устройство для измерения расстояния до различных точек поверхности объекта

Формула изобретения

1. Устройство для измерения расстояния до различных точек поверхности объекта, содержащее возбудитель акустической эмиссии, приемник акустического излучения, выполненный на трех микрофонах, закрепленных в вершинах треугольника, стороны которого образованы жесткими стержнями, формирователь переднего фронта импульса, а также трехканальный электронный блок, каждый канал которого подключен к общим интерфейсу и ЭВМ и содержит последовательно соединенные полосовой усилитель, компаратор, счетчик измерителя временных интервалов, отличающееся тем, что возбудитель акустической эмиссии выполнен в виде электроискрового щупа с генератором высоковольтных импульсов и с блоком управления, причем выход Запуск блока управления соединен с входом формирователя переднего фронта импульса, выход которого соединен параллельно с входами счетчиков измерителя временных интервалов и с входом линии регулируемой задержки переднего фронта импульса, выход которой соединен с управляющими входами трех электронных ключей, включенных последовательно в каждый из каналов электронного блока между полосовым усилителем и компаратором.

2. Устройство для измерения расстояния по п.1, отличающееся тем, что высоковольтный электрод электроискрового щупа утоплен в изоляционной головке на глубину порядка 7 мм, причем головка выполнена в форме конуса.

3. Устройство для измерения расстояния по п.1, отличающееся тем, что генератор высоковольтных импульсов размещен в рукоятке щупа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области метрологии, в частности к средствам измерения расстояний и формы объектов, и может быть использовано в различных отраслях промышленности, например, в судостроении, машиностроении, строительстве и т.д.

Известно устройство измерения расстояния до поверхности объекта, выбранное за прототип и содержащее лазер, приемник акустического излучения, выполненный на трех микрофонах, закрепленных в вершинах треугольника, стороны которого образованы жесткими стержнями, последовательно соединенные приемник оптического излучения и формирователь переднего фронта импульса, а также трехканальный электронный блок, каждый канал которого включает последовательно соединенные полосовой усилитель, компаратор, счетчик измерителя временных интервалов и подключен к общим интерфейсу и ЭВМ (см. патент РФ 2139497, кл. G 01 B 17/00, G 01 S 15/00, 1999).

Недостатками указанного устройства являются низкая помехозащищенность и низкая надежность при работе в цеховых условиях машиностроительного завода, что было выявлено авторами при производственных испытаниях экспериментального образца, выполненного по схеме прототипа.

При работе указанного устройства синхронно с облучением измеряемого объекта лазером приемник оптического излучения совместно с формирователем переднего фронта импульса подают стартовый сигнал на счетчики измерителя временных интервалов, которые должны остановить свою работу после приема микрофонами акустического приемника ультразвукового сигнала от облученной лазером точки поверхности объекта через временной интервал



где L - расстояние от микрофона до облучаемой точки,

С - скорость ультразвука в воздухе.

Однако в течение временного интервала t, составляющего для реального образца измерительной аппаратуры длительность около 0,01 с, раньше может поступить на микрофон индустриальная акустическая помеха, вызванная работой, например, пневмо- или электроинструмента, утечками из пневматической магистрали, электросваркой, работой станков и др. оборудования. В результате ЭВМ устройства будет регистрировать меньшие расстояния, чем истинные, от точек поверхности измеряемого объекта до микрофонов.

Кроме того, акустическую помеху может создавать и сам лазер, находящийся в пространстве между объектом и приемником акустического излучения, так как по технологическим причинам его нежелательно удалять от объекта более чем на 3 метра (из-за ослабления теплового воздействия лазерного луча на облучаемую точку).

Испытания устройства-прототипа показали, что из-за его низкой помехозащищенности каждую точку поверхности измеряемого объекта требуется облучать многократно для возможности статистической обработки результатов измерений с выбраковкой не менее 50% зарегистрированных значений. Такой режим работы снижает эксплуатационный ресурс лазера, заставляет регулярно производить его дорогостоящий профилактический ремонт, что в целом снижает надежность устройства контроля.

Задачей заявляемого устройства является создание более надежной измерительной аппаратуры, одновременно с ее упрощением и удешевлением. Указанная задача достигается за счет технического результата, который выражается в повышении помехозащищенности и надежности устройства для измерения расстояний.

Сущность предлагаемого технического решения выражается совокупностью существенных признаков, достаточной для достижения указанного технического результата, и выполняется в виде устройства для измерения расстояний до различных точек поверхности объекта, содержащего возбудитель акустической эмиссии в точках поверхности объекта, приемник акустического излучения, выполненный на трех микрофонах, закрепленных в вершинах треугольника, стороны которого образованы жесткими стержнями, формирователь переднего фронта импульса, а также трехканальный электронный блок, каждый канал которого подключен к общим интерфейсу и ЭВМ и содержит последовательно соединенные полосовой усилитель, компаратор, счетчик измерителя временных интервалов, но в то же время возбудитель акустической эмиссии выполнен в виде электроискрового щупа с генератором высоковольтных импульсов и с блоком управления, причем выход "Запуск" блока управления щупа соединен с входом формирователя переднего фронта импульса, выход которого соединен параллельно с входами счетчиков измерителя временных интервалов и с входом линии регулируемой задержки переднего фронта импульса, выход которой соединен с управляющими входами трех электронных ключей, включенных последовательно в каждый из каналов электронного блока между полосовым усилителем и компаратором.

Кроме того, в изобретении предлагаются два частных решения, направленных на повышение надежности устройства, в одном - высоковольтный электрод электроискрового щупа утоплен в изоляционной головке на глубину порядка 7 мм, причем головка выполнена в форме конуса, а согласно другому - генератор высоковольтных импульсов размещен в рукоятке щупа.

На чертеже представлен возбудитель акустической эмиссии вместе с функциональной схемой предложенного устройства.

На чертеже изображены замеряемый металлический заземленный объект 1, электроискровой щуп 2, в состав которого входят высоковольтный электрод 3, утопленный в изоляционной конусной головке, генератор высоковольтных импульсов 4 и блок управления 5, приемник акустического излучения 6, выполненный на микрофонах 7, 8, 9, закрепленных в вершинах треугольника, формирователь переднего фронта импульса 10, усилительный блок 11, содержащий три полосовых усилителя 12, 13, 14, блок электронных ключей 15, содержащий открываемые управляющим импульсом электронные ключи 16, 17, 18, компараторный блок 19, выполненный на трех компараторах 20, 21, 22, измеритель временных интервалов 23, выполненный на трех счетчиках 24, 25, 26, интерфейс 27, ЭВМ 28, линию регулируемой задержки переднего фронта импульса 29 с переключателем установки заданного значения времени задержки 30.

Устройство работает следующим образом.

Вершина изоляционной конусной головки щупа 2 с утопленным в ней высоковольтным электродом 3 прижимается к измеряемой точке поверхности объекта 1 и на блоке управления 5 нажимается пусковая кнопка. Включается высоковольтный генератор 4, который формирует электрический импульс напряжением около 30 киловольт, вызывающий электрический пробой воздушного промежутка длиной около 7 мм во внутреннем канале изоляционной головки между электродом 3 и измеряемой точкой поверхности объекта. Под воздействием электрической искры в этой точке возникает акустическая эмиссия и звуковая волна начинает распространяться в окружающем воздушном пространстве. Синхронно с инициированием звуковой волны пусковой сигнал от блока управления щупом 5 через формирователь переднего фронта импульса 10 подается на соответствующие входы "Запуск" измерителя временных интервалов 23.

Акустические сигналы от измеряемой точки приходят на микрофоны 7, 8, 9 приемника акустического излучения 6. Эти сигналы преобразуются в микрофонах в электрические и через соответствующие полосовые усилители 12, 13, 14 передаются на входы электронных ключей 16, 17, 18 блока 15. До прихода полезного сигнала от микрофонов эти ключи в течение времени t находятся в запертом состоянии, не пропуская приходящие ранее сигналы от индустриальных акустических помех, предотвращая преждевременное окончание работы счетчиков 24, 25, 26 измерителя временных интервалов 23, обеспечивая таким образом режим "молчания" измерительной аппаратуры.

Пусковой сигнал с выхода формирователя переднего фронта импульса 10 подается на вход линии регулируемой задержки переднего фронта импульса 29 и задержанный там на время t до прихода полезного сигнала пусковой сигнал затем подается на управляющие входы запертых электронных ключей и открывает их. Значение времени t устанавливается в линии задержки для каждой конкретной операции измерения объекта с помощью переключателя 30, а определяется по формуле



где L_min - минимальное расстояние между микрофоном акустического приемника и близлежащей точкой поверхности объекта,

С - скорость звука в окружающем объект воздушном пространстве.

Через открытые ключи полезные сигналы передаются на входы компараторов 20, 21, 22 порогового блока 19. С выходов компараторов сигналы поступают на входы "Останов" соответствующих счетчиков 24, 25, 26.

Измеритель временных интервалов 23 определяет интервалы времени t₁, t₂, t₃ - между возникновением электроискрового разряда в точке поверхности объекта 1 и акустическим сигналом, попадающим на микрофоны 7, 8, 9.

По специальной программе ЭВМ 28 вычисляет сначала расстояния между объектом 1 и каждым из микрофонов 7, 8, 9 по формуле:

l₁=t₁С;

L₂=t₂С;

L₃=t₃С,

где С - скорость звука;

L₁, L₂, L₃ - расстояния от соответствующей точки поверхности объекта 1 до микрофонов 7, 8, 9, а затем и координаты измеряемых точек поверхности объекта.

Таким образом, благодаря использованию линии задержки пускового сигнала, открывающей электронные запертые ключи и весь измерительный канал только перед моментом прихода полезного сигнала от микрофонов, существенно повышается помехозащищенность предлагаемого устройства, а использование в качестве возбудителя акустических сигналов высоковольтного электроискрового щупа вместо лазера позволяет получить следующие преимущества:

- электроискровой щуп является более простым и надежным компонентом комплекта измерительной аппаратуры по сравнению с переносным моноимпульсным лазером, используемым в прототипе и в то же время выполняет все функции лазера в данном устройстве;

- стоимость импортного переносного моноимпульсного лазера (наша промышленность в настоящее время таких не производит) порядка $ 6000 США, что намного больше стоимости изготовления электроискрового щупа - не более $ 500,0 США;

- электроискровой щуп может быть изготовлен собственными силами потенциального производителя предлагаемого устройства;

- электроискровой щуп с напряжением импульса 30 киловольт инициирует акустические сигналы большей мощности, чем переносной лазер, что позволяет увеличить расстояние от объекта до акустического приемника и обеспечить измерение объектов больших габаритов.

Опытный экземпляр устройства для измерения расстояний согласно предлагаемому техническому решению изготовлен в рамках НИР "Вертикаль", проводимой ЦНИИ ТС по заданию Миннауки, и испытан в условиях промышленного производства.