Устройство для измерения скорости и координат метаемого тела
PROJECTILE SPEED AND COORDINATES MEASURING DEVICE

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано для измерения линейной скорости и координат метаемого тела.
Известно устройство измерения скорости перемещающегося тела, содержащее два разнесенных датчика в виде электрических контактов, замыкающих электрическую цепь. Эти контакты выполнены подвижными и установлены на гибких пластинах, на которые опираются установленные на границах базового расстояния упругие лепестки, которые, при воздействии перемещающегося тела, взаимодействуют с гибкими пластинами контактов и замыкают их, причем первая пара контактов при замыкании включает измерительный прибор, например частотомер, а вторая - его выключает [1].
Недостатком аналога является малая точность измерения за счет наличия механических контактов, невозможность определения координат при срабатывании датчиков.
Известно устройство для измерения скорости метаемого тела, содержащее два разнесенных датчика и два измерительных прибора, связанных с выходами датчиков. Каждый из датчиков выполнен в виде двух перпендикулярно расположенных линеек излучающих диодов и линеек фотоприемников. Все элементы устройства соединены между собой определенным образом. При этом блок логики состоит из матрицы элементов «И», матрицы триггеров и блока индикации [2].
Недостатком данного устройства является то обстоятельство, что при измерении параметров высокоскоростного метаемого тела (свыше 300 м/с) с заданной точностью требуется разнесение датчиков на достаточно протяженное расстояние и, как следствие, требует измерение координат в двух плоскостях, что ведет к структурной избыточности и усложнению устройства.
Наиболее близким по своей сущности к заявленному является известное устройство для измерения скорости перемещающегося тела, которое содержит измерительный прибор, связанный с выходом датчика, выполненного в виде лазерного излучателя и фотоприемника. В состав измерительного прибора входят усилитель-формирователь, логический элемент «И», генератор импульсов образцовой частоты, двоичный счетчик, цифровое вычислительное устройство и цифровое отсчетное устройство, а также блок управления и метающее устройство [3].
Недостатком ближайшего аналога (прототипа) является:
большое время измерения из-за необходимости поиска и ввода данных о начальной скорости и длине метаемого тела;
отсутствие возможности определения координат метаемого тела при наличии одного излучателя и одного фотоприемника.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является:
уменьшение времени измерения;
возможность использования устройства без справочной информации о начальной скорости и длине перемещающегося тела;
повышение информативности результатов работы устройства за счет определения координат перемещающегося тела.
Технический результат достигается тем, что в известном устройстве для определения скорости и координат метаемого тела, содержащем излучатели и фотоприемник, между которыми перемещается метаемое тело, блока управления, выход которого подключен к управляющему входу 4.5 блока вычислений, информационный вход которого подключен к информационному входу 5.1 модуля вывода информации, дополнительно введены источник питания и блок логики, первый выход источника питания подключен к входу 7.1 блока вычислений, а второй и третий выходы соответственно к первому входу 1.1.1 и второму входу 1.2.1 блока излучателей, блок логики, информационные входы 3.6.1-3.6.N которого подключены к информационным выходам 2.1.1-2.1.N блока фотоприемников, а информационные входы 3.5.1-3.5.М подключены к информационным выходам 2.2.1-2.2.М блока фотоприемников, управляющий вход 3.4 блока логики подключен к выходу блока управления, который также подключен к управляющему входу 4.5 блока вычислений, первый и второй выходы блока логики соответственно подключены ко второму и третьему входу блока вычислений, а информационные выходы 3.3.1-3.3.L подключены соответственно к информационным входам 5.2.1-5.2.L модуля вывода информации.
Блок излучателей состоит из двух линеек источников излучения, расположенных перпендикулярно друг другу, причем вход первой линейки излучателей является первым входом блока излучателей, вход второй линейки излучателей является соответственно вторым входом блока излучателей.
Блок фотоприемников состоит из двух линеек фотоприемников, расположенных перпендикулярно друг другу, причем выходы 1-N первой линейки фотоприемников являются информационными входами 2.1.1-2.1.N блока фотоприемников, выходы 1-M второй линейки фотоприемников являются информационными выходами 2.2.1-2.2.М блока фотоприемников.
Первая линейка источников излучения блока излучателей и первая линейка фотоприемников блока фотоприемников расположены параллельно друг другу и образуют первый датчик, аналогично вторые линейки источников излучения блока излучателей и фотоприемников блока фотоприемников расположены параллельно друг другу и образуют второй датчик.
Блок логики состоит из матрицы элементов И, матрицы триггеров, элементов НЕ и ИЛИ, причем первые входы матрицы элементов И соединены соответственно с информационными входами 3.6.1-3.6.N блока логики через элементы НЕ и являются одновременно входами элемента ИЛИ 1, выход которого является первым выходом блока логики, а вторые входы соединены соответственно с информационными входами 3.5.1-3.5.М блока логики через элементы НЕ и являются одновременно входами элемента ИЛИ 2, выход которого является вторым выходом блока логики, а выходы элементов И соединены со входами триггеров, выходы которых являются соответственно информационными выходами 3.3.1-3.3.L блока логики.
Блок вычислений состоит из генератора стробирующих импульсов, первый вход которого является первым входом блока вычислений, а второй вход которого является управляющим входом блока вычислений, элемента И, первый вход которого подключен к выходу генератора стробирующих импульсов, второй к выходу RS-триггера, первый и второй вход которого является соответственно вторым и третьим входом блока вычислений, выход элемента И подключен к первому входу двоичного счетчика, второй вход которого является управляющим входом блока вычислений, выход двоичного счетчика подключен к первому входу вычислительного устройства, выход которого является выходом блока вычислений.
Благодаря новой совокупности существенных признаков, за счет введения источника питания и блока логики получающего информацию от двух линеек фотоприемников (двух датчиков) достигается возможность использования устройства без справочной информации о начальной скорости и длине перемещающегося тела, а также повышение информативности результатов работы устройства за счет определения координат перемещающегося тела.
Заявленное устройство для определения скорости и координат метаемого тела поясняется чертежами, на которых показано:
фиг. 1 - общая структурная схема устройства;
фиг. 2 - структурная схема блока излучателей и фотоприемников;
фиг. 3 - структурная схема блока логики;
фиг. 4 - структурная схема блока вычислений.
Заявленное устройство для определения скорости и координат метаемого тела представленное на (фиг. 1), состоит из блока излучателей 1 (БИ) и блока фотоприемников 2 (БФ), между которыми перемещается метаемое тело, причем выходы 2.1.1-2.1.N БФ 2 соединены с информационными входами 3.6.1-3.6.N блока логики 3 (БЛ), а выходы 2.2.1-2.2.М БФ 2 соединены с информационными входами 3.5.1…3.5.М БЛ 3, управляющий вход 3.4 БЛ 3 подключен к выходу 6.1 блока управления 6 (БУ), который также подключен к управляющему входу 4.5 блока вычислений 4 (БВ), выходы 3.1 и 3.2 БЛ 3 соответственно подключены ко входам 4.2 и 4.3 БВ 4, а информационные выходы 3.3.1…3.3.L БЛ 3 подключены соответственно к информационным входам 5.2.1…5.2.L модуля вывода информации 5 (МВИ), информационный вход 5.1 которого соединен с информационным выходом 4.4 БВ 4, вход питания 4.1 БВ 4 связан с выходом 7.1 источника питания 7 (ИП), выходы 7.2 и 7.3 которого соединены соответственно с входами 1.1.1 и 1.2.1 БИ 1.
БИ 1 и БФ 2, структурная схема которых показана на фиг. 2, выполнены соответственно в виде перпендикулярно расположенных линеек излучателей и фотоприемников, которые выполняют функции датчиков, между которыми перемещается метаемое тело и обеспечивается его бесконтактная фиксация, за счет изменения сигнала на выходе датчика. Метаемое тело может быть изготовлено из любого материала и иметь любую форму, причем размер метаемого тела должен превышать расстояние между двумя элементами линейки излучателей (фотоприемников). Вариант построения таких датчиков известен и описан, например, в патенте [2] на фиг. 1.
В качестве излучающих элементов могут быть использованы серийно выпускаемые отечественные модели, выполненные по ГОСТ P 51846-2001 «Лазеры твердотельные и излучатели твердотельных лазеров для устройств широкого применения. Общие технические условия» или серийно выпускаемые отечественные модели светодиодов серии АЛ 307 AM, подключаемые через токоограничивающий резистор в 1 кОм.
БЛ 3, структурная схема которого показана на фиг. 3, предназначен для регистрации перемещения метаемого тела, определения и запоминания его координат.
В качестве двухвходовых элементов И могут быть использованы серийно выпускаемые отечественные модели 1533 ЛИ 1 или импортные аналоги SN 74 АМС, в качестве элемента НЕ могут быть использованы серийно выпускаемые отечественные модели 1533 ЛН 1 или импортные аналоги SN 7406N, в качестве элемента ИЛИ модель 100ЛЛ110.
БВ 4, структурная схема которых показана на фиг. 4, предназначен для обработки результатов, полученных от блока логики и вычисления скорости метаемого тела.
В качестве RS триггера может быть использована серийно выпускаемая отечественная модель К561ТР2.
МВИ 5 представляет собой цифровое устройство, реализованное на жидкокристаллических или светодиодных индикаторах, на которое поступает сигнал, пропорциональный скорости метаемого тела, с БВ 4 и данные о координатах с БЛ 3.
БУ 6 предназначен для формирования управляющего сигнала на включение БВ 3 (обнуление двоичного счетчика и включение генератора стробирующих импульсов), перевод триггеров в нулевое состояние БЛ 3.
ИП 7 является источником электроэнергии для генератора стробирующих импульсов и линеек излучателей.
Входящие в рассмотренные БЛ, БВ, БИ, БФ, БУ, МВИ элементы известны и описаны соответственно в [4, 5].
Описание работы устройства
Работа устройства начинается с того, что по команде «ПУСК» в БУ 6 формируются одиночный импульс, поступающий одновременно на управляющий вход 3.4 БЛ 3 и обнуляющий все его триггеры 3.1.1.1…3.2.M.N, и на управляющий вход 4.5 «включение» БВ 4, обнуляющий двоичный счетчик 4.2 и запускающий генератор стробирующих импульсов 4.1.
Метаемое тело метают (выбрасывают) в направлении БИ 1 и БФ 2. При пересечении метаемым телом луча n-го (n ∈ 1…N) излучателя первой пары линейки источника излучения БИ 1 и фотоприемника БФ 2, сигнал с этой пары прерывается на n-ом информационном выходе БФ 2 и n-ом информационном входе БЛ 3, после чего через n-й элемент НЕ БЛ 3 поступает одновременно на первые входы элементов И 3.1.1.n…3.1.М.n и n-й вход элемента ИЛИ 1, с выхода которого сигнал поступает на вход 4.2 БВ 4, являющийся первым входом 4.10.1 RS-тригтера 4.10, с выхода 4.10.3 RS-триггера 4.10 сигнал поступает на второй вход 4.7.2 элемента И 4.7, с выхода которого 4.7.3 сигнал поступает на вход 4.8.1 двоичного счетчика 4.8, который начинает отсчитывать стробирующие импульсы с генератора 4.6.
Далее метаемое тело пересекает луч m-го (m ∈ 1…М) излучателя второй пары линейки источника излучения БИ 1 и фотоприемника БФ 2, что вызывает прерывание сигнала с этой пары на m-ом информационном выходе БФ 2 и m-ом информационном входе БЛ 3, после чего через m-й элемент НЕ БЛ 3 поступает одновременно на вторые входы элементов И 3.1.m.1…3.1.m.N и m-й вход элемента ИЛИ 2, с выхода которого сигнал поступает на второй вход 4.10.2. RS-триггера 4.10, что приводит к прекращению поступления сигнала с выхода 4.10.3 RS-триггера 4.10 и прекращению работы двоичного счетчика 4.8, который передает суммарное количество импульсов на вход вычислительного устройства 4.9, которое вычисляет скорость пролета метаемого тела путем умножения количества стробирующих импульсов на их интервал, вычисленная скорость передается на информационный вход 5.1 МВИ 5.
Сигналы, поступающие на входы (3.5.1…3.5.М) и входы (3.6.1…3.6.N) соответствуют координатам пролета метаемого тела относительно первой (1.1 и 2.1)и второй (1.2 и 2.2) пар линеек источников излучения БИ 1 и фотоприемников БФ 2 и вызывают срабатывание элемента И 3.1.m.n из матрицы элементов И (3.1.1.1…3.1.M.N) БЛ 3, сигналы с выхода которого приводят к срабатыванию соответствующего триггера 3.2.m.n из матрицы триггеров (3.2.1.1…3.2.M.N) БЛ 3. Сигнал с выхода которого поступит на соответствующий выход (3.3.1…3.3.L) БЛ 3, соединенного с соответствующим входом (5.2.1…5.2.L) МВИ 5 и обеспечит индикацию координат метаемого тела.
После пролета метаемым телом второй пары линейки источника излучения БИ и фотоприемника БФ в триггере 3.2.m.n записывается единица, сигнал с информационных выходов 3.3.1-3.3.L (L=NxM) БЛ 3 поступает на информационные входы 5.2.1-5.2.L МВИ 5.
Источники информации
1. Патент РФ на изобретение №2216025, кл. G01P 3/66, опубл. 10.11.2003.
2. Патент РФ на изобретение №2285267, кл. G01P 3/66, опубл. 10.10.2006.
3. Патент РФ на изобретение №2366960, кл. G01P 3/66, опубл. 10.09.2009.
4. Шило В.Л. Популярные микросхемы КМОП: Справочник. - М.: Горячая линия - Телеком, 2001. - 112 с. (Массовая радиобиблиотека; Вып. 1246).
5. Микушин А.В., Сажнев A.M., Сединин В.И. Цифровые устройства и микропроцессоры. - Спб.: БХВ - Петербург, 2010. - 832 с.