УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНОГО СМЕЩЕНИЯ ОБЪЕКТА
DEVICE FOR MEASUREMENT OF OBJECT LINEAR DISPLACEMENT

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, к устройствам контроля линейных смещений объектов оптико-электронными методами и может быть использовано для контроля взаимного положения элементов крупногабаритных сооружений, соосных деталей (турбоагрегатов АЭС, направляющих крупногабаритных станков и т.п.), смещения их осей, измерения непараллельности, неплоскостности, неперпендикулярности и величин их прогибов в процессе ремонта, настройки и эксплуатации.
Известны технические решения контроля линейных смещений объектов, основанные на формировании равносигнальной базовой линии. Например, устройство измерения линейного смещения объекта, основанное на прямом методе измерений (пат. РФ, №2252395, МПК G01B 11/00 11/02, опубл. 20.05.2005). Устройство содержит предназначенный для размещения на контролируемом объекте протяженный равнояркий излучатель, установленный на оптической оси прибора с возможностью перемещения в плоскостях, перпендикулярных ей, фотоприемную систему из объектива и фотоприемного устройства с четырьмя чувствительными площадками, границы раздела которых совпадают с координатными осями ОХ и OY и имеют общую точку, которая с центром входного зрачка объектива лежит на оптической оси, образующей базовую линию, от которой ведется отсчет измерения линейных смещений, соединенный с выходами чувствительных площадок блок обработки электрических сигналов для выделения и регистрации сигналов рассогласования с вычислением величины смещения объекта относительно базовой линии. В устройстве на оптической оси прибора дополнительно установлены две квадратные диафрагмы разного размера у входного зрачка излучателя и у входного зрачка объектива фотоприемной системы. Фотоприемное устройство выполнено в виде квадратного приемника, установленного в фокальной плоскости объектива фотоприемной системы. При этом излучатель выполнен в виде осветителя, который представляет собой полую сферу диаметром 40 мм с выходным окном диаметром 10 мм. Выходное окно определяет размер протяженного равнояркого светового источника. Внутренняя поверхность сферы выполнена с диффузно-рассеивающим покрытием (белое, глубокоматовое по OCT3-1898-73) с коэффициентом отражения 0,95. Внутри сферы размещены 8 светодиодов АЛ 119. Светодиоды связаны с источником питания, выполненным в виде генератора переменных напряжений на базе однотактного таймера типа К1006В41. Источник питания подключался к сети = 220 В, 50 Гц.
К существенным недостаткам данного устройства можно отнести высокое потребление энергии излучателем вследствие того, что для работы излучателя необходимо обеспечить питание большого количества светодиодов, неудобство настройки и юстировки системы из-за необходимости совмещения центров диафрагм излучателя, объектива, а также общей точки четырех фоточувствительных площадок фотоприемного устройства с оптической осью объектива и центром входного зрачка. Кроме того, к недостаткам устройства необходимо отнести неудобство эксплуатации системы вследствие необходимости протягивания кабелей питания к излучателю, удаленному от фотоприемной системы и блока обработки.
Известно устройство для измерения линейного смещения объекта (патент РФ №2456542, МПК G01B 11/02, G01S 11/12, опубл. 20.07.2012), выбранное в качестве прототипа. Устройство включает предназначенные для размещения на контролируемом объекте два точечных излучателя, расположенных в одной плоскости на фиксированном расстоянии друг от друга, фотоприемную систему, оптически сопряженную с излучателями, содержащую оптический фильтр, объектив и фотоприемное устройство, установленное в плоскости изображения объектива и выполненное в виде матричного фотоприемника, соединенного с блоком обработки, а также блок управления излучателями, содержащий два канала управления излучателями и микроконтроллер, выходы которого соединены с входами каждого из каналов управления излучателями, а вход микроконтроллера соединен с блоком обработки, при этом выходы каждого канала управления излучателями соединены с входами соответствующих излучателей, плоскость размещения которых параллельна фоточувствительной площадке фотоприемного устройства. В качестве объектива используется телеобъектив с внутренней фокусировкой, а центр матрицы назначается программно.
К существенным недостаткам данного устройства можно отнести высокое потребление энергии излучателями, т.к. для работы устройства требуется несколько излучателей, а также неудобство эксплуатации и обслуживания системы вследствие необходимости либо протягивать кабели питания от фотоприемной системы (блока обработки) к удаленным излучателям, либо производить регулярную замену автономных элементов питания.
Задачей заявляемого устройства является снижение энергопотребления излучателем и упрощение обслуживания и эксплуатации устройства в целом.
Указанная задача решается за счет того, что в устройстве для измерения линейного смещения объекта, включающем точечный излучатель, фотоприемную систему, оптически сопряженную с излучателем, содержащую оптический фильтр, объектив и фотоприемное устройство, установленное в плоскости изображения объектива и выполненное в виде матричного фотоприемника, соединенного с блоком обработки, а также блок управления излучателем, содержащий канал управления излучателем и микроконтроллер, выходы которого соединены с входом канала управления излучателем, а вход микроконтроллера соединен с блоком обработки, при этом выход канала управления излучателем соединен с входом излучателя, новым является то, что устройство содержит два ретрорефлектора, предназначенных для размещения на контролируемом объекте, плоскости входных зрачков которых расположены в одной плоскости и параллельны плоскости фоточувствительной площадки фотоприемного устройства, а центры зрачков расположены на фиксированном расстоянии друг от друга, при этом точечный излучатель расположен на оптической оси объектива в пределах фотоприемной системы, так что индикатриса его излучения направлена от фотоприемной системы в сторону ретрорефлекторов. Кроме того, каждый из излучателей выполнен в виде полупроводникового излучающего диода, излучатель закреплен в отверстии оптического фильтра фотоприемной системы на оптической оси объектива, а ретрорефлекторы выполнены в виде триппель-призм.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображена структурная схема устройства, реализующего способ измерения линейного смещения объекта.
Устройство содержит два ретрорефлектора 1 и 2, излучатель 3, расположенный на оптической оси объектива 4, и три блока: блок управления 5 излучателем 3, состоящий из канала управления 6 излучателем 3 и микроконтроллера 7, фотоприемную систему 8, состоящую из последовательно расположенных оптического фильтра 9, объектива 4, фотоприемного устройства 10 и блок обработки электрических сигналов 11.
Устройство работает следующим образом.
Перед началом измерения ретрорефлекторы 1 и 2, выполненные в виде, например, триппель-призм, закрепляются на контролируемом объекте, так чтобы плоскости их входных зрачков были параллельны плоскости фоточувствительной площадки фотоприемного устройства 10 и лежали в одной плоскости. При этом необходимо, чтобы оптическое излучение от излучателя 3 после отражения от ретрорефлекторов попадало в поле зрения фотоприемной системы 8, а поле излучения должно быть достаточным, чтобы перекрывать входные зрачки обоих ретрорефлекторов. В режиме ожидания фотоприемная система 8 производит непрерывную съемку лежащей в ее поле зрения части пространства, но полученные при этом кадры не сохраняются и не обрабатываются. Излучатель 3 при этом находится в выключенном состоянии. По сигналу от электронной вычислительной машины 12 в микроконтроллер 7 поступает управляющий сигнал, по которому канал управления 6 излучателем 3 вырабатывает сигнал активации излучателя 3. При необходимости контраст изображения может регулироваться изменением яркости излучателя 3 посредством пересылки необходимых команд в блок управления 5 излучателем 3. Отраженное от ретрорефлекторов 1 и 2 оптическое излучение излучателя 3, пройдя через оптический фильтр 9, отрезающий спектральные составляющие падающего излучения, не соответствующие спектральному диапазону излучателя 3, и объектив 4, формирует в плоскости изображения объектива 4 распределение облученности в виде двух квазиточечных пятен рассеяния. Установленное в той же плоскости фотоприемное устройство 10, выполненное в виде матричного приемника излучения, преобразует оптический сигнал в электрический, который затем поступает на вход блока обработки электрических сигналов 11, где по сигналу от электронной вычислительной машины 12 производится захват видеокадра с изображениями ретрорефлекторов 1 и 2, после чего в блоке обработки электрических сигналов 11 электрический сигнал преобразуется в цифровой вид.
1
2
1
2
Величина смещения контролируемого объекта Χ, Υ определяется из соотношения: Х=x′·М и Y=y′·M, где  - масштабный коэффициент М, вычисляемый автоматически для каждой дистанции, В - длина базового отрезка в пространстве предметов, равная расстоянию между центрами входных зрачков ретрорефлекторов 1 и 2, известная с большой точностью,  где x′, y′ - координаты центра отрезка между пятнами рассеяния, x, x - горизонтальные координаты энергетических центров тяжести первого и второго пятен рассеяния соответственно, y, y - вертикальные координаты энергетических центров тяжести первого и второго пятен рассеяния соответственно.
Работа с цифровым электрическим сигналом позволяет вводить в алгоритм работы электронной вычислительной машины 12 алгоритмические поправки, компенсирующие влияние различных погрешностей.
Необходимые для работы устройства напряжения питания вырабатываются блоком питания (не показан).
Таким образом, предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом имеет следующие преимущества:
- меньшее энергопотребление, в связи с тем, что используется только один точечный излучатель;
- отсутствие необходимости протягивания кабелей к контролируемому объекту для питания излучателей или замены элементов питания, поскольку активные излучатели на контролируемом объекте в данном случае заменены на пассивные ретрорефлекторы. Это обуславливает упрощение эксплуатации и обслуживания устройства.
Пример конкретного исполнения.
Ретрорефлекторы выполнены в виде триппель-призм, установленных в держателе таким образом, чтобы входные грани триппель-призм лежали в одной плоскости, а расстояние между их вершинами было строго фиксировано. Держатель с триппель-призмами закрепляется на контролируемом объекте таким образом, чтобы обеспечить параллельность входных граней триппель-призм плоскости фоточувствительной площадки фотоприемного устройства. Излучатель, выполненный в виде полупроводникового излучающего диода, закрепляется в отверстии по центру защитного стекла фотоприемной системы или по центру оптического фильтра, установленного соосно с объективом. Блок управления излучателем выполнен единой платой с размещенным на ней микроконтроллером и каналом управления излучателем, который состоит из инвертора и усилителя, выполняющих широтно-импульсную модуляцию для управления яркостью излучателя. Спектральная полоса пропускания оптического фильтра фотоприемной системы согласована со спектральной характеристикой полупроводникового излучающего диода. В качестве объектива используется телеобъектив с внутренней фокусировкой, который позволяет сохранять положение плоскости резкого изображения и сохранить прямолинейность базовой линии системы при перефокусировке на разноудаленные дистанции. Фотоприемное устройство выполнено в виде КМОП матрицы, причем центр матрицы назначается в процессе калибровки программно. Это значительно упрощает процесс калибровки, юстировки и освобождает от необходимости точных механизмов юстировки матрицы. Блок обработки электрических сигналов выполнен единой платой с оперативным запоминающим устройством, платой формирователя адреса и микроконтроллером, выполняющим согласование работы вышеперечисленных компонентов блока обработки электрических сигналов и необходимые вычисления. Электронная вычислительная машина выполнена в виде персонального компьютера.
Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает, наряду со снижением энергопотребления, повышение эргономичности при настройке и эксплуатации.