CN86105821A - 由光学透镜与光电池组成的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明是非接触式光电测量装置，采用光学成像和光电转换相结合，成像处不用摄影胶片而装光电池片，测量时被测物体的物像遮挡光电池片，引起光电池片输出电流变化，将被测物体运动参量的光学信号转换成电信号，经处理装置处理后给出测量结果。用于测量物体瞬时位移，速度和加速度，特别适用于测量车辆、子弹、炮弹、运动员的速度和加速度；桥梁、高大楼房、烟囱的振动和变形以及直升机桨叶转速、轨迹和相位等。

Description

本发明是一种非接触的光电式测量装置，用于测量物体的瞬时位移、速度和加速度，特别适用于测量各种车辆的速度、各种轻武器弹丸和火炮炮弹的飞行速度、运动员的赛跑速度，以及测量上述各种物体运动的加速度。也适用于测量铁路、公路桥梁由于车辆通行引起的动负载变形量，高大建筑物例如高层楼房、高大烟囱和机械转轴等的摆动量以及测量放置物体的几何量例如直升机放置浆叶转速、轨迹间隔和桨叶相位等。

解决本发明任务的办法是利用光学成像技术和光电转换技术相结合的方法制作一种测量装置，该装置由光学接收装置、信号处理装置以及测量结果的显示装置三部分组成。本发明的特征是采用光学成像技术和光电转换技术相结合，成像装置内成像处不用摄影胶片作为物像的记录载体，而是用光电池片代替摄影胶片作为光电转换器件，将被测物体的运动参量的光学信号转换成电信号。测量时被测物体的物像遮挡光电池片，从而引起光电池片的输出电流发生变化，电流变化信号经处理装置处理后送给显示装置，给出测量结果。

本发明的实施例有三个：

附图如下：

图1.速度、加速度测量装置系统方块图。

图2.速度、加速度测量原理图。

图3.带有两块光电池片的测量装置观察窗示意图。

图4.两块光电池片的输出电流波形。

图5.带有三块光电池片的测量装置观察窗示意图。

图6.带有四块光电池片的测量装置观察窗示意图。

图7.带有多块光电池片的测量装置观察窗示意图。

图8.位移测量装置系统方块图。

图9.位移测量原理图。

图10.矩形光电池片受遮挡时的输出电流波形，①.全遮挡，②.半遮挡，③.1/4遮挡。

图11.带矩形光电池片的测量装置观察窗示意图。

图12.细高体摆动测量原理示意图。

图13.带三角形光电池片的测量装置观察窗示意图。

图14.测量细高体摆动时三角形光电池片的输出电流波形。

图15.旋转物体几何量测量装置系统方块图。

图16.装在直升机内相机镜头对准桨叶叶尖轨迹面的测量示意图。

图17.浆叶通过镜头遮挡光电池片（4）所产生的电流变化。

本发明第一个实施例是测量物体的运动速度和加速度。

欧洲专利EP-0126423公布的轻武器弹丸速度测量装置包括有光学信号接收装置、信号处理装置及显示器等、光学接收装置有两个分立的光学元件放在箱体内，箱体有一防护盖板把光学接收元件同弹丸弹道隔开、盖板有两个光阑作为进光孔、每个接收元件各自对应一个进光孔、进光孔之间有一定的距离、盖板与弹道平行，测量时装置放在枪口附近，进光孔对准弹道，弹丸飞过进光孔，光学接收元件有一响应信号，该信号经过处理后加给显示器给出测量结果。

上述测量装置只限于轻武器弹丸速度的测量。由于两个接收元件要求有一定的距离、测量装置不可能做得很小。使用时靠近枪口和弹道，仍然有一定的危险性。

为解决上述问题，本发明是制作一种新的测量装置，远离被测物体工作，用于测量轻武器弹丸的速度、炮弹弹头的飞行速度、各种车辆的速度、运动员的赛跑速度以及其他物体的运动速度，也可以测量上述运动物体的加速度。

本发明的优点是测量精度高、灵敏度高、用于高速运动物体的测量更为有效、可对运动速度高达1000米/秒的运动物体进行测量，可以远离被测物体操作，对设备和人员都安全可靠，且体积小。

物体运动速度（以S表示）测量原理：

从图1所示的本发明第一个实施例的系统方块图可知，该光电式速度和加速度的测量装置主要由光学接收装置，信号处理装置和显示装置三部分组成。信号处理装置包括信号放大器（7），门电路（8），微处理机（9），时钟信号发生器（10），显示装置采用数字显示器（11），实施本发明的光学接收装置包括光学成像装置和光电转换装置，光学成像装置主要包括成像透镜（2），观察物像清晰度用的毛玻璃即观察窗（3），调焦机构（5），镜箱（6），光电转换装置则采用光电池片（4a和4b）。从图3可知，两块光电池片之间的间隔为h2，光电池片4a和4b的宽度分别为h1和h3，h1和h3可以相等，也可以不等，本实施例取h1＝h3。光电池片可以采用硅材料制造的也可以采用其它材料制造的。观察物像清晰度用的观察窗（3）上刻有校正标度线（14），光电池片（4a和4b）的同侧边分别与校正标度线（14a和14b）相重合。光学接收装置可以制成包括有上述元件的专用镜箱，也可用改装的普通照相机。

图2中U代表物距，V为像距，f为镜头的焦距。

被测物体（1）经过透镜（2）聚焦成像在观察物像清晰度用的观察窗（3）上，观察窗（3）上放有两块光电池片（4a和4b），见图3。当物体（1）运动时物像也在观察窗（3）上移动，物体（1）的前端到达B点时物像的前端移到B1点，继续移动，光电池片（4a）被遮挡，引起光电池片（4a）的输出电流下降。当物体（1）的末端离开C点时物像离开C1点，物像移出光电池片（4a），光电池片（4a）的输出电流又恢复正常。物体（1）的前端到达D点时物像移到D1点，继续移动，遮档光电池片（4b），同样引起光电池片（4b）的输出电流下降，物体（1）末端到达E点时物像移到E1点，物像末端离开光电池片（4b），光电池片（4b）的输出电流恢复正常。光电池（4a和4b）的输出电流波形如图4所示。从图4中可看出物像在遮档光电池片（4a和4b）的过程中，光电池片（4a和4b）的输出电流波形各自有下降沿（12a和12b）以及上升沿（13a和13b）。光电池片（4a和4b）输出电流上升沿（13a、13b）或下降沿（12a和12b）对应点之间的时间差△T与△T时间内物体（1）通过的距离L之比即为物体（1）在△T时间内的平均运动速度。以下降沿（12）为例，物体（1）到达B点时光电池片（4a）输出电流开始出现下降沿（12a），到达D点时光电池片（4b）输出电流出现下降沿（12b），则有

Sbd＝(Lbd)/(△Tbd)-①

式中Lbd为物体（1）由B点到D点走过的距离，△Tbd为物体（1）由B点到达D点所需时间，Sbd为物体（1）由B点到达D点的平均速度。

另外应用物距、像距、焦距关系，也可推导出计算物体运动的速度公式。由光学原理和几何原理可知

1/(U)+1/(V)＝1/(f)-②

(Lbd)/(U)＝(h1+h2)/(V)-③

式中h1为光电池片4a的宽，h2为光电池片4a和4b的间隔。整理②式得

U＝(Vf)/(V-f)-④

将④式代入③式得

Lbd＝（h1+h2）(f)/(V-f)-⑤

将⑤式代入①式得

Sbd＝（h1+h2）(f)/(V-f)/△Tbd-⑥

或者将②式化成

V＝(Uf)/(U-f)-⑦

将⑦式代入③式得

Lbd＝（h1+h2）(U-f)/(f)-⑧

将⑧式代入①式得

Sbd＝（h1+h2）(U-f)/(f)/△Tbd-⑨

从上述的推导可看出利用①、⑥、⑨式均可得到物体运动速度的计算公式。另外从图4的电流波形图可看出△T的计时可取两块光电池片（4a和4b）输出电流波形的任意两对应点之间的时间差△T，可取下降沿（12a和12b）结束点的时间差，也可以都取下降沿（12a和12b）其它对应点如1/2处或1/3处的时间差。

光电式速度测量装置的处理装置可任选①式、⑥式和⑨式三式中之一进行设计。本实施例以⑨式为例来描述，处理装置是以⑨式为基础配备的。利用⑨式计算物体的运动速度时，光电池片（4a）的宽度（h1），光电池片（4a和4b）的间隔（h2），以及成像镜头的焦距f为设计值，这些值已固在微处理机（9）中，测量装置到被测物体（1）之间的距离即物距U值测速前测出并输入微处理机（9），然后便可以进行调节聚焦和测量工作，△Tbd值在测量过程中测量装置可自动记数，微处理机（9）对测量过程进行处理后自动显示测量结果。

如果利用①式，测量前先要得到物体（1）经过的B、D两点之间的距离Lbd，并将测出Lbd值输入微处理机（9），做法是在被测物体（1）通过的距离Lbd起始两点B和D处分别竖立两个标识物，镜头对准标识物，调节焦距，使两个标识物清晰地成像在观察窗（3）上，并分别与校正标度线（14a和14b）相重合，调好后将Lbd值输入微处理机（9），然后即可进行测量工作。

上述利用⑨式或①式都需予先输入物距U或者路程Lbd，即测量前先给出已知的定标值物距U或者路程Lbd，对测量装置进行予先的校正，这种校正法称为定标参量校正法。

物体运动加速度（以a表示）测量原理：

前面叙述的是利用光电池片（4a和4b）输出电流的下降沿（12a和12b）对应点时间差△Tbd内物体（1）所通过的距离Lbd得出物体（1）的运动速度Sbd的。同样也可利用光电池片（4a和4b）输出电流上升沿（13a和13b）对应点时间间隔△Tce内物体（1）通过的距离Lce来推导物体（1）的运动速度Sce，则有

Sce＝（h2+h3）(U-f)/(f)/△Tce-⑩

式中h3为光电池片（4b）的宽。

⑨式中的Sbd是△Tbd时间内的平均速度，也可以近似地作为B点和D点之间中点M点的瞬时速度，同样⑩式中Sce认为是C点和E点之间中点N点的瞬时速度，这样一来M和N之间也存在一个时间差△Tmn，将速度Sce与Sbd之差△Smn同△Tmn之比，其比值即为在△Tmn时间内物体（1）的运动加速度。则有

a＝(Sce-Sbd)/(△Tmn)＝(△Smn)/(△Tmn)-（11）

图5、图6、图7所示是本发明的另外几个测量速度和加速度的方案。

图5是采用三块光电池片的测量方案，利用光电池片（4c和4d）测量物体的一个速度值Scd，利用光电池（4d和4e）又可测得物体的另一个速度Sde，同理可用Sde和Scd两个速度差，及时间差也可得到物体运动的加速度a值

图6是采用四块光电池片的测量方案、利用光电池片（4f和4g）以及光电池片（4h和4j）分别测出两个速度Sfg和Shj及其Shj和Sfg的差值也能得到运动物体的加速度。

图7是采用多块光电池片的测试装置、利用广角境头，这种测量装置可进行多点或者多段路程的速度值或加速度值的测量。

本发明的第二个实施例是测量物体的位移。即测量铁路、公路桥梁由于车辆通行引起的动负载变形量;测量高大建筑物例如高层楼房、高大烟囱和机械转轴的摆动量;不停车测量机床加工工件的外径等。

众所周知的桥梁承载弯曲变形量测量是采用电阻应变仪法，测量前在桥梁的几个分布点贴上电阻应变片，电阻应变片的输出接处理电路。桥上有动负载使桥产生弯曲变形，通过测电阻应变片阻值变化可间接测量桥梁的弯曲参数。高大建筑物的摆动位移量测量通常用经伟仪测量。利用电阻应变片法和经纬仪法的测量设备都很复杂。利用本发明的光电测量只要将本测量装置中的光电池片由两片或两片以上换成一片，形状采用三角形或菱形，另外将处理电路稍加改变即可。

本实施例的瞬时位移测量装置，其测量精度高，误差不大于千分之二，操作简便，用途广泛。

本实施例的光电式位移测量装置如图8所示由光学接收部份、信号处理装置和显示器等组成。信号处理装置和显示器包括信号放大器（7）、A/D转换器（8-2）、时钟信号发生器（10）、微处理机（9）和数字显示器（11）等，其特征是光学接收装置由光学成像装置和采用光电池片的光电转换器件组成;光学成像装置主要有光学成像透镜（2）、调焦机构（5）、镜箱（6）和观察窗（3）等，光电池片使用矩形硅光电池片（4）（如图11所示）;观察窗（3）上刻有校正标度线（14）。光学接收装置可以采用改装的普通照相机或专用镜箱，以光电池片代替摄影胶片作为光电转换器件。实施本发明测量方法的原理如下：图9中U和V分别表示物距和像距，f为焦距，P和Q分别表示被测物体（1）的位移量及其相应的物像的位移量，H代表光电池片（4）的高。根据光学原理和几何原理可知U、V、f、P、Q存在下列关系：

1/(U)-1/(V)＝1/(f)-②

(U)/(V)＝(P)/(Q)----(12)

从公式②、(12)可得出

U＝（1-(P)/(Q)）f----(13)

或者P＝（(U)/(f)-1）Q-----(14)

由(14)式可知被测物体（1）的位移量P与物像的位移量Q、镜头焦距f、物距U有关。这样一来，被测量物体（1）的位移量P是物像位移量Q的函数，而物像Q的变化又引起光电池片输出电流改变，图10给出了光电池片输出电流的变化波形。因此，在测量前先知道焦距f与物距U，并将物距U予先测出输入微处理机（9）。由物像位移量Q就可以得到物体（1）的位移量P（位移测量方法之一）

从公式②、(12)还可得出

V＝（1-(Q)/(P)）f-----(15)

或者P＝(f)/(V-f)Q-----(16)

同理在测量前先知道焦距f与像距V，将像距V予先测出并输入微处理机（9）。由物像位移量Q也可测出物体（1）的位移量P（位移测量方法之二）

由(13)、(15)式可知当光电池片（4）的高度H确定后如果测量前知道被测物体（1）的物距U或像距V，那么根据(14)和(16)式知，当物像位移量Q＝H时可确定最大可检测位移量Pmax。测量时物像在光电池片（4）上移动的位移量最大值Qmax不能超过光电池片（4）的高H，如果估算物体（1）的最大位移量Pmax，那么使一个与最大位移Pmax相等的一个标志物，置于被测物体（1）处，或在被测物体上作一标记，让其标记等于最大位移量Pmax，将其标志物或标记清晰地成像在观察窗（3）上、使在观察窗（3）上的物像等于Qmax。这样，小于光电池片高H的物像位移量的Q值则反映被测出物体位移量。（位移测量方法之三）

采用上述原理可有三种方法解决物体位移的测量。

测量步骤如下：

首先在测量前确定检测装置与被测物体（1）的距离U，将物距的U值输入微处理机（9）或者确定像距V，将像距V值输入微处理机（9），接着进行显示装置的校正。由于每次检测时被测物体的散射光和背景光的强度不可能完全一致，有很大的随机性，对测量结果有直接影响、为克服散射光和背景光的不一致性，本实施例也采用前述的定标校正法，具体做法是予先将一定标参数输入微处理机（9），根据该定标参数可推算出被测物体的最大可检测位移量Pmax，将检测装置对准被测物体，使其物像遮挡光电池片（4）某一确定值，则数字显示器（11）应给出一对应被测物的位移量，例如当定标值输入为最大可检测位移量1000毫米，光电池片（4）全遮挡时，光电流变化量应是△Isc，见图10①，显示器（11）应显示1000毫米，或者光电池（4）遮挡1/2时，光电流变化量应是1/2△Isc见图10②，显示器（11）应显示500毫米、但受散射光和背景光的影响，输出电流变化量不是△Isc或者1/2△Isc，可能大，也可能小，显示器的显示值可能比实际的1000毫米或者500毫米大，也可能小，不是应显示的1000毫米或者500毫米，这说明光电池片（4）输出电流变化信号大于或者小于正常的电流变化值，此时可以通过调节信号处理装置的信号放大器（7）的放大倍数进行补偿、直到显示器（11）显示1000毫米或者500毫米为止。接着便进行正式的测量。校正用的定标参数可取测量装置到被测物体的距离即物距U或像距V，当定标参数取物距U时，可根据(14)式推导出最大可检测位移量。

Pmax＝（(U)/(f)-1）H------(17)

当定标参数取像距V时可根据(16)式推导出最大可检测位移量

Pmax＝(Hf)/(V-f)------(18)

测量时还可以选用由已知尺寸的定标物作为定标参数，如在被测物体（1）处设标志牌，使标志牌的物像与光电池片（4）高H的上下两端的两条校正标度线（14a和14b）相重合，则标志牌两边的距离即为最大可检测位移量Pmax。

如果被测物体是细高的物体时（例如高大的烟囱）光电池片（4）的形状采用三角形的，其测量示意图如图12所示，该实施例的系统方块图与前一实施例除光电池片（4）选用的形状不同之外，其它都相同输出电流信号变化的原理是：从图13可知当物像在光电池片（4）上由A点向着BC边方向移动时遮挡面积增加，使得三角形光电池片（4）的输出电流下降;当物像相反方向移动时电流上升。图14中电流△Isc代表细高物体（1）的摆动幅值。

选用三角形光电池片（4）的光电式位移测量装置测量前用的定标校正法与上述相似。现采用定标参数直接取被测细高物体（1）的宽度R值，细高物体（1）在三角形光电池片（4）上的物像宽度R′即代表了细高物体（1）被测处的宽度R值。在观察窗（3）上可调节物像R′占光电池片（4）高H值的1/n，这样选用三角形光电池片（4）的检测装置可检测最大位移量也为已知，即n·R′＝Pmax，n为三角形光电池片（4）的A点到BC边之间的垂直距离的等分间隔段数。同理也可采用以上实施例的校正过程，对本实施例的检测装置进行测量前的校正。

本发明的第三个实施例是测量旋转物体的几何量，例如直升机、螺旋桨、风车等旋转桨叶转速、轨迹间隔和桨叶相位等。下面以测量直升机旋转桨叶轨迹间隔为例予以说明。目前测量直升机桨叶轨迹间隔使用的方法有打纸筒法、摄像法和闪频法，打纸筒法设备简单，但使用时需要涂色腊，费时费力，且不安全。苏制米-6型直升机使用摄像法，测量时需要摄影后冲洗照片，不能直接读出数据，检测周期较长，而且按照照片判读，误差较大。法国专利FR2499712中提出闪频法，该法利用各桨叶装有一定高度、颜色各异的标志块，当桨叶旋转时，标志块在强烈可见光脉冲照射下，反射出不同颜色的光，利用人眼的视觉停留，人眼可直接观察到各标志块的相对位置，由此可确定任意两个桨叶叶尖轨迹的间隔，这种装置检测之前需要安装标志块人眼观察判读误差也较大。

本测量装置由光学接收装置、检测箱（17）和同步受感器（18）三部分组成。检测箱（17）内装有信号放大器（7）、峰值保持器（15）、A/D转换器（8-2）、微处理机（9）、数字显示器（11）和信号选择部分（16）等。在本装置中采用一块光电池片，其组成如图15所示。

检测轨迹间隔的原理是，将镜头对准桨叶叶尖轨迹面，见图16旋翼转动后，当没有桨叶通过镜头时，镜头未被遮挡，光电池片（4）可以全部感光而产生短路电流Isc;当桨叶通过镜头产生的影像全部遮挡住光电池片（4）时，电流瞬时下降△Iscmax，当桨叶通过镜头产生的影像遮挡住光电池片（4）高度（H）的一半时，则电流瞬时下降1/2/△Iscmax，图17表示没有桨叶通过镜头时，以及桨叶通过镜头产生的影像遮挡住光电池片（4）1/2H、H、1/4H所产生的电流变化。各桨叶轨迹的高低间隔，通过电流瞬时下降值来确定，电流信号经信号放大器（7）峰值保持器（15），A    D转换器（8-2），再经微处理机（9）送入数字显示器（11）显示出来，桨叶轨迹最大间隔值（D）用△Iscmax来确定并以此作为测量前检测装置的校准值。

检测装置起动时，同步受感器（18）发出同步信号，同步受感器（18）的作用是为了分辨出图17中电流值的每个波谷来源于第几号桨叶，同步受感器（18）由软磁铁和感应线圈两部份组成，前者装在转子上，后者装在定子上。桨叶每旋转一周，两者相遇一次，发生一同步脉冲信号，该信号输入检测箱（17），由微处理机（9）进行处理，桨叶号位置在数字显示器（11）面板上显示出来，同一瞬间，数字显示器（11）面板上还将显示出该桨叶轨迹的间隔值d

本装置一次可测量多圈信号，需要显示某一圈信号可通过信号选择部份（16）进行选择。

测量时的定标校正方法与上述相同。

检测桨叶相位的原理是，每个桨叶通过相机镜头时光电流都会出现脉冲下降，当两个相邻桨叶夹角相等时，则对应的电流脉冲时间间隔也相等，夹角不等，时间间隔也不等，利用脉冲时间间隔可以计算出桨叶相位。

本发明的优点是，检测精度高，一般装置检测误差为±5毫米，本装置为±2毫米，操作简便，因为不需要装标志块或涂色腊，所以可以在直升机起飞线上直接使用，检测结果可以定量的自动显示和贮存，显示数据为每片桨叶的实际间隔值或相位值，使用寿命长。

Claims (5)

1、一种由光学透镜与光电池组成的光电测量装置，用于测量物体的瞬时位移、速度和加速度，它包括光学接收、信号处理和数字显示三个部分，本发明的特征是采用光学成象技术和光电转换技术相结合，通过光学接收装置的成像透镜(2)、观察物像清晰度用的观察窗(3)、调焦机构(5)和光电池片(4)，用光电池片(4)代替摄影胶片作为光电转换器件，将被测物体(1)的运动参量光学信号转换成电信号，光电池片(4)的形状根据测量对象不同可以做成矩形、三角形和菱形，观察物像清晰度用的观察窗(3)上刻有测量校正标度线(14)。

2、根据权利要求1所述的光电测量装置，其特征是光学接收装置可采用改装的普通照相机或专用镜箱。

3、根据权利要求1所述的光电测量装置，其特征是在光学接收装置中使用一块光电池片（4），用于测量瞬时位移、相位和偏差。

4、根据权利要求1所述的光电测量装置，其特征是光学接收装置中使用两块或两块以上光电池片（4），用于测量位移、速度和加速度。

5、根据权利要求1或2或3或4所述的光电测量装置，其特征是光电池片（4）采用硅材料制成的硅光电池片。

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