ДАТЧИК ИЗГИБА СТВОЛА

Заявляемое техническое решение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к устройствам измерения деформаций длинномерных конструкций, например артиллерийских стволов различных длин и калибров.
Изгиб ствола возникает от нагрева при стрельбе, солнечном облучении или неравномерном охлаждении за счет влияния ветра и осадков, а так же динамических колебаниях ствола во время стрельбы и при движении боевых машин. При изгибе ствола снаряд отклоняется от точки прицеливания. Решающее значение на величину промаха оказывает угол отклонения дульного среза ствола в вертикальной и горизонтальной плоскости относительно оси люльки орудия, называемый дульным углом. Для повышения точности стрельбы необходимо определять величину угла изгиба ствола в реальном времени.
Известно устройство для измерения изгиба артиллерийского ствола [1] автоколлимационного типа содержащее точечный источник света и позиционно чувствительный детектор положения расположенные в фокальной плоскости телескопа и зеркало, закрепленное на дульном срезе ствола. При изгибе ствола зеркало поворачивается, происходит смещение отраженного светового пучка относительно детектора положения. По величине этого смещения судят о величине изгиба ствола. Наличие сферического зеркала телескопа позволяет измерять именно угол изгиба ствола. Быстродействующий детектор положения обеспечивает измерение изгиба при динамических колебаниях с частотой до 1000 Гц.
Недостаток устройства в том, что зеркало установлено на конце ствола, во время выстрела испытывает значительные ударные нагрузки, влияющие на стабильность его углового положения. Поверхность зеркала быстро загрязняется продуктами сгорания и пылью и требует постоянного ухода. Кроме того, конструкция автоколлиматора содержит значительное количество сложных по конструкции и дорогостоящих оптических элементов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство, реализующее способ измерения изгиба артиллерийского ствола [2]. Работа устройства основана на измерении линейного отклонения светового луча сформированного измерительным блоком, закрепленным на люльке, после отражения от стеклянной призмы, закрепленной на конце ствола. В качестве приемника излучения используется позиционно чувствительный элемент (плоский фотодиод).
Недостаток устройства в том, что устройство измеряет угловое перемещение конца ствола, которое не совпадает с углом изгиба ствола в дульной части, так как ствол изгибается по сложному закону. Кроме того, необходимость приема слабого отраженного сигнала излучателя позиционно чувствительным элементом требует длинных экспозиций фотоприемника. Устройство обеспечивает измерение с частотой не более 0,5 Гц, что не позволяет использовать его при измерении изгиба вызванного динамическими колебаниями. В устройстве не удалось избавиться от негативного влияния размещения чувствительного к загрязнениям оптического отражателя в зоне воздействия продуктов сгорания и пыли. Использование позиционно чувствительного элемента требует сложной индивидуальной калибровки каждого устройства.
Заявляемая полезная модель предлагает простой по конструкции, нетребовательный в эксплуатации датчик измерения угла изгиба ствола (дульного угла) при изменении температуры ствола и динамических колебаниях орудия.
Указанная задача решается с помощью технического результата от использования заявляемой полезной модели, заключающегося в непрерывном измерении угла поворота дульного среза ствола относительно оси люльки орудия в вертикальной и горизонтальной плоскости при изменении температуры и динамических колебаниях ствола.
Указанный технический результат в предлагаемой конструкции датчика изгиба ствола, включающей две оптически сопряженные мишени, размещенные в едином блоке на конце ствола, приемный объектив, приемник излучения, блок обработки изображения, излучатели и спектральный фильтр достигается тем, что:
- во-первых, используется метод определения величины и направления угла изгиба ствола по изменению взаимного положения мишеней установленных на конце ствола на фиксированном расстоянии друг от друга;
- во-вторых, для получения изображений мишеней используется быстродействующая ПЗС матрица, обеспечивающая измерение угла с частотой до 100 Гц с высокой точностью;
- в-третьих, датчик не содержит сложных оптических элементов, имеет простую, легкую и компактную конструкцию;
- в-четвертых, мишени, выполненные в едином металлическом блоке (Фиг. 2), обеспечивают надежное крепление к стволу, устойчивость к механическим воздействиям и загрязнениям.
- в-пятых, для снижения влияния световых помех при выстреле, спектральный диапазон датчика смещен в инфракрасную область.
Заявляемая полезная модель пояснена схемой (Фиг. 1), на которой изображена функциональная схема устройства. Предлагаемый датчик изгиба ствола состоит из:
1. Измерительного блока 9, включающего: блок обработки изображения 1, приемник излучения 2, объектив 3, спектральный фильтр 4 и излучатели 5.
2. Блока мишеней 8, включающего: первую мишень 6 и вторую мишень 7;
Заявляемая полезная модель работает следующим образом. Изображение мишеней 6 и 7, установленных в едином блоке 8 на фиксированном расстоянии друг от друга, проецируется объективом 3 в плоскости ПЗС матрицы, которое передается в блок обработки изображения 1. Блок обработки изображения находит контур мишеней, определяет центры полученных контуров и их взаимное расположение, сравнивает начальное (полученное на холодном стволе в нормальных условиях) и текущее взаимное расположение центров контуров мишеней и определяет величину угла изгиба ствола в горизонтальной и вертикальной плоскости.
Величина угла определяется физическими характеристиками ПЗС матрицы и объектива, а так же расстояниями между входным зрачком объектива и мишенями.
Для уменьшения помех от солнечного излучения, вспышки выстрела и пыледымовых помех рабочий оптический диапазон датчика смещен в длинноволновую часть инфракрасного диапазона. С этой целью в состав измерительного блока введены спектральный фильтр 4 и инфракрасные излучатели 5. Наличие подсветки блока мишеней позволяет нормировать их освещенность в различных погодных условиях и в разное время суток.
Датчик готов к работе сразу после включения питания и непрерывно передает результаты измерений изгиба ствола с заданной частотой.
Использование предлагаемой полезной модели имеет следующие преимущества:
- высокая частота и точность измерения углов позволяет использовать датчик в перспективных системах управления огнем для учета угла изгиба ствола, определения зоны разрешения выстрела, а также в системах стабилизации и наведения для учета динамических колебаний ствола;
- не требует размещения на дульном срезе ствола сложных, требующих юстировки и регулярной очистки оптических или электронных устройств;
- не требует калибровки в процессе эксплуатации;
- простая, малогабаритная и легкая конструкция, обладающая низкой стоимостью в производстве и простотой обслуживания в эксплуатации.