Оптико-электронное устройство для определения смещений объекта Советский патент 1993 года по МПК G01C1/04 G01C5/00 

СО

С

Использование: в строительном производстве в целях контроля точности монтажа строительных конструкций по створу или плоскости. Сущность изобретения: оптико- электронное устройство для определения смещений объекта содержит источник излучения 1,фотоприемник 2, блок измерений 3, блок выборки и хранения информации 4, выпрямитель 5, блок формирования строба 6, блок индикации 7, интегратор 8, два блока коммутации 9, 10, делитель частоты на два 11. 1-2-9-3-5-6-4-10-8-7, 6-11-10, 11-9,3-4. 2 ил.

Предлагаемое устройство относится к области измерения и контроля стационарных Физических процессов. Оно предназначено для определения энергетического центра лазерного пучка и определения сме- щенцй относительно него и может приме- .нятьс я, например, в геодезии при створных измерениях и, в частности, в строительном производстве в целях контроля точности монтажа строительных конструкций по створу или плоскости.

Устройство-аналог содержит последо- вател зно соединенные источник излучения, передающую среду, фотоприемник, блок определения разности и суммы, выпрямитель, 5лок индикации.

Однако это устройство обладает низкой точностью и помехозащищенностью измерений из-за того, что на контролируемую величину отклонения луча от .номинального положения оказывают большое внимание

случайные возмущения (помехи), имеющие место вследствие изменения плотности передающей среды, механического колебания источника излучения, наличия систематической погрешности, обусловленной неидеальностью функционирования блоков устройства, и т.д., что, естественно, отрицательно оказывается на точности и помехозащищенности измерений. .

Аналогом является также стационарная лазерная автоматизированная система наблюдения смещений испытуемых инженерных сооружений,

Это устройство содержит излучатель, оптически соединенный с фотоприемником. Приемник содержит интегратор и блок индикации. Однако это устройство имеет низкую надежность и небольшие функциональные возможности.

Оптико-электронное устройство для определения смещений объекта - прототип о ел ю VI

SQ

держит источник излучения, передающую среду, фотоприемник, блок измерения, выпрямитель блок формирования строба, блок выборки и хранения сигнала, интегратор, блок индикации. Выход блока измерения соединен со вторым входом блока выборки и хранения сигнала.

Однако это устройство не обеспечивает точность измерения отклонения смещений объекта. .

Это можно объяснить следующим образом;

Блоки 3-8 осуществляют обработку аналогового сигнала и, следовательно, могут быть реализованы на основе, например, операционных усилителей, транзисторов и т.д. В сигналах на выходах таких каскадов, а следовательно, и в сигналах на выходах блоков 2-8 имеет место статическое напряжение смещения, обусловленное неидеальностью элементов, и медленно изменяющееся вследствие старения элементов или при изменении климатических условий, Наличие такого статического напряжения смещения приводит к ошибке в оценке истинного положения объекта (фотоприемника) относительно лазерного пучка, что, в свою очередь, может в итоге привести, например, к снижению качества строительства.

Цель изобретения - повышение надежности.

Цель достигается за счет того, что оптико-электронное устройство для определения смещения объекта, содержащее источник излучения, оптически сопряженный с фотоприемником, выходы которого соединены с соответствующими входами блока измерений, выход последнего соединен с первым входом блока выборки и хранения информации и со вторым его входом через последовательно соединенные выпрямитель и блок формирований строба, а выход блока выборки и хранения информации соединен со входом блока-.индикации через интегратор, снабжено делителем частоты, вход которого соединен с выходом блока формирования строба, фотоприемник соединен с блоком измерений, а блок выборки и хранения информации соединен с интегратором соответственно через введенные первый и второй блоки коммутации, управляющие входы которых соединены с выходом делителя частоты.

На фиг.1 представлены структурная электрическая схема оптико-электронного устройства для определения смещений объекта; на фиг.2 - структурная электрическая схема блока коммутации.

Оптико электронное устройство для определения смещения объекта содержит источник 1 излучения, оптически сопряженный с фотоприемником 2, выходы которого

соединены с соответствующими входами блока 3 измерений, выход последнего соединен с первым входом блока 4 выборки и хранения информации и со вторым его входом через последовательно соединенные

0 выпрямитель 5 и блок 6 формирования строба, а выход блока 4 выборки и хранения информации соединен с входом 7 индикации через интегратор 8. В устройство введены первый и второй блоки 9 и 10

5 коммутации, делитель 11 частоты, вход которого соединен с выходом блока 6 формирования строба, фотоприемник 2 соединен с блоком измерений 3, а блок 4 выборки и хранения информации соединен с интегра0 тором; 8 соответственно через введенные первый и второй блоки 9 и 10 коммутации, управляющие входы которых соединены с выходом делителя 11 частоты.

Устройство работает следующим обра5зом.

Луч от сканирующего источника 1 излучения, в качестве которого можно использовать лазер, через передающую среду 8, например, воздух, поступает на фотоприемник 2. Фото- 0 приемник 2 служит для преобразования энергии излучения в электрический ток.

Если плотность излучения, попадающего на фотоприемник 2 является симметричной функцией, то- величины токов из двух

5 источников тока фотоприемника 2 равны и их разность равна нулю. Это положение луча будем называть номинальным. При отклонении луча от номинального, положения разность токов становится ненулевой, при0 чем величина и знак этой разности определяет степень отклонения луча от центра фотоприемника. Указанная разность определяется в блоке 3 измерения.

Сигнал с выхода блока 3 измерения, оп5 ределяющий величину и направление отклонения луча, поступает на блок 4 выборки и хранения, а также на выпрямитель 5, посредством которого в совокупности с блоком б формирования строба, определяется

0 момент фиксации (отсчета) величины отклонения луча. В блоке 4 осуществляется стро- бирование аналогового сигнала с выхода блока 3 измерения, запоминание и хранение полученных напряжений выборок.

5 Момент стробирования сигнала на выходе блока 3 измерения соответствует моменту формирования сигнала на выходе блока 4. При сканировании лучом этот сигнал имеет вид разнополярного импульса, амплитуда и полярность которого определяет величину и

направление отклонения луча. С целью формирования импульса стробирования, сигнал с выхода блока 3 измерения выпрямляется в блоке 5 и через блок 6 формирований строба поступает на блок 4 выборки и хранения сигнала.

Зафиксированный в блоке 4 сигнал, отображающий разность токов, вследствие различных помех, например, механического дрржания источника 1 излучения, неодно- ро ности передающей среды, фоновой за- и т.д. имеет дисперсию относительно математического ожидания. С целью уменьшения влияния паразитных отклонений ве- ли(шны смещения луча на точность контроля, сигнал с выхода блока 4 выборки и хранения сигнала усредняется в интеграторе 8.

Таким образом совокупность блоков 5 и б обеспечивает за счет стробирования реги- стр|ацию информации о значении смещения фотЬприемника 2 относительно задающего направления пучка излучения лишь в мо- мёйты приема импульсов излучения фото- приемником 2 (и тем самым устранить составляющую ошибки измерений, вызыва- емуЬ помехами в моменты времени, когда полезной информации о смещении на фото- приёмник 2 не поступает), а совокупность блоков 4 и 8 позволяет интегрировать запо- минЬемые в блоке 4 значения информаци- онних импульсов о значении смещения (и тем самым повышать точность за счет уменьшения случайной составляющей измерений).

Индикация величины отклонения луча осуществляется в блоке 7 индикации, можно индицировать не только величину отклонения луча от номинального положения, например, стрелочным прибором с нулем в середине шкалы, но иорганизовать оптическую, сигнализацию знака отклонения.

Из рассмотрения принципа функциони- роваМия предлагаемого устройства следует, что вследствие обработки блоками 3 и 4, в сигналах на выходах блоков 3 и 4 может появиться статическая систематическая ошибка, изменяющаяся в зависимости от старения элементов, воздействия климатических условий и т.д. и приводящая к снижению точности оценки смещения.

,Ј|ля компенсации этой статической ошибки в цепь сигналов, поступающих с выходов фотоприемника 2 на блок 3 измерений включается первый блок 9 коммутации, периодически осуществляющий инверсию сигнала. Для того, чтобы вводимая инверсия сигнала не приводила к неправильной оценке смещения, необходимо

также проводить инверсию сигнала на входе интегратора 8. Эта операция осуществляется посредством второго блока 10 коммутации.

Покажем, что введение блоков 9 и 10 обеспечивают компенсацию статической ошибки.

Введем следующие обозначения: FofrnT) и Fi(mT) - значения сигнала на выходах фо топриемника 2 и первого блока 9 коммутации при т сканировании. За счет введения первого блока 9 коммутации сигнал на входе блока 3 измерения Fi(mТ) равен

Fi(mT) (-1)Гт/пЬ FotmT),0)

где л - коэффициент деления делителя 11 частоты на два;

m/n - обозначение целой части числа m/n,

Нетрудно показать, что за счет введения второго блока 10 коммутации значение сигнала Рз(тТ) на входе интегратора 8 рав- но:. , F3(mT) F2(mT) -(-1)fm/;

(

FiifmT) -a(mT)- (-l/m/n ;-1/m7n -Fo(mT) -afrnT) (-)fm/n

Fo(mT) va(mT)

(2)

где п - коэффициент деления делителя частоты 11,

т.е. величина Рз(тТ) соответствует требуемому (функция а(тТ) - определяется вид

стробированного сигнала).

Покажем, что посредством указанных преобразований компенсируется статистическая ошибка.

Допустим, что в сигналах на выходе совокупности блоков 3 и 4 имеет место статистическая ошибка А , Тогда сигнал F2(mT) имеет вид: F2(mT)(-1/m/n + А, выражение (2) преобразуется в

45Рз тТ)Г F2(mT) (-1)1 + AJ х х (-1/т/ 1 F2(mt) + А (-l/m/nJ Fe(mT) afmT)

(3)

Учитывая, что (-1/m/n) О, то выра- жение (3) переходит в (2), что эквивалентно компенсации статической ошибки (здесь ... - обозначение операции вычисления математического ожидания).: Сигнал с выхода блока 4 выборки и хра- нения поступает на коммутатор 12 непосредственно и на коммутатор 13 через инвертирующий усилитель 14.

Сигнал управления от делителя 11 частоты поступает непосредственно на коммутатор 12 и через элемент 15 НЕ на коммутатор 13. Таким образом в зависимости от

Фор мула изо б р е т е н и я Оптико-электронное устройство для определения смещений объекта, содержащее источник излучения, оптически сопряженный с фотоприемником, выходы которого соединены с соответствующими входами блока измерений, выход последнего соединен с первым входом блока выборки и хранения информации и с вторым его входом через последовательно соединенные выпрямитель и блок формирования строба, а выход блока выборки и хранения информа -Фиг. 2

вида управляющего сигнала на выходе блока 10 сигнал либо инвертируется, либо нет.

ции соединен с входом блока индикации через интегратор, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности, оно

снабжено делителем частоты на два, вход которого соединен с выходом блока формирования строба, фотоприемник соединен с блоком измерений, а блок выборки и хранения информации соединен с интегратором

соответственно, через введенные первый и второй блоки коммутации, управляющие входы которых соединены с выходом делителя частоты на два.

(pue.i