Датчик-преобразователь перемещений
Датчик-преобразователь перемещений предназначен для измерения и исследования процесса перемещения объектов. Датчик содержит систему из трех фокусирующих линз: двух собирающих и одной рассеивающей. Собирающие линзы выполнены выпукло-плоскими, а рассеивающая - плоско-вогнутой. Одна из собирающих линз обращена выпуклой стороной к испытуемому объекту и установлена с возможностью фокусирования отраженного света с испытуемого объекта на плоскую сторону рассеивающей линзы. Вторая собирающая линза обращена выпуклой стороной к рассеивающей линзе и установлена с возможностью фокусирования прошедшего через рассеивающую линзу света на оптический сенсор, который посредством интерфейса соединен с компьютером. Источником света для испытуемого объекта может быть дневной свет или любой излучатель, например светодиод, инфракрасный излучатель, светильники. Датчик обеспечивает передачу информации о перемещениях испытуемого объекта непосредственно на монитор компьютер с одновременной регулировкой масштаба измерений. Результат - повышение точности и достоверности исследований. 1 н.з и 3 з.п. ф-лы, 2 илл.
Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике и может быть использована для измерения и исследования перемещений объектов, в частности для исследования процесса перемещения испытуемого образца.
Из уровня техники известен датчик - преобразователь в устройстве для испытания материалов на трение по патенту РФ на изобретение 
2244290. Этот датчик выполнен оптико-механическим в виде диска с прорезями, надетого на вал стрелки индикатора часового типа со щупом, предназначенным для соединения с испытуемым образцом. Диск с прорезями установлен между излучателем и фотодатчиком, которые соединены через порт мыши с компьютером. Такой датчик-преобразователь конструктивно прост, позволяет снятые результаты через порт мыши передать непосредственно к регистрирующему устройству (в компьютер), тем самым повысить точность исследований, а также повысить информативность исследований перемещений испытуемых объектов в сравнении с приведенными аналогами. Однако у этого датчика отсутствует обратная связь с исследуемым объектом, которая могла бы еще более повысить информативность исследований. Кроме того, известный датчик не позволяет измерить угловые перемещения (при вращательном движении) при передаче информации от исследуемого объекта к регистрирующей аппаратуре, что в свою очередь снижает точность исследования и сужает область исследований.
Датчик - преобразователь по патенту РФ на полезную модель 58523 содержит индикатор часового типа с щупом для соединения с испытуемым объектом, излучатель и фотодатчик. Между излучателем и фото датчиком на валу установлен съемный диск с прорезями. На этот же вал надето одно из колес зубчатой передачи. Другое колесо зубчатой передачи надето на ось стрелки индикатора часового типа. Излучатель и фотодатчик соединены через порт мыши с компьютером. Благодаря наличию зубчатой передачи можно менять количество оборотов диска с прорезями. Применяя диск большого диаметра, можно увеличить количество прорезей. Увеличивая количество прорезей, и повышая число оборотов диска, можно получить большее количество отмеченных точек на диаграмме, изображенной на мониторе компьютера, тем самым повысить точность исследования перемещения испытуемого объекта. Недостаток заключается в том, что связь испытуемого объекта с излучателем и фотодатчиком осуществляется через передаточные механизмы (зубчатые колеса, индикатор часового типа). Кроме этого этим устройством не регистрируются все виды перемещений объекта.
Известен датчик - преобразователь перемещений по заявке 2008111279/28 РФ (MПK G01B 9/00, опубл. 27.09.2009), предназначенный для измерения перемещений объекта при проведении испытаний. Датчик - преобразователь содержит излучатель, систему фокусирующих линз, содержащую две собирающие линзы, и оптический сенсор. Одна из линз установлена так, чтобы свет от излучателя был сфокусирован на поверхности испытуемого объекта. С помощью второй линзы свет, отраженный с поверхности испытуемого объекта, направлен на оптический сенсор, который через интерфейс соединен с компьютером. Этот датчик по количеству существенных признаков и функциональным возможностям наиболее близок к заявляемому и принят за прототип. Устройство обеспечивает передачу информации о всевозможных перемещениях испытуемого объекта непосредственно на монитор компьютера. Недостатком данного датчика является невозможность изменения масштаба измерений и фокусировки.
Задача полезной модели состоит в изменении конструкции датчика с целью расширения его функциональных возможностей для получения более достоверных и точных данных об испытываемом объекте при исследовании процесса его перемещений.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель для решения поставленной задачи, заключается в обеспечении устройством передачи информации о всевозможных перемещениях (поступательное, вращательное и плоскопараллельное движения) испытуемого объекта непосредственно на монитор компьютера и одновременно в обеспечении регулировки масштаба измерений. Эти функции в конечном итоге повышают достоверность, точность и информативность исследований.
Технический результат достигается следующим образом. Как и в прототипе, датчик - преобразователь перемещений, включает оптический сенсор, соединенный посредством интерфейса с компьютером и систему фокусирующих линз, содержащую две собирающие линзы. В отличие от прототипа система фокусирующих линз дополнительно содержит рассеивающую плоско-вогнутую линзу, установленную между собирающими линзами, при этом собирающие линзы выполнены выпукло-плоскими, причем одна из них обращена выпуклой стороной к испытуемому объекту и установлена с возможностью фокусирования отраженного света с испытуемого объекта на плоскую сторону рассеивающей линзы, а вторая обращена выпуклой стороной к рассеивающей линзе и установлена с возможностью фокусирования прошедшего через рассеивающую линзу света на оптический сенсор. В качестве источника света для испытуемого объекта используется светодиод, инфракрасный излучатель и обычное освещение.
Указанная совокупность существенных признаков не обнаружена в уровне техники. Это подтверждает новизну заявляемой полезной модели.
Использование системы линз для отраженного света позволить повысить точность измерений. Изменением положений линз можно добиться повышения точности для данного процесса исследования. Переменное фокусное расстояние обеспечивается благодаря наличию в системе линз рассеивающей линзы. Система линз в заявляемой полезной модели позволяет фиксировать все отклонения на поверхности объекта (т.е. изменения положения объекта независимо от вида движения) и передавать световые сигналы оптическому сенсору. Оптический сенсор не только делает снимки поверхности испытуемого объекта с высокой частотой, но сам же их и обрабатывает. Оптический сенсор обрабатывает информацию, отраженную с поверхности испытуемого объекта при перемещении самого объекта, а не датчика. А расстояние от линз до отражающей поверхности испытуемого объекта (под датчиком) не ограничено, поскольку происходит неконтактное измерение информации при регулировке масштаба измерений, полученной с поверхности испытуемого объекта. Изменение масштабирования, которое обеспечивается изменением положения рассеивающей линзы, повышает точность измерений и решает поставленную задачу.
Полезная модель поясняется чертежом.
На фиг.1 изображена блок-схема датчика - преобразователя перемещения. На фиг.2 показано, как выполнена система фокусирующих линз, и прохождение света через линзы указанной системы.
Датчик - преобразователь содержит систему фокусирующих линз 1, источника света 2, с которого свет попадает на поверхность испытуемого объекта 3. В качестве источника 2 света может быть использован любой излучатель света, например, светодиод, инфракрасный излучатель, источник общего освещения (солнечного, электрических лампочек и иных светильников). Линзы системы фокусирующих линз 1 установлены таким образом, чтобы отраженный с поверхности испытуемого объекта 3 свет был направлен на оптический сенсор 4. В зависимости от вида исследований и испытуемого объекта 3 линзы могут быть установлены как вблизи поверхности испытуемого объекта 3, так и на значительном расстоянии от поверхности испытуемого объекта 3. Оптический сенсор 4соединен через интерфейс с компьютером 5 и выполнен в виде микросхемы, преобразующей световые сигналы в электрические. Блок фокусирующих линз 1 состоит из крайних собирающих линз 6, 8 и средней рассеивающей линзы 7 (фиг.2). Линзы 6, 8 выполнены выпукло-плоскими, линза 7 - плоско-вогнутая.
Датчик промышленно применим, поскольку он может многократно реализован с достижением одного и того же результата. Для его изготовления могут быть использованы стандартные детали и приборы.
Датчик работает следующим образом. В результате движения испытуемого объекта 3, свет будет отражаться с каждого участка перемещаемой поверхности испытуемого объекта 3. Световые импульсы преобразуются в электрические импульсы в оптическом сенсоре 4. Происходит это следующим образом: с помощью источника света 2 подсвечивается участок поверхности испытуемого объекта 3. Отраженный от этой поверхности свет, в свою очередь, собирается линзой 6, рассеивается линзой 7, вновь собирается линзой 8, с изменением масштаба, и попадает на оптический сенсор 4.
В отличие от прототипа оптический датчик может работать при отсутствии излучателя света 2. В данном случае для освещения перемещаемого объекта применяется внешнее освещение. Целесообразно в этом случае использовать мишень с контрастной поверхностью, установленную на испытуемый объект 3. Изменение положения средней линзы 7 позволяет менять фокусное расстояние, т.е. масштаб изображения. Изменение положения линз 6,8 позволяет изменить дистанцию фокусировки, тем самым, изменяя расстояние до исследуемого объекта.
Микросхема сенсора 4 по сути является процессором обработки изображений. На основании череды последовательных снимков оптический сенсор 4 высчитывает результирующие показатели, свидетельствующие о перемещении объекта вдоль осей Х и У, и передает результаты своей работы через интерфейс непосредственно в компьютер 5. Таким образом, при возникших в процессе испытания движениях объекта 3 выполняются снимки поверхности испытуемого объекта, т.е. снимки, получаемые под датчиком - преобразователем, которые регистрируются оптическим сенсором 4 и отображаются на мониторе компьютера 5.
Используя соответствующие программы, на мониторе можно получить диаграммы: перемещения - время; усилие - время и перемещение - перемещение, а обрабатывая их с помощью математических программ -характеристики исследуемых объектов. При этом непосредственная связь испытуемого объекта с компьютером через оптическую систему, когда исключены дополнительные механические передаточные элементы, значительно повышает чувствительность датчика к перемещениям различного рода, испытуемого объекта, а значит достоверность и точность исследований.
Применение блока фокусирующих линз дает возможность изменять пределы измерений, а также масштаб единичного шага перемещения, что позволило в несколько раз увеличить точность измерений
Для контроля точности возможна запись осциллограммы в соответствующих координатах в реальном масштабе времени, а также оценка точности измерений испытательных устройств с помощью компьютера при наличии специальных математических программ. Это дает возможность контролировать и выбирать оптимальные режимы исследуемых процессов и управлять, т.е. осуществлять обратную связь с исследуемым объектом (с исследуемой системой).
1. Датчик-преобразователь перемещений, включающий оптический сенсор, соединенный посредством интерфейса с компьютером, и систему фокусирующих линз, содержащую две собирающие линзы, отличающийся тем, что система фокусирующих линз дополнительно содержит рассеивающую плоско-вогнутую линзу, установленную между собирающими линзами, при этом собирающие линзы выполнены выпукло-плоскими, причем одна из них обращена выпуклой стороной к испытуемому объекту и установлена с возможностью фокусирования отраженного света с испытуемого объекта на плоскую сторону рассеивающей линзы, а вторая обращена выпуклой стороной к рассеивающей линзе и установлена с возможностью фокусирования прошедшего через рассеивающую линзу света на оптический сенсор.
2. Датчик-преобразователь перемещений по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника света для испытуемого объекта использован светодиод.
3. Датчик-преобразователь перемещений по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника света для испытуемого объекта использовано общее освещение.
4. Датчик-преобразователь перемещений по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника света для испытуемого объекта использован инфракрасный излучатель.
