Устройство для измерения расстояний до объекта Советский патент 1992 года по МПК G01B21/00 

торой результат измерения определяется не абсолютными значениями сигналов на выходах фотоприемников 8, 9, 10 и 11, а их разностями, что обеспечивает независимость результата измерений от дестабилизирующих

факторов, связанных с временной, температурной, т.е. нестабильностью параметров источника 1 и отражающих свойств поверхности 3, чем и достигается положительный эффект в виде повышения точности. 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники. Целью изобретения является повышение точности. Световое излучение от источника 1 с помощью излучающего световода 2 направляется по нормали к светоотражающей поверхности 3 объекта. Отраженное излучение попадает в приемные световоды 4,5,6 и 7, на их выходе фиксируется соответствующими фотоприемниками 8, 9, 10 и 11, полученные информационные сигналы поступают в электронный тракт для обработки и вычисления искомого расстояния. Наличие четырех приемных световодов 4, 5, 6 и V, оптические оси которых равноудалены от оптической оси излучающего световода 2, а плоскости торцов смещены относительно плоскости торца последнего на расстояния, соответственно О,-А, Д 2 Д где А-фиксированная величина, позволяет реализовать с помощью операций алгебраического сложения и деления, обработку сигналов, при коI У Ё 4 4 О Ю 00

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использо- вано для измерения расстояний до различных объектов бесконтактным способом.

Известно устройство для контроля перемещений объекта, содержащее установленные последовательно осветитель, объектив, диафрагму, связываемую с объектом, обтюратор, содержащий два светофильтра, фотоприемник и электронный блок.

Недостатком данного устройства является необходимость располагать фотоприемник за объектом измерения, ч го не всегда возможно. Реализуемая в устройстве отстройка от влияния температуры на результат измерений позволяет использовать в качестве излучателей света только излучатели типа лампы накаливания, для которых справедлив закон Вина. Это не дает возможности отстроиться от влияния температуры для современных полупроводниковых излучателей - фотодиодов, полупроводниковых лазеров и т.д.

Известно также устройство для измерения расстояний для объекта, содержащее осветительный и приемный световоды, связанные соответственно с источником излучения и фотоприсмником, входные торцы которых расположены параллельно отражающей свет поверхности объекта, расстояние до которого измеряется, По величине сигнала фотоприемника U и по функциональной зависимости U f(l), которая получена при некоторых начальных значениях мощности излучателя света, чувствительности фотоприемника и коэффициента отражения от отражающей поверхности, определяют величину I расстояния до объекта.

Это устройство имеет следующие недостатки. Во-первых, в результате воздействия мешающих факторов (например, изменение тока через источник излучения, старение и т.д.), может изменяться мощность источника излучения. Это приводит к ошибке в определении величины f, Во-вторых, коэффициент отражения от отражающей свет поверхности объекта является различным для различных объектов. Это зависит от типа материала и чистоты обработки поверхности. Очень существенным является то, что коэффициент отражения может изменяться со временем (запыление поверхности, окисление в неблагоприятной среде или под действием павышенных температур), а это, в свою очередь, также приводит

к погрешности при определении величины I. Таким образом, влияние всех вышеперечисленных факторов на результат измерений, которые не учитываются в устройстве, приводит к погрешности в определении величины I.

Цель изобретения - повышение точности за счет устранения влияния мешающих факторов, приводящих к изменению мощности источника света и изменению козффициента отражения света от отражающей поверхности объекта.

Поставленная цель достигается тем, что известное устройство, содержащее источник светового излучения, излучающий и

приемный световоды, торцы которых расположены в плоскости, параллельной светоотражающей поверхности объекта, и фотоприемник, согласно изобретению, снабжено вторым, третьим и четвертым приемными световодами, плоскости торцов которых параллельны плоскости торцов излучающего и первого приемного световодов и смещены относительно нее на расстояния, соответственно, - Д Д 2Д , где Дфиксированная величина, а оптические оси приемных световодов находятся на одинаковом расстоянии от оптической оси излучающего, вторым, третьим и четвертым фотоприемниками, оптически связанными с

одноименными приемными световодами, четырьмя усилителями, входы которых соединены, соответственно, с выходами одноименных фотоприемников, четырьмя блоками вычитания, первый и второй входы

первого блока вычитания соединены, соответственно, с выходами первого и третьесо усилителей, первый вход второго блока вычитания объединен с одноименным входом первого блока вычитания, второй вход соединен с выходом второго усилителя, первый вход третьего блока вычитания объединен со вторым входом второго блока вычитания, второй вход соединен с выходом четвертого усилителя, блоком сложения, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с выходами первого и второго блоков вычитания, масштабным преобразователем, вход которого объединен с первым входом блока сложения, выход соединен с первым входом четвертого блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом третьего блока вычитания, блоком деления, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с выходами блока сложения и четвертого блока вычитания, и блоком индикации, вход которого соединен с выходом блоха деления.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков: трех дополнительных фотоприемников, трех дополнительных приемных световодов, четырех усилителей, четырех блоков вычитания, блока сложения, масштабного преобразователя, блока деления и блока индикации и их связями с остальными элементами устройства.

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что введение новых блоков ь указанной связи с остальными блоками о заявляемое устройство для измерения расстояний до объекта позволяет устранить влияние на результат измерений величин коэффициента отражения светоотражающей поверхности объекта, мощности излучения источника излучения, а также изменения этих величин в процессе измерения в результате воздействия дестабилизирующих факторов. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию существенные отличия.

На чертеже представлена структурная схема устройства для измерения расстояний до объекта.

Устройство для измерения расстояний до объекта содержит источник 1 светового излучения, излучающий световод2, светоотражающую поверхность 3 объекта, расстояние I до которого измеряется, первый, второй, третий и четвертый приемные световоды 4, 5, б и 7 соответственно, торцы которых параллельны светоотражающей поверхности 3. Торцы световодов 5, 6 и 7 смещены относительно торцов излучающего и первого приемного световодов 2 и 4 на фиксированные расстояния, соответственно, - Л Л 2 А. Оптические оси световодов 4. 5. 6 и 7 находятся на одинаковом расстоянии от оптической оси световода 2. Устройство содержит также четыре фотоприемника 8, 9, 10 и 11. оптически связанных с одноименными приемными световодами 4, 5 5, 6 и 7 соответственно, четыре усилителя 12, 13, 14 и 15, входы которых соединены, соответственно, с выходами одноименных фотоприемников 8,9,10 и 11, четырьмя блоками 16, 17, 18 и 19 вычитания. Первый и

0 второй входы первого блока 16 вычитания соединены, соответственно, с выходами первого и третьего усилителей 12 и 14. Первый вход второго блока 17 вычитания объединен с одноименным входом первого

5 блока 16 вычитания, а второй вход соединен с выходом второго усилителя 13. Первый вход третьего блока 18 вычитания объединен со вторым входом второго блока 17 вычитания, а второй вход соединен с выходом

0 четвертого усилителя 15. Устройство снабжено также блоком 20 сложения, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с выходами первого и второго блоков 12 и 13 вычитания, масштабным

5 преобразователем 21, вход которого объединен с первым входом блока 20 сложения, а выход соединен с первым входом четвертого блока 19 вычитания, второй вход блока 19 соединен с выходом третьего блока 18

0 вычитания, блоком 22 деления и блоком 23 индикации. Первый и второй входы блока 22 деления соединены соответственно с выходами блока 20 сложения и четвертого блока 19 вычитания, а вход блока 23 индикации

5 соединен с выходом блока 22 деления.

Устройство работает следующим образом.

С помощью источника излучения 1 и излучающего световода 2 освещается от-0 ражающая поверхность 3 объекта контроля. Часть отраженного от поверхности 3 света в соответствии с диаграммой направленности излучающего световода 2 через приемные световоды 4, 5, 6 и 7 попа5 дает, соответственно, на фотоприемники 8, 9, 10 и 11 и детектируется ими. Сигналы с выходов фотоприемников 8, 9, 10 и 11 усиливаются, соответственно, в усилителях 12,13,14 и 15 с переменными коэффициен0 тами усиления (коэффициентами передачи). На выходах усилителей 12, 13, 14 и 15 в соответствии с выражением для функции преобразования волоконно-оптических преобразователей рефлектометрического

5 типа сформируются, соответственно, сигналы Ui. U2, Уз и Щ:

+ Cll + C3l3,

1)2 Со + С1( - Д) + СЗ(1 - А)3,

Уз со + ci(l + А) + сз( + А)3,

1)4 Со + ci(l + 2 Д) + сз( + 2 А)3, где с0 EnRKa0, 01 EMRKai, сз ш ЕиРКаз - коэффициенты,

1 - измеряемое расстояние до объекта; А - фиксированная величина сдвига торцов приемных световодов друг относительно друга;

Ей - величина мощности излучения источника 1;

R - коэффициент отражения поверхности объекта контроля,

К - коэффициент передачи последовательно соединенных приемного световода, фотоприемника и усилителя,

а0, ai, аз коэффициенты преобразования.

Добиваться строгого совпадения параметров световодов 4, 5, 6 и 7, а также фото- приемпиков 8, 9, 10 и 11 не требуется, так как эквивалентности величин К в четырех каналах измерения можно достигнуть, регулируя коэффициент усиления усилителей 12, 13, 14 и 15.

На выходах первого, второго и третьего блоков вычитания 16, 17 и 18 появляются сигналы Si, 82, 83, величины которых соответственно равны

51 Уз - Ui ci А+ А+ + сз Л3,

52 U2 - Ui -ci А- Зсзг Д+ Зсз Л- -сзА3

53 1М - U2 3ci А + Эсзг А + 9сз1 А2 + + 9сзА3

Масштабный преобразователь 21 имеет коэффициент преобразования, равный трем, поэтому на выходе четвертого блока 19 вы- читанил сформируется сигнал

54 S3-3Si 6c3 A3.

Величина сигнала Ss на выходе блока 20 сложения составляет

55 Sl + S2 6C3l А2,

С выхода блока деления 22 снимается сигнал S, величина которого равна

Я Ss 6сз1А2 I S4 6сзД3 S

Сигнал S I/ А, величина которого не зависит от величин коэффициентов Со. ci и сз, поступает в блок индикации 23, который с учетом множителя 1 /А регистрирует измеряемую величину I.

Повышение точности измерения расстояния I до объекта контроля в предлагаемом устройстве достигается за счет независимости результата измерений от величин коэффициентов К. R, a0, at, аз и от величины мощности Ей излучения источника 1, а также от изменения этих величин с

течением времени и под действием дестабилизирующих факторов. Так, например, при изменении коэффициента отражения R от поверхности 3 в результате запыления поверхности или изменения мощности Ей излучения источника 1 в результате изменения величины тока, питающего источник, под действием температуры величины U3 - Ui; Ua - Ui, 1)4 - U2 изменяются в одинаковое число раз, а величина S остается при этом постоянной, т.е. коэффициент отражения R и мощность Ей излучения источника не влияют на результат измерения расстояния I до объекта.

Формула изобретения Устройство для измерения расстояний до объекта, содержащее источник светового излучения, излучающий и приемный свето- воды, торцы которых расположены в плоскости, параллельной светоотражающей поверхности объекта, и фотоприемник, о т- личающееся тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено вторым, треть им и четвертым приемными световодами, плоскости торцов в которых параллельны плоскости торцов излучающего и первого приемного световодов и смещены относительно нее на расстояния, соответственно, -А,А,2А , где А -фиксированная величина, а оптические оси приемных световодов находятся на одинаковом расстоянии от оптической оси излучающего, вторым, третьим и четвертым фотоприемниками, оптически связанными с одноименными приемными световодами, четырьмя усилителями, входы которых соединены соответственно с выходами одноименных фотоприемников, четырьмя блоками вычитания, первый и второй входы первого блока вычитания соединены соответственно с выходами первого и третьего усилителей, первый вход второго блока вычитания объединен с одноименным входом первого блока вычитания, второй i вход соединен с выходом второго усили- теля, первый вход третьего блока вычитания объединен с вторым входом второго блока вычитания, второй вход соединен с выходом четвертого усилителя, бло- 0 ком сложения, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго блоков вычитания, масштабным преобразователем, вход которого объединен с первым 5 входом блока сложения, выход соединен с первым входом четвертого блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом третьего блока вычитания, блоком деления, первый и второй входы которого соединены соответ9«779918.10

ственно с выходами блока сложения и чет- ции. вход которого соединен с выходом бло- вертого блока вычитания, и блоком индика- ка деления.