения с блока развертки 6 в полупроводниковом сканисторе 4 происходит переключение встречновключенных фотодиодных ячеек (участков р-п- и п-р-переходов), за счет чего происходит преобразование оптического сигнала в электрический видеосигнал. При этом изменение тока, протекгиощего через полупроводниковый сканистор, пропорционально распределению освещенности вдоль его фоточувствительного слоя. Выделяемое на нагрузочном резисторе Яц напряжение, пропорциональное фототоку сканистора, поступает на усилитель фототока 5, сигнал с которого подается на блок развертки б и дифференцирующий усилитель 8. В дифференцирующем усилителе 8 происходит выделение видеосигнала, т.е. сигнала, пропорционального освещенности,, а в блоке развертки б происходит суммирование усиленного сигнала, пропорционального фототоку, с линейно изменяющимся (пилообразным) напря ением. Это делается для исключения влияния изменения освещенности (фоноилх засветок и т.д.). Сигналы с блока развертки и дифференцирующего усилителя поступают на блок формирования измерительного сигнала 9, в котором вырабатывается импульс, длительность которого пропорциональна размеру теневой зоны и происходит преобразование его в сигнал постоянного тока. Этот сигнал поступает на блок регистрации 10, выполненный, например, в виде стрелочного прибора со средней точкой отсчета, при этом средняя точка отсчета соответствурв горизонтальному положению прозрачной камеры 4..

Максимальный Угол itj,Q, который необходимо измерить с помощью данного устройства, определяют из соотнсяиения

а - (1)

tget,

MQKC .(

- длина фоточувс вительного

слоя сканистора} - расстояние от сканистора до торцовой стенки сЬобщгиоцегося сосуда 13.

Из соотношения (1) видно, что, увеличивая расстояние от сканистора до торцовой стенки сообщающегося сосуда 13, можно сузить диапазон измерения, повысив тем самым точность измерения малых углов. Тогда соотношение (1) принимает вид

длина, на которую необходимо увеличить расстояние от сканистора до торцовой стен-i ки сообщающегося сосуда 13.

-(--В) . (

,

«а КС

В устройстве переключение диапазона измерения осуществляется с помощью подвижных частей 16 и 17 пере;городки-наполнителя 11. Передвигая подвижную часть 16 вплотную к неподвижной части 15, увеличивают расстояние между сообщающимися сосудами 12 и 13, следовательно, и расстояние от полупроводникового сканистора ,4 до торцовой стенки сообщающегося сосуда 13. При необходимости еще

большего сужения диапазона измерения перемещают вплотную к частям 15 и 16 подвижную часть 17 перегородки-наполнителя 11. Количество диапазонов выбирают, исходя из необходимости измерения тех или иных углов с требуемой точностью.

Данное устройство позволяет повысить Точность измерения как малых, так и больших углов наклона. По сравнению с используемым в СССР уровнем модели ЭУ - 2 с емкостным преобразователем предлагаемое устройство позволяет расширить динамический диапазон визмерения малых углов без потери точности измерений. Устройство по сравнению с базовым объектом не требует дополнительной экранировки и вместо трех блоков имеет два выносной датчик в виде прозрачной камеры и электронную часть), которые вследствие применения полупроводникового сканистора и элементов микроэлектроники имеют меньшие габариты и вес. Кроме того,предлагаемое уст-. ройство дает возможность измерения углов в широком диапазоне, в то время как уровень ЭУ - 2 может использоваться только как уровень с небольшими пределами отклонения +25.

f

W

Кн

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВ НАКЛОНА, содержащее камеру в виде сообщающихся сосудов, частично заполненную жидкостью, имеющую в верхней части демпфирующий канал, узел регистрации уровня жидкости с фотоэлектрическим преобразователем, электронную схему, отличающ е ес я тем, что, с целью изменения диапазона при сохранении точности измерения, фотоэлектрический преобразователь .выполнен в виде полупроводникового сканистора, расположенного перпендикулярно уровню светонепроницаемой жидкости, перегородка, разделяющая сосуды, выполнена разборной, одна часть которой, ближайшая к скэнистору, закреплена неподвижно, а другие установлены с возможностью перемещения вдоль камеры и фиксации в заданном положении, а .электронная схема содержит усилитель фототока, блок развертки, блок смещения уровня, дифференцируищий усилитель, блок формирования измерительного сигнала, блок регистрации, нагрузочный резистор, причем, первый выход сканистора соединен через нагрузочный резистор с массой и через усилитель фототока - с блоком развертки, первый выход которого схзединен с первым входом блока формирования измерительного сигнала, а вЗЕХход - с входом блока регистрации, выход усилителя Фототока через, дифференцирующий усилитель соединен с вторым входом блока формирования изм(эрительного сигнала, второй выход блока развертки соединен с первым входом блока смздения уровня, а выводы делительной шины сканистора соединены с вторым и (Л третьим входами блЬка смещения уровня. 2. Устройство ПОП.1, отличаю щ е ее я тем, что.длина каждой подвижной части перегородки выбрана ito формуле с --S (ь-ь) где о(. максимальный угол измеремакс ния, требующийся для данN5 ного диапазона; длина фЬточувствительного а CD слоя сканиотора; b расстояние между внешними OP стенками сообщающихся сосудов; расстояние от сканистора Яо ближайшей внешней стенки .

f5