Способ измерения скорости объекта и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области измерения динамических параметров объекта и может быть использовано в различных областях, в том числе и в задачах строительства для исследования вибраций, деформационных характеристик грунтов, осадки строительных конструкций. Сущность изобретения заключается в том, что освещающим пучком сканируют поверхность объекта по окружности заданного радиуса, принимают рассеянное излучение в 4-х точках, расположенных в углах квадрата определенных размеров, стороны которого ориентированы вдоль осей координат в плоскости, нормальной к оси освещающего пучка, формируют реализации принятых сигналов, синхронизированные с вращением пятна, по величине задержки между принятыми сигналами на каждом периоде вращения определяют 2 проекции вектора скорости объекта. Техническим результатом является возможность определения двух проекций вектора скорости на каждом периоде вращения пятна при произвольном движении объекта, расширение диапазона измерений в область смещений, меньших расстояния между приемниками, получение информации, даже если объект покоится. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области измерения динамических параметров объекта и может быть использовано в различных областях, в том числе и в задачах строительства для исследования вибраций, деформационных характеристик грунтов, осадки строительных конструкций.

Известен способ измерения скорости путем освещения объекта пучком когерентного света со сканированием, приема рассеянного излучения одним оптоэлектрическим преобразователем и обработки выходного сигнала преобразователя в соответствии с заданным критерием [1]. При этом информация о скорости может быть получена после обработки достаточно большого количества реализаций принятых сигналов, информация от спеклов не используется, а точность измерения ограничена параметрами приемной оптики. Кроме того, данный метод чувствителен к механическим воздействиям (вибрациям) блоков сканирования и приема излучения.

Известен способ измерения динамических параметров объекта путем освещения его пучком когерентного излучения, сканирования пучка по двум координатам, приема рассеянного излучения и обработки сигналов на основе классического интерферометра [2, 3]. Метод позволяет определять 2 проекции динамических параметров, однако он достаточно сложен, применим лишь при относительно небольших перемещениях и не позволят вести обработку сигналов в реальном масштабе времени. Кроме того, метод чувствителен к механическим воздействиям и не позволяет проводить измерения в полевых условиях.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ измерения скорости (величины смещения) путем освещения объекта пучком когерентного света, приема рассеянного излучения в двух точках, расположенных в направлении движения объекта на определенном расстоянии друг от друга. При этом определяют задержки между принятыми сигналами, по величине которых определяют скорости движения объекта [4].

Известное устройство измерения скорости, выбранное в качестве прототипа заявляемого устройства, содержит источник когерентного излучения (полупроводниковый лазер), оптическую систему формирования пучка (пятна) заданных размеров для освещения объекта, два приемника, у которых чувствительные элементы расположены на прямой, параллельной направлению движения объекта, на определенном расстоянии друг от друга, сигнальный процессор для определения временной задержки между сигналами, скорости и величины смещения объекта, блок обработки аналоговых сигналов, входы которого соединены с выходами приемников, а выходы - с информационными входами сигнального процессора [4].

Известный способ позволяет измерять с высокой точностью скорость движения (величину смещения) в заданные моменты времени при равномерном движении и достаточно больших скоростях при условии, что за время принятия решения объект смещается на величину, большую расстояния между приемниками. При этом на каждом i-ом участке реализации сигналов должен быть по крайней мере один переход из 1 в 0 или из 0 в 1 (см.фиг.7 в [4]). Нули и единицы в реализации сигналов обусловлены пересечениями чувствительных площадок приемников светлыми и темными пятнами, которые распределены по случайному закону [5].

Предположим, что размеры светлых и темных пятен одинаковы и вероятность того, что за светлым пятном придет темное (т.е. за 1 последует 0), как и в эксперименте с монетой, равна 1/2. Если длину реализации сигналов выбрать соответствующей прохождению через площадку 2 пятен, то задержки не сможем определить в 50% случаев, что не допустимо при измерениях. Приемлемой можно считать длину реализации, соответствующую прохождению более 11 пятен. При этом вероятность встретить в реализации все 0 или 1 будет 1/2¹⁰, то есть неинформативные реализации сигналов встретятся лишь однажды в 1024 случаях.

При неравномерном движении скорость объекта приходится оценивать по короткому участку реализации, на котором движение объекта еще допустимо считать равномерным. Однако короткий участок реализации спекл-структуры, как показано выше, часто не содержит достаточной информации для оценки скорости, увеличение же длины обрабатываемой реализации приводит к увеличению погрешности измерений, т.к. движение на этом интервале уже нельзя считать равномерным. Метод не позволяет получать информацию, если объект покоится, или за время принятия решения его смещение меньше расстояния между приемниками.

Кроме того, метод требует, чтобы приемники были сориентированы по линии, строго параллельной направлению движения объекта. При измерении в заводских, полевых условиях объект и приемники находятся на значительном расстоянии, поэтому процедура настройки системы даже при известном направлении вектора скорости довольно трудоемка. Ее исключение или упрощение приводит к тому, что фактически вместо значения скорости определяют лишь 1 ее проекцию, т.е. измеряют скорость с большой погрешностью.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение точности измерения скорости движения объекта.

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения скорости движения объекта, основанном на освещении его пучком когерентного излучения, приеме рассеянного излучения, пучком сканируют поверхность объекта по окружности заданного радиуса, принимают рассеянное излучение в 4-х точках, расположенных в углах квадрата определенных размеров, стороны которого ориентированы вдоль осей координат в плоскости, нормальной к оси освещающего пучка, формируют реализации принятых сигналов, синхронизированные с вращением пятна, по величине задержи между принятыми сигналами на каждом периоде вращения определяют 2 проекции вектора скорости объекта.

Поставленная цель достигается также тем, что в устройство для осуществления предлагаемого способа, содержащее источник когерентного излучения, оптическую систему формирования пучка заданных размеров, два приемника, сигнальный процессор, блок обработки аналоговых сигналов, выходы которого соединены с информационными входами процессора, введены два приемника, задающий генератор и блок отклонения пучка, входы которого соединены с выходами упомянутого генератора, а выходы - с входами синхронизации сигнального процессора, причем приемники расположены в углах квадрата определенных размеров в плоскости, нормальной к оси освещающего пучка, а их выходы соединены со входами блока обработки аналоговых сигналов.

Поставленная цель достигается также тем, что в устройство для осуществления предлагаемого способа, содержащее источник когерентного излучения, оптическую систему формирования пучка заданных размеров, два приемника, сигнальный процессор, блок обработки аналоговых сигналов, выходы которого соединены с информационными входами процессора, введены два приемника, задающий генератор и блок отклонения пучка, входы которого соединены с выходами упомянутого генератора, а выходы - с входами синхронизации сигнального процессора, причем приемники расположены в углах квадрата определенных размеров в плоскости, нормальной к оси освещающего пучка, их выходы соединены со входами блока обработки аналоговых сигналов, согласно изобретению, на объекте закреплена пленка с световозвращающей апериодической микроструктурой, на которую направлен освещющий пучок когерентного излучения.

На фиг.1 приведена схема вращения пятна по поверхности объекта, на фиг.2 - схема размещения приемников, на фиг.3 - блок-схема устройства для осуществления предлагаемого способа, на фиг.4 - блок-схема устройства для осуществления предлагаемого способа с использованием пленки с световозвращающей апериодической микроструктурой.

Способ измерения скорости движения объекта осуществляется следующим образом.

При освещении объекта пучком когерентного излучения каждая его точка рассеивает некоторое количество света в направлении фотоприемников. Вследствие высокой когерентности излучение, рассеянное одной из точек объекта, интерферирует с излучением, рассеянным любой другой его точкой. В плоскости фотоприемников можно наблюдать картину хаотичной интерференционной структуры, т.е. спеклы. Хаотичность обусловлена шероховатостью поверхности, т.к. фаза рассеянного света изменяется случайно от точки к точке, следуя за вариациями высоты рельефа в данном месте. Количество спеклов, их размеры, контрастность определяются мощностью излучения, размерами пятна, характеристиками поверхности, расстоянием до объекта.

При перемещении пятна или смещении объекта на выходах приемников можно наблюдать реализации случайных сигналов. При этом размеры сформированных спеклов должны соответствовать размерам чувствительных площадок приемников. Если этого соответствия не будет, то при больших размерах площадок приемников и маленьких спеклов приемник будет работать как сглаживающий фильтр и часть спеклов будет утеряна, в обратном случае будет ухудшаться отношение сигнал/шум.

Если пятно вращается равномерно и описывает окружность радиусом R за период Т, то его линейная скорость в любой точке будет V_iп =2πR/Т. В точках 13 и 15 (см.фиг.1 и 2) вектор скорости движения пятна параллелен оси Y и движение спеклов со скоростью V_iп происходит вдоль линии расположения приемников 3-5 и 4-6. В точках 12 и 14 вектор скорости движения пятна параллелен оси X, движение спеклов со скоростью V_iп происходят вдоль линии приемников 3-4 и 5-6. Если объект будет двигаться в плоскости приемников со скоростью то проекции его вектора скорости будут соответственно V_iox,V_ioy. При этом на выходах соответствующих пар премников в моменты времени прохождения пятном указанных выше точек окружности можно наблюдать реализации случайных идентичных сигналов, сдвинутых между собой на время τ_х и τ_у, которые определяются выражением

где X_d - расстояние между парами приемников;

V_iox и V_ioy - проекции вектора скорости движения объекта;

V_iп - скорость перемещения пятна.

Период вращения пятна определятся максимальным временным интервалом, на котором движение объекта еще допустимо считать равномерным, т.е. для которого всегда выполняется условие V_iox=const и V_ioy=const. При этом необходимо обеспечить такую скорость V_iп, чтобы на каждом i-ом интервале измерения (см(1) выполнялось условие

За период Т вращения пятна формируют для каждой из указанных выше 4-х пар приемников по 4 пары реализаций сигналов, синхронные с прохождением пятном соответствующих 4-х точек окружности. При прохождении точек 13 и 15 формируют сигналы для вертикально расположенных пар приемников, при прохождении точек 12 и 14 - для горизонтально расположенных пар. Для каждого i-го периода Т определяют задержки сформированных сигналов τ_i1 и τ_i2 которые, согласно (1), можно представить в виде

Очевидно, можно записать

или

Рассмотрим приемники 3 и 4 (см.фиг.1 и 2), по сигналам с которых определяется одна из проекций V_iox. Если угол между направлением движения пятна и линией расположения приемников превышает величину

(d и X_d - размеры приемников и расстояние между ними), то изображение, прошедшее через один из приемников, не попадает на другой. Величиной α ограничен сектор круга, при прохождении которого пятном возможно определение проекции вектора скорости по сигналам приемников. Сигналы, зарегистрированные вне этих секторов, не коррелированны, поэтому не влияют на точность определения задержек.

Задав соответствующий радиус R перемещений пучка, можно обеспечить необходимую длину реализации сигналов и тем самым задать соответствующую вероятность, что задержки τ_i1, τ_i2 и две проекции вектора скорости объекта будут определены на каждом участке измерений. В том числе и на тех участках, где скорость движения была очень маленькой и даже равной нулю (т.е. объект находился в состоянии покоя.). Величину смещения объекта по каждой из координат можно найти из (8)

Устройство для осуществления предложенного способа (см.фиг.3) содержит источник когерентного излучения 1 (полупроводниковый лазер), оптическую систему 2 формирования светового пучка (пятна) заданных размеров, четыре приемника 3, 4, 5 и 6, блок обработки аналоговых сигналов 7, сигнальный процессор 8, блок отклонения пучка 9 и задающий генератор 10.

Устройство работает следующим образом. Когерентное излучение с источника 1 проходит через оптическую систему 2, которая формирует пятно заданных размеров и поступает на блок 7. Последний направляет световой пучок на диффузно отражающую поверхность исследуемого объекта и осуществляет вращение освещенного пятна по окружности. Частота и радиус вращения определяются частотой и амплитудой сигналов генератора 10.

По синхроимпульсам блока 9 за период Т сигнальный процессор 8 формирует 4 пары реализаций сигналов, синхронные с вращением пятна, определяет задержки τ_i1 и τ_i2 для каждой из 4 пар приемников, вычисляет 2 проекции вектора скорости согласно (6) и величины смещения объекта согласно (8) на каждом интервале Т.

Блок 9 состоит из двух пьезоэлектрических преобразователей, которые отклоняют луч во взаимно перпендикулярных направлениях. Световой пучок последовательно отклоняется преобразователями и освещенное пятно описывает по поверхности объекта окружность заданных размеров. Для этого фазы колебаний преобразователей должны быть сдвинуты между собой на 90°.

Каждый из преобразователей представляет собой тонкую упругую металлическую мембрану, на которой наклеены две пьезопластинки (пьезокерамические пленки) и зеркало. Под воздействием сигналов генератора, которые подаются на одну из пьезопластинок каждого преобразователя, в мембране возбуждаются изгибные колебания.

Другая пара пьезопластинок используется для формирования сигналов синхронизации. Электрические сигналы, которые возбуждаются в них, совпадают по фазе с механическими колебаниями мембран и используются для синхронизации процессора. По ним формируются реализации соответствующих пар сигналов приемников при прохождении пятном точек 12, 15, 14 и 13.

Таким образом, предложенные способ и устройство позволяют определять задержки, а следовательно, и 2 проекции вектора скорости на каждом периоде вращения пятна при произвольном движении объекта, расширить диапазон измерений в область смещений, меньших расстояния между приемниками, получать информацию, даже если объект покоится. К тому же предложенное устройство практически не содержит оптических систем. В связи с этим не требуется проведения настроек и юстировок, что повышает точность измерений, позволяет проводить измерения в промышленных и полевых условиях.

Предлагается устройство, в котором на объекте измерения закреплена пленка с световозвращающей апериодической микроструктурой, на которую направлен пучок когерентного излучения.

Устройство (фиг.4) содержит источник когерентного излучения 1 (полупроводниковый лазер), оптическую систему 2 формирования светового пучка (пятна) заданных размеров, приемники 3, 4, 5 и 6, блок обработки аналоговых сигналов 7, сигнальный процессор 8, блок отклонения пучка 9, задающий генератор 10 и световозвращающую пленку 11.

Световозвращающая пленка 11 увеличивает поток рассеянного излучения в направлении, обратном направлению падающего пучка. В этом случае рассеянное излучение имеет диффузный характер и сосредоточено в небольшом телесном угле вблизи оси освещающего пучка. Приемники 3, 4, 5 и 6 должны быть расположены вблизи оси пучка блока 9. При этом повышается отношение сигнал/шум приемников, а следовательно, и точность измерений, представляется возможным проводить измерения параметров движения объекта независимо от состояния его поверхности и на значительных расстояниях от объекта. В реализованном устройстве использовалась световозвращающая пленка типа "LJ Lacky Light 7000" и "Nikkalite 4305".

Таким образом, предложенное устройство позволяет повысить отношение сигнал/шум, а следовательно, и точность измерений. Устройство позволяет проводить измерения в полевых условиях на значительном расстоянии от объекта независимо от материала и состояния поверхности измеряемого объекта.

Источники информации

1. Патент ЕР 0316093 А2.

2. Патент US 006134006 А, G 01 B 9/02.

3. Патент US 006271924 В1, G 01 В 9/02.

4. Патент ЕР 0295720 А3, G 01 P 3/68.

5. Ч.Вест. Голографическая интерферометрия. М.: Мир. 1982.

1. Способ измерения скорости движения объекта путем освещения его пучком когерентного излучения, приема рассеянного излучения в точках, расположенных на расстоянии Х_d друг от друга, отличающийся тем, что пучок сканируют по окружности заданного радиуса, принимают рассеянное излучение в 4-х точках, расположенных в углах квадрата со сторонами, ориентированными вдоль осей прямоугольной системы координат в плоскости, нормальной к оси освещающего пучка при условии

V_iп>V_iox и V_iп>V_ioy,

где V_iox и V_ioy - проекции вектора скорости движения объекта для 1-го периода сканирования;

V_iп=2πR/T - линейная скорость перемещения пятна по поверхности объекта;

R - радиус окружности;

Т - период сканирования,

при этом за каждый i-й период сканирования определяют первые задержки сигналов для пар приемников, ориентированных вдоль оси абсцисс τ_ix1 и ординат τ_iy1, в точках, в которых вектор скорости пятна совпадает с положительным направлением оси абсцисс и ординат соответственно, и вторые задержки сигналов τ_iх2 и τ_iy2 - в точках, в которых вектор скорости пятна противоположен направлению соответствующей оси, а проекции вектора скорости объекта определяют по формуле

причем период сканирования пучка устанавливают не более максимального временного интервала, на котором движение объекта допустимо считать равномерным, а значение радиуса определяется заданной вероятностью определения задержек сигнала и проекций вектора скорости на каждом участке измерений.

2. Устройство для измерения скорости объекта, включающее источник когерентного излучения, оптически связанный с системой формирования пучка заданных размеров, два приемника, сигнальный процессор, блок обработки аналоговых сигналов, выходы которого соединены с информационными входами процессора, отличающееся тем, что содержит два приемника, задающий генератор и блок отклонения пучка, входы которого соединены с выходами упомянутого генератора, а выходы - с входами синхронизации сигнального процессора, причем приемники расположены в углах квадрата со сторонами, равными X_d, в плоскости, нормальной к оси освещающего пучка, а их выходы соединены со входами блока обработки аналоговых сигналов.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что на объекте закреплена пленка с световозвращающей апериодической структурой, на которую направлен пучок когерентного излучения.