Способ измерения перемещения объекта и устройство для его осуществления (варианты)

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.

Известен способ измерения перемещений путем освещения объекта пучком когерентного света, приема рассеянного света и обработки сигналов по схеме классического интерферометра [1, 2]. Однако метод достаточно сложен, может быть использован при измерении относительно небольших перемещений и не позволяет выполнять измерения в реальном масштабе времени, например, при определении траектории или изменяющихся координат объекта.

Известен способ измерения перемещений, заключающийся в том, что с объектом связывают отражающий элемент в виде вогнутого сферического зеркала, облучении объекта пучком света, приеме отраженного отражателем света [3]. Способ может быть использован для измерения только малых перемещений, а точность измерений существенно зависит от качества изготовления поверхности отражателя.

Наиболее близким к заявляемому является 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 [4].

Известное устройство для измерения перемещений объекта содержит отражающий элемент, связанный с объектом, источник когерентного света, регистрирующий блок, на который падает отраженный от отражателя луч [4].

Способ может быть использован только для определения малых перемещений. При этом точность определения перемещений определяется шириной отраженного луча и невысока, к тому же, величина измеренного перемещения зависит от расстояния до объекта.

Предлагаемое изобретение направлено на расширение диапазона и повышение точности измерения перемещений.

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения перемещений, заключающемся в том, что с объектом связывают отражающий элемент, направляют на него пучок света, принимают отраженное излучение, коэффициент отражения k отражающего элемента изменяют в направлении перемещения по формуле

где: k₀ и α - константы; х - координата точки отражающего элемента в направлении движения объекта, пучок света растягивают в прямую линию, перпендикулярную направлению движения и постоянной толщины, преобразуют отраженное излучение в электрический сигнал, измеряют его амплитуду U(t) в моменты времени t₁, t₂ и по измеренным значениям определяют величину перемещения d по формуле

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для осуществления способа измерения перемещения объекта, содержащем отражающий элемент, связанный с объектом, источник света и регистрирующий блок, отражающий элемент выполнен в виде световозвращающей поверхности, покрытой поглощающим свет слоем, например, в виде точек черной краски, среднее значение оптической плотности которого в направлении движения объекта изменяется по формуле

а на пути освещающего пучка установлен формирователь пучка в виде прямой линии постоянной толщины, например цилиндрическая линза.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для осуществления способа измерения перемещения объекта, содержащем отражающий элемент, связанный с объектом, источник света и регистрирующий блок, отражающий элемент выполнен в виде комбинации световозвращающей поверхности и светопоглощающей поверхности, окрашенной, например, в черный цвет, причем граница раздела поверхностей задается по формуле

где х, у - декартовы координаты, связанные с отражающей поверхностью, причем координата у выбрана в направлении, перпендикулярном направлению движения.

На фиг.1 приведена блок-схема устройства для осуществления предлагаемого способа. Способ измерения перемещения объекта осуществляется следующим образом.

На объекте закрепляется отражающий элемент, коэффициент отражения поверхности которого изменяется в направлении движения объекта по закону

Отражающий элемент освещается пучком света в виде прямой линии, перпендикулярной направлению движения и постоянной толщины, а отраженный сигнал воспринимается регистрирующим устройством. Измеряется амплитуда сигнала на выходе регистрирующего устройства, равная величине

где U₀ - коэффициент, пропорциональный величине излучаемого светового сигнала; k(r) - коэффициент, учитывающий расстояние от источника света до отражающего элемента.

При перемещении объекта на величину Δх в направлении, перпендикулярном световой линии, амплитуда сигнала на выходе регистрирующего устройства станет равной величине

Величина перемещения определяется по формуле

Таким образом, выбранный закон изменения коэффициента отражения на отражающем элементе позволяет устранить влияние расстояния до объекта на измеряемое перемещение. Диапазон измеряемого перемещения ограничивается только размерами отражающего элемента.

Выбор пучка света в виде прямой линии, перпендикулярной направлению движения и постоянной толщины, позволяет усреднить возможную неоднородность коэффициента отражения по отражающему элементу и повысить точность измерений.

Устройство (фиг.1) содержит отражающий элемент 1, вид которого представлен на фиг.2, связанный с объектом 2, источник света 3, формирователь пучка 4 и регистрирующий блок 5.

Отражающий элемент (фиг.2) выполнен в виде световозвращающей поверхности, покрытой поглощающим свет слоем, в виде точек черной краски. В качестве световозвращающей поверхности может быть использована световозвращающая пленка, например, типа "LJ Lacky Light 7000" или "Nikkalite 4305", отражающая свет в направлении, противоположном направлению падения. Выбор такого отражающего элемента позволяет повысить энергию принятого сигнала и повысить точность измерений.

Среднее значение оптической плотности отражающего элемента по линии, перпендикулярной направлению движения, задается количеством светопоглощающих черных точек, нанесенных на световозвращающую поверхность. Коэффициент отражения элемента в зависимости от координаты в направлении движения объекта изменяется по формуле

Амплитуда сигнала на выходе регистрирующего устройства пропорциональна среднему значению коэффициента отражения на линии падения светового пучка и поверхности и изменяется по формуле

Отражающий элемент, представлений на фиг.3, выполнен в виде комбинации световозвращающей поверхности и светопоглощающей поверхности, окрашенной, например, в черный цвет. Граница раздела этих поверхностей задается формулой

где х, y - декартовы координаты, связанные с отражающей поверхностью, причем координата у выбрана в направлении, перпендикулярном направлению движения объекта. Амплитуда сигнала на выходе регистрирующего устройства пропорциональна длине участка световозвращающей поверхности на линии падения светового пучка и изменяется по формуле

Устройство работает следующим образом. Пучок света от источника 3 проходит через формирователь светового пучка 4 и падает на отражающий элемент 1, установленный на движущемся объекте 2. Световое излучение с линии падения пучка возвращается на блок приема и регистрации 5, установленный вблизи источника света. Блок (фиг.4) выполнен из последовательно установленных фотоприемника 1, усилителя 2, аналого-цифрового преобразователя 3, цифровой сигнал с выхода которого поступает на блок вычисления перемещений и индикации результата 4, в качестве которого может быть выбрана ПЭВМ, где по формуле (8) производится вычисление значения перемещения объекта.

Таким образом, предложенный способ и устройство позволяют определить перемещение объекта, причем диапазон измеряемого перемещения ограничивается только размерами отражающего элемента. Предложенное техническое решение обеспечивает высокую точность измерений и независимость результата от расстояния до объекта.

Источники информации

1. Патент ЕР 0316093 А 2.

2. Патент US 006134006 A, G 01 В 9/02.

3. Патент РФ 2164662, G 01 В 11/00.

4. А.С. СССР 847017, G 01 В 11/00.

1. Способ измерения перемещения объекта, заключающийся в том, что с объектом связывают отражающий элемент, направляют на него пучок света, принимают отраженное излучение, отличающийся тем, что коэффициент отражения k отражающего элемента изменяют в направлении перемещения по формуле

где k₀ и α - константы;

х - координата точки отражающего элемента в направлении движения объекта,

пучок света растягивают в прямую линию постоянной толщины, перпендикулярную направлению движения, преобразуют отраженное излучение в электрический сигнал, измеряют амплитуду отраженного сигнала U(t) в моменты времени t₁ и t₂, по измеренным величинам определяют величину перемещения d по формуле

2. Устройство для осуществления способа измерения перемещения объекта, содержащее отражающий элемент, связанный с объектом, источник света и регистрирующий блок, отличающееся тем, что среднее значение оптической плотности отражающего элемента в направлении движения объекта изменяется по формуле

а на пути освещающего пучка установлен формирователь пучка в виде прямой линии постоянной толщины, например цилиндрическая линза.

3. Устройство для осуществления способа измерения перемещения объекта, содержащее отражающий элемент, связанный с объектом, источник света и регистрирующий блок, отличающееся тем, что отражающий элемент выполнен в виде комбинации световозвращающей поверхности и поверхности, покрытой поглощающим свет слоем, окрашенной в черный цвет, причем граница раздела поверхностей задается по формуле

y = e^-αх,

где х, y - декартовы координаты, связанные с отражающей поверхностью, причем координата y выбрана в направлении, перпендикулярном направлению движения.