Способ определения линейного перемещения объекта и устройство для его осуществления

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛИНЕЙНОГО ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ОБЪЕКТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(71) Заявитель Научно-исследовательское и проектно-технологическое республиканское унитарное предприятие Институт НИПТИС имени Атаева С.С.(72) Авторы Данилевский Леонид Николаевич Данилевский Сергей Леонидович Зайцев Александр Иванович Таурогинский Бронислав Иванович(73) Патентообладатель Научно-исследовательское и проектно-технологическое республиканское унитарное предприятие Институт НИПТИС имени Атаева С.С.(57) 1. Способ определения линейного перемещения объекта, при котором направляют сформированный световой пучок на связанный с объектом отражающий элемент, выполненный таким образом, что его средний коэффициент отражения изменяется в зависимости 13603 1 2010.10.30 от координатыв направлении перемещения объекта, регистрируют отраженное световое излучение, преобразуют его в электрический сигнал и определяют величину перемещения в соответствии с измеренной характеристикой указанного сигнала, отличающийся тем, что отражающий элемент выполняют в виде матрицы, содержащей один отражающий элемент при предполагаемом перемещении объекта, меньшем, чем размер отражающего элемента в направлении перемещения, или два параллельных ряда отражающих элементов, расположенных со смещением по вертикали между собой при предполагаемом перемещении объекта, большем, чем размер одного отражающего элемента в направлении перемещения, причем каждый отражающий элемент выполняют таким образом, что ширинаего отражающей поверхности изменяется в зависимости от координатыв направлении перемещения объекта по формуле 0 ехр,где 0 и- константы, направляют на матрицу световой луч и приводят его в колебательное или вращательное движение в плоскости, перпендикулярной направлению движения объекта, измеряют длительности импульсов полученного электрического сигнала и определяют абсолютную величину линейного перемещенияобъекта по формуле 1( )11 ( ) для матрицы, содержащей один отражающий элемент или для первого ряда отражающих элементов матрицы, или, дополнительно, для второго ряда отражающих элементов матрицы по формуле 1( )2 , 2 ( ) где 1 и 1 - длительности импульсов, измеренные для одного отражающего элемента или для первого ряда отражающих элементов матрицы, для -го и -го циклов колебательного или вращательного движения светового луча соответственно 2 и 2 - длительности импульсов, измеренные для второго ряда отражающих элементов матрицы, для -го и -го циклов колебательного или вращательного движения светового луча соответственно, причем перед определением линейного перемещенияобъекта вычисляют абсолютные величины и знаки приращения длительности импульсов по соответствующим формулам 11 - 1,22 - 2,(1)(1 - 1(,(2)(2 - 2(,где индексы 1, 2 относятся к световым сигналам, отраженным от первого и второго рядов отражающих элементов матрицы соответственно, и в зависимости от изменения знаков приращения длительности импульсов определяютпо упомянутой формуле с индексом,соответствующим большему значению приращения или по среднему или средневзвешенному значению двух результатов при сохранении или одновременном изменении знаков приращения, или определяютпо упомянутой формуле с индексом, сохранившим знак приращения при изменении знака приращения для одного из результатов, а направление линейного перемещенияопределяют по знаку результата. 2. Устройство для определения линейного перемещения объекта, содержащее источник света, формирователь светового пучка и связанный с объектом отражающий элемент,оптически связанный с регистрирующим блоком, отличающееся тем, что содержит блок для перемещения сформированного светового пучка, выполненный с возможностью приведения последнего в колебательное или вращательное движение в плоскости, перпендикулярной направлению движения объекта блок измерения интервалов длительности импульсов, входом соединенный с выходом регистрирующего блока, а выходом - со вхо 2 13603 1 2010.10.30 дом блока-вычислителя, причем связанный с объектом отражающий элемент выполнен в виде матрицы, содержащей один отражающий элемент или два параллельных ряда отражающих элементов, расположенных со смещением по вертикали между собой в направлении движения объекта, причем каждый отражающий элемент выполнен таким образом,что ширинаего отражающей поверхности изменяется в зависимости от координатыв направлении перемещения объекта по формуле 0 ехр,где 0 и- константы, а формирователь светового пучка выполнен с возможностью формирования светового луча. Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения перемещений, и может быть использовано в различных областях, в том числе в строительстве, для измерения деформаций строительных конструкций, деформационных характеристик грунтов, параметров вибраций, контроля технологических процессов. Известен способ измерения перемещений, заключающийся в том, что с объектом связывают отражающий элемент, направляют на него пучок света, принимают отраженное излучение, по которому судят о величине перемещения объекта 1350488 1, 1987. Устройство для измерения перемещений объекта по данному способу содержит отражающий элемент, связанный с объектом, источник когерентного света, регистрирующий блок, на который падает отраженный луч. Способ может быть использован только для определения малых перемещений. При этом точность определения перемещений определяется шириной отраженного луча, а величина измеренного перемещения зависит от расстояния до объекта. Известно устройство для измерения перемещений 2060455 1, 1996, согласно которому последовательно устанавливают лазер, оптический элемент в виде пластины и отражатель, предназначенный для крепления на объекте, два фотоприемника и соединенный с ними блок обработки. В резонаторе устанавливают диафрагму, совмещенную с оптической осью и выполненную в виде точки, а одна из поверхностей пластины выполнена в виде винтовой поверхности. Пластину ориентируют таким образом, что ее продольная ось совмещена с оптической осью. Фотоприемники устанавливают так, что их светочувствительные площадки лежат в смежных секторах с вершинами, расположенными на оптической оси. Устройство обеспечивает поворот боковых узлов и пучностей генерируемой моды круговой апертуры на угол, пропорциональный линейному перемещению отражателя, за счет вращения оси максимальной добротности составного резонатора, образованного зеркалами лазера, отражателем и пластиной, вокруг оптической оси. Предлагаемое устройство позволяет определять перемещения объектов с достаточно высокой точностью, однако включает громоздкое и дорогостоящее оборудование и требует специальных условий для его применения. Наиболее близким к заявляемому устройству измерения линейного перемещения объекта является устройство подобного назначения патент 8210, опубл. 30.06.2006, которое включает связанный с объектом отражающий элемент, источник света,формирователь светового пучка и регистрирующий блок, причем отражающий элемент выполнен с изменением среднего коэффициента отраженияв зависимости от координатыв направлении перемещения объекта по формуле 0-, где 0 и- константы, а формирователь светового пучка выполнен с возможностью его формирования в виде прямой линии постоянной толщины, перпендикулярной направлению перемещения объекта. Недостатки указанного устройства в том, что оно обеспечивает амплитудные измерения,что снижает их точность, т.к. на измерения могут повлиять возможные колебания интенсивности источника света, дополнительная засветка объекта и фотоприемника посторонними источниками света, а также случайная неоднородность коэффициента отражения на 3 13603 1 2010.10.30 отражающем элементе. Кроме того, диапазон измеряемого перемещения объекта определяется размерами отражающего элемента, что является ограничивающим фактором для проведения измерений. Предлагаемое изобретение направлено на повышение точности измерения перемещений и расширение их диапазона. Поставленная цель в соответствии с технической задачей в части способа достигается тем, что предлагается способ измерения линейного перемещения объекта, при котором направляют сформированный световой пучок на связанный с объектом отражающий элемент, выполненный таким образом, что его средний коэффициент отражения изменяется в зависимости от координатыв направлении перемещения объекта, регистрируют отраженное световое излучение, преобразуют его в электрический сигнал и определяют величину перемещения в соответствии с измеренной характеристикой указанного сигнала отличие способа по изобретению в том, что отражающий элемент выполняют в виде матрицы, содержащей один отражающий элемент при предполагаемом перемещении объекта,меньшем, чем размер отражающего элемента в направлении перемещения, или два параллельных ряда отражающих элементов, расположенных со смещением по вертикали между собой при предполагаемом перемещении объекта, большем, чем размер одного отражающего элемента в направлении перемещения, причем каждый отражающий элемент выполняют таким образом, что ширинаего отражающей поверхности изменяется в зависимости от координатыв направлении перемещения объекта по формуле 0,где 0 и- константы, направляют на матрицу световой луч и приводят его в колебательное или вращательное движение в плоскости, перпендикулярной направлению движения объекта, измеряют длительности импульсов полученного электрического сигнала и определяют абсолютную величину линейного перемещенияобъекта по формуле 1( )11 ( ) для матрицы, содержащей один отражающий элемент или для первого ряда отражающих элементов матрицы, или, дополнительно, для второго ряда отражающих элементов матрицы по формуле 1( )2 ,2 ( ) где 1 и 1 - длительности импульсов, измеренные для одного отражающего элемента или для первого ряда отражающих элементов матрицы, для -го и -го циклов колебательного или вращательного движения светового луча соответственно 2 и 2 - длительности импульсов, измеренные для второго ряда отражающих элементов матрицы, для -го и -го циклов колебательного или вращательного движения светового луча соответственно, причем перед определением линейного перемещенияобъекта вычисляют абсолютные величины и знаки приращения длительности импульсов по соответствующим формулам 11 ( )1 ( ) ,22 ( )2 ( ) ,(1 )(1 ( )1 ( ,(2 )( 2 ( )2 ( ,где индексы 1, 2 относятся к световым сигналам, отраженным от первого и второго рядов отражающих элементов матрицы соответственно, и в зависимости от изменения знаков приращения длительности импульсов определяютпо упомянутой формуле с индексом,соответствующим большему значению приращения или по среднему или средневзвешенному значению двух результатов при сохранении или одновременном изменении знаков 13603 1 2010.10.30 приращения, или определяютпо упомянутой формуле с индексом, сохранившим знак приращения при изменении знака приращения для одного из результатов, а направление линейного перемещенияопределяют по знаку результата. Поставленная цель в соответствии с технической задачей в части устройства достигается тем, что предлагается устройство для измерения линейного перемещения объекта,содержащее источник света, формирователь светового пучка и связанный с объектом отражающий элемент, оптически связанный с регистрирующим блоком, которое, согласно изобретению, дополнительно включает блок для перемещения сформированного светового пучка, выполненный с возможностью приведения последнего в колебательное или вращательное движение в плоскости, перпендикулярной направлению движения объекта блок измерения интервалов длительности импульсов, входом соединенный с выходом регистрирующего блока, а выходом - со входом блока вычислителя, причем связанный с объектом отражающий элемент выполнен в виде матрицы, содержащей один отражающий элемент или два параллельных ряда отражающих элементов, расположенных со смещением по вертикали между собой в направлении движения объекта, причем каждый отражающий элемент выполнен таким образом, что ширинаего отражающей поверхности изменяется в зависимости от координатыв направлении перемещения объекта по формуле 0,где 0 и- константы, а формирователь светового пучка выполнен с возможностью формирования светового луча. Суть способа измерения перемещений заключается в том, что с объектом связывают матрицу из отражающих элементов, выполненных таким образом, что ширина отражающей поверхности каждого элемента изменяется в зависимости от координатыв направлении перемещения объекта по формуле 0, а световой пучок приводят в колебательное или возвратно- поступательное движение в плоскости, перпендикулярной направлению движения объекта. Для измерения перемещений в диапазоне, не превышающем размеры отражающего элемента в направлении движения объекта , матрица состоит из одного отражающего элемента. В этом случае для определения величины перемещения объекта определяют длительность отраженного оптического сигнала, преобразованного в электрический, для двух различных циклов движения - -го и -го, далее абсолютную величину перемещенияопределяют по формуле(2)1/(1/1( ,а направление перемещения - по знаку результата. В случае, если диапазон перемещений превышает размер отражающего элемента вдоль координаты , устанавливают матрицу из двух параллельных рядов отражающих элементов с экспоненциальной формой отражающей поверхности, т.е. ширина их отражающей поверхности изменяется в зависимости от координатыв направлении перемещения объекта по формуле (1), причем ряды отражающих элементов расположены со смещением в направлении , т.е. каждый отражающий элемент в одном ряду смещен по вертикали относительно соответствующего в соседнем ряду, световой пучок, направляемый на матрицу из отражающих элементов, приводят в колебательное или возвратнопоступательное движение в плоскости, перпендикулярной направлению движения объекта, измеряют длительности импульсов электрического сигнала 1, 2 и 1, 2 для го и -го циклов колебательного или возвратно-поступательного движения соответственно, и применяют формулы 11 ( )1 ( ) ,(4) 13603 1 2010.10.30 для определения абсолютной величины и(1 )(1 ( )1 (,(7) для определения знаков приращения длительности импульсов, а величину перемещенияопределяют по формулам(3)1/(2/2( ,где индекс 1 относится к сигналу, отраженному от отражателей в первом ряду, а индекс 2 относится к сигналу, отраженному от отражателей во втором ряду в зависимости от изменения знаков приращения по формуле с индексом, соответствующим большему значению приращения (или по среднему или взвешенному среднему значению двух результатов) при сохранении или одновременном изменении знаков приращения по формуле, относящейся к индексу с сохранившимся знаком приращения при изменении знака приращения для одного из результатов,а направление - по знаку результата. Сущность изобретения поясняется следующими чертежами. На фиг. 1 приведена блок-схема устройства для осуществления способа. На фиг. 2 приведен вариант реализации отражающего элемента 2. На фиг. 3 приведена матрица из двух рядов отражающих элементов 2. На фиг. 4 а, б представлены схема проведения измерений и осциллограмма отраженного сигнала для колебательного движения луча. Фиг. 5 а, б отражает изменение амплитуды принимаемого сигнала для двух моментов времени в случае поступательного движения объекта для одного отражающего элемента, а фиг. 6 а, б - изменение амплитуды принимаемого сигнала для двух моментов времени в случае поступательного движения объекта для матрицы из двух рядов отражающих элементов. В устройстве для осуществления способа измерения перемещения объекта (фиг. 1),содержащем матрицу 2 из одного отражающего элемента или из двух рядов отражающих элементов, связанных с объектом 1, имеются источник света 3, формирователь пучка 4,блок 6 для перемещения светового пучка (выполненный, например, в виде вращающейся или колеблющейся в плоскости, перпендикулярной направлению движения объекта,призмы или зеркала, совершающего такие же колебания), регистрирующий блок с приемным фотоэлектрическим элементом 5, блок 7 для измерения интервалов длительности и вычислитель 8. Каждый отражающий элемент, составляющий матрицу 2, имеет световозвращающую(отражающую) поверхность 9, ширина которой изменяется в направлении движения по формуле 0. В качестве указанной световозвращающей поверхности может быть использована пленка, например типа 7000 или 4305, позволяющая отражать пучок света в направлении, противоположном направлению его падения. Выбор такого отражающего элемента позволяет повысить энергию принятого сигнала и повысить точность измерений. На пути светового луча установлен формирователь 4 пучка в виде круга, например сферическая линза. Он позволяет формировать узкий пучок света в виде круга в поперечном сечении, перемещаемый блоком 6 перпендикулярно направлению перемещения объекта. Устройство (фиг. 1) работает следующим образом. Пучок света от источника 3 проходит через формирователь 4 светового пучка, блок 6 для перемещения светового пучка и попадает на матрицу 2, связанную с движущимся объектом 1. Световое излучение с линии 6 13603 1 2010.10.30 падения пучка возвращается на регистрирующий блок 5, установленный вблизи источника света. Блок может быть выполнен по известной схеме патент 8210, опубл. 30.06.2006 и состоит из последовательно установленных фотоприемника, усилителя, аналогоцифрового преобразователя, цифровой сигнал с выхода которого поступает на блок 7 измерения интервалов длительности и, далее - на блок-вычислитель 8, одновременно служащий и для индикации результата, в качестве которого может быть выбрана ПЭВМ, где определяется тип движения объекта и производится вычисление значения перемещения объекта. Вращательное движение луча можно обеспечить посредством вращения источника света 3 совместно с формирователем пучка 4. Указанное устройство позволяет измерять значения интервалов длительности импульсов, а не только их амплитуду, как в прототипе, что и обеспечивает большую точность измерений, так как результат не зависит от дополнительной засветки объекта и фотоприемника посторонними источниками света, а также эффектов зернистости на приемнике, обусловленных когерентностью источника света и случайной неоднородности коэффициента отражения по поверхности отражающего элемента. Способ измерения перемещения объекта реализуется следующим образом. Если предполагаемое перемещение объекта меньше размера отражающего элемента в направлении перемещения, с объектом связывают один отражающий элемент 2 (матрица состоит из одного элемента, причем связь его с объектом такова, что характер и величина перемещений объекта и отражающего элемента совпадают) и направляют на него сформированный луч лазера, совершающий колебательные движения в плоскости, перпендикулярной направлению движения объекта. При движении луча вне световозвращающей поверхности отражающего элемента электрический сигнал на выходе фотоприемника соответствует уровню шума. При попадании луча на световозвращающую поверхность 9 на выходе фотоприемника появляется электрический сигнал. В случае неподвижного объекта на выходе регистрирующего устройства на каждом цикле колебаний или вращения пучка наблюдается импульсный сигнал постоянной длительности. Формы сигнала на выходе регистрирующего блока 5 с фотоприемником для одного колебательного движения луча лазера по отражающему элементу представлены на фиг. 5 а, б. Длительность отраженного сигнала, принимаемого фотоприемником при постоянной скорости движения луча по отражающему элементу, пропорциональна ширине отражающей поверхности элемента 2 в плоскости движения луча. Постоянная скорость соответствует случаю кругового вращения источника света или случаю колебательного движения, когда угловая амплитуда колебаний существенно больше углового сектора, занимаемого отражающим элементом. Длительность импульса для плоскости, пересекающей отражающий элемент по линии 1, пропорциональна длине участка отражающей поверхности и равна(8) 11 ,где- коэффициент пропорциональности. При изменении положения объекта на величинудлительность импульса для плоскости движения луча, пересекающей отражающий элемент по линии 1 равна(9)2( 1) . Следовательно, значение перемещения равно 1 В случае колебательного движения луча его угловое перемещение можно записать в виде 13603 1 2010.10.30 В процессе измерений, в случае колебательного движения лазерного луча, стоит вопрос определения фазы колебаний для начала и конца импульсного сигнала, что необходимо для определения длины участка отражающего элемента. Для определения фазы рассмотрим осциллограмму отражательного сигнала для одного периода колебаний на фиг. 4 а, б. На фиг. 4 а представлена схема проведения измерений в этом случае. Угловой сектор , занимаемый поверхностью отражающего элемента 2, пропорционален длине участка отражающей поверхности. Для каждого периода мы получим два импульса для двух направлений движения луча от начального и конечного положений. Начальный момент колебаний (точка 01 с нулевой скоростью на фиг. 4 б) определяется по формуле 013 2 .(12) 2 Вторая точка останова 02 на фиг. 4 б - по формуле 024.(13) 2 Период колебаний определяют по формуле(14)2(0201). Момент времени, соответствующий начальной фазе колебаний (нулевому значению перемещения), равен нач(0201)/2.(15) Таким образом, угловую величину перемещения луча необходимо искать по формуле 2 где 0 - максимальное угловое перемещение луча 0 - период колебаний нач, 02, 01 - моменты времени, соответствующие начальной фазе колебаний, и точкам с нулевой скоростью, т.е. точкам, соответствующим максимальному угловому смещению луча. Далее 2 0 После преобразования получим Фактически величинапропорциональна длине световозвращающей поверхности отражающего элемента. Для этого случая величину перемещения объекта ищут по формуле гдерассчитывается по формуле 18, а индексы 1 и 2 относятся к двум положениям объекта. Для случая 430 и (43)/2 нач 0, что соответствует случаю расположения отражателя симметрично относительно точки, соответствующей начальной фазе колебаний, и угловым размерам отражающего элемента много меньшим угловых размеров области перемещения луча получим 20( 43 ) 20.(20) 0 0 В этом случае расчет перемещений можно вести по формуле (10). 13603 1 2010.10.30 Когда величина перемещения объекта больше размера отражающего элемента в направлении перемещения, устанавливают на объекте матрицу из двух параллельных рядов отражающих элементов так, чтобы перекрыть диапазон предполагаемого перемещения объекта, как это показано на фиг. 3. Отражающие элементы в рядах смещены друг относительно друга в направлении перемещения таким образом, чтобы устранить ошибки измерения на границах элементов в каждом ряду. При перемещении луча, пересекающего оба ряда элементов в одном направлении на выходе фотоэлемента, получим сигнал, осциллограмма которого представлена на фиг. 6 а, б. На осциллограмме имеется два импульса, соответствующих отражениям от отражающих элементов в каждом ряду. Определение величины перемещения выполняется независимо для элементов каждого ряда по формулам (10) или (16) и методике, описанной выше для случая одного элемента. Чувствительность измерений определяется величиной и увеличивается с увеличением значения ( ) , т.е. по мере увеличения ширины отражающей области на элементе. Поэтому при определении величины перемещения целесообразно использовать ряд отражающих элементов, в котором длительность измеренных импульсов больше (что соответствует большей чувствительности). В то же время, можно для увеличения точности измерений, использовать информацию о перемещении, полученную на основании расчетов по двум параллельным рядам. Если в одном ряду длительности импульсов 1(1) и 1(2), а во втором ряду 2(1) и 2(2) и определенные по формулам (10) или (16) величины перемещений равны 1 и 2,то величину перемещения можно определить, например, как взвешенное среднее значение, равное 1221,(22) 12 где 11(2)-1(1), 22(2)-2(1). Если перемещение объекта происходит так, что линия колебаний лазерного луча переходит от одного отражателя в ряду к последующему в этом же ряду, возникает неопределенность в измерениях, так как нарушается монотонность в измерении длительности импульса в указанном ряду, в то время как монотонность измерения длительности импульса в параллельном ряду сохраняется. Поэтому для этой области измерение перемещения объекта необходимо проводить по ряду отражателей, для которого сохраняется монотонность изменения длительности импульсов. С этой целью для каждого измерения определяется знак изменения длительности импульсов. При измерении знака в одном из рядов, измерения проводят по сигналу, отраженному от отражателей второго ряда. Если знак меняется для обоих рядов, это свидетельствует об изменении направления движения объекта, измерения проводят по вышеописанной методике с использованием выражений (10) или (16). Практическая реализация способа производится посредством описанной выше работы устройства (фиг. 1). Световое излучение с линии падения пучка возвращается на регистрирующий блок 5, установленный вблизи источника света. Цифровой сигнал с выхода блока 5 поступает на блок 7 измерения интервалов длительности и далее - на блоквычислитель 8, одновременно служащий и для индикации результата, в качестве которого может быть выбрана ПЭВМ, где определяется тип движения объекта и по формулам (10) или (16) производится вычисление значения перемещения объекта. Экспоненциальный характер изменения ширины световозвращающей поверхности элемента 2 в направлении движения объекта позволяет устранить влияние расстояния до объекта на величину измеряемого перемещения. Диапазон измеряемого перемещения ограничивается размерами отражающего элемента в направлении движения объекта, поэтому для измерения переме 9 13603 1 2010.10.30 щений, превышающих размер отражающего элемента, используют два ряда отражающих элементов, где каждый отражающий элемент смещен в направлении движения объекта относительно соответствующего в соседнем ряду. Таким образом, предложенный способ и устройство позволяют определить линейное перемещение объекта, причем диапазон измеряемого перемещения не ограничивается размерами отражающего элемента. Предложенное техническое решение обеспечивает высокую точность измерения, значительный диапазон и независимость результата измерения от расстояния до объекта. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.