ОПТИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ ДО ПОДВИЖНОЙ ОТРАЖАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ В ВЫБРАННЫЙ МОМЕНТ ВРЕМЕНИ
OPTICAL METHOD OF MEASURING DISTANCE TO MOBILE REFLECTING SURFACE AT SELECTED INSTANT IN TIME

Изобретение относится к бесконтактным оптическим методам измерения физических параметров объектов.
Известен способ определения толщины диэлектрического покрытия, основанный на оценке разности фаз двух отраженных электромагнитных волн от двух границ раздела среды при ее зондировании одним излучателем, а прием отраженных сигналов осуществляется двумя приемниками (см. патент на изобретение №2350899 С1, МПК G01B 7/06, опубл. 27.03.2009 г.).
Недостатками известного способа являются усредненная оценка толщины покрытия на значительной площади отражающей поверхности и недостаточная точность измерения, ограниченная длиной волны электромагнитного излучения.
Известен интерферометрический способ измерения толщины и показателя преломления прозрачных объектов, взятый в качестве прототипа (см. патент на изобретение №2313066 С1, МПК № G01B 11/02, G01N 21/45, опубл. 20.12.2007 г.). С помощью источника света формируют низкокогерентное оптическое излучение, которое разделяют на опорный и измерительный пучки. Опорный и измерительный пучки направляют по опорному и измерительному оптическим путям. Размещают на оптическом пути измерительного пучка исследуемый объект. Измеряют изменение относительно начального значения оптической разности хода для лучей двулучевого интерферометра. Измеряют оптическую разность хода для лучей двулучевого интерферометра, которая является результатом измерения.
Недостатком прототипа является ограниченная область его применения, что обусловлено необходимостью использования при его осуществлении двулучевого интерферометра сложной конструкции.
Задачей заявляемого изобретения является расширение области использования бесконтактных оптических методов измерения физических параметров объектов, а именно возможность эхозондирования подвижных органов организма человека.
Поставленная задача решена тем, что в оптическом способе измерения расстояния до подвижной отражающей поверхности в выбранный момент времени, включающем формирование лазерного излучения, направляемого с помощью зеркала на объект измерения, согласно изобретению диффузное отражение от отражающей поверхности объекта «собирается» конденсором, один фокус которого располагается на отражающей поверхности объекта, а другой - на чувствительной площадке фотодиода (pin-фотодиода), временную шкалу для измеряемых моментов времени создают колебаниями основного генератора, оцифровку которых производят на счетчике, запуск лазера производят периодически, кратно периодам основного генератора, ответный сигнал фотодиода используют для измерения его точного положения на временной шкале только в выбранный период запуска лазера, для этого производят изменение управляющего напряжения нониусного генератора, в результате изменения управляющего напряжения нониусный генератор изменяет частоту генерации, следовательно, изменяется наклон линейной функции взаимного сдвига фаз двух генераторов, момент времени изменения частоты колебаний нониусного генератора определяют аналитически как проекцию на временную ось точки пересечения линейных функций взаимного сдвига фаз двух генераторов, рассчитанных до и после изменения управляющего напряжения. Расчет каждого из двух параметров указанных линейных функций производят накоплением и анализом целых чисел номеров периодов основного генератора, которые отмечают изменением разности фаз функции сдвига, период основного генератора, который отмечают изменением разности фаз, характеризуется тем, что этот период «охватывается» периодом нониусного генератора, если он превышает период основного, или период нониусного генератора «вписывается» внутрь периода основного генератора, если он меньше периода основного генератора. Математическая обработка образованного массива целых чисел с целью получения обоих параметров линейной функции взаимного сдвига фаз двух генераторов производится по теории неэвклидовой разностной цепной дроби (кандидатская диссертация Чуракова В.Л. «Обобщенный нониусный метод измерения длительности временных интервалов» 21 февраля 1989 г. ЛИТМО г.Ленинград).
Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что предлагаемая новая последовательность действий с инфракрасным излучением, полученным от полупроводникового лазера, позволяет точно рассчитать расстояния до подвижной отражающей поверхности в выбранный момент времени за счет определения момента времени срабатывания фотодиода на сигнал диффузного отражения как точку на временной шкале, образованной колебаниями основного генератора; указанный момент времени фиксируется изменением частоты колебаний нониусного генератора, сдвиг фазы которого по отношению к фазе основного генератора есть линейный процесс как до, так и после момента изменения его частоты, точку перегиба непрерывной функции сдвига фазы определяют математической обработкой цифровых данных о сдвиге фазы нониусного генератора до и после указанного момента.
На фиг.1 схематично изображено устройство, посредством которого может быть реализован предложенный способ измерения расстояния до отражающей поверхности объекта.
Упомянутое выше устройство содержит полупроводниковый лазер 1 (фиг.1), излучение которого, отразившись от зеркала 2, попадает на отражающую поверхность 3. Отраженное излучение от этой поверхности «собирается» конденсором 4 и фокусируется на чувствительную площадку фотодиода 5. Выход основного генератора 6 соединяется со счетным входом счетчика 7 и с входом определителя момента изменения разности фаз 8. Схема совпадения 9 дешифрирует определенное состояние счетчика 7 для формирования сигнала запуска полупроводникового лазера 1, а все выходы счетчика 7 соединяются с блоком управления 10 и с информационным входом двухпортового ОЗУ 11. Выделение из серии импульсов фотодиода 5 сигнала, предназначенного для измерения, производится на схеме совпадения 12, второй вход которой соединен с выходом блока управления 10. Выход схемы совпадения 12 соединен со счетным входом триггера 13, выход последнего соединен с управляющим входом нониусного генератора 14. Выход нониусного генератора соединен с вторым входом определителя момента изменения разности фаз 8, выход которого соединен с входом «W» (запись) двухпортового ОЗУ 11, а вход «R» (чтение) которого соединен с выходом блока управления 10.
Устройство работает следующим образом.
Колебания основного генератора 6 пересчитываются счетчиком 7, младшие разряды которого дешифрируются схемой совпадения 9. Периодический сигнал с выхода схемы совпадения 9 используется для запуска лазера 1, излучение которого, отразившись от зеркала 2, направляется на отражающую поверхность 3. Диффузное отражение от поверхности 3 «собирается» конденсором 4 и фокусируется на чувствительную площадку фотодиода 5. Положение сигнала с фотодиода 5 на временной шкале, которую образуют оцифрованные колебания основного генератора 6 счетчиком 7, соответствует мгновенному расстоянию отражающей поверхности 3 от зеркала 2. Так как рассматривается случай подвижной отражающей поверхности 3, поэтому циклическое накопление измерений сигнала с фотодиода 5 невозможно. В данном случае блок управления 10 своим сигналом на схеме совпадения 12 выбирает нужный период излучения лазера 1 и соответствующий ему ответный сигнал, зафиксированный фотодиодом 5, который проходит через схему совпадения 12 и переводит по счетному входу триггер 13 в противоположное положение. В этот момент времени изменяется потенциал на управляющем входе нониусного генератора 14, следовательно, изменяется частота генерации нониусного генератора 14. Этот момент изображен на фиг.2 как измеряемый момент времени. Положение этого момента времени на временной шкале фиг.2 (счетчик периодов основного генератора) можно точно рассчитать, если определить параметры линейных функций взаимного сдвига фаз двух генераторов, рассчитанных до и после изменения управляющего напряжения. Именно решению этой задачи служит определитель момента изменения разности фаз 8, который фиксирует моменты изменения разности фаз фиг.2 и записывает состояние счетчика 7 в двухпортовое ОЗУ 11. Блок управления 10 считывает массив чисел, содержащихся в двухпортовом ОЗУ 11, и рассчитывает параметры линейных функций взаимного сдвига фаз двух генераторов, используя теорию неэвклидовой разностной цепной дроби. Ниже приведены основные положения этого математического аппарата, который предложен в кандидатской диссертации как отдельный раздел теории чисел в высшей алгебре. Пусть период основного генератора - То, а период нониусного генератора - Tn и их соотношение: Tn=(1+А)*То, где А есть часть периода То, на которую этот период меньше периода нониусного генератора. Следовательно, спустя один период основного генератора взаимный сдвиг фаз двух генераторов увеличится на А-ю часть периода основного генератора. Этот процесс происходит до тех пор, пока указанный сдвиг фаз достигнет такой величины, что период нониусного генератора «охватит» период основного генератора - это и есть момент изменения разности фаз фиг.2.
Назовем интервал времени от одного момента изменения разности фаз до другого такого же момента циклом первого порядка, пусть он содержит К1 периодов основного генератора, тогда этот цикл создает взаимный сдвиг фаз двух генераторов В, равный В=А·К1-1. Очевидно, что В<А. Далее рассматриваются циклы первого порядка, следующие друг за другом, отмечается, что через К2 таких циклов последний из последовательности циклов первого порядка содержит на один период основного генератора меньше, чем все предыдущие, - укороченный цикл. Цикл второго порядка есть последовательность циклов первого порядка, начинающийся сразу после укороченного и заканчивающийся укороченным циклом. Цикл второго порядка создает сдвиг фаз С, равный С=В·К2-А, очевидно, что С<В. Далее рассматриваются циклы более высоких порядков до тех пор, пока создаваемый достигнутым циклом сдвиг фаз не будет меньше заданной величины. Этим определяется первый параметр линейных функций взаимного сдвига фаз двух генераторов - начальный сдвиг фаз по временной шкале. Второй параметр - коэффициент наклона прямой или коэффициент пропорциональности между периодами генераторов рассчитывается как