Фотоэлектрический измеритель скорости движения поверхности Советский патент 1982 года по МПК G01P3/36 

Мзобретение относится к измерите ной технике и может быть использова но для определения модуля и направления вектора скорости движения поверхности объектов. Иавестно устройство для бесконтактного измерения модуля линейной скорости диффузно отражакяцих объект содержащее лазер, оптическую систему, фотоприемник и расположенную в тракте отраженного светового потока диафрагму в виде щели, очерченной п дуге окружности tH Недостатком такого устройства является необходимость применения дорогого н громоздко1;о источника ко герентного излучения, а также невоз можность измерения скорости движения поверхности в произвольном направлении. Известен также фотоэлектри ческий измеритель скорости движения поверх ности, использующий корреляционный метод, содержащий оптическую систему с анализирукицим растром и расположенньми за ним фотоприемниками;, подключенными к электронным блокам об{ аботки фотосигналов. Измеритель содержит измерительные системы для облучения движущейся поверхности и приема отраженного светового потока. Первая оптическая система подключена к блоку регулируемого запаздывания, к которому параллельно подключены блоки фиксированного запаздывания и фиксирюванного упреждения подключены ко входу блока вычитания, подключенного, в свою очередь, к блоку перемножения. Вторая оптическая система подключена непосредственно к блоку перемножения. К выходу блока перемножения подключены последовательно усредняющий фильтр, усилитель, исполняющий механизм (2}. Недостатками такого измерители является невозможность измерения скорости движения поверхности объекта в произвольном по отношению к расположению оптических датчиков направлении, поскольку вектор скорости движения поверхности должен быть направлен по линии, соединяющей оптические оси первого и второго датчиков. Цель изобретения - измерение вектора скорости движения поверхности объекта. Цель достигается тем, что анализируклций растр выполнен в виде светонепрозрачной фотомаски с тремя вырезами, первый из которых выполнен в в{щепоследовательно расположенных центрального отверстия, второй - в виде спирали Архимеда, а третий в виде концентрического кольца, оптически связанных с отдельными фотоприемниками .

На фиг. 1 изображена структурная схема фотоэлектрического измерителя скорости движения пов :рхности; на фиг. 2 - анализирующий растр.

Предлагаемый фотоэлектрический измеритель скорости движения поверхности состоит из расположенных последовательно на одной оптической оси источника 1 излучения (обычная лампочка накаливания), конденсора 2 полупрозрачного зеркала 3, фокусирующего объектива 4, анализирующего растра 5. Анализирующий растр 5 представляет собой круглую пластинку из непрозрачного для света материала с тремя вырезами: в виде централного отверстия 6, спирального выреза 7 и концентрического кольца 8, ширина которых равна диаметру центрального отверстия. Спиральный вырез 7 выполнен по закону спирали Архимеда радиуса р , равного

/ k-f ,(1)

где р - угол, в полярной системе координат;

k - параметр спирали (любое постоянное число).

За центральным кругом находится поворотная призма 9. На оптической оси, перпендикулярной грани поворотной призмы 9, последовательно расположены конденсатор 10 и фотоприемник 11, За поворотной призмой 9 расположена вторая поворотная призма 12, предназначенная для поворота лучей, прошед1иих через спиральный вырез 7. На оптической оси, перпендикулярной грани поворотной призмы 12 последовательно расположены конденсатор 13 и фотоприемник 14. За поворотной призмой 12 на одной с не оптической оси последовательно расположены конденсатор 15 и фотоприемник 16. Электронный блок обработки фотосигналов состоит из двух блоков 17 и 18 перемножения, двух блоков регулируемого запаздывания 19 и 20, блока 21 фиксированного запаздыва.ния, блока 22 фиксированного упреждения, блока 23 вычитания, двух 24 и 25 усреднякнцих фильтров, двух 26 и 27 исполнительных механизмов, делителя 28. Фотоприемник 16 подключе к блоку перемножения 17. Фотоприемник 14 подключен к блоку перемножения 18. Фотоприемник 11 подключен одновременно ко входам блоков 19 и 20 регулируемого запаздывания. К первому выходу блока 19 регулируемого запаздывания подключены параллельно блок 22 фиксированного упреждения и блок 21 фиксированного запаздывания, выходы которых подключены к блоку 23 вычитания, а он - ко входу блока перемножения 17. К выходу блока перемножения 17 подключены последовательно усредняющий фильтр 24 и исполнительный механизм ,26, выход которого подключен ко второму входу блока 19 регулируемого запаздывания. К первому чыходу блока 20 регулируемого запаздывания подключены последовательно блок 18 перемножения, усредняющий фильтр 25 и исполнительный механизм 27, выход которого подключен ко второму :ходу блока 20 регулируемого запаздывания. Вторые выходы блоков 19 и 20 регулируемого запаздывания подключе.ны к делителю 28. В делителе 28 находится отсчетное устройство 29, шкала которого проградуирована в угловых единицах, т.е. в градусах.

Работа измерителя скорости заключается в следующем.

Отраженный от движущейся поверхности 30 и промодулированный ее микродефектами световой поток проходит через центральное отверстие 6 анализирующего растра 5 и попадает на фотоприемник 11, с выхода которого сигнал S (t) поступает одновременно в блоки 19 и 20 регулируемого запаздывания. Сигнал с выхода блока 19 регулируемого запаздывания, имеющего вид S (t-ti, ) , где Ц - регулируемое запаздывание, подается параллельно на блоки фиксированного запаздывания 21 и фиксированного упреждения 22. Сигналы с блоков фиксированного запаздывания 21 и фиксированного упреждения 22 имеют вид

S (t- Ц-лТ) и S, (ь-с,+ ДЦ),

где л1( - фиксированное запаздывание или упреждение. В блоке 23 вычитания эти сигналы преобразуются в разностный сигнал

S Ct-Ii-дТ-,- Sit-t-t i+ Ti),

который перемножается в блоке 17 перемножения с сигналом Sj(t), снимаемым с фотоприемника 16. Сигнал S., (t) образован прошедшим через кольцевой вырез 8 растра 5, отраженным световым потоком и состоит из двух сигналов Sj (t), образованного тем же участком движущейся поверхности, от которого образовался сигнал S,, (t) и сдвинутого по отношению к нему на время Тд , определяемое геометрией анализирующего растра 5 и скоростью движения V поверхности и сигнала БЗ (t), образованного остальной частью

0 находящейся под кольцевым вырезом поверхности объекта (фиг. 2). Сигналы S (t) и Sj (t) коррелированы. Усредняющий фильтр выделяет корреляционную функцию сигналов S (t) и

5 максимум которой будет при равенстве рехулируемого, т.е. вводи мого запаздывания величине где 6 - расстояние между центрами участков движущейся поверхности, с которых снимаются сигналы Si (t) и Sj(t) . Сигнал с усредняющего фильтр 24 поступает на исполнительный механизм 26, который воздействует на блок регулируемой задержки 19 и автоматически устанавливает требуемое время задержки Т . Выработанное таким образом Т поступает на вход делителя 28. В блоке регулируемого запаздьтания 20 выходной сигнал фотоприемника 11 задерживается на вре мя Tj . Сигнал с выхода блока регулируемого запаздывания 20, имеющий вид S (t-T), где Tj, - регулируемое время запаздывания, подается на вхо блока перемножения 18, где перемножается с выходным сигналом Sj (t) фо топриемника 14. Сигнал Sj(t) образо ван прошедшим через спиральный выре 7 растра 5 отраженным световым пото ком от поверхности 30 и состоит из двух сигн;Члов:55 (t) образованного т же участком движущейся поверхности, от которого образовались сигналы S (t) и sl (t), но сдвинутого по отношению к сигналу S;, (t) на время определяемое величиной параметра j диафрап-и 7 и скоростью движения V поверхности; и сигнала S (t), образованного остальной частью, находящейся под спиральным вырезом поверх ности объекта (фиг. 2). Сигналы S, ( и Sj (t) коррелярованы. Усреднякядий фильтр 25 выделяет корреляционную функцию сигналов S (t) и Sj (t), мак симум которой будет при 5 авенстве регулируемого, т.е. вводимого запаз зывания Tj величине / - I Ч V . где р - расстояние между центрами участков движущейся поверхности с которых снимаются сигналы (t) и s (t) . Выходной сигнал с усредняющего фильтра 25 поступает на вход исполнительного механизма 27, который во действует на блок 20 регулируемой задержки и автоматически устанавливает требуемое время задержки tj, . Выработанное таким образом Т поступает на второй вход делителя 28. В делителе 28 осуществляется операция деления Г на Z, и на выходе его генерируется напряжение Ugy и f ы Сг гг С учетом(1) выражение (4) можно переписать II - 1 -вы г Таким образом, измеряя величину напряжения Ugy можно опрзделать вектор скорости движения поверхности объекта, так как направление вектора скорости движения поверхности объекта определяется углом и выбранной системе координат хоу. Напряжение Ugy, поступает на отсчетное устройство 29, шкала которого проградуирована в угловых единицах, т.е. градусах. Вторая шкала отсчетного устройства 29 проградуирована в единицах м/с, по которой определяется модуль вектора скорости из выражения (2) как отношение //Г . Формула изобретения Фотоэлектрический измеритель скорости движения поверхности, содержащий оптическую систему с анализирующим растром и расположенными за ним фотоприемниками,подключенными к злектронным блокам обработки фотосигналов, отличающийся тем, что, с целью измерения вектора скорости, .анализирующий растр, выполнен в виде светонеПрозрачной.фотомаски с вырезами, первый из которых выполнен в виде центрального отверстия, второй - в форме Архимедовой спирали, а третий - в виде концентрического кольца, оптически связанных с отдельными фотоприемниками. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе1.Авторское свидетельство СССР 367723, кл. G 01 Р 3/36, 1973. 2.Белоглазов И.Н. и др. Корреляционные экстремальные системы. М..,-Советское радио , 1924, с. 9-32 (прототип). ттттк т мт