Устройство для измерения линейных и угловых перемещений, скоростей и ускорений объектов
DEVICE FOR MEASURING LINEAR AND ANGULAR DISPLACEMENTS, VELOCITIES AND ACCELERATIONS OF OBJECTS

Изобретение относится к приборам и оборудованию, применяемым при испытаниях и исследованиях артиллерийских систем, и может быть использовано в отраслях народного хозяйства, в которых требуется производить помехозащищенные измерения параметров прямолинейных движений на скоростях до 20 м/сек.
Известно устройство для измерения скоростей и величин пути различных деталей и узлов откатных частей артиллерийских систем, содержащее датчик - электромагнитный униполярный велосиметр Войцеховича и измерительный прибо-шлейфовый осциллограф [Вердин Г.Д., Родин А.А. Прикладная баллистика. Методы и средства баллистических измерений. - М.: Машиностроение, 1975. - 232 с.]. Принцип действия велосиметра Войцеховича основан на возникновении разности потенциалов на концах проводника, движущегося в магнитном поле. В качестве проводника используется лента. Разность потенциалов, возникающая на ребрах якорной ленты при ее движении в магнитном поле, снимается щеточным устройством. Для регистрации пути в существующей конструкции велосиметра применен отметчик пути, представляющий особо подвижный контакт, размыкающийся при совпадении отверстия в ленте с щупом контакта.
Недостатком устройства является недостаточная стабильность и низкое качество записи параметров отката-наката при скоростях откатных частей более 10 м/сек. При измерении больших скоростей откатных частей и воздействии на велосиметр ускорении наличие подвижных контактов (щетки, контакт отметчика пути) отрицательно сказывается на качество записей и достоверности результатов регистрации торможенного отката. При испытаниях имеют место быстрый износ и выход из строя подвижных контактов, обрывы ленты, а процессы, зарегистрированные на осциллограммах, трудно поддаются обработке, гак как они затенены высокой частотой, образующейся при нарушении контакта между проводником и съемной щеткой или щупом.
x
с
c
x
0
0
Известно устройство для определения перемещений (координаты) светового пятна, содержащее источник светового излучения, оптически связанный с ним координатный фотоприемник - телевизионную дискретно-сплошную сканисторную p-n-р структуру (дискретно-сплошной мультискан) с делительной и выходной шиной в фотопотенциометрическом режиме, электронную схему, включающую два последовательно соединенных источника напряжения смещения, а также последовательно включенные преобразователь ток-напряжение, высокочастотный фильтр, интегратор и модулятор [патент RU №2097691 C1, G01B 21/00, Устройство для определения положения светового пятна / Подласкин Б.Г., Токранова Н.А., Чеботарев К.Е., Чекулаев Е.А.]. Принцип работы данного устройства основан на интегрировании выходного тока дискретно-сплошного мультискана и формировании интегратором напряжения U управления положением нулевой эквипотенциали, соответствующего в установившемся состоянии линейной координате центра х светового пятна на фоточувствительной поверхности: x=U⋅L/2E (где L - длина фоточувствительной поверхности дискретно-сплошного мультискана; E - напряжение источников смещения делительной шины). Устройство измеряет координаты центра одиночного светового пятна при воздействии фоновых световых помех за счет применения амплитудно-модулированного светового сигнала и фильтрации выходного тока фотоприемника на частоте модуляции.
Недостатком устройства является недостаточная стабильность координатной характеристики дискретно-сплошных мультисканов и невозможность измерения перемещений более одной световой зоны.
Наиболее близким к заявляемому является устройство для коллиматорных помехозащищенных измерений угловых перемещений объектов, содержащее отражающее зеркало, установленное на контролируемом объекте, оптически связанные с ним два координатных фотоприемника - две телевизионные сплошные сканисторные р-n-р структуры (сплошные сканисторы) во время-импульсном режиме для измерения угловых перемещений объектов по осям X, Y, электронную схему, включающую источник модулированного по яркости светового излучения, источник постоянного напряжения смещения, генератор развертывающего пилообразною напряжения опроса, два преобразователя ток-напряжение, два синхронных детектора, два фильтра нижних частот, микропроцессор [Шелковников Ю.К., Осипов Н.И., Кизнерцев С.Р., Ермолин К.С. Информационно-измерительные системы на основе телевизионного сканистора. В сборнике: Механика и физико-химия гетерогенных сред, наносистем и новых материалов. Материалы научных исследований. Ижевск, 2015. С. 312-327].
Недостатком устройства является невозможность измерения линейных перемещений объектов, а также низкое быстродействие при использовании сплошного сканистора во время-импульсном режиме с осуществлением одного измерения координаты за один период пилообразного напряжения. Также к недостаткам устройства следует отнести недостаточную точность измерений при использовании в качестве координатного фотоприемника сплошного сканистора с более низкими метрологическими характеристиками, чем у дискретно-сплошного мультискана.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности, надежности и быстродействия помехозащищенных измерений параметров движения откатных частей артиллерийских систем при больших скоростях отката-наката (от 0 до 20 м/сек).
Технический результат заключается в одновременной регистрации линейных перемещений и угловых перекосов откатных частей при больших скоростях отката-наката, а также улучшении метрологических характеристик за счет использования режима модуляции при попеременном включении источников излучения для формирования информационной и калибровочной световых зон на фоточувствительных поверхностях дискретно-сплошных мультисканов.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве, содержащем источник информационного модулированного светового излучения, отражающее зеркало, оптически связанные с ним два координатных фотоприемника, электронную схему, координатные фотоприемники выполнены в виде двух телевизионных дискретно-сплошных сканисторных p-n-р структур - дискретно-сплошных мультисканов, которые расположены симметрично вдоль горизонтальной линии перпендикулярной направлению движения откатной части артиллерийской системы, на которой установлены половины зеркала для отражения информационного модулированного светового излучения на дискретно-сплошные мулы исканы. Электронная схема содержит оптически связанные с двумя дискретно-сплошными мультисканами два источника калибровочного модулированного излучения, подключенные через коммутатор к выходу генератора модулирующих сигналов, делительные шины дискретно-сплошных мультисканов соответственно подсоединены к двум парам последовательно соединенных источников напряжения смещения, а выходные шины дискретно-сплошных мультисканов соответственно подключены к входам двух преобразователей ток-напряжение, выходы которых соединены соответственно с входами двух полосовых фильтров, выходы которых подключены соответствен но к сигнальным входам двух синхронных детекторов, а входы синхронизации детекторов подсоединены к соответствующим выходам генератора модулирующих сигналов, при этом выходы синхронных детекторов соответственно соединены с входами двух интеграторов, выходы которых соответственно подключены к общим выводам двух пар источников напряжения смещения и входам двух аналого-цифровых преобразователей, цифровые выходы и входы управления которых соответственно соединены с цифровым входом и выходом микропроцессора, подключенного к входу управления коммутатора, при этом отражающее зеркало на откатных частях состоит из двух половин, расположенных под утлом друг к другу для отражения информационного модулированного светового излучения параллельно направлению отката от источника излучения на дискретно-сплошные мультисканы.
На фигуре представлена схема заявляемого устройства для помехозащищенных измерений линейных и угловых перемещений, скоростей и ускорений откатной части артиллерийской системы.
Датчик устройства содержит два дискретно-сплошных мультискана 1, 2, которые расположены симметрично вдоль горизонтальной линии, перпендикулярной направлению отката частей (деталей и узлов) 3 артиллерийских систем, половины 4, 5 зеркала на откатной части 3.
Электронная схема содержит источник 6 информационного модулированного светового излучения, источники калибровочного модулированного излучения 7, 8, питающий их генератор модулирующих сигналов 9, коммутатор 10, осуществляющий попеременное включение источников излучения 6, 7 (6, 8) для формирования информационной 6 и калибровочной 7 (8) световых зон на фоточувствительной поверхности дискретно-сплошного мулы искана 1(2). Делительная шина 11 (12) дискретно-сплошного мультискана 1(2) подключена к последовательно соединенным источникам напряжения смещения 13, 14 (15, 16) и обеспечивает продольно распределенное напряжение смещения фотодиодных ячеек, а выходная шина 17 (18) дискретно-сплошного мультискана 1(2) соединена с входом преобразователя ток-напряжение 19 (20), выход которого соединен с входом полосового фильтра 21 (22), выход последнего соединен с сигнальным входом синхронного детектора 23 (24), а вход синхронизации детектора подсоединен к генератору модулирующих сигналов 9. Выход синхронного детектора 23 (24) соединен с входом интегратора 25 (26), выход интегратора подключен к общему выводу источников напряжения смещения 13, 14 (15, 16) и входу аналого-цифрового преобразователя 27 (28), цифровой выход и вход управления которого соединены с цифровым входом и выходом микропроцессора 29, подключенною к входу управления коммутатора 10.
Устройство работает следующим образом.
С целью увеличения помехозащищенности измерений дискретно-сплошные мультисканы 1, 2 используются в режиме модуляции яркости светового излучения.
1
2
В исходном состоянии 1 откатных частей для схемы, представленной на фигуре, модулированный поток излучения от источника 6 проецируется на половины 4, 5 зеркала и симметрично отражается на дискретно-сплошные мультисканы 1, 2 таким образом, что расстояние х световой зоны от начала первого дискретно-сплошного мультискана равно расстоянию х световой зоны от начала второго дискретно-сплошного мультискана. При этом треугольник ОВС, имеющий угол ВОС, равный 0,5 - 2' (этим углом регулируется масштаб уменьшения перемещения откатных частей порядка 1500 мм до длины дискретно-сплошного мультискана не более 30 мм) можно считать равнобедренным при любом положении световых зон на дискретно-сплошных мультисканах 1, 2. Из рассмотрения треугольника ОВС следует:
1
где r - базовое расстояние между началами дискретно-сплошных мультисканов; K=0,5tg (α/2) - постоянный масштабный коэффициент.
Процесс отката характеризуется общим положением II для схемы, представленной на фигуре, когда половины 4, 5 зеркала на откатных частях переместятся на длину отката, равную расстоянию:
где  - новые координаты световых зон на дискретно-сплошных мультисканах 1, 2.
2
1
1
Однако х>х, так как ось ствола имеет угловой перекос с углом β=D0'D,
где
Дифференцируя выражение для перемещения откатных частей, имеем:
1
2
Таким образом, но перемещениям х, х световых зон на дискретно-сплошных мультисканах 1, 2 можно судить о величине пути и скорости откатных частей артиллерийских систем, а также угловых перекосах ствола в любой точке отката.
Электронная схема устройства работает следующим образом. Источник калибровочного модулирующего излучения 7 (8) при помощи питающего генератора модулирующих сигналов 9, коммутатора 10 осуществляет попеременное включение источников излучения 6, 7 (6, 8) для формирования информационной 6 и калибровочной 7 (8) световых зон на фоточувствительной поверхности дискретно-сплошного мультискана 1 (2), координаты центров которых однозначно зависят от перемещений откатных частей. Последовательно соединенные источники напряжения смещения 13, 14 (15, 16), подключенные к резистивной делительной шине 11 (12), обеспечивают продольно распределенное напряжение смещения фотодиодных ячеек дискретно-сплошного мультискана 1 (2). Потенциал общей точки источников напряжения смещения 13, 14 (15, 16) определяет линейное положение нулевой эквипотенциали на фоточувствительной поверхности. При нулевом потенциале общей точки источников напряжения смещения 13, 14 (15, 16) с равным напряжением эквипотенциаль занимает положение посередине фоточувствительной поверхности (например, при первоначальном включении и независимо от освещенности).
При попеременном появлении на фоточувствительной поверхности дискретно-сплошного мультискана 1 (2) световых зон 6, 7 (6, 8) в выходную шину 17 (18) формируемся пульсирующий с частотой модуляции выходной ток, полярность которого определяется положением центра световой зоны относительно положения эквипотенциали, а амплитуда - разностью фототоков фотодиодных ячеек, расположенных по обе ее стороны.
Преобразователь ток-напряжение 19 (20) преобразует выходной ток в напряжение и усиливает, полосовой фильтр 21 (22) отфильтровывает его на частоте модуляции от постоянной составляющей напряжения, обусловленной фоновыми засветками, а синхронный детектор 23 (24) детектирует. Напряжение с выхода детектора 23 (24) в требуемой для обеспечения отрицательной обратной связи полярности подается на вход интегратора 25 (26). Напряжение на выходе интегратора изменяется до тех пор, пока линейное положение эквипотенциали не совпадет с центром световой зоны на фоточувствительной поверхности, при этом составляющая с частотой модуляции выходного тока дискретно-сплошного мультискана 1 (2) и напряжение на выходе детектора 23 (24) устанавливаются равными нулю. Изменение положения световой зоны (или переключение источников модулированного излучения с одного на другой) вызовет изменение напряжения на выходе интегратора 25 (26) до значения, соответствующего изменившейся координате центра световой зоны.
Аналого-цифровой преобразователь 27 (28) преобразует выходное напряжение интегратора 25 (26), соответствующего координате центра каждой из световых зон, в цифровой код и передает в микропроцессор 29, который формирует сигналы управления коммутатором 10 источников излучения 4, 7, 8, аналого-цифровым преобразователем 27 (28) и производит вычисление линейных и угловых перемещений, скоростей и ускорений откатных частей артиллерийских систем по формулам (2)-(4). Частота коммутации источников излучения и опроса аналого-цифровых преобразователей 27 (28) определяется, исходя из времени переходного процесса установления положения эквипотенциали. Долговременная стабильность координатной характеристики дискретно-сплошных мультисканов 1 (2) обеспечивается их автоматической калибровкой на основе калибровочных источников излучения 7 (8) (калибровочных светодиодов. расположенных около дискретно-сплошных мультисканов 1 (2)). В исходном состоянии (когда нет перемещений откатных частей) информационный световой поток, отраженный от половины 4 (5) зеркала и световой ноток от источника калибровочного модулированного источника излучения 7 (8) попеременно формируют световую зону в одной и той же точке фоточувствительной поверхности дискретно-сплошного мультискана 1 (2). При перемещении откатных частей информационная световая зона смещается от своего первоначального нулевого положения и микропроцессор 29 производит вычисление перемещений, скоростей и ускорений откатных частей относительно положения неподвижной калибровочной световой зоны (при этом отсутствует погрешность от одинаковых нестабильностей измеряемых напряжений, соответствующих текущим координатам информационной и калибровочной световых зон).
1
2
2
1
Следует отметить, что угловые перемещения половин 4, 5 зеркала, закрепленного на откатной части, не влияют на его измеряемые линейные перемещения S при откате, так как согласно схеме, представленной на фигуре, и формуле (2) увеличение (уменьшение) координаты  на дискретно-сплошном мультискане 1 приводит к соответствующему и равному уменьшению (увеличению) координаты  на дискретно-сплошном мультискане 2, что соответствует неизменности суммы  При этом одинаковые увеличения (уменьшения) координат х, х при перемещениях откатной части приводят к неизменности разности (х-x) в формуле (3) для угловых перекосов ствола, и, в целом, к независимости друг от друга измеряемых линейных и угловых перемещений откатной части артиллерийской системы.
Предложенное устройство обеспечивает повышение точности, надежности и быстродействия помехозащищенных измерений линейных перемещений, скоростей и ускорений откатных частей артиллерийских систем, а также одновременную регистрацию их угловых перекосов при больших скоростях отката-наката.