УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИЗГИБА АРТИЛЛЕРИЙСКОГО СТВОЛА
DEVICE TO MEASURE BEND OF ARTILLERY BARREL

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к устройствам измерения деформаций длинномерных конструкций, например артиллерийских стволов различных длин и калибров.
Известно устройство для контроля изгиба артиллерийского ствола [1]. Это устройство содержит формирователь светового пучка, расположенный в начале ствола и направляющий световой пучок вдоль ствола. На конце ствола закреплено зеркало, отражающее световой пучок на фотоприемник фотоприемного датчика. При изгибе ствола зеркало поворачивается, происходит смещение отраженного светового пучка относительно фотоприемного датчика. По величине этого смещения судят о величине изгиба ствола. Однако так как зеркало установлено на конце ствола, то во время выстрела оно испытывает значительные ударные нагрузки, влияющие на стабильность углового положения зеркала. Кроме того, угловое положение зеркала может зависеть от других внешних воздействий, не связанных с изгибом ствола, например, от колебаний внешней температуры. Поэтому в таком устройстве возникают значительные погрешности измерения, точность измерения невелика.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство, реализующее способ измерения изгиба артиллерийского ствола [2]. Это устройство содержит оптически сопряженные отражатель, диафрагму и фотоприемный датчик, содержащий излучатель, светоделитель, объектив и фотоприемник. Объектив и фотоприемник образуют фотоприемный канал, который с помощью светоделителя сопрягается с излучателем.
Излучатель и светоделитель расположены в одном корпусе с фотоприемным каналом, образуя с ним измерительный блок (фотоприемный датчик). Измерительный блок установлен в начале ствола и направляет световой пучок вдоль ствола на оптическую марку, установленную на конце ствола. В известном устройстве такой оптической маркой является диафрагма. За диафрагмой на конце ствола установлен отражатель, отражающий световой пучок в направлении фотоприемного датчика, установленного в начале ствола. Таким отражателем может быть уголковый трехгранный отражатель (трипель-призма). Объектив фотоприемного канала формирует в плоскости фотоприемника изображение оптической марки, которой является диафрагма, установленная на конце ствола.
Изгиб ствола приводит к линейному смещению конца ствола и, соответственно, к смещению диафрагмы. Это линейное смещение диафрагмы приводит к смещению изображения диафрагмы на фотоприемнике. По величине этого смещения определяют величину смещения диафрагмы и с учетом расстояния от объектива до диафрагмы определяют величину изгиба ствола. При этом изменение углового положения диафрагмы не влияет на точность измерения.
Однако в таком устройстве для достижения необходимой точности измерения изгиба ствола необходимо определять положение изображения диафрагмы с точностью выше, чем размер этого изображения. Поэтому точность измерения зависит от качества изображения диафрагмы. В то же время, так как диафрагма расположена на конце ствола, то при эксплуатации на нее могут попадать осадки, пыль, грязь. Эти внешние воздействия могут изменять распределение освещенности в изображении диафрагмы и даже изменять геометрические параметры изображения (при попадании грязи на диафрагму контур изображения может измениться). Качество изображения в этих условиях ухудшается, снижается точность определения положения изображения диафрагмы в плоскости фотоприемника и, поэтому, точность измерения изгиба невелика.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения в сложных эксплуатационных условиях.
Для этого в устройстве для измерения изгиба артиллерийского ствола, включающем оптически сопряженные уголковый трехгранный отражатель, оптическую марку и измерительный блок, содержащий объектив и фотоприемник, образующие приемный канал, излучатель и светоделитель, в отличие от прототипа оптическая марка установлена в измерительном блоке между излучателем и светоделителем и образует с излучателем формирователь светового пучка, а перед уголковым трехгранным отражателем расположен объектив отражателя.
Для дальнейшего повышения точности фокусное расстояние объектива отражателя равно удвоенному расстоянию от оптической марки формирователя светового пучка до этого объектива.
Повышение точности измерения изгиба ствола при эксплуатации в сложных условиях обеспечивается также за счет введения в измерительный блок системы формирования изображения оптической марки, оптически сопряженной с объективом и фотоприемником приемного канала, а фокусное расстояние объектива отражателя при этом равно удвоенному расстоянию от изображения оптической марки до этого объектива.
Точность измерения в условиях ударных нагрузок в предлагаемом устройстве повышается при выполнении объектива отражателя и уголкового трехгранного отражателя в виде единой моноблочной детали из прозрачного материала, на входной грани которой выполнена сферическая поверхность.
На фиг.1 представлена схема устройства для измерения изгиба артиллерийского ствола.
На фиг.2 представлена схема устройства для измерения изгиба артиллерийского ствола с системой формирования изображения оптической марки.
На фиг.3 представлена схема устройства для измерения изгиба артиллерийского ствола с уголковым трехгранным отражателем и объективом отражателя, выполненными в виде единой моноблочной детали.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1-3, где
1 - объектив отражателя;
2 - ствол;
3 - измерительный блок;
4 - излучатель;
5 - оптическая марка (диафрагма);
6 - светоделитель;
7 - объектив приемного канала;
8 - фотоприемник;
9 - уголковый трехгранный отражатель;
10 - система формирования изображения оптической марки;
11 - изображение оптической марки;
12 - защитное окно измерительного блока;
13 - уголковый трехгранный отражатель, выполненный совместно с объективом отражателя в виде единой детали.
Устройство для измерения изгиба артиллерийского ствола, показанное на фиг.1, включает уголковый трехгранный отражатель 9 и объектив отражателя 1, предназначенные для размещения на конце ствола 2, и оптически сопряженный с ними измерительный блок 3, предназначенный для размещения в начале ствола 2. Измерительный блок 3 содержит объектив 7 и фотоприемник 8, образующие приемный канал, а также оптическую марку 5, установленную между излучателем 4 и светоделителем 6. Излучатель 4 и оптическая марка 5 образуют формирователь светового пучка. Светоделитель 6 сопрягает оптические оси формирователя светового пучка и приемного канала.
При реализации заявляемого устройства уголковый трехгранный отражатель 9 может быть выполнен в виде трех взаимно перпендикулярных зеркал или трипель-призмы. В качестве фотоприемника 8 может использоваться ПЗС-матрица или любое другое фотоприемное устройство, выходной сигнал которого зависит от координат изображения светового пучка, попадающего на него. Объектив отражателя 1, устанавливаемый вместе с уголковым трехгранным отражателем 9 на конце ствола 2, может быть изготовлен в виде одиночной или склеенной линзы из прозрачного для светового пучка материала по обычной для оптической промышленности технологии. Светоделитель 6 может изготавливаться в виде плоскопараллельной пластины из прозрачного материала (стекла) с нанесением на ее поверхность многослойного диэлектрического покрытия. Оптическая марка 5 может представлять собой плоскопараллельную пластину из стекла или другого прозрачного для излучения материала, на поверхности которой методом фотолитографии или путем гравировки выполнен необходимый рисунок. Оптическая марка 5 может быть также выполнена в виде диафрагмы из металлической пластины с одним или несколькими отверстиями, размер и форма которых зависят от типа фотоприемника и способа определения места положения изображения в плоскости фотоприемника.
На фиг.2 показано расположение элементов устройства, когда в состав измерительного блока 3 введена система 10 формирования изображения оптической марки. Система 10 формирования изображения оптической марки может быть выполнена в виде обычной для оптических приборов проекционной системы, в которой построение изображения 11 оптической марки 5 выполняется с помощью, например, линзового объектива. Изображение 11 оптической марки располагается за пределами измерительного блока 3 с защитным окном 12. Фокусное расстояние объектива отражателя 1, расположенного на конце ствола 2, в этом случае равно удвоенному расстоянию от изображения 11 оптической марки до этого объектива.
На фиг.3 показано устройство для измерения изгиба артиллерийского ствола с уголковым трехгранным отражателем, выполненным совместно с объективом отражателя в виде единой моноблочной детали 13 из прозрачного материала, входная грань которой имеет сферическую поверхность. Такая единая деталь может быть изготовлена по обычной для оптической промышленности технологии изготовления трипель-призм и технологии выполнения сферических поверхностей на оптических деталях.
Работает устройство для измерения изгиба артиллерийского ствола следующим образом.
При измерении изгиба ствола 2 изображение оптической марки 5 формируется в плоскости фотоприемника 8 с помощью объектива отражателя 1, уголкового трехгранного отражателя 9 и объектива 7 приемного канала. При изгибе ствола 2 происходит смещение его конца, смещаются объектив отражателя 1 и уголковый трехгранный отражатель 9. Смещение этих оптических элементов приводит к смещению изображения оптической марки 5 в плоскости фотоприемника 8. По величине смещения изображения оптической марки 5, с учетом величины фокусов объективов 1 и 7, определяют величину смещения объектива отражателя 1, то есть определяют величину смещения конца ствола 2, которая с учетом длины ствола служит мерой его изгиба.
В заявляемом устройстве положение изображения оптической марки 5 на чувствительной площадке фотоприемника 8 не зависит от углового поворота объектива отражателя 1 и уголкового трехгранного отражателя 9. Этим достигается необходимая точность измерения изгиба ствола в условиях динамических нагрузок, испытываемых этими оптическими элементами при выстреле. Так как оптическая марка 5 находится внутри измерительного блока 3, то она защищена от внешних климатических воздействий и загрязнений. Загрязнение объектива отражателя 1 и уголкового трехгранного отражателя 9, расположенных на конце ствола, мало влияет на качество (в том числе на форму) изображения оптической марки 5, меняя только ее освещенность, но не меняя распределение освещенности по изображению. Поэтому положение изображения оптической марки 5 в плоскости фотоприемника 8 может быть определено с точностью выше, чем размер изображения. Точность измерения изгиба артиллерийского ствола в сложных эксплуатационных условиях повышается.
Дальнейшее повышение точности достигается тем, что фокусное расстояние объектива отражателя 1, устанавливаемого на конце ствола 2 перед уголковым трехгранным отражателем 9, выполняется равным удвоенному расстоянию от оптической марки 5 формирователя светового пучка до этого объектива. В этом случае после прохождения через объектив отражателя 1, отражения от уголкового трехгранного отражателя 9 и повторного прохождения через объектив отражателя 1, установленные на конце ствола 2, световой пучок переносит изображение оптической марки 5 от конца ствола 2 до измерительного блока 3 в параллельном ходе лучей. В такой схеме вся энергия светового пучка после отражения от уголкового трехгранного отражателя 9 направляется без потерь и виньетирования на измерительный блок 3. Кроме того, в этой схеме оптические элементы, расположенные на конце ствола, находятся в плоскости апертурной диафрагмы коллиматора, образованного излучателем 4 с оптической маркой 5 и объективом отражателя 1 с уголковым трехгранным отражателем 9. Поэтому виньетирование объектива такого коллиматора, вызываемое загрязнением объектива отражателя 1 в сложных эксплуатационных условиях, не изменяет качество изображения оптической марки 5 в плоскости фотоприемника 8, не изменяет характер распределения освещенности в этом изображении. Точность определения положения изображения оптической марки 5 в плоскости фотоприемника 8 возрастает, возрастает точность измерения изгиба ствола.
Точность измерения изгиба ствола в сложных эксплуатационных условиях повышается также за счет того, что в формирователь светового пучка включают систему 10 формирования изображения оптической марки, а фокусное расстояние объектива отражателя 1, устанавливаемого перед уголковым трехгранным отражателем 9 на конце ствола 2, выполняется равным удвоенному расстоянию от изображения 11 оптической марки до этого объектива (см. фиг 2).
Объектив системы 10 формирования изображения оптической марки переносит изображение оптической марки 5 за пределы измерительного блока 3 в положение 11. Введение такой системы формирования изображения оптической марки в формирователь светового пучка позволяет удалить изображение 11 оптической марки от защитного окна 12, которое, как правило, всегда присутствует в измерительном блоке любой конструкции. В этом случае снижается влияние загрязнения защитного окна 12 измерительного блока 3 на точность измерения, так как защитное окно 12 может быть установлено в плоскости апертурной диафрагмы системы 10 формирования изображения оптической марки в формирователе светового пучка и одновременно в плоскости апертурной диафрагмы приемного канала измерительного блока 3.
Точность измерения изгиба ствола также повышается за счет того, что объектив отражателя и уголковый трехгранный отражатель, устанавливаемые на конце ствола, выполнены виде единой моноблочной детали 13 из прозрачного материала и представляют из себя трипель-призму, на входной грани которой выполнена сферическая поверхность (см. фиг.3). Такое объединение объектива и уголкового трехгранного отражателя в единую деталь обеспечивает предельную стабильность взаимного расположения этих оптических элементов устройства при любых механических воздействиях.
Источники информации
1. Зарубежная военная техника. Обзоры, серия «Оптика в средствах вооружения и военной технике», вып.20 (40), 1985 г., стр.87-88.
2. Патент RU №2224980, МПК(7) G01В 11/00, опубл. 27.02.2004 г. - прототип.