Способ дистанционного контроля угловых перемещений объектов Советский патент 1976 года по МПК G01C1/06 

1

Предлагаемый способ предназначен для дистанционного контроля малых угловых перемещений (наклонов и разворотов) в пределах, примерно, ±1°, с точностью 10-30 угловых секунд на расстояниях до 50-100 м и может найти применение при монтаже крупных иижепериых сооружений: кораблей, само.четов, нрокатиых стаиов, прессов и т. п., а также прн измерении их деформаций во время эксплуатации.

Для намерения угловых перемещеннй существуют различные приборы: автоколлиматоры, угломерные нриборы, геодезические приборы, фотоэлектрические визеры и другие, которыми измеряется соответствующее линейное перемещение изображения объекта или марки в поле зрения по внутренней или наружной щкале, что обычно выполняется самим наблюдателем; оптическая ось прибора поворотом всего прибора или введением компенсатора вручную или с помощью следящего привода совмещается с объектом или специальной маркой (.«нулевой способ, обеспечивающий наибольщую точность, причем нужная величина угла новорота определяется амплитудой сигнала или его частотой, а азимут направления - фазой сигнала).

Известен способ дистанционного контроля угловых перемещений объектов, который заключается в том, что измеряют время прохождення модулирующего щтриха от края поля до изображения источника в поле зрения, одновременно подают на счетное устройство имнульсы от генератора стабильной частоты и считают количество имнульсов, поданных за это время, и по числу импульсов определяют угловую координату источника излучения.

Этот способ обладает недостаточной точностью, так как в нем требуется согласование скорости движения модулятора с частотой генератора стабильно частоты.

С целью получения информацнн для непосредственного ввода в ЭВМ с высокой степенью надежностн ноток от источника модулированного излучения в оптическом диапазоне с размерами порядка кружка аберрационного рассеяння объектива преобразуют в пучок параллельных лучей для имитации в поле зрения приемника точечного источника излучения, модулируют принятый световой поток несколькими сериями разнонаправленных штрихов нодвижной сетки, а затем усиливают и суммируют полученные нмпульсы.

Таким образом, имитируют оптическим путем удаленный в бесконечность точечный источник модулированного пзлучення; модулируют изображение точечного излучателя в поле зрения приемной части импульсами меньщей частоты штрихами подвижной сетки; штрихи подвижной сетки пропускают на фо -Яй.-

« «rv

TOiipiicMiiiiK число импульсов, прямо пропорциональное измеряемому углу иаклопа или р;к БОрот;1, которое может быть без каких-ли00преобразоБаний введено в ЭВМ; за цикл пзмерешп одного параметра is приемной части (jjOpMHpyioT две пли более серий импульсов, кочорые сумлП-фуют, что дает повышение ровня дискретизации и усреднение случайных ошибок от различных иричиц.

Ирнмеиение модулированного точечного излучателя нозволяет вести надежную работу на иотоках излучения, имеющих мон,цость порядка 0,01-О.ОО мкВт, нри этом точечное изображение излучателя в приел-нюй части с )азмерамн норядка 0,02-0,04 мм при дискретиости в 1/200 диапазона дает возможНОСТ1) иметь размеры модулятора норядка 6--8 мм.

На фиг. 1 показаиа унравляюш,ая часть устройства, реализующего предлагаемый способ, для измерения иаклона в одной (вертикал)Ной) илоскости; на фиг. 2 - то же, приемная часть, обведенная пунктирной рамкой; на фиг. 3 - другой вариант выполнения управ. яюи1ей части; па фиг. 4 - схема устройства для измерения иространствеиных иаклопов в полярных координатах; на фиг. 5 п 6 приведены схемы устройства, измеряющего в иоляр1Пз1х координатах наклоны, управляющая часть которых ндентичиа описанной.

Устройство работает следующим образом.

Питаемый модулированным током от блока

1нитання излучатель-светодиод 2 подсвечивает диафрагму 3 с точечным отверстием на , распо;10же1П1Ым в фокал1 ной плоскости обтзектпва 4 унравляюней части, п формирует пучок лучей с очень малым углом раствора (порядка 20-40 угл. с).

В управляющей части (фиг. 3) используются точечная модулнруемая лампа 2а и микрообъектив За, дающий уменьшенное изображение светящегося тела ламны в фокальной илоскости объектива 4.

Поступающий в приемную часть поток формирует в фокальной плоскости объектива 5 изображение т-точечиой диафрагмы 3 (или вторичное изображение лампы 2а).

Там же расположена подвижная сетка 6 со щтрихами (фиг. 4), наполненная, например, в виде враиинощегося цилиндрического прозрачного сегмента с двумя сериями щтрихов, которые имеют толщину, равную изображению ш-точечиой диафрагмы, и ири движеиии сетки но стрелке модулируют проходяидий поток импульсами, поступающими через коиденсатор 7 иа фотоириемник 8 и далее через усилитель 9, электронный переключатель 10 иа счетчики 11 и 12. Па той же подвижиой сетке 6 нанесена непрозрачиая марка А, подсвечиваемая точечным местным излучателем 13 (показанным иа фиг. 2 пунктиром), вызывающая сигнал при ее прохождении в дополнительном фотоприемнике 14, поступающий через усилитель 15 на электронный переключатель (типа триггера).

- « - i5f0642

Пуиктириой линией изображен вариант, при ivOTOpo.M марка Л на сетке 6 заменена магнитnoil маркой А па шайбе 16, иоса/кениой на ось привода 17, а фотонриеминк 14 за.меиен магнигпой ro.ToijKoii Г4а. Aliiiiiirnuiii ,i;i)Kci А при обонх вариантах переключает счет имнульсов с счетчика 11 на счетчик 12 и наоборот. Число щтрихов в каждой серии равно половине числа импульсов, иа весь диапазон измерения угла иаклона, например, нри дианазоие измереиия Г и цене импульса в 30 их число в каждой серии равно 120. Если изображеиие точечной диафрагмы находится на оси OiOi прие.мной части, то чпсма импул1)Сов, 151 1зва| |1ых обсьмп се)ями, раипы, а так как счетчики 1) и 12 соединены собой на вычитание, то результат равен пулю.

Если же изображение из-за относительного наклона унравляющей и приемной частей иеремещается, например, на липию 0202, то одна серия дает например, 119, а другая серия + 118 импульсов, т. е. угол равеи +59. Аиалогично работает устройство при измерении углов другого знака.

Примепеине двух счетчиков необязательно, может быть применен один счетчик с переь:;поче1П1ел1 его иа вычитаиие.

Таким образом, при использовании предлагаемого способа повыщается вдвое уровещ дискретиоети, так как в результате учичтяваются те случаи, когда разность импульсов обеих серий ие является числом четным (л:одуляипя изображеиия только одиим из щтрихов); усредняются ощибки нанесения штрихов, оптики п биепия сетки при перемеикпип; результаты измерения могут быть ие осредстве п- о введены в ЭВМ; обе части устройства могут быть выполнены с малыми габаритами и весом.

Г1роведенные расчеты и предварительные эксиеримепты определяют следующие технические характеристики устройства для L 50M ири диапазопе измереиия углов иаклопа ±1° с точностью 30 угл. с.

Диаметр объективов равен 20-25 мм при /уи1,-50--60 мм и f,;p 270 мм (телеобъек1пв с коэфсЬипнентом 0.5), размер сетки 6X15.

Потребляемая управляюп1:ей частью мощиость составляет около 2 Вт, а приемной част з 0 - норядка 12 Вт, частота выдачи информации составляет 10-20 раз в секунду.

Можно осуществит) подобное устройство для измерения наклонов в двух взаимно перпендикулярных плоскостях путем попеременного сканирования изображения точечной диафрагмы двумя подвижными сетками, ана.югичиыми оиисанпой и направлением получаемых ири этом испульсов соответственно на две нары счетчиков (два реверсивных).

По.чучаемое в фокальной плоскости объектива 18 изображенне 1очечной диафрагмы модулируется штрихами вращающейся сетки 19 (фиг. 6), иа которую нанесена дополнительно круговая равномерная (икала Б с OHopnoii

маркой В, модулирующая точечное изображение п местного источника 20 (светодиода), даваемое объективом 21. Импульсы излучения от Н1ка:1ы Б поступают па фотоприемник 22, усилитель 23, электронный переключатель 24 и счетчик 25 углов азимута ф наклона. Импульсы от модулирования изображения т поступают на фотопрпемпик 26, усилитель 27 и далее на счетчик 28 величины р наклона.

Усилитель 27 также соединен с нереключятелем 24.

Работает устройство следующим образом. Предположим, что изображенне т точечной диафрагмы смещается по величине на р, а но нанравлепию на ф от вертикали (фиг. 6). Шкала Б, по стрелке, пересекает опориую марку В большей толщины изображения п источника 20 и подает на переключатель 24 более продолжительный импульс, открывающий счетчик 25, который начинает счет имнульсов, вызываемых модулированием изображения п штрихами щкалы Б.

Счет импульсов продолжается до поворота сетки 19 и щкалы на угол ф, при котором первый щтрих одной серии пересекает изображение т и дает первый импульс на счетчик 28, одновременно поступающий на электронный переключатель 24, запирающий счетчик 25. При дальнейшем повороте сетки щтрихи этой серии посылают импульсы на счетчик 28 до тех пор, пока длина их не станет меньще Q. За время полного оборота на тот же счетчик посылаются импульсы и штрихи другой серии, отличающиеся от первой серии тем, что длина каждого из них па половину шага больше, при этом штрих делается более широким. Таким образом, за оборот сетки па счетчик 25 поступает число импульсов, пропорциональное азимутальному углу ф, а на счетчик 28 - равное сумме импульсов от обеих серий штрихов и пропорциональное величине наклона р.

Суммирование импульсов от двух серий противоположно направленных штрихов

уменьшает вдвое число штрихов в каждой серии и усредняет ошибки нанесения штрихов, оптической системы и механизма привода.

Если диапазон измерений углов наклона равен ±1°, а требуемая точность равна 30 угл. с, то в каждой серии должно быть по 60 ппрнхов, а радиус штриховой сетки долже быть равен порядка 3 мм. Увеличивая диаметр сетки или нанося на сетке четыре серии радиальных штрихов, можно получить T04iiOCTb измерения угла (Q) в 15 угл. с.

Прн диаметре круговой шкалы в 16 мм на

Heii могут быть нанесены -1000 щтрихов с неиой каждого около 6.3 (1000 радиана/ 22 угл. MHJi), что обеспечивает еще более высокую линейиую дискретность определения азимута плоскости наклона.

Аналогично устройству но фиг. 1 более высокое усреднение результата может быть достпгьуто при измерении угла наклона за несколько оборотов сеткп.

Фор м у л а изобретения

Способ дистанционного контроля угловых перемещений объектов, заключающийся в преобразова ии угловых иеремещений объекта в имнульсы, снимаемые с щтриховой подвпжной сетки с последующим их использованием дл;1 открыва11 1я и закрывания суммирую1ц; х счетчиков, о т л п ч а ю щ и и с я тем, что, с целью получения пиформации для непосредственного ввода в ЭВМ с высокой стеиеныо надежности, поток от источника модулированного излучения в онтическом диапазоне с размерами порядка кружка аберрационного рассеяиия объектива преобразуют в пучок пкраллельиых лучей для имитации в но.те

зреки;- прпемнпка точечного источника излучения, модулируют принятый световой поток песколькими сериями разнонаправленных штрихов подвилчпой сетки, а зате.м усиливают 1 сумм1 руют полученные импульсы.