УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к физике, а именно к определению местоположения объектов электромагнитного излучения (светового, лазерного, рентгеновского и др.) с использованием отражения волн, и может быть использовано, например, в системах электромагнитного подавления сигналов или технологических линиях раскроя и сварки материалов, на линиях лазерного и микроволнового нагрева.
Известно устройство для определения положения светящего объекта, выбранное в качестве прототипа [RU 171432 A1, МПК G01S 5/16, H04N 5/26, опубл. 26.05.1965, бюл. №11], содержащее зеркало, обеспечивающее вращение изображения, поглощающую излучение пластинку, коэффициент поглощения которой изменяется от центра поля к его краям по параболическому закону, чувствительный элемент, реагирующий на изменение величины светового потока в зависимости от положения объекта излучения, и электроизмерительную схему для обработки сигнала на выходе чувствительного элемента.
Это устройство, используемое преимущественно при лабораторных исследованиях, характеризуется небольшой точностью определения координат объекта в центральной части поля из-за практически нулевого значения коэффициента поглощения в центральной части поглощающей пластинки.
Задачей изобретения является расширение эксплуатационных возможностей устройства при повышении точности определения координат объекта электромагнитного излучения в центральной части поля наблюдения.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для определения положения объекта электромагнитного излучения, так же как прототип, содержит зеркало с приводом, который подключен к генератору опорных сигналов X и Y, к которому подключен детектор координаты Y, причем поглощающая излучение пластинка, коэффициент поглощения которой изменяется от ее центра к краям, расположена перед чувствительным элементом, который связан с усилителем, подключенным к детектору координаты X и детектору координаты Y.
Согласно полезной модели поглощающая излучение пластинка выполнена с коэффициентом поглощения, изменяющимся от ее центра к краям по экспоненциальному закону, а генератор опорных сигналов подключен к детектору координаты X.
0
0
Изменения текущих координат (x(t), y(t)) изображения объекта электромагнитного излучения при сканировании по траектории окружности  радиусом r с центром в точке (x; y) определены уравнениями движения относительно координат центра вращения изображения
0
0
[x(t)=r cos(ωt)+x; y(t)=r sin(ωt)+y],
0
0
где x/A≤1, y/A≤1 и r/A<<1 - относительные координаты центра и радиуса траектории сканирования изображения объекта электромагнитного излучения;
A - полуширина по осям X и Y декартовой системы координат.
Коэффициент поглощения поглощающей пластинки размером 2A(x,y), изменяется от ее центра к краям по экспоненциальному закону F(x,y) с линейным изменением показателя поглощения . Закономерность изменения показателя симметрична для всех равноудаленных от центра поглощающей пластинки периферийных точек и областей. Пространственное распределение прозрачности β (x, y) в декартовой системе координат (x, у), где x=X/A и y=Y/A - относительные координаты положения объекта электромагнитного излучения, задается функцией:
где  - экспоненциальная функция изменения поглощения потока излучения поглощающей пластинкой, зависящая от координат изображения объекта электромагнитного излучения в плоскости;
β (x, y) - функция с единичным значением в центре пластинки β (0, 0)=1, уменьшающимся по экспоненциальному закону до нулевого значения β (1, 1)=0, при X=A и Y=A на краях поглощающей пластинки.
0
0
При сканировании поток излучения от изображения объекта электромагнитного излучения является суммой двух составляющих: постоянной составляющей, определяемой значением экспоненциального ослабления потока в точке (x; y) и переменной составляющей , обусловленной траекторией вращения изображения объекта электромагнитного излучения относительно ее центра.
При использовании поглощающей пластинки, коэффициент поглощения которой изменяется от центра поля к его краям по экспоненциальному закону F(x,y), с линейным изменением величины показателя поглощения z(x,y) в центральной части поля (размером ≈~±0,6 А), что дает значительное увеличение амплитуды сигнала (в 1,5…10 раз), отражающее изменении координат изображения объекта по сравнению с параболическим (фиг. 1).
Таким образом, предложенное устройство позволяет повысить точность определения положения объекта электромагнитного излучения в центральной части поля наблюдения устройства.
Упрощение устройства по сравнению с прототипом обеспечено тем, что функцию фазовращателя выполняет триггер-делитель генератора опорных сигналов X и Y, импульсы которого создают сдвинутые по фазе сигналы.
Предложенное устройство расширяет эксплуатационные возможности определения положения объекта электромагнитного излучения, так как позволяет определять координаты положения объекта светового, лазерного, рентгеновского и любой другой природы электромагнитного излучения, и может быть использовано при создании систем силового мощного электромагнитного воздействия с регулируемым и управляемым перемещением их в пространстве наблюдения. Например, в системах электромагнитного подавления или технологических линиях раскроя и сварки материалов, на линиях лазерного и микроволнового нагрева, а не только при лабораторных исследованиях.
2
2
На фиг. 1 показана эффективность экспоненциального распределения прозрачности поглощающей пластинки |z| при определении координат изображения объекта электромагнитного излучения в центральной части поля по сравнению с параболическим z. На оси абсцисс - изменение координаты ΔХ или ΔY; на оси ординат - изменение коэффициента прозрачности пластинки |z| - при экспоненциальном и z - при параболическом распределении поглощения в центральной части поля.
На фиг. 2 представлена блок-схема заявляемого устройства.
Устройство для определения положения объекта электромагнитного излучения содержит сканирующее зеркало 1, которое соединено с приводом 2, входы которого подключены к выходам X и Y генератора опорных сигналов X и Y 3, другие выходы которого подключены к входам детектора координаты X 4 и детектора координаты Y 5. Другие входы детекторов координаты X 4 и координаты Y 5 соединены между собой и с выходом усилителя 6, вход которого подключен к выходу чувствительного элемента 7. Поглощающая пластинка 8 закреплена на держателе и расположена между сканирующим зеркалом 1 и чувствительным элементом 7.
Сканирующее зеркало 1 с приводом 2 представляет собой магнитоэлектрический дефлектор (гальванометр) МЭД G375 фирмы General Scanning. В качестве объекта электромагнитного излучения использован He-Ne лазер серии ЛГ. Поглощающая пластинка 8 представляет собой фотопленку с логарифмически возрастающим от центра поля к его краям распределением плотности почернения. В качестве чувствительного элемента 7 использован кремниевый фотодиод ФД 24. Усилитель 6 выполнен на операционном усилителе серии К140 (К140УД17). Генератор опорных сигналов X и Y 3 выполнен на основе высокостабильного мультивибратора SN74122N, делители импульсов которого для создания сдвинутых по фазе на 90° координатных сигналов сканирования изображения объекта выполнены на базовых элементах ТТЛ-логики серии SN74: триггерах J-K, Т, D и счетчиках импульсов той же серии SN74 (серии К155, 133). Детекторы координаты X 4 и координаты 75 выполнены на дифференциальных усилителях с токопитающим каскадом на базе интегральной микросхемы К1УТ981.
п
Устройство работает следующим образом. Поток излучения Ф от объекта падает на поверхность сканирующего зеркала 1, отражается им и фокусируется через поглощающую пластинку 8 на поверхность чувствительного элемента 7. Для движения сканирующего зеркала 1, а вместе с этим и изображения объекта электромагнитного излучения, на вход привода 2 с генератора опорных сигналов X и Y 3 подают квадратурные напряжения одинаковой амплитуды, сдвинутые по фазе на π/2. В зависимости от вида и соотношения частот сигналов, вырабатываемых генератором опорных сигналов X и Y 3, изображение объекта электромагнитного излучения перемещается в плоскости поглощающей пластинки 8 и чувствительного элемента 7 по кольцевой траектории.
0
0
0
0
При анализе параметров сигнала, сформированного чувствительным элементом 7, детекторы координаты X 4 и координаты Y 5 выделяют рассогласование положения центра траектории сканирования и положения центра изображения объекта электромагнитного излучения. Выделенное рассогласование по осям ΔХ и ΔY с учетом их полярности («+» или «-») относительно координат предыдущего положения центра изображения (x; x) используются для коррекции выходных сигналов отражающих координаты положения объекта на текущий момент времени x и x:
0
0
Следуя такому итерационному алгоритму, осуществляют стабилизацию амплитудного значения координаты центра тяжести (x; y) наблюдаемого объекта электромагнитного излучения при воздействии любых факторов, приводящих к его смещению.
Экспериментальные исследования макетного образца устройства для определения положения объекта электромагнитного излучения показали существенное (~ в 10 раз) повышение точности определение координат в центральной части поля наблюдения объекта при использовании поглощающей пластинки с коэффициентом поглощения, изменяющимся от центра поля к краям по экспоненциальному закону.