Устройство для измерения расстояний до объекта Советский патент 1992 года по МПК G01B21/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения расстояний до объектов или подвижных узлов механизмов вдоль наперед заданного базового направления.5

Известно устройство для измерения расстояний до объекта, содержащее когерентный источник излучения, модулятор, регистратор и блок обработки.

Недостатком устройства является влия- 10 ние на точность измерений случайных изменений характера распределения энергии в отраженном от объекта излучении.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство 15 для измерения расстояний до объекта, содержащее установленные на общем основании и оптически связанные источник излучения, коллиматор и сканер, а также первый и второй фотоприемники, установ- 20 ленные на базовом расстоянии друг от друга и оптически связанные со сканером, и блок обработки, выполненный в виде первого и второго усилителей-формирователей, входы которых являются соответственно 25 первым и вторым входами блока обработки, блока коммутации информационных импульсов, подключенного к выходам усилителей-формирователей, блока формирования счетных импульсов и счетчика импульсов, 30 подключенного к выходу блока формирования счетных импульсов, в состав которого включены генератор тактовых импульсов, делитель частоты, генератор вспомогательных импульсов и двоичный счетчик с под- 35 ключением выходов последнего к управляющим входам делителя частоты, выход которого является выходом блока формирования счетных импульсов.

Целью изобретения является повыше- 40 ние точности измерения и расширение функциональных возможностей за счет устранения погрешностей, связанных со смещением объекта от заданного направления, и обеспечения возможности измере- 45 ия этого смещения.

Цель достигается тем, что в устройстве для измерения расстояний до объекта, содержащем установленные на общем основании и оптически связанные источник излучения, коллиматор и сканер, а также пер- вый и второй фотоприемнйки, предназначенные для размещения на объекте на базовом расстоянии друг от друга и оптически связанные со сканером, и блок обработки, выполненный в виде первого и второго усилителей-формирователей, входы которых являются соответственно первым и вторым входами блока обработки, блока коммутации информационных импульсов, подключенного к выходам усилителей-формирователей, блок формирования счетных импульсов и счетчика импульсов, подключенного к выходу блока формирования счетных импульсов, в состав которого включены генератор тактовых импульсов, делитель частоты, генератор вспомогательных импульсов и двоичный счетчик с подключением выходов последнего к управляющим входам делителя частоты, выход которого является выходом блока формирования счетных импульсов, первый и второй фотоприемники установлены симметрично относительно биссектрисы сектора сканирования и подключены к второму входу блока обработки, а вне объекта на одной из границ сектора сканирования размещен третий фотоприемник, оптически связанный со сканером, и подключенный к первому входу блока обработки, снабженного блоком информационных временных

интервалов, вход которого соединен с выходом блока формирования счетных импульсов, и двумя реверсивными счетчиками, при этом вход +1 первого реверсивного счетчика и первый вход счетчика импульсов соединены с первым выходом блока информационных временных интервалов, вход -1 первого реверсивного счетчика и второй вход счетчика импульсов соединены с вторым выходом блока информационных временных интервалов и с входом +1 второго реверсивного счетчика, вход -1 которого соединен с третьим выходом блока информационных временных интервалов, первый, второй и третий управляющие входы блока формирования счетных импульсов соединены соответственно с первым, вторым и восьмым выходами блока коммутации информа- ционных импульсов, каждый выход которого, начиная с третьего, соединен с соответствующим управляющим входом блока информационных временных интервалов.

Кроме того, блок коммутации информационных импульсов выполнен в виде кольцевой схемы, составленной из девяти электронных ключей, выход и запирающий вход каждого из которых соединен с отпирающим входом следующего по кольцу электронного ключа, при этом объединенный вход первых двух и объединенный вход семи других электронных ключей являются состветственно первым и вторым входами блока, а выходы электронных ключей, кроме третьего, составляют восемь выходов блока коммутации информационных импульсов.

Блок формирования счетных импульсов снабжен двумя электронными ключами, входы которых соединены соответственное выходом генератора вспомогательных импульсов и выходом генератора тактовых импульсов, а выходы соединены соответственно с входом двоичного счетчика и с входом дели- теля частоты, при этом отпирающий вход первого электронного ключа является первым управляющим входом блока, объединенные между собой запирающий вход первого и отпирающий вход второго электронного ключа - вторым управляющим входом блока, запирающий вход второго электронного ключа является третьим управляющим входом блока формирования счетных импульсов,

Блок информационных временных ин- тервалов выполнен в виде трех электронных ключей, объединенный вход которых является входом блока, выходы электронных ключей являются соответственно первым, вторым и третьим выходами блока, отпира- ющие входы электронных ключей являются соответственно первым, третьим и пятым управляющими входами блока, а их запирающие входы.- соответственно вторым, четвертым и шестым управляющими входа- ми блока информационных временных ин- тервалов.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства для измерения расстояний до объекта; на фиг. 2 и 3 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Устройство содержит установленные на общем основании и оптически связанные источник 1 излучения (лазер), коллиматор 2 и сканер 3. На объекте (не показан) на базо- вом расстоянии друг от друга размещены первый и второй фотоприемники 4 и 5,.уст новленные симметрично биссектрисеХсектора сканирования I ± Умакс , на одной из границ которого, т.е. вне объекта, размещен тоетий фотоприемник 6, оптически связанный, как и .первые два фотоприемника 4 и 5, со сканером 3. Блок 7 обработки выполнен в виде первого и второго усилителей-формирователей 8 и 9, блока 10 коммутации информационных импульсов, блока 11 формирования счетных импульсов, блока 12 информационных временных интервалов, первого и второго реверсивных счетчиков 13 и 14 и счетчика 15 импульсов. При этом блок 10 содержит девять электронных ключей 16-24, а блок 11 - генератор 25 вспомогательных импульсов, генератор 26 тактовых (счетных) импульсов, электронные ключи 27 и 28, двоичный счетчик 29 и делитель 30 частоты. Блок 12 содержит три электронных ключа 31-33 (фиг. 1).

Сканер 3 устройства выполнен в виде механического узла, позволяющего разво- рачиватьсветовой пучок Ij, по колебательному закону в пределах кругового сектора с углом раскрытия 2У макс.

Фотоприемники 4, 5 и 6 образуют систему регистрации информационных импуль- сов 34-43 (фиг. 2), счетчики 13, 14 и 15 - систему регистрации трех групп счетных импульсов 44-46. При этом объединенный выход фотоприемников 4 и 5 подключен к второму входу блока 7 обработки, которым является вход усилителя-формирователя 9, выход фотоприемника б - к первому входу блока 7 (к входу усилителя-формирователя 8), вход +1 реверсивного счетчика 13 и первый вход счетчика 15 соединены с первым выходом блока 12, вход -1 реверсивного счетчика 13 и второй вход счетчика 15 соединены с вторым выходом блока 12 и входом +1 реверсивного счетчика 14, вход -1 которого соединен с третьим выходом блока 12 информационных временных интервалов.

Блок Ю- коммутации информационных импульсов предназначен для выделения восьми информационных импульсов 34, 35, 38-43 (фиг. 2) из десяти импульсов 34-43, регистрируемых фотоприемниками 4, 5 и 6 за один цикл измерения, и выполнен в виде кольцевой схемы, составленной из девяти электронных ключей 16-24, выход и запирающий вход каждого из которых соединены отпирающим входом следующего по кольцу электронного ключа. При этом объединенный вход электронных ключей 16 и 17 и объединенный вход электронных ключей 18-24 являются соответственно первым и вторым входами блока 10, а выходы электронных ключей (кроме выхода третьего ключа 18) составляют восемь выходов данного блока, первый, второй и восьмой из которых предназначены для подключения соответственно к первому, второму и третьему управляющим входам блока 11, а выходы 5 блока 10, начиная с третьего и по восьмой включительно, - для последовательного подключения шести управляющих входов блока 12.

Блок 11 предназначен для генерации 10 счетных импульсов и автоматической регулировки в начале каждого цикла измерения частоты их следования с целью исключения погрешности от случайных изменений скорости сканирования объекта световым пуч- 15 ком источника 1. Элементы 25 и 29, 26 и 30 схемы блока 11 соединены между собой соответственно через первый и второй электронные ключи 27 и 28 блока, при этом отпирающий вход электронного ключа 27 20 является первым управляющим входом блока 11, объединенные между собой запирающий вход электронного ключа 27 и отпирающий вход электронного ключа 28 - вторым управляющим входом блока 11, а 25 запирающий вход электронного ключа 28 является третьим управляющим входом анного блока.

Блок 12 предназначен для заполнения информационных временных интервалов ti 30 и t2 счетными импульсами и для коммутации данных интервалов на входы реверсивных счетчиков 13 и 14 и счетчика 15. Данный блок выполнен в виде трех электронных ключей 31, 32 и 33, объединенный вход ко- 35 орых является входом блока 12, их выходы соответственно первым, вторым и третьим выходами блока 12. Отпирающие входы электронных ключей 31-33 являются соответственно первым, третьим и пятым управ- 40 ляющими. входами блока 12, а их запирающие входы - соответственно вторым, четвертым и шестым управляющими входами данного блока.

Устройство работает следующим обра- 45 зом.

Световой пучок, генерируемый лазером 1, линейно сужается коллиматором 2 и сканером 3 разворачивается по колебательному закону в пределах кругового сектора с 50 углом раскрытия 2 у макс На объекте (не показан) симметрично оси X плоскости сканирования XY, которая является биссектрисой сектора сканирования, и на базовом расстоянии б друг от друга размещаются 55 первый и второй фотоприемники 4 и 5 устройства, а вне объекта, на одной из границ сектора сканирования, например-умаке третий фотоприемник 6, который, как и первые два, оптически связан со.сканером 3.

С поступлением в блок 7 обработки информационного импульса 34 (фиг. 2 и 3) с фотоприемника 6 начинается первый цикл измерения расстояния объекта и определения смещений -±(5Ry объекта вдоль оси Y плоскости XY сканирования. Он, как и последующие циклы, заключается в фиксировании информационных интервалов времени ц и t2, необходимых для сканирования световым пучком lo удвоенных расстояний от первого и второго фотоприемников 4 и 5 на объекте до ближайших к ним границ сектора сканирования, т.е. для прохождения пучком 10 маршрутов: фотоприемник 4 (импульс 38 или 42) - rpaHH4atyMaKc - фотопри- емник 4 (импульс 39 или 43) и фотоприемник 5 (импульс 40) - граница+умзкс - фотоприемник 5 (импульс 41), и в заполнении информационных временных интервалов счетными импульсами 44-46. Значению контролируемого расстояния RX до объекта при этом соответствует суммарное количество счетных импульсов 44 и 45 или 45 и 46, а смещениям объекта вдоль оси Y плоскости XY сканирования и направлениям данных смещений ( или + dRy) - разность счетных импульсов 44 и 45 (при - 3Ry ) или 45 и 46 (при + c5Ry}( .

С целью исключения погрешности от случайных изменений скорости сканирования частота следования счетных импульсов 44-46 в начале каждого цикла измерения приводится в соответствие со значением скорости v сканера 3, для чего используется интервал времени to, необходимый для сканирования световым пучком 0 удвоенного расстояния между третьим фотоприемником 6 и противоположной ему границе и ч-У макс сектора сканирования по маршруту: фотоприемник 6 (импульс 34) - граница+у макс фотоприемник 6 (импульс 35).

Формирование интервала времени to блоком 7 обработки начинается в момент регистрации фотоприемником 6 импульса 34, который с выхода усилителя-формирователя 8 поступает в блок 10 коммутации и через открытый в исходном состоянии электронный ключ 16 открывает ключ 27 блока 11 формирования счетных импульсов. Через ключ 27 на вход двоичного счетчика 29 начинают поступать вспомогательные импульсы генератора 25. Через время to с выхода усилителя-формирователя 8 в блок 10 коммутации поступает импульс 35, который через открытый предыдущим импульсом 34 электронный ключ 17 возвращает в исходное состояние электронный ключ 27 блока 11 и открывает электронный ключ 28, Поступление вспомогательных импульсов генератора 25 на вход двоичного счетчика 29 прекращается. При этом двоичный код Ыэ, занесенный счетчиком 29 в управляемый делитель 30 частоты, соответствует длительности to. Управляемый делитель 30 частоты выполняет операцию FX Рсл: (N3+1), где Рсл и FX - частота следования тактовых (счетных) импульсов генератора 26 соответственно на входе и выходе делителя 30. Так как длительность to обратно пропорциональна значению скорости vx сканирования объекта световым пучком 10, можно записать, что FX sf(vx), т.е. частота следования счетных импульсов генератора 26 в начале каждого цикла измерения автоматически регулируется в зависимости от значения скорости vx смещения светового пучка 1о сканером 3.

Интервалы времени ti и ta формируются блоком 7 обработки от информационных импульсов 38-43. Первым на вход усилителя-формирователя 9 поступает импульс 37 с фотоприемника 5. Через открытый импульсом 35 электронный ключ 18 импульс 37 запирает его за собой и отпирает ключ 19. Следующие два импульса, импульсы 38 и 39, интервал времени ti между которыми пропорционален удвоенному расстоянию от первого фотоприемника 4 до границы

У макс сектора сканирования, через электронные ключи 19 и 20 соответственно открывают и закрывают через время ti электронный ключ 31 блока 12. В течение времени ti на вход +1 первого реверсивного счетчика 13 и счетчик 15 поступают счетные импульсы 44. Следующая пара информационных импульсов, импульсы 40: и 41, интервал времени ta между которыми пропорционален удвоенному расстоянию от фотоприемника 5 до границы - Умакс сектора сканирования, через ключи 21 и 22 отпирает электронный ключ 32 блока 12 на время t2. в течение которого счетные импульсы 45 поступают на второй вход -Т

реверсивного счетчика 13, на вход -И второго реверсивного счетчика 14, работающего, как и счетчик 13. в режиме вычитаниями на счетчик 15. При этом импульс 36 с фото- приемника 6 в схему блока 7 не прохйдит; так как ключи 16 и 17 закрыты.

Импульсы 42 и 43 через ключи 23 и 24 управляют работой электронного ключа 33 блока 12, отпираемого для счетных импульсов 46 на время ti и подключенного к входу

-1 реверсивного счетчика 14. Кроме того, импульсом 43, последним импульсом Цикла

измерения, схема блока 7 обработки возвращается в исходное состояние: запираются ключи 24 и 28 и отпирается электронный ключ 16.

При симметричном расположении фотоприемников 4 и 5 относительно оси X (фиг. 1) интервалы времени ti и t2 совпадают по длительности (фиг. 2), поэтому отличными от нуля будут показания лишь счетчика 15, считывающего суммарное количество импульсов 44 и 45. Если объект сместится вдоль оси Y в сторону гран ицы+у макс на расстояние 5Ry или границы-у макс сектора сканирования на расстояниетЗРу , длительность одного из интервалов времени ti или tz будет превышать по значению длительность другого (фиг. 3). Однако благодаря тому, что изменение расстояния от первого фотоприемника 4 до гра- ницы+умакс при этом происходит за счет

расстояния от второго фотоприемника 5 до

границы-у макс сектора сканирования, сум- марное количество импульсов 44 и 45 (45 и 46), поступающих на счетчик 15, не изменится, т.е. смещения объекта вдоль оси Y плоскости XY сканирования не влияют на результаты измерения расстояния Rx до объекта вдоль оси X..

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет производить измерение не

только расстояний до объекта вдоль наперед заданного базового направления, но и смещений объекта относительно данного направления, что расширяет информативность устройства. При этом изменение положе.ния объекта вдоль одной из осей плоскости сканирования не влияет на результаты измерения его положения вдоль другой оси.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения расстояний до объекта, содержащее установленные на общем основании и оптически связанные источник излучения, коллиматор и сканер, а также первый и второй фотоприемники,

предназначенные для размещения на объекте на базовом расстоянии друг от друга и оптически связанные со сканером, и блок обработки, выполненный в виде первого и второго усилителей-формирователей, входы

которых являются соответственно первым и вторым входами блока обработки, блока коммутации информационных импульсов, подключенного к выходам усилителей-формирователей блока формирования счетных

импульсов и счетчика импульсов, блок формирования счетных импульсов выполнен в виде генератора тактовых импульсов, делителя частоты, генератора вспомогательных импульсов и двоичного счетчика, выходы которого подключены к управляющим входам елителя частоты, выход которого является выходом блока формирования счетных импульсов, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения и 5 расширения функциональных возможнотей, первый и второй фотоприемники уста- новлены симметрично относительно биссектрисы сектора сканирования и подключены к второму входу блока обработки, 10 стройство снабжено третьим фотоприемиком, который размещается на одной из раниц сектора сканирования, оптически вязан со сканером и подключен к первому входу блока15

обработки, который снабжен блоком информационных временных интервалов, вход которого соединен с выходом блока. . формирования счетных импульсов, и двумя реверсивными счетчиками, при этом вход 20 +1 первого реверсивного счетчика и первый вход счетчика импульсов соединены с первым выходом блока информационных временных интервалов, вход -1 первого реверсивного счетчика и второй вход счет- 25 чика импульсов соединены с вторым выходом блока информационных временных интервалов и с входом второго реверсивного счетчика, вход -1 которого соединен с третьим выходом блока 30 информационных временных интервалов, первый и второй управляющие входы блока формирования счетных импульсов соединены соответственно с первым и вторым выходами блока коммутации информационных 35 импульсов, третий, четвертый, пятый, шестой и седьмой выходы которого соединены соответственно с первым, вторым, третьим, четвертым и пятым управляющими входами блока информационных временных интер- 40 валов, восьмой выход блока коммутации соединен с шестым управляющим входом блока информационных временных интер- . валов и третьим управляющим входом блока формирования счетных импульсов./45

Один цикл измерения 34 пЯ Л36

и

fL

-ДШ

J:

WWOW2W Я

Фиг.г

2.Устройство по. п. 1, о т л и ч а ю щ е- е с я тем, что блок коммутации информационных импульсов выполнен в виде кольцевой схемы, составленной из девяти электронных ключей, выход и запирающий вход каждого из которых соединен с отпирающим входом следующего по кольцу электронного ключа, при этом объединенный вход первых двух и объединенный вход семи других электронных ключей являются соответственно первым и вторым входами блока, а выходы электронных ключей, кроме третьего, составляют восемь выходов блока коммутации информационных импульсов.

3.Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем. что. блок формирования счетных импульсов снабжен двумя электронными ключами, входы которых соединены соответственное выходом генератора вспомогательных импульсов и выходом генератора тактовых импульсов, а выходы соединены соответственно с входом двоичного счетчика и с входом делителя частоты, при этом отпирающий вход первого электронного ключа является первым управляющим входом блока, объединенные между собой запирающий вход первого и отпирающий вход второго электронного ключа - вторым управляющим входом блока, запирающий вход второго электронного ключа является третьим управляющим входом блока формирования счетных импульсов.

4.Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что блок информационных временных интервалов выполнен в виде трех электронных ключей, объединенный вход которого является входом блока, выходы электронных ключей являются соответст- Еенно первым, вторым и третьим выходами блока, отпирающие входы электронных ключей являются соответственно первым, третьим и пятым управляющими входами блока, а их запирающие входы - соответственно вторым, четвертым и шестым управляющими входами блока информационных временных интервалов.

Одмцим измерен

J

JS flJff

- J/JTOW/U/ r

Фиг.З

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей за счет устранения погрешностей, связанных со смещением объекта от заданного направления, и обеспечение возможности измерения этого смещения. Устройство содержит уста- новленные на общем основании и оптически связанные источник 1 излучения, коллиматор 2 и сканер 3, первый 4 и второй 5 фотоприемники, установленные симметрично биссектрисе сектора сканирования, на одной из границ которого вне объекта размещен третий фотоприемник 6. Импульс с последнего,начинает цикл измерения, в котором фиксируют первый и второй-временные интервалы, необходимые для сканирования световым пучком удвоенного расстояния между соответствующими фотоприемниками 4 и 5 и ближайшими к ним границами сектора сканирования. По сумме