оптический прогибомер

Формула изобретения

1 1. Оптический прогибомер, содержащий последовательно расположенные объектив, образующий два оптических канала призменный блок, установленные в каждом из каналов визирные цели, отличающийся тем, что прогибомер снабжен излучателем, установленным перед объективом на его оптической оси, двумя оптическими компенсаторами, каждый из которых установлен между призменным блоком и визирной целью в соответствующем оптическом канале, двумя двигателями отработки, двумя датчиками перемещения, двумя устройствами управления, вычислительным устройством и тремя индикаторами, а каждая из визирных целей выполнена в виде позиционно-чувствительной регистрирующей системы, при этом каждый из компенсаторов механически соединен с соответствующим двигателем отработки и соответствующим датчиком перемещения, выход каждой из позиционно-чувствительных регистрирующих систем через устройство управления соединен с соответствующим двигателем отработки, выход каждого из датчиков перемещения с соответствующим входом вычислительного устройства и соответствующим индикатором, а выход вычислительного устройства с третьим индикатором. 2 2. Прогибомер по п.1, отличающийся тем, что каждая из позиционно-чувствительных регистрирующих систем выполнена в виде объектива и расположенного в его фокальной плоскости приемника оптического излучения, а излучатель выполнен в виде прямоугольной отражательной призмы, двух источников излучения с различающимися параметрами излучения и модулятора излучения, причем ребро призмы, образованное катетными отражающими гранями, перпендикулярно оптической оси объектива, источники излучения расположены симметрично относительно отражающих граней призмы, а каждый из источников соединен с соответствующим выходом модулятора.2 3. Прогибомер по п.1, отличающийся тем, что вычислительное устройство содержит суммирующее устройство и делитель, причем выход суммирующего устройства соединен со входом делителя, а входы суммирующего устройства и выход делителя являются соответственно входами и выходом вычислительного устройства.2 4. Прогибомер по п.1, отличающийся тем, что оптический компенсатор каждого из каналов выполнен в виде последовательно расположенных положительной и отрицательной линз, причем положительная линза установлена с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном оптической оси.2 5. Прогибомер по п.1, отличающийся тем, что каждый из датчиков перемещения выполнен в виде многооборотного потенциометра.2 6. Прогибомер по п.2, отличающийся тем, что источники излучения выполнены в виде светодиодов, модулятор излучения выполнен в виде генератора напряжения из двух делителей частоты с различными коэффициентами пересчета, причем выход генератора соединен с входами делителей частоты, а их выходы являются выходами модулятора, а каждое из устройств управления выполнено в виде двух фильтров, двух детекторов и вычитающего устройства, причем выход каждого из фильтров соединен со входом соответствующего детектора, выход каждого из детекторов с соответствующим входом вычитающего устройства, а входы фильтров и выход вычитающего устройства являются соответственно входом и выходом устройства управления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к области оптических приборов для дистанционного бесконтактного контроля и измерения пространственного положения частей протяженного объекта при его деформациях.

Оно может быть использовано как измерительное устройство в машиностроении, строительстве, самолето- и судостроении.

Известен электрический доковый прогибомер ПЭД (ТУ ОСТ В5.8441-76), содержащий задатчик базового направления в виде металлической штанги, длиной не более 1 м, позиционно-чувствительную регистрирующую систему в виде индукционного преобразователя, выдающего электрический сигнал при деформации корпуса дока относительно измерительной базы (штанги), аналоговое вычислительное устройство для обработки сигнала индуктивного датчика и индикатор.

Малая длина измерительной базы не позволяет регистрировать прогиб всего дока, а дает возможность измерять лишь местные деформации дока в пределах базы. Увеличение длины механической базы ограничивается ее нестабильностью вследствие малой жесткости и влияния внешних механических и температурных воздействий. Установка нескольких ПЭД по всей длине дока, достигающей несколько сотен метров, тоже не позволяет определить общий прогиб, так как не решена задача увязки положения без в различных ПЭД.

Известен также оптический прогибомер (а.с. N 346573, кл. G 01 B 11/16, БИ N 23 1972 г.), который позволяет регистрировать деформации дока длиной до нескольких сотен метров. Этот оптический прогибомер по совокупности признаков является наиболее близким к предполагаемому изобретению устройством и принят за прототип. Он содержит задатчик базового направления в виде последовательно расположенных окуляра, объектива и образующего два оптических канала призменного блока, а также установленные в каждом из каналов визирные цели в виде пластин со шкалами. Визирные цели устанавливаются в контролируемых точках (на носу и корме) дока, а задатчик базового направления между контролируемыми точками (в посту управления). Задатчик создает протяженную оптическую измерительную базу в виде двух визирных линий. Отсчет величины прогиба (носа и кормы относительно поста управления) производится визуально по наблюдаемым одновременно в поле зрения окуляра шкалам обеих визирных целей.

Оптический прогибомер имеет низкую точность измерений, обусловленную влиянием условий наблюдения и субъективностью измерений, не позволяет контролировать деформации носа и кормы дока по отдельности и использовать прогибомер в качестве датчика аварийной сигнализации и автоматической системы выравнивания дока. Это вызвано отсутствием в прогибомере электрических сигналов, связанных с величинами деформаций в контролируемых точках.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании прогибомера, позволяющего повысить точность изменений, а также контролировать деформации носа и кормы дока по отдельности и использовать прогибомер в качестве датчика аварийной сигнализации и автоматической системы выравнивания.

Указанная задача решается при осуществлении изобретения за счет достижения технического результата, заключающегося в получении электрических сигналов, связанных с величинами деформаций объекта в контролируемых точках.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что оптический прогибомер содержит последовательно расположенные объектив, образующий два оптических канала, призменный блок, установленные в каждом из каналов визирные цели, перед объективом на его оптической оси установлен излучатель, между призменным блоком и визирными целями установлены оптические компенсаторы, при этом каждый из компенсаторов механически соединен с соответствующим двигателем отработки и соответствующим датчиком перемещения, а каждая из визирных целей выполнена в виде позиционно-чувствительной регистрирующей системы, при этом выход каждой системы через устройство управления соединен с вышеупомянутым двигателем отработки, выход каждого из датчиков перемещения с соответствующим входом вычислительного устройства и соответствующим индикатором, а выход вычислительного устройства с третьим индикатором.

Частные случаи выполнения оптического прогибомера характеризуются следующими признаками.

Излучатель выполнен в виде прямоугольной отражательной призмы, причем ее ребро, образованное катетными отражающими гранями, перпендикулярно оптической оси объектива, двух источников излучения с различающимися параметрами излучения, расположенных симметрично относительно отражающих граней призмы, и модулятора излучения, причем каждый из источников соединен с соответствующим выходом модулятора, а каждая из позиционно-чувствительных регистрирующих систем выполнена в виде объектива и расположенного в его фокальной плоскости приемника оптического излучения.

Вычислительное устройство содержит суммирующее устройство и делитель, причем входы суммирующего устройства соединены с выходами соответствующих датчиков перемещения, выход суммирующего устройства со входом делителя, а выход усилителя с третьим индикатором.

Оптический компенсатор каждого из каналов выполнен в виде последовательно расположенных положительной и отрицательной линз, причем положительная линза установлена с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном оптической оси, и механически связана с двигателем отработки и датчиком перемещения.

Каждый из датчиков перемещения в каждом из описанных компенсаторов выполнен в виде многооборотного потенциометра, механически связанного с положительной линзой оптического компенсатора, а выход каждого из потенциометров соединен с соответствующим входом вычислительного устройства.

Источники излучения в описанном излучателе выполнены в виде светодиодов, модулятор излучения выполнен в виде генератора напряжения и двух делителей частоты с различными коэффициентами пересчета, причем выход генератора соединен со входами делителей частоты, а выход каждого из делителей с соответствующим светодиодом, каждое из устройств управления, в этом случае, выполнено в виде двух фильтров, двух детекторов и вычитающего устройства, причем входы фильтров соединены с выходом приемника оптического излучения, выход каждого из фильтров со входом соответствующего детектора, выход каждого из детекторов с соответствующим входом вычитающего устройства, выход вычитающего устройства с соответствующим двигателем отработки.

Изложенная совокупность существенных признаков предполагаемого изобретения позволяет достичь требуемого технического результата и решить поставленную задачу. Наличие излучателя дает возможность создать в оптических каналах измерительную базу в виде пучков излучения, позиционно-чувствительные регистрирующие системы выработать электрический сигнал при смещении систем относительно базы, оптические компенсаторы с двигателями отработки и датчиками получить электрические сигналы, которые пропорциональны смещению систем и могут использоваться для точного измерения деформации носа и кормы дока по отдельности, управлять аварийной сигнализацией и автоматической системой выравнивания дока. Вычислительное устройство позволяет измерить прогиб по деформациям носа и кормы дока. Объективность и высокая чувствительность позиционно-чувствительной регистрирующей системы дает возможность повысить точность измерений.

Приведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что авторами не обнаружено устройство, характеризующееся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого устройства, а по отношению к техническому результату выявлена совокупность отличительных существенных признаков. Следовательно, заявляемое устройство соответствует требованию новизны.

Для проверки соответствия заявляемого устройства требованию изобретательского уровня был проведен дополнительный поиск известных решений для выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения.

Результаты этого поиска показывают, что заявляемое устройство не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена структурная схема прогибомера, на фиг.2,а структурная cхема излучателя, на фиг. 2, б структурная схема позиционно-чувствительной регистрирующей системы, на фиг.3 структурная схема вычислительного устройства, на фиг.4 схема оптического компенсатора, на фиг.5 кинематическая схема связи датчика перемещения с линзой компенсатора, на фиг.6,а структурная схема излучателя со светодиодами, на фиг.6,б структурная схема устройства управления, на фиг.7 принципиальная электрическая схема вычислительного устройства.

Оптический прогибомер (фиг.1) состоит из последовательно расположенных объектива 1, создающего два оптических канала призменного блока 2 и установленных в каждом из каналов визирных целей 3 и 3". Перед объективом 1 на его оптической оси установлен излучатель 4. Между призменным блоком 2 и визирными целями 3 и 3" установлены оптические компенсаторы 5 и 5". Каждый из компенсаторов 5 (5") механически соединен с соответствующим двигателем отработки 6 (6") и соответствующим датчиком перемещения 7 (7"). Каждая из визирных целей 3 (3") выполнена в виде позиционно-чувствительной позиционной системы. Выход каждой системы 3 (3") через устройство управления 8 (8") cоединен с двигателем отработки 6 (6"). Выход каждого из датчиков перемещения 7 (7") соединен с соответствующим входам вычислительного устройства 9 и индикатором 10 (10"). Выход вычислительного устройства соединен с третьим индикатором 11.

В частных случаях элементы прогибомера выполняются следующим образом.

Излучатель 4 (фиг.1), расположенный перед объективом 1 (фиг.2а) на его оптической оси, состоит из прямоугольной отражательной призмы 12, двух источников излучения 13 и 13" с различающимися параметрами излучения и модулятора излучения 14. Отражательная призма 12 установлена так, что ее ребро, образованное катентными отражающими гранями, перпендикулярно оптической оси объектива 1. Источники излучения 13 и 13" расположены симметрично относительно отражающих граней призмы 12. Каждый из источников 13 (13") соединен с соответствующим выходом модулятора 14. При этом позиционно-чувствительная регистрирующая система 3 (3") в каждом из оптических каналов прогибомера (фиг.1) выполнена в виде объектива 15 (фиг. 2б) и расположенного в его фокальной плоскости приемника оптического излучения 16.

Излучатель и позиционно-чувствительная регистрирующая система могут быть построены и по-другому. Например, излучатель может быть выполнен в виде лазера, а позиционно-чувствительная регистрирующая система, в этом случае, выполняется в виде многоэлементнго линейного приемника оптического излучения.

Вычислительное устройство 9 (фиг.1) состоит из суммирующего устройства 17 (фиг.3) и делителя 18. Входы суммирующего устройства 17 соединены с выходами соответствующих датчиков перемещения 7 и 7", а выход суммирующего устройства 17 со входом делителя 18. Выход делителя 18 соединен со входом индикатора 11.

Оптический компенсатор 5 (5") в каждом из оптических каналов прогибомера, размещенный между призменным блоком 2 (фиг.4) и позиционно-чувствительной регистрирующей системой 3", состоит из последовательно расположенных положительной 19 и отрицательной 20 линз. Положительная линза 19 может перемещаться в направлении, перпендикулярном оптической оси. Линза 19 механически связана с двигателем отработки 6" и датчиком перемещения 7".

Оптический компенсатор может также выполняться в виде двух вращающихся клиньев, наклоняющейся плоскопараллельной пластины и т.д.

Каждый из датчиков перемещения 7 (7") (фиг.4) выполнен в виде многооборотного потенциометра 21 (фиг. 5), механически связанного с положительной линзой компенсатора 19 посредством винтового механизма 22 и зубчатой передачи 23. Через этот же винтовой механизм 22 происходит перемещение линзы 19 с помощью двигателя отработки 6". Датчики перемещения могут также выполняться в виде сельсинов, вращающихся трансформаторов, индуктивных преобразователей и т.д.

Источники излучения 13 (13") (фиг.2,а) выполнены в виде светодиодов 24 (24") (фиг. 6а). Модулятор 14 (фиг.2а) состоит из генератора напряжения 25 (фиг. 6а) и двух делителей частоты 26 и 26 с различными коэффициентами пересчета. Выход генератора 25 соединен со входами делителей частоты 26 и 26". Выход каждого из делителей 26 (26") cоединен с соответствующим светодиодом 24 (24"). В этом случае каждое из устройств управления 8 (8") (фиг.1) состоит из двух фильтров 27 (27") (фиг. 6б), двух детекторов 28 (28") и вычитающего устройства 29. Вход каждого из фильтров 27 (27") cоединен с выходом соответствующего приемника оптического излучения 16 (фиг.2б), выход каждого из фильтров 27 (27") (фиг. 6б) со входом соответствующего детектора 28 (28"), выход каждого из детекторов 28 (28") с соответствующим входом вычитающего устройства 29, выход вычитающего устройства 29 с соответствующим двигателем отработки 6".

Модулятор и устройство управления могут быть построены и по-другому. Например, модулятор может состоять из генератора и фазовращателя, причем выход генератора соединен с одним из светодиодов и со входом фазовращателя, а выход фазовращателя со вторым светодиодом. В этом случае устройство управления будет выполнено в виде амплитудно-фазового детектора, один вход которого cоединен с выходом приемника оптического излучения, а другой с выходом генератора.

Оптический прогибомер работает следующим образом (см. фиг.1). Излучатель 4 направляет излучение через объектив 1 на призменный блок 2, разделяющий поток излучения на два потока, направленные в противоположные стороны, и образующие протяженную оптическую измерительную базу. Каждый из потоков проходит через соответствующий оптический компенсатор 5 (5") и попадает на установленные в контрольных точках визирные цели 3 (3"). При отсутствии деформации в контрольных точках визирные цели 3 и 3" не смещаются относительно измерительной базы, сигналы рассогласования с позиционно-чувствительных регистрирующих систем в визирных целях и с устройств управления 8 и 8" отсутствуют, и двигатели 6 и 6" не вращаются. С датчиков перемещения 7 и 7" в вычислительное устройство 9 поступают нулевые сигналы, и на индикаторах 10, 10" и 11 индицируются три нулевых отсчета соответственно деформация носа, деформация кормы и прогиб.

При наличии деформации визирные цели 3 и 3" смещаются относительно оптической измерительной базы. С позиционно-чувствительных регистрирующих систем в визирных целях поступают сигналы рассогласования в устройство управления 8 и 8", а с устройств управления на двигатели отработки 6 и 6". Двигатели перемещают компенсаторы 5 и 5", а компенсаторы оптическую измерительную базу до тех пор, пока не перестанут поступать сигналы с позиционно-чувствительных регистрирующих систем. Перемещения компенсаторов 5 и 5", пропорциональные соответственно смещению визирных целей 3 и 3", регистрируются датчиками перемещения 7 и 7", которые выдают сигналы, пропорциональные смещению cоответственно визирных целей 3 и 3", в вычислительное устройство 9 и на индикаторы 10 и 10". На индикаторах 10 и 10" появляются соответственно отсчеты деформаций носа и кормы. Вычислительное устройство 9 выдает на индикатор 11 отсчет прогиба, рассчитанный по формуле:



где n" деформация носа;

n" деформация кормы;

n прогиб.

Излучатель (фиг.2а) работает следующим образом. Модулятор 12 модулирует излучение источников 13 и 13" различным образом. В результате излучение источников 13 и 13" отличается друг от друга по частоте модуляции, фазе или какому-либо другому параметру. Источники 13 и 13" посылают излучение на соответствующие отражающие грани прямоугольной призмы 12, которая направляет излучение в объектив 1. Таким образом, отражающие грани призмы 12 являются вторичными источниками излучения. Объектив 1 проецирует в пространство ребро призмы 12, формируя таким образом пучок из двух частей с резкой границей на оси (изображением ребра призмы 12), причем излучение в каждой из частей пучка отличается по какому-либо параметру. Такое пространственное распределение излучения образует оптическую измерительную базу в виде равносигнальной плоскости (Цуккерман С.Т. Гридин А.С. Управление машинами при помощи оптического луча. Машиностроение, 1969, с. 40 45). Позиционно-чувствительная регистрирующая система (фиг. 2б) работает следующим образом. Если входной зрачок объектива 15 расположен симметрично относительно равносигнальной плоскости, то на приемник оптического излучения 16 попадает одинаковое количество потоков излучения от источников 13 и 13". В результате позиционно-чувствительная регистрирующая система вырабатывает два одинаковых по величине, хотя и отличающиеся каким-либо параметром, электрических сигнала. Сигнал рассогласования отсутствует. Если же входной зрачок объектива 15 смещается из симметричного положения, то на приемник 16 попадает разное количество потоков излучения от источников 13 и 13". В результате система вырабатывает неодинаковые по величине и отличающиеся каким-либо параметром электрические сигналы, образующие сигнал рассогласования.

Вычислительное устройство (фиг.3) работает следующим образом. С датчиков перемещения 7 и 7" на входы суммирующего устройства 17 поступают сигналы, пропорциональные смещениям соответствующих позиционно-чувствительных регистрирующих систем относительно измерительной базы. Суммирующее устройство 17 вырабатывает сигнал, равный сумме входных сигналов. Этот сигнал поступает на делитель 18, на выходе которого появляется сигнал, равный полусумме входных сигналов.

Оптический компенсатор (фиг.4) работает следующим образом. (Якушенков Ю. Г. Основы теории и расчета ОЭП. М. Cов. радио, 1971, с. 177). Положительная 19 и отрицательная 20 линзы имеют одну плоскую и одну сферическую поверхность, причем сферические поверхности имеют одинаковые радиусы кривизны, но разного знака. Поэтому при совпадении оптических осей линз 19 и 20 они представляют собой плоскопараллельную пластину и не отклоняют проходящий через них пучок. При смещении линз 19 и 20 относительно друг друга в направлении, перпендикулярном оптической оси, происходит отклонение проходящего через компенсатор пучка на угол, пропорциональный cмещению линз. Как было указано ранее, при смещении визирной цели 3" относительно измерительной базы (равносигнальной плоскости) с устройства управления на двигатель 6" поступает сигнал, приводящий его во вращение. Двигатель 6" перемещает линзу 19, отклоняя равносигнальную плоскость до тех пор, пока с визирной цели 3" и устройства управления не перестанут поступать сигналы рассогласования. Датчик перемещения 7" выдает сигнал, пропорциональный перемещению линзы 19, отклонению пучка, а следовательно и смещению визирной цели 3".

Датчик перемещения (фиг. 5) работает следующим образом (Проектирование ОЭП. /Под ред. Якушенкова Ю.Г. М. Машиностроение, 1981, с. 129). При смещении линзы компенсатора 19 с помощью двигателя отработки 6" движение линзы передается через винтовой механизм 22 и зубчатую передачу 23 на вал многооборотного потенциометра 21. С потенциометра 21 снимается электрический сигнал, пропорциональный углу поворота его вала, который пропорционален перемещению линзы 19.

Излучатель (фиг. 6а) работает следующим образом. С генератора напряжения 25 сигнал поступает на делители частоты 26 и 26" с различными коэффициентами пересчета. В результате с делителем частоты на светодиод 24 поступает питание, модулированное частотой ₁, а на светодиод 24" частотой ₂. Таким образом, излучатель формирует в пространстве пучок, разделенный на две части, в каждой из которых излучение имеет свою частоту модуляции.

Устройство управления (фиг. 6б) работает следующим образом. При отсутствии смещения позиционно-чувствительной регистрирующей системы с равносигнальной плоскости с приемника оптического излучения 16 на входы фильтров 27 и 27" поступают равные по величине сигналы с частотами модуляции ₁ и ₂. Фильтр 27 выделяет cигнал с частотой ₁, а фильтр 27" с частотой ₂. Эти сигналы поступают на детекторы 28 и 28", фиксирующие положительное и отрицательное напряжение. С детекторов сигналы подаются на вычитающее устройство 29. Так как сигналы равны по величине, то вычитающее устройство не выделяет сигнал управления двигателем отработки 6". При смещении позиционно-чувствительной регистрирующей системы с равносигнальной плоскости с приемника оптического излучения 16 на входы фильтров 27 и 27" поступают различные по величине сигналы с частотами модуляции ₁ и ₂. Пройдя через фильтры 27 и 27" и детекторы 28 и 28", сигналы поступают в вычитающее устройство 29, на выходе которого возникает сигнал управления двигателем отработки 6". Направление вращения двигателя 6" определяется преобладанием сигнала той или другой частоты.

В конкретном примере выполнения оптического прогибомера генератор напряжения выполнен на микросхеме К 561 ЛА7, делители частоты на микросхемах К 561 ТМ2 и К 561 ИЕ8.

Источники излучения выполнены в виде полупроводниковых излучающих диодов АЛ 107Б.

В качестве приемника оптического излучения использован фотодиод ФД 263.

Фильтры реализованы по схемам активных полосовых фильтров, настроенных на частоте ₁ и ₂ (Изъюрова Г.И. Расчет электронных схем. Высшая школа, 1989, с. 194). Детекторы выполнены по схеме диодного моста с емкостным фильтром. Вычитающее устройство реализовано по схеме параллельного сумматора на операционном усилителе (Алексеенко А.Г. и др. Применение прецизионных аналоговых ИС. Радио и связь, 1981, с. 77).

Вычислительное устройство выполнено в виде резистивной цепочки R₁, R₂, R₃ (фиг. 7), с помощью которой происходит аналоговое суммирование и деление входных напряжений U₁ и U₂.

Призменный блок, как и в прототипе, состоит из сочетания пентапризмы с крышей (типа БКП-90) и прямоугольной призмы (типа АР-90).

Индикаторами могут служить любые стрелочные или цифровые электроизмерительные приборы.

В качестве двигателей отработки использованы двигатели постоянного тока ДПМ-20.

Таким образом, по совокупности перечисленных признаков заявляемый оптический прогибомер позволяет проводить измерения с повышенной точностью, контролировать деформации носа и кормы дока по отдельности, использовать его в качестве датчика аварийной сигнализации и автоматической системы выравнивания дока.

Следует также отметить, что заявляемый оптический прогибомер дает возможность уменьшить трудоемкость измерений, а также обеспечить одновременное измерение деформаций в ряде промежуточных контрольных точек по длине дока, так как измерительная база представляет собой не линию, а плоскость.