Устройство для измерения расстояний до объекта

(51)5 6 01 В 21/О ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ВИДЕТЕЛЪСТВУ К АВТОРСКО им. ог).е иэсти и с,15 РАСизмеия явовое иэлу(21) 4808673/28(56) Авторское свидетельство СССРВ 983453, кл, 6 01 В 11/00, 1982 (аналЖилин В.Г, Волоконно-оптическимерительные преобразователи скородавления. М., Энергоатомиздат, 1987(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯСТОЯНИЙ ДО ОБЪЕКТА(57) Изобретение относится к областирительной техники, Целью изобретенляется по вы ш ение точности. Светизлучение от источника 1 с помощью Ы 2, 1779918 А чающего световода 2 направляется по нормали к светоотражающей поверхности 3 объекта. Отраженное излучение попадает в приемные световоды 4, 5, 6 и 7, на их выходе фиксируется соответствующими фотоприемниками 8, 9, 10 и 11, полученные информационные сигналы поступают в электронный тракт для обработки и вычисления искомого расстояния. Наличие четырех приемных световодов 4, 5, 6 и 7, оптические оси которых равноудалены от оптической оси излучающего световода 2, а плоскости торцов смещены относительно плоскости торца последнего на расстояния, соответственно О,-А А 2 Ь где Ь-фиксиро- . ванная величина, позволяет реализовать с помощью операций алгебраического сложения и деления, обработку сигналов, при ко1779918 10 15 20 25 30 35 45 торой результат измерения определяется не абсолютными значениями сигналов на выходах фотоприемников 8, 9, 10 и 11, а их разностями, что обеспечивает независимость результата измерений от дестабилизирующих Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения расстояний до различных объектов бесконтактным способом.Известно устройство для контроля перемещений объекта, содержащее установленные последовательно осветитель, объектив, диафрагму, связываемую с объектом; обтюратор, содеркащий два светофильтра, фотоприемник и электронный блок.Недостатком данного устройства является необходимость располагать фотоприемник за объектом измерения, что не всегда. возможно. Реализуемая в устройстве отстройка от влияния температуры на результат измерений позволяет использовать в качестве излучателей света только излучатели типа лампы накаливания, для которых справедлив закон Вина, Это не дает возможности отстроиться от влияния температуры для современных полупроводниковых излучателей - фотодиодов, полупроводниковых лазеров и т,д.Известно также устройство для измерения расстояний для объекта, содержащее осветительный и приемный световоды, связанные соответственно с источником излучения и фотоприемником, входные торцы которых располокен ы параллельно отражающей свет поверхности объекта, расстояние до которого измеряется, По величине сигнала фотоприемника 0 и по функциональной зависимости 0 = 1(1), которая получена при некоторых начальных значениях мощности излучателя света, чувствительности фотоприемника и коэффициента отражения от отражающей поверхности, определяют величину расстояния до объекта,Это устройство имеет следующие недостатки, Во-первых, в результате воздействия мешающих факторов например, изменение тока через источник излучения, старение и т.д,), может изменятьсл мощность источника излучения. Это приводит к ошибке в определении величины . Во-вторых, коэффициент отражения от отражаюфакторов, связанных с временной, температурной, т.е. нестабильностью параметров источника 1 и отражающих свойств поверхности 3, чем и достигается положительный эффект в виде повышения точности. 1 ил. щей свет поверхности объекта является различным для различных объектов. Это зависит от типа материала и чистоты обработки поверхности. Очень существенным является то, что коэффициент отражения может изменяться со временем (запыление поверхности, окисление в неблагоприятной среде или под действием повышенных температур), а это, в свою очередь, также приводит к погрешности при определении величины 1. Таким образом, влияние всех вышеперечисленных факторов на результат измерений, которые не учитываются в устройстве, приводит к погрешности в определении величины 1. Цель изобретения - повышение точности за счет устранения влияния мешающих факторов, приводящих к изменению мощности источника. света и изменению коэффициента отражения света от отражающей поверхности объекта.Поставленная цель достигается тем, что известное устройство, содержащее источник светового излучения, излучающий и приемный световоды, торцы которых расположены в плоскости, параллельной светоотражаю щей поверхности объекта, и фотоприемник, согласно изобретению, снабжено вторым, третьим и четвертым приемными световодами, плоскости торцов которых параллельны плоскости торцов излучающего и первого приемного световодов и смещены относительно нее на рассто-. яния, соответственно, - Ь 4 2 Ь, где Ь- фиксированная величина, а оптические оси приемных световодов находятся на одинаковом расстоянии отоптической оси излуча- . ющего, вторым, третьим и четвертым фотоприемниками, оптически связанными с 40 одноименными приемными световодами,. четырьмя усилителями, входы которых соединены, соответственно, с выходами одноименных фотоприемников, четырьмя блоками вычитания, первый и второй входы первого блока вычитания соединены, соответственно, с выходами первого и третьесо усилителей, первый вход второго блока вычитания объединен с одноименным входом первого блока вычитания, второй вход соединен с выходом второго усилителя, первый вход третьего блока вычитания объединен со вторым входом второго блока вычитания, второй вход соединен с выходом четвертого усилителя, блоком сложения, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с выходами первого и второго блоков вычитания, масштабным преобразователем, вход которого объединен с первым входом блока сложения, выход соединен с первым входом четвертого блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом третьего блока вычитания, блоком деления, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с выходами блока сложения и четвертого блока вычитания, и блоком индикации, вход которого соединен с выходом блока деления.Сог 1 оставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков: трех дополнительных фотоприемников, трех дополнительных приемных световодов, четырех усилителей, четырех блоков вычитания, блока сложения, масштабного преобразователя, блока деления и блока индикации и их связями с остальными элементами устройства.Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что введение новых блоков в указанной связи с остальными блоками в заявляемое устройство для измерения расстояний до объекта позволяет устранить влияние на результат измерений величин коэффициента отражения светоотражающей поверхности объекта, мощности излучения источника излучения, а также изменения этих величин в процессе измерения в результате воздействия дестабилизирующих факторов. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".На чертеже представлена структурная схема устройства для измерения расстояний до объекта,Устройство для измерения расстояний до объекта содержит источник 1 светового излучения, излучающий световод 2, светоотражающую поверхность 3 объекта, расстояниедо которого измеряется, первый, второй, третий и четвертый приемные световоды 4, 5, 6 и 7 соответственно, торцы которых параллельны светоотражающейповерхности 3. Торцы световодов 5, 6 и 7 смещены откосительно торцов излучающего и первого приемного световодов 2 и 4 на фиксированные расстояния, соответственно, - Л Ь 2 Ь, Оптические оси световодов 4, 5, 6 и 7 находятся на одинаковом рассто 50 5 10 15 20 25 30 35 40 45 янии от оптической оси световода 2, Устройство содержит также четыре фотоприемника 8, 9, 10 и 11, оптически связанных с одноименными приемными све 1 оводами 4, 5, 6 и 7 соответственно, четыре усилителя 12, 13, 14 и 15, входы которых соединены, соответственно, с выходами одноименных фотоприемников 8, 9, 10 и 11, четырьмя блоками 16, 17, 18 и 19 вычитания. Первый и второй входы первого блока 16 вычитания соединены, соответственно, с выходами первого и третьего усилителей 12 и 14. Первый вход второго блока 17 вычитания объединен с одноименным входом первого блока 16 вычитания, а второй вход соединен с выходом второго усилителя 13. Первый вход третьего блока 18 вычитания объединен со вторым входом второго блока 17 вычитания, а второй вход соединен с выходом четвертого усилителя 15, Устройство снабжено также блоком 20 сложения, первый и второй входы которого соединены, соответственно, с выходами первого и второго блоков 12 и 13 вычитания, масштабным преобразователем 21, вход которого объединен с первым входом блока 20 сложения, а выход соединен с первым входом четвертого блока 19 вычитания, второй вход блока 19 соединен с выходом третьего блока 18 вычитания, блоком 22 деления и блоком 23 индикации. Первый и второй входы блока 22 деления соединены соответственно с выходами блока 20 сложения и четвертого блока 19 вычитания,а вход блока 23 индикации соединен с выходом блока 22 деления,Устройство работает следующим образом.С помощью источкика излучения 1 и излучающего световода 2 освещается отражающая поверхность 3 объекта контроля. Часть отраженного от поверхности 3 света в соответствии с диаграммой направленности излучающего световода 2 через приемные световоды 4, 5, 6 и 7 попадает, соответственно, на фотоприемники 8, 9, 10 и 11 и детектируется ими. Сигналы с выходов фотоприемников 8, 9, 10 и 11 усиливаются, соответственно, в усилителях 12, 13, 14 и 15 с переменными коэффициентами усиления (коэффициентами передачи). На выходах усилителей 12, 13, 14 и 15 в соответствии с выражением для функции преобразования волококно-оэтических преобразователей рефлектометрического типа сформируются, соответственно, сигналы 01 02,0 ЗИО 4:01=со + с 1 + сз,О 2 = со + с 1( - Ь) + сз( - Ь) ,Оз = со + с 1( + Л) + сз( + л)".Ол = со+ с 1+ 2 Ь)+ сз(+2 Ь),где со =. ЕВКао, с 1 = Е,ВКа 1, сз - ЕиВКаз -коэффициенты,- измеряемое расстояние до объекта;Ь - фиксированная величина сдвигаторцов приемных световодов друг относительно друга;Еи - величина мощности излучения источника 1;В - коэффициент отражения поверхности объекта контроля,К - коэффициент передачи последовательно соединенных приемного световода,фотоприемника и усилителя,ао, а 1, аз - коэффициенты преобразования.Добиваться строгого совпадения параметров световодов 4, 5, 6 и 7, а также фотоприемников 8, 9, 10 и 11 не требуется, таккак эквивалентности величин К в четырехканалах измерения можно достигнуть, регулируя коэффициент усиления усилителей12, 13, 14 и 15.На выходах первого, второго и третьегоблоков вычитания 16, 17 и 18 появляютсясигналы 31, Я 2, Яз, величины которых соответственно равны31 = 0 - 01 = с 1 Ь+ Зсз 2 Ь+ ЗсзЬ 2++ 9 сз ЬМасштабный преобразователь 21 имеет коэффициент преобразования, равный трем,поэтому на выходе четвертого блока 19 вычитания сформируется сигналЯа = Яз - 331 = 6 сз Ь .Величина сигнала Я 5 на выходе блока 20сложения составляетЯ 5 = 31+ Яг = 6 сз Ь,С выхода блока деления 22 снимается сигнал 3, величина которого равна35 6 сзЬ34 6 сз ЬзСигнал Я = / Ь, величина которого не зависит от величин коэффициентов со. с и сз, поступает в блок индикации 23, который с учетом множителя 1 И регистрирует измеряемую величину .Повышение точности измерения расстояниядо объекта контроля в предлагаемом устройстве достигается за счет независимости результата измерений от величин коэффициентов К, В, ао, а 1, аз и от величины мощности Е излучения источника 1, а также от изменения этих величин с5 10 15 течением времени и под действием дестабилизирующих факторов, Так, например, при изменении коэффициента отражения В от поверхности 3 в результате запыления поверхности или изменения мощности Еи иэлучения источника 1 в результате изменения величины тока, питающего источник, под действием температуры величины Оз - 01, 02 - 01, Оа - 02 изменяются в одинаковое число раз, а величина Я остается при этом постоянной, т.е. коэффициент отражения В и мощность Еи излучения источника не влияют на результат измерения расстояниядо объекта. Формула изобретения Устройство для измерения расстояний до объекта, содержащее источник светового излучения, излучающий и приемный свето- воды, торцы которых расположены в плоскости, параллельной светоотражающей поверхности обьекта, и фотоприемник, о тл ич а ю ще еся тем,что,с целью повышения точности, оно снабжено вторым, треть-. им и четвертым приемными световодами, плоскости торцов в которых параллельны плоскости торцов излучающего и первого приемного световодов и смещены относительно нее на расстояния, соответственно, - Ь,Ь,2 Ь, где Ь -фиксированная величина, а оптические оси приемных световодов находятся на одинаковом расстоянии от оптической оси излучающего, вторым, третьим и четвертым фотоприемниками, оптически связанными с одноименными приемными световодами, четырьмя усилителями, входы которых соединены соответственно с выходами одноименных фотоприемников, четырьмя блоками вычитания, первый и второй входы первого блока вычитания соединены соответственно с выходами первого и третьего усилителей, первый вход второго блока вычитания объединен с одноименным 20 25 ЗО 35 40 45 50 55 входом первого блока вычитания, второйвход соединен с выходом второго усили-" теля, первый вход третьего блока вычитания объединен с вторым входом второго блока вычитания, второй вход соединен с выходом четвертого усилителя, блоком сложения, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходами первого и второго блоков вычитания, масштабным преобразователем, вход которого объединен с первым входом блока сложения, выход соединен с первым входом четвертого блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом третьего блока вычитания, блоком деления, первый и второй входы которого соединены соответ1779918 10 Составитель Н. ЛимановаРедактор С, Кулакова Техред М.Моргентал Корректор А. Мотыль Заказ 4428 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 ственно с выходами блока сложения и четвертого блока вычитания, и блоком индикации, вход которого соединен с выходом блока деления.