EA013559B1 - Method for measuring linear displacement of an object and device therefor - Google Patents
Method for measuring linear displacement of an object and device therefor Download PDFInfo
- Publication number
- EA013559B1 EA013559B1 EA200802375A EA200802375A EA013559B1 EA 013559 B1 EA013559 B1 EA 013559B1 EA 200802375 A EA200802375 A EA 200802375A EA 200802375 A EA200802375 A EA 200802375A EA 013559 B1 EA013559 B1 EA 013559B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- reflecting
- matrix
- movement
- increment
- formula
- Prior art date
Links
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения перемещений, и может быть использовано в различных областях, в том числе в строительстве, для измерения деформаций строительных конструкций, деформационных характеристик грунтов, параметров вибраций, контроля технологических процессов.
Известен способ измерения перемещений, заключающийся в том, что с объектом связывают отражающий элемент, направляют на него пучок света, принимают отраженное излучение, по которому судят о величине перемещения объекта [8И 1350488 А1, 1987]. Устройство для измерения перемещений объекта по данному способу содержит отражающий элемент, связанный с объектом, источник когерентного света, регистрирующий блок, на который падает отраженный луч. Способ может быть использован только для определения малых перемещений. При этом точность определения перемещений определяется шириной отраженного луча, а величина измеренного перемещения зависит от расстояния до объекта. Известно устройство для измерения перемещений [КИ 2060455 С1, 1996], согласно которому последовательно устанавливают лазер, оптический элемент в виде пластины и отражатель, предназначенный для крепления на объекте, два фотоприемника и соединенный с ними блок обработки. В резонаторе устанавливают диафрагму, совмещенную с оптической осью и выполненную в виде точки, а одна из поверхностей пластины выполнена в виде винтовой поверхности. Пластину ориентируют таким образом, что ее продольная ось совмещена с оптической осью. Фотоприемники устанавливают так, что их светочувствительные площадки лежат в смежных секторах с вершинами, расположенными на оптической оси. Устройство обеспечивает поворот боковых узлов и пучностей генерируемой моды круговой апертуры на угол, пропорциональный линейному перемещению отражателя, за счет вращения оси максимальной добротности составного резонатора, образованного зеркалами лазера, отражателем и пластиной, вокруг оптической оси. Предлагаемое устройство позволяет определять перемещения объектов с достаточно высокой точностью, однако включает громоздкое и дорогостоящее оборудование и требует специальных условий для его применения.
Наиболее близким к заявляемому устройству измерения линейного перемещения объекта является устройство подобного назначения [патент ΒΥ 8210, опубл. 30.06.2006], которое включает связанный с объектом отражающий элемент, источник света, формирователь светового пучка и регистрирующий блок, причем отражающий элемент выполнен с изменением среднего коэффициента отражения к в зависимости от координаты Х в направлении перемещения объекта по формуле к=к0е-ах, где к0 и α - константы, а формирователь светового пучка выполнен с возможностью его формирования в виде прямой линии постоянной толщины, перпендикулярной направлению перемещения объекта.
Недостатки указанного устройства в том, что оно обеспечивает амплитудные измерения, что снижает их точность, т. к. на измерения могут повлиять возможные колебания интенсивности источника света, дополнительная засветка объекта и фотоприемника посторонними источниками света, а также случайной неоднородностью коэффициента отражения на отражающем элементе. Кроме того, диапазон измеряемого перемещения объекта определяется размерами отражающего элемента, что является ограничивающим фактором для проведения измерений.
Предлагаемое изобретение направлено на повышение точности измерения перемещений и расширение их диапазона.
Поставленная цель в соответствии с технической задачей в части способа достигается тем, что предлагается способ измерения линейного перемещения объекта, включающий направление сформированного светового пучка на связанный с объектом отражающий элемент, регистрацию отраженного светового излучения, преобразование его в электрический сигнал и определение величины перемещения в соответствии с измеренными значениями указанного сигнала, отличие которого в том, что связанный с объектом отражающий элемент представляет собой матрицу, состоящую из одного отражающего элемента или из двух параллельных рядов отражающих элементов со смещением по вертикали между рядами, причем каждый отражающий элемент матрицы реализуют таким образом, что ширина его отражающей поверхности изменяется в зависимости от координаты X в направлении перемещения объекта по формуле:
Υ = косхр(ах), (1) где к0 и α - константы, дополнительно приводят направляемый на отражающий элемент световой пучок в колебательное или возвратно-поступательное движение в плоскости, перпендикулярной направлению движения объекта, измеряют длительности электрического сигнала τι(ί) и τι(ί), τ2(ί) и τ2(ί) для ί-го и рго циклов колебательного или возвратно-поступательного движения, определяют абсолютную величину перемещения б по формулам:
для одного отражающего элемента или для первого ряда отражающих элементов матрицы
Й = П« 111(^0)/4(0), (2) или дополнительно для второго ряда отражающих элементов матрицы <1 = 1/α1η(τ2(ί)/τ2(ΐ)), (3) где τι(ί) и τι(ί) - длительности электрического сигнала, измеренные для одного отражающего эле
- 1 013559 мента или для первого ряда отражающих элементов матрицы, а τ2(ί), τ2(ί) - длительности, измеренные для второго ряда отражающих элементов матрицы, все для ί-го и рго циклов колебательного или воз вратно-поступательного движения;
далее определяют абсолютную величину и знаки приращения длительности импульсов
Α τι= |τι(ΐ)- Т10)1 (4)
Л т2= |(Т2<])~ т2(1)|
8ί«η(Δ τι )= τ,(ί) (5) (6) т2)= йёп(т2(])- τ2(ΐ), (7) и, наконец, в зависимости от изменения знаков приращения либо применяют формулу с индексом, соответствующим большему значению приращения (или по среднему или взвешенно среднему значению двух результатов), при сохранении или одновременном изменении знаков приращения;
либо применяют формулу, относящуюся к индексу с сохранившимся знаком приращения, при изменении знака приращения для одного из результатов, а направление перемещения определяют по знаку результата.
Поставленная цель в соответствии с технической задачей в части устройства достигается тем, что предлагается устройство для измерения линейного перемещения объекта, содержащее связанный с объектом отражающий элемент, источник света, формирователь светового пучка и регистрирующий блок, которое согласно изобретению дополнительно включает устройство для перемещения светового пучка, обеспечивающее приведение пучка в колебательное или возвратно-поступательное движение в плоскости, перпендикулярной направлению движения объекта, и блок измерения интервалов длительности, а связанный с объектом отражающий элемент представляет собой матрицу, состоящую из одного отражающего элемента или из двух параллельных рядов отражающих элементов со смещением в направлении движения объекта между рядами, причем каждый отражающий элемент матрицы реализуют таким образом, что ширина его отражающей поверхности изменяется в зависимости от координаты Х в направлении перемещения объекта по формуле У=коехр(ах) (1), где к0 и α - константы.
Суть способа измерения перемещений заключается в том, что с объектом связывают матрицу из отражающих элементов, выполненных таким образом, что ширина отражающей поверхности каждого элемента изменяется в зависимости от координаты Х в направлении перемещения объекта по формуле У=коехр(ах), а световой пучок приводят в колебательное или возвратно-поступательное движение в плоскости, перпендикулярной направлению движения объекта.
Для измерения перемещений в диапазоне, не превышающем размеры движущегося объекта, матрица состоит из одного отражающего элемента. В этом случае для определения величины перемещения объекта определяют длительность отраженного оптического сигнала, преобразованного в электрический, для двух различных циклов движения - ί-го и рго, далее абсолютную величину перемещения б определяют по формуле 6=1/α 1η(τ1(ί)/τ1(ί)) (2), а направление перемещения - по знаку результата.
В случае если диапазон перемещений превышает размер отражающего элемента вдоль координаты Х, устанавливают матрицу из двух параллельных рядов отражающих элементов с экспоненциальной формой отражающей поверхности, т.е. ширина их отражающей поверхности изменяется в зависимости от координаты Х в направлении перемещения объекта по формуле (1), причем ряды отражающих элементов расположены со смещением в направлении Х, т.е. каждый отражающий элемент в одном ряду смещен по вертикали относительно соответствующего в соседнем ряду, световой пучок, направляемый на матрицу из отражающих элементов, приводят в колебательное или возвратно-поступательное движение в плоскости, перпендикулярной направлению движения объекта, измеряют длительности импульсов электрического сигнала τ1(ί), τ2(ί) и τ1(ί), τ2(ί) для ί-го и рго циклов колебательного или возвратно-поступательного движения, соответственно, и применяют формулы Δ τ1=|τ1(ί)-τ1(ί)|; Δ τ2=|(τ2(ί)-τ2(ί)| (4); (5) - для определения абсолютной величины и 8ί§η(Δ τ1)=δί§η(τ1(])-τ1(ί); 8ί§η(Δ τ2)=δί§η(τ2(ί)-τ2(ί) (6); (7) - для определения знаков приращения длительности импульсов, а величину перемещения б определяют по формулам: 6=1/α 1η(τ1(])/τ1(ί)) (2) или б=1/а 1η(τ2(ί)/τ2(ί)) (3), где индекс 1 относится к сигналу, отраженному от отражателей в первом ряду, а индекс 2 относится к сигналу, отраженному от отражателей во втором ряду в зависимости от изменения знаков приращения:
по формуле с индексом, соответствующим большему значению приращения (или по среднему или взвешенному среднему значению двух результатов) при сохранении или одновременном изменении знаков приращения;
по формуле, относящейся к индексу с сохранившимся знаком приращения при изменении знака приращения для одного из результатов, а направление - по знаку результата.
Сущность изобретения поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 приведена блок-схема устройства для осуществления предлагаемого способа;
- 2 013559 на фиг. 2 - вариант реализации отражающего элемента 2;
на фиг. 3 - матрица из двух рядов отражающих элементов 2;
на фиг. 4а,б представлены схема проведения измерений и осциллограмма отраженного сигнала для колебательного движения луча;
фиг. 5а,б отражают изменение амплитуды принимаемого сигнала для двух моментов времени в случае поступательного движения объекта для одного отражающего элемента;
на фиг. 6а,б - изменение амплитуды принимаемого сигнала для двух моментов времени в случае поступательного движения объекта для матрицы из двух рядов отражающих элементов.
В устройстве для осуществления способа измерения перемещения объекта (фиг. 1), содержащем матрицу 2 из одного отражающего элемента или из двух рядов отражающих элементов, связанных с объектом 1, имеются источник света 3, формирователь пучка 4, блок 6 для перемещения светового пучка, регистрирующий блок с приемным фотоэлектрическим элементом 5, блок 7 для измерения интервалов длительности и вычислитель 8. Каждый отражающий элемент, составляющий матрицу 2, имеет световозвращающую (отражающую) поверхность 9, ширина которой изменяется в направлении движения по формуле У=коехр(ах). В качестве указанной световозвращающей поверхности может быть использована пленка, например, типа Ы Баску Μβΐιΐ 7000 или №кка1йе 4305, позволяющая отражать пучок света в направлении, противоположном направлению его падения. Выбор такого отражающего элемента позволяет повысить энергию принятого сигнала и повысить точность измерений. На пути светового луча установлен формирователь 4 пучка в виде круга, например сферическая линза. Он позволяет формировать узкий пучок света в виде круга, перемещаемый блоком 6 перпендикулярно направлению перемещения объекта.
Устройство (фиг. 1) работает следующим образом. Пучок света от источника 3 проходит через формирователь 4 светового пучка и попадает на матрицу 2, связанную с движущимся объектом 1. Световое излучение с линии падения пучка возвращается на регистрирующий блок 5, установленный вблизи источника света. Блок может быть выполнен по известной схеме [патент ΒΥ 8210, опубл. 30.06.2006] и состоит из последовательно установленных фотоприемника, усилителя, аналого-цифрового преобразователя, цифровой сигнал с выхода которого поступает на блок 7 измерения интервалов длительности и далее - на блок-вычислитель 8, одновременно служащий и для индикации результата, в качестве которого может быть выбрана ПЭВМ, где определяется тип движения объекта и производится вычисление значения перемещения объекта. Указанное устройство позволяет измерять значения интервалов длительности импульсов, а не только их амплитуду, как в прототипе, что и обеспечивает большую точность измерений, так как результат не зависит от дополнительной засветки объекта и фотоприемника посторонними источниками света, а также эффектов зернистости на приемнике, обусловленных когерентностью источника света и случайной неоднородности коэффициента отражения по поверхности отражающего элемента.
Способ измерения перемещения объекта реализуется следующим образом. Если предполагаемое перемещение объекта меньше размера отражающего элемента в направлении перемещения, с объектом связывают один отражающий элемент 2 (матрица состоит из одного элемента, причем связь его с объектом такова, что характер и величина перемещений объекта и отражающего элемента совпадают) и направляют на него сформированный луч лазера, совершающий колебательные движения в плоскости, перпендикулярной направлению движения объекта. При движении луча вне световозвращающей поверхности отражающего элемента электрический сигнал на выходе фотоприемника соответствует уровню шума. При попадании луча на световозвращающую поверхность 9 на выходе фотоприемника появляется электрический сигнал. В случае неподвижного объекта на выходе регистрирующего устройства на каждом цикле колебаний или вращения пучка наблюдается импульсный сигнал постоянной длительности.
Формы сигнала на выходе регистрирующего блока 5 с фотоприемником для одного колебательного движения луча лазера по отражающему элементу представлены на фиг. 5а,б. Длительность отраженного сигнала, принимаемого фотоприемником при постоянной скорости движения луча по отражающему элементу, пропорциональна ширине отражающей поверхности элемента 2 в плоскости движения луча. Постоянная скорость соответствует случаю кругового вращения источника света или случаю колебательного движения, когда угловая амплитуда колебаний существенно больше углового сектора, занимаемого отражающим элементом.
Длительность импульса для плоскости, пересекающей отражающий элемент по линии у=х1, пропорциональна длине участка отражающей поверхности и равна (8), где Ь - коэффициент пропорциональности.
При изменении положения объекта на величину Дх длительность импульса для плоскости движения луча, пересекающей отражающий элемент по линии у=Х1+Дх равна (9)
- 3 013559
Следовательно, значение перемещения равно
В случае колебательного движения луча его угловое перемещение можно записать в виде β=βϋ·εο3(ωαί+φ) (И)
В процессе измерений, в случае колебательного движения лазерного луча стоит вопрос определения фазы колебаний для начала и конца импульсного сигнала, что необходимо для определения длины участка отражающего элемента. Для определения фазы рассмотрим осциллограмму отражательного сигнала для одного периода колебаний на фиг. 4а,б. На фиг. 4а представлена схема проведения измерений в этом случае. Угловой сектор Δβ, занимаемый поверхностью отражающего элемента 2, пропорционален длине участка отражающей поверхности. Для каждого периода мы получим два импульса: для двух направлений движения луча от начального и конечного положений.
Начальный момент колебаний (точка 101 с нулевой скоростью на фиг. 4б) определяется по формуле
Вторая точка останова 102 на фиг. 4б - по формуле
(14)
Период колебаний определяют по формуле
Т = 2 · (/ог —ιοί)
Момент времени, соответствующий начальной фазе колебаний (нулевому значению перемещения), равен /нач =Оо2+^01)/2 (15)
Таким образом, угловую величину перемещения луча необходимо искать по формуле
где β0 - максимальное угловое перемещение луча;
Т0 - период колебаний;
1нач, 102, ί01 - моменты времени, соответствующие начальной фазе колебаний и точкам с нулевой скоростью, т.е. точкам, соответствующим максимальному угловому смещению луча. Далее
После преобразования получим
Фактически величина Δβ пропорциональна длине световозвращающей поверхности отражающего элемента. Для этого случая величину перемещения объекта ищут по формуле
где индексы 1 и 2 относятся к двум положениям объекта.
Для случая 14-!3<Т0 и (14-13)/2-1 ннч<Т0. что соответствует случаю расположения отражателя симметрично относительно точки, соответствующей начальной фазе колебаний, и угловым размерам отражающего элемента, много меньшим угловых размеров области перемещения луча, получим
В случае, когда величина перемещения объекта больше размера отражающего элемента в направлении перемещения, устанавливают на объекте матрицу из двух параллельных рядов отражающих элементов так, чтобы перекрыть диапазон предполагаемого перемещения объекта, как это показано на фиг. 3. Отражающие элементы в рядах смещены друг относительно друга в направлении перемещения таким образом, чтобы устранить ошибки измерения на границах элементов в каждом ряду. При перемещении луча, пересекающего оба ряда элементов в одном направлении на выходе фотоэлемента, получим сигнал, осциллограмма которого представлена на фиг. 6а,б. На осциллограмме имеется два импульса, соответствующих отражениям от отражающих элементов в каждом ряду. Определение величины перемещения выполняется независимо для элементов каждого ряда по формулам (10) или (16) и методике, описанной выше для случая одного элемента.
- 4 013559
Чувствительность измерений определяется величиной = (21) и увеличивается с увеличением значения |у(х)|, т.е. по мере увеличения ширины отражающей области на элементе. Поэтому при определении величины перемещения целесообразно использовать ряд отражающих элементов, в котором длительность измеренных импульсов больше (что соответствует большей чувствительности). В то же время, можно для увеличения точности измерений использовать информацию о перемещении, полученную на основании расчетов по двум параллельным рядам. Если в одном ряду длительности импульсов τι(χι) и τι(χ2), а во втором ряду τ2(χ1) и τ2(χ2) и определенные по формулам (10) или (16) величины перемещений равны Αχ1 и Ах2, то величину перемещения можно определить, например, как взвешенное среднее значение, равное, например,
где
Δ 71 = Г1(Хг) - Т1(Х1) , Δ Γζ = ΐ^Χι) - Τϊ(Χι)
Если перемещение объекта происходит так, что линия колебаний лазерного луча переходит от одного отражателя в ряду к последующему в этом же ряду, возникает неопределенность в измерениях, так как нарушается монотонность в измерении длительности импульса в указанном ряду, в то время как монотонность измерения длительности импульса в параллельном ряду сохраняется. Поэтому для этой области измерение перемещения объекта необходимо проводить по ряду отражателей, для которого сохраняется монотонность изменения длительности импульсов.
С этой целью для каждого измерения определяется знак изменения длительности импульсов. При измерении знака в одном из рядов измерения проводят по сигналу, отраженному от отражателей второго ряда. Если знак меняется для обоих рядов, это свидетельствует об изменении направления движения объекта, измерения проводят по вышеописанной методике с использованием выражений (10) или (16).
Практическая реализация способа производится посредством описанной выше работы устройства (фиг. 1). Световое излучение с линии падения пучка возвращается на регистрирующий блок 5, установленный вблизи источника света. Цифровой сигнал с выхода блока 5 поступает на блок 7 измерения интервалов длительности и далее - на блок-вычислитель 8, одновременно служащий и для индикации результата, в качестве которого может быть выбрана ПЭВМ, где определяется тип движения объекта и по формулам (10) или (16) производится вычисление значения перемещения объекта. Экспоненциальный характер изменения ширины световозвращающей поверхности элемента 2 в направлении движения объекта позволяет устранить влияние расстояния до объекта на величину измеряемого перемещения.
Диапазон измеряемого перемещения ограничивается размерами отражающего элемента, поэтому для измерения перемещений, превышающих размер отражающего элемента, используют два ряда отражающих элементов, где каждый отражающий элемент смещен в направлении движения объекта относительно соответствующего в соседнем ряду.
Таким образом, предложенный способ и устройство позволяют определить линейное перемещение объекта, причем диапазон измеряемого перемещения не ограничивается размерами отражающего элемента. Предложенное техническое решение обеспечивает высокую точность измерения, значительный диапазон и независимость результата измерения от расстояния до объекта.
The invention relates to measuring equipment, in particular to means of measuring displacements, and can be used in various fields, including construction, to measure deformations of building structures, deformation characteristics of soils, vibration parameters, and control of technological processes.
There is a method of measuring displacements, which consists in associating a reflecting element with an object, sending a beam of light to it, receiving reflected radiation, which is used to judge the amount of movement of an object [8I 1350488 A1, 1987]. A device for measuring the movement of an object in this method contains a reflecting element associated with the object, a source of coherent light, a recording unit on which the reflected beam is incident. The method can only be used to determine small displacements. The accuracy of determining the movements is determined by the width of the reflected beam, and the magnitude of the measured movement depends on the distance to the object. A device for measuring displacements is known [KI 2060455 C1, 1996], according to which a laser, an optical element in the form of a plate and a reflector intended for mounting on an object, two photodetectors and a processing unit connected to them are installed in series. In the resonator set the diaphragm, combined with the optical axis and made in the form of a point, and one of the surfaces of the plate is made in the form of a helical surface. The plate is oriented in such a way that its longitudinal axis is aligned with the optical axis. Photodetectors are set so that their photosensitive areas lie in adjacent sectors with peaks located on the optical axis. The device rotates the lateral nodes and antinodes of the generated circular aperture mode by an angle proportional to the linear movement of the reflector, due to the rotation of the maximum Q axis of the composite resonator formed by the laser mirrors, the reflector and the plate around the optical axis. The proposed device allows you to determine the movement of objects with a sufficiently high accuracy, however, includes bulky and expensive equipment and requires special conditions for its use.
Closest to the claimed device for measuring the linear displacement of an object is a device of similar purpose [patent No. 8210, publ. 30.06.2006], which includes a reflecting element associated with the object, a light source, a light beam shaper and a recording unit, the reflecting element being made with a change in the average reflection coefficient k depending on the X coordinate in the direction of the object moving according to the formula k = k 0 e - ah , where k 0 and α are constants, and the light beam shaper is made with the possibility of its formation in the form of a straight line of constant thickness, perpendicular to the direction of movement of the object.
The drawbacks of this device are that it provides amplitude measurements, which reduces their accuracy, since possible fluctuations of the light source intensity, additional illumination of the object and photoreceiver with extraneous light sources, as well as random inhomogeneity of the reflectance on the reflecting element can affect the measurements. In addition, the range of the measured displacement of an object is determined by the size of the reflecting element, which is the limiting factor for carrying out measurements.
The present invention aims to improve the accuracy of measurement of movements and the expansion of their range.
The goal in accordance with the technical task of the method is achieved by the fact that a method is proposed for measuring the linear movement of an object, including the direction of the generated light beam to the reflecting element associated with the object, recording the reflected light radiation, converting it into an electrical signal and determining the amount of movement in accordance with the measured values of the specified signal, the difference of which is that the reflecting element associated with the object is a matrix a single reflecting element or two parallel rows of reflecting elements with vertical displacement between rows, each matrix reflecting element is implemented in such a way that the width of its reflecting surface changes depending on the X coordinate in the direction of moving the object according to the formula:
Υ = coshr (ах), (1) where k0 and α are constants, additionally lead the light beam directed at the reflecting element into oscillatory or reciprocating motion in a plane perpendicular to the direction of motion of the object, measure the duration of the electrical signal τι () and τι (ί), τ 2 (ί) and τ 2 (ί) for the ί-th and pgo cycles of oscillatory or reciprocating motion, determine the absolute value of the displacement b by the formulas:
for one reflecting element or for the first row of reflecting elements of the matrix
N = P «111 (^ 0) / 4 (0), (2) or additionally for the second row of reflecting elements of the matrix <1 = 1 / α1η (τ 2 (ί) / τ 2 (ΐ)), (3) where τι (ί) and τι (ί) are the durations of the electrical signal measured for a single reflecting element
- 1 013559 ment or for the first row of reflecting elements of the matrix, and τ 2 (), τ 2 () - durations, measured for the second row of reflecting elements of the matrix, all for the ί-th and rgo cycles of oscillatory or reciprocating motion ;
then determine the absolute value and signs of the increment of the pulse duration
Α τι = | τι (ΐ) - T10) 1 (4)
L m 2 = | (T2 <]) ~ m 2 (1) |
8ί “η (Δ τι) = τ, () (5) (6) t 2 ) = yen (t 2 (]) - τ 2 (ΐ), (7) and finally, depending on the change of the increment signs or apply a formula with an index corresponding to a larger value of the increment (or on the average or weighted average of the two results), while maintaining or simultaneously changing the signs of the increment;
or apply the formula relating to the index with the preserved increment sign when the increment sign for one of the results changes, and the direction of movement is determined by the sign of the result.
The goal in accordance with the technical task in the part of the device is achieved by the fact that a device is proposed for measuring the linear displacement of an object, comprising a reflecting element associated with the object, a light source, a light beam shaper and a recording unit, which according to the invention further includes a device for moving a light beam, ensuring that the beam is brought into oscillatory or reciprocating motion in a plane perpendicular to the direction of motion of the object, and the block measuring intervals of duration, and the reflecting element associated with the object is a matrix consisting of a single reflecting element or two parallel rows of reflecting elements offset in the direction of movement of the object between the rows, each reflecting element of the matrix being implemented in such a way that its reflecting surface width changes depending on the X coordinate in the direction of moving the object according to the formula Y = k о exp (s) (1), where k 0 and α are constants.
The essence of the method of measuring displacements is that a matrix of reflective elements is connected with an object, designed in such a way that the width of the reflecting surface of each element varies depending on the X coordinate in the direction of an object moving according to the formula Y = k о exp (s), and light the beam is brought into oscillatory or reciprocating motion in a plane perpendicular to the direction of movement of the object.
To measure displacements in a range not exceeding the size of a moving object, the matrix consists of a single reflecting element. In this case, to determine the amount of movement of the object, determine the duration of the reflected optical signal converted into electrical, for two different motion cycles ί-th and pgo, then the absolute value of movement b is determined by the formula 6 = 1 / α 1η (τ 1 (ί) / τ 1 (ί)) (2), and the direction of movement - by the sign of the result.
If the range of displacement exceeds the size of the reflecting element along the X coordinate, a matrix of two parallel rows of reflecting elements with an exponential shape of the reflecting surface, i.e. the width of their reflecting surface changes depending on the X coordinate in the direction of moving the object according to formula (1), with the rows of reflecting elements being offset in the X direction, i.e. each reflecting element in the same row is shifted vertically relative to the corresponding one in the adjacent row, the light beam directed to the matrix of reflecting elements leads to oscillatory or reciprocating motion in a plane perpendicular to the direction of movement of the object, measure the pulse duration of the electrical signal τ 1 ( ), τ 2 (ί) and τ 1 (ί), τ 2 (ί) for the ί th and rgo cycles of oscillatory or reciprocating motion, respectively, and the formulas Δ τ 1 = | τ 1 () -τ are used 1 (ί) |; Δ τ 2 = | (τ 2 (ί) -τ 2 (ί) | (4); (5) - to determine the absolute value and 8ί§η (Δ τ 1 ) = δί§η (τ 1 (]) - τ 1 (ί); 8ί§η (Δ τ 2 ) = δί§η (τ 2 (ί) -τ 2 (ί) (6); (7) - to determine the signs of the increment of the pulse duration, and the magnitude of the displacement b is determined according to the formulas: 6 = 1 / α 1η (τ 1 (]) / τ 1 (ί)) (2) or b = 1 / a 1η (τ 2 (ί) / τ 2 (ί)) (3), where index 1 refers to the signal reflected from reflectors in the first row, and index 2 refers to the signal reflected from reflectors in the second row depending on the change of the increment signs:
according to the formula with the index corresponding to the larger value of the increment (or on the average or weighted average of the two results) while maintaining or simultaneously changing the signs of the increment;
by the formula relating to the index with the preserved increment sign when the increment sign for one of the results changes, and the direction by the sign of the result.
The invention is illustrated by the following drawings.
FIG. 1 shows a block diagram of a device for implementing the method;
- 2,013,559 in FIG. 2 - an embodiment of the reflecting element 2;
in fig. 3 - a matrix of two rows of reflecting elements 2;
in fig. 4a, b show the measurement scheme and the oscillogram of the reflected signal for the oscillatory motion of the beam;
FIG. 5a and b reflect the change in the amplitude of the received signal for two points in time in the case of the translational motion of an object for a single reflecting element;
in fig. 6a, b show the change in the amplitude of the received signal for two points in time in the case of the translational motion of an object for a matrix of two rows of reflecting elements.
In the device for implementing the method of measuring the movement of an object (Fig. 1), containing a matrix 2 of one reflecting element or of two rows of reflecting elements associated with object 1, there is a light source 3, a beam shaper 4, a block 6 for moving a light beam, recording a block with a receiving photoelectric element 5, a block 7 for measuring intervals of duration and a calculator 8. Each reflecting element constituting the matrix 2 has a retroreflective (reflective) surface 9, whose width varies in direction and movements according to the formula V = k o exp (s). As the specified retroreflective surface, a film can be used, for example, of type Y, Baska ΐβΐιΐ 7000 or No. Kka1ye 4305, which allows to reflect a beam of light in the direction opposite to the direction of its fall. The choice of such a reflective element allows you to increase the energy of the received signal and improve the measurement accuracy. In the path of the light beam, a beam shaper 4 is installed in the form of a circle, for example, a spherical lens. It allows you to create a narrow beam of light in the form of a circle, moved by block 6 perpendicular to the direction of movement of the object.
The device (Fig. 1) works as follows. The beam of light from the source 3 passes through the shaper 4 of the light beam and hits the matrix 2 associated with the moving object 1. The light emission from the line of incidence of the beam returns to the recording unit 5 installed near the light source. The block can be made according to the well-known scheme [patent No. 8210, publ. 30.06.2006] and consists of a sequentially installed photodetector, amplifier, analog-to-digital converter, a digital signal from the output of which is fed to a block 7 for measuring duration intervals and then to a block calculator 8, simultaneously serving to indicate the result, which can be selected by the PC, where the type of movement of the object is determined and the value of the object's movement is calculated. The specified device allows you to measure the values of the intervals of the duration of the pulses, and not only their amplitude, as in the prototype, which ensures greater accuracy of measurements, since the result does not depend on the additional illumination of the object and photodetector by foreign light sources, as well as the graininess effects on the receiver due to coherence light source and random inhomogeneity of the reflection coefficient on the surface of the reflecting element.
The method of measuring the movement of an object is implemented as follows. If the intended movement of the object is smaller than the size of the reflecting element in the direction of movement, a single reflecting element 2 is attached to the object (the matrix consists of one element, and its connection with the object is such that the nature and amount of movement of the object and the reflecting element coincide) and send the formed beam to it laser oscillating motion in a plane perpendicular to the direction of motion of the object. When the beam moves outside the retroreflective surface of the reflecting element, the electrical signal at the photodetector output corresponds to the noise level. When a beam hits a retroreflective surface 9, an electrical signal appears at the output of the photoreceiver. In the case of a fixed object, a pulse signal of constant duration is observed at the output of the registering device on each cycle of oscillations or beam rotation.
The waveforms at the output of the recording unit 5 with the photodetector for one oscillatory movement of the laser beam along the reflecting element are shown in FIG. 5a, b. The duration of the reflected signal received by the photodetector at a constant speed of movement of the beam along the reflecting element is proportional to the width of the reflecting surface of the element 2 in the plane of the beam. Constant speed corresponds to the case of a circular rotation of the light source or the case of oscillatory motion, when the angular amplitude of oscillations is substantially greater than the angular sector occupied by the reflecting element.
The pulse duration for a plane intersecting the reflecting element along the line y = x1 is proportional to the length of the portion of the reflecting surface and is (8), where b is the proportionality coefficient.
When the object's position changes by Dx, the pulse duration for the plane of the beam crossing the reflecting element along the y = X1 + Dx line is equal to (9)
- 3 013559
Therefore, the displacement value is
In the case of the oscillatory motion of the beam its angular displacement can be written as β = β ϋ · εο3 (ω α ί + φ) ( ii)
In the process of measurements, in the case of oscillatory motion of a laser beam, it is a question of determining the phase of oscillations for the beginning and end of a pulsed signal, which is necessary to determine the length of a portion of the reflecting element. To determine the phase, consider the oscillogram of the reflection signal for one oscillation period in FIG. 4a, b. FIG. 4a shows the measurement scheme in this case. The angular sector Δβ occupied by the surface of the reflecting element 2 is proportional to the length of the portion of the reflecting surface. For each period, we get two pulses: for two directions of the beam from the initial and final positions.
The initial moment of oscillation (point 1 01 with zero speed in Fig. 4b) is determined by the formula
The second breakpoint 1 02 in FIG. 4b - according to the formula
(14)
The period of oscillation is determined by the formula
T = 2 · (/ og —ιοί)
The time moment corresponding to the initial phase of oscillations (zero displacement value) is equal to / start = Oo2 + ^ 01) / 2 (15)
Thus, the angular magnitude of the movement of the beam must be sought by the formula
where β 0 - the maximum angular displacement of the beam;
T 0 - the period of oscillation;
1 beg , 1 02 , ί 01 are the time points corresponding to the initial phase of oscillations and points with zero speed, i.e. points corresponding to the maximum angular displacement of the beam. Further
After the conversion, we get
In fact, the value of Δβ is proportional to the length of the retroreflective surface of the reflecting element. For this case, the magnitude of the object moving is sought by
where indices 1 and 2 refer to two positions of the object.
For the case of 1 4 -! 3 <T 0 and (1 4 -1 3 ) / 2-1 nnc <T 0 . which corresponds to the case of the location of the reflector symmetrically with respect to the point corresponding to the initial phase of oscillations, and the angular dimensions of the reflecting element, much smaller than the angular dimensions of the beam moving region, we obtain
In the case when the amount of movement of the object is larger than the size of the reflecting element in the direction of movement, a matrix of two parallel rows of reflecting elements is installed on the object so as to cover the range of the intended movement of the object, as shown in FIG. 3. The reflecting elements in the rows are shifted relative to each other in the direction of movement in such a way as to eliminate measurement errors at the boundaries of the elements in each row. When moving a beam intersecting both rows of elements in the same direction at the photocell output, we obtain a signal whose waveform is shown in FIG. 6a, b. The oscillogram has two pulses corresponding to reflections from the reflecting elements in each row. The determination of the magnitude of the displacement is performed independently for the elements of each row using formulas (10) or (16) and the procedure described above for the case of a single element.
- 4 013559
The sensitivity of measurements is determined by the quantity = (21) and increases with increasing value of | y (x) |, i.e. as the width of the reflective region on the element increases. Therefore, when determining the amount of movement, it is advisable to use a number of reflective elements in which the duration of the measured pulses is longer (which corresponds to greater sensitivity). At the same time, it is possible to use information on displacement, obtained on the basis of calculations along two parallel rows, to increase measurement accuracy. If in one row the pulse duration is τι (χι) and τι (χ 2 ), and in the second row τ 2 (χ 1 ) and τ 2 (χ 2 ) and the displacement values determined by formulas (10) or (16) are equal to χ 1 and Ax 2 , the displacement value can be defined, for example, as a weighted average value, equal, for example,
Where
Δ 71 = Г1 (Хг) - Т1 (Х1), Δ Γζ = ΐ ^ Χι) - Τϊ (Χι)
If the object moves in such a way that the laser beam oscillation line passes from one reflector in the row to the next one in the same row, there is an uncertainty in the measurements, since the monotony in the measurement of the pulse duration in the specified row is disturbed, while the pulse duration measurement monotony parallel row is preserved. Therefore, for this area, the measurement of the movement of an object must be carried out over a number of reflectors, for which the monotony of the change in the pulse duration is maintained.
For this purpose, the sign of the change in the pulse duration is determined for each measurement. When measuring the mark in one of the rows, measurements are made according to the signal reflected from the reflectors of the second row. If the sign changes for both rows, this indicates a change in the direction of movement of the object, measurements are made by the above method using expressions (10) or (16).
The practical implementation of the method is carried out by means of the device operation described above (FIG. 1). Light emission from the line of incidence of the beam is returned to the recording unit 5 installed near the light source. The digital signal from the output of block 5 is fed to the block 7 for measuring intervals of duration and then to the block-calculator 8, simultaneously serving to indicate the result, which can be selected as a PC, where the type of the object's motion can be selected using formulas (10) or 16) the value of the object's motion is calculated. The exponential nature of the change in the width of the retroreflective surface of the element 2 in the direction of motion of the object eliminates the influence of the distance to the object on the value of the measured displacement.
The range of the measured displacement is limited by the size of the reflecting element, therefore, to measure displacements exceeding the size of the reflecting element, two rows of reflecting elements are used, where each reflecting element is displaced in the direction of movement of the object relative to the corresponding one in the adjacent row.
Thus, the proposed method and device allow to determine the linear movement of the object, and the range of the measured movement is not limited by the size of the reflecting element. The proposed technical solution provides high measurement accuracy, a significant range and independence of the measurement result from the distance to the object.
Claims (2)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| BY20071618 | 2007-12-27 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA200802375A1 EA200802375A1 (en) | 2009-06-30 |
| EA013559B1 true EA013559B1 (en) | 2010-06-30 |
Family
ID=40933276
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| EA200802375A EA013559B1 (en) | 2007-12-27 | 2008-12-23 | Method for measuring linear displacement of an object and device therefor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| EA (1) | EA013559B1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2596607C1 (en) * | 2015-09-30 | 2016-09-10 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" | Method for measuring distance between objects |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114441369A (en) * | 2020-10-31 | 2022-05-06 | 中国石油化工股份有限公司 | Device and method for quantitatively detecting acidity of material surface |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU309232A1 (en) * | В. М. Мамкин , В. А. Рабинович | METHOD OF MEASURING LINEAR DISPLACEMENTS OF AN OBJECT WITH REFLECTING SURFACE | ||
| SU1067353A1 (en) * | 1982-10-28 | 1984-01-15 | Минское Высшее Инженерное Зенитное Ракетное Училище | Device for measuring object displacement |
| JP2000304506A (en) * | 1999-04-20 | 2000-11-02 | Anritsu Corp | Displacement measuring apparatus |
| GB2352810A (en) * | 1999-08-06 | 2001-02-07 | Mitutoyo Corp | Displacement measuring apparatus |
| JP2001208566A (en) * | 1999-12-03 | 2001-08-03 | Renishaw Plc | Measuring apparatus |
| RU2258903C2 (en) * | 2003-10-02 | 2005-08-20 | Научно-Исследовательское И Проектно-Технологическое Республиканское Унитарное Предприятие "Институт Ниптис" | Method and device for measuring shift of object (versions) |
-
2008
- 2008-12-23 EA EA200802375A patent/EA013559B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU309232A1 (en) * | В. М. Мамкин , В. А. Рабинович | METHOD OF MEASURING LINEAR DISPLACEMENTS OF AN OBJECT WITH REFLECTING SURFACE | ||
| SU1067353A1 (en) * | 1982-10-28 | 1984-01-15 | Минское Высшее Инженерное Зенитное Ракетное Училище | Device for measuring object displacement |
| RU92005351A (en) * | 1992-11-03 | 1995-02-27 | А.Н. Шестов | METHOD FOR DETERMINING THE DIMENSIONS OF REFLECTING OBJECT |
| RU92016185A (en) * | 1992-12-31 | 1995-06-19 | А.Н. Шестов | METHOD FOR DETERMINING THE DIMENSIONS OF REFLECTIVE OBJECTS |
| JP2000304506A (en) * | 1999-04-20 | 2000-11-02 | Anritsu Corp | Displacement measuring apparatus |
| GB2352810A (en) * | 1999-08-06 | 2001-02-07 | Mitutoyo Corp | Displacement measuring apparatus |
| JP2001208566A (en) * | 1999-12-03 | 2001-08-03 | Renishaw Plc | Measuring apparatus |
| RU2258903C2 (en) * | 2003-10-02 | 2005-08-20 | Научно-Исследовательское И Проектно-Технологическое Республиканское Унитарное Предприятие "Институт Ниптис" | Method and device for measuring shift of object (versions) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2596607C1 (en) * | 2015-09-30 | 2016-09-10 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южный федеральный университет" | Method for measuring distance between objects |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EA200802375A1 (en) | 2009-06-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7518709B2 (en) | Processing apparatus for pulsed signal and processing method for pulsed signal and program therefor | |
| CN103791860A (en) | Tiny angle measuring device and method based on vision detecting technology | |
| JP2009537832A (en) | Distance measuring method and distance meter for determining the spatial dimension of a target | |
| CN106092302B (en) | System and method for measuring vibration parameters of scanning galvanometer | |
| CN108204828B (en) | Optical position finder | |
| CN108226902A (en) | A kind of face battle array lidar measurement system | |
| EA013559B1 (en) | Method for measuring linear displacement of an object and device therefor | |
| JPS636483A (en) | Time interval measuring instrument | |
| US4521113A (en) | Optical measuring device | |
| US6825922B2 (en) | Determination of the angular position of a laser beam | |
| CN109696129B (en) | Precise displacement sensor and measuring method thereof | |
| CN116381708A (en) | High-precision laser triangular ranging system | |
| CN105783738A (en) | Incremental type small-measurement-range displacement sensor and measurement method | |
| CN207937596U (en) | A kind of face battle array lidar measurement system | |
| JP2014102192A (en) | White color interference device, measuring method of position and displacement of the same | |
| US4725146A (en) | Method and apparatus for sensing position | |
| US4865443A (en) | Optical inverse-square displacement sensor | |
| CN208283418U (en) | Velocity sensor based on Doppler effect with correcting principle | |
| CN205785496U (en) | Measuring system for vibration parameters of scanning galvanometer | |
| US5471302A (en) | Interferometric probe for distance measurement utilizing a diffraction reflecting element as a reference surface | |
| RU2258903C2 (en) | Method and device for measuring shift of object (versions) | |
| RU2082090C1 (en) | Laser ranger | |
| JPS6319505A (en) | Portable multipurpose precise length measuring method | |
| RU94006567A (en) | LASER RANGEFINDER | |
| RU2698699C1 (en) | Method of reproducing a unit of length in laser range finders based on a michelson interferometer |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): AM AZ BY KZ KG MD TJ TM |
|
| MM4A | Lapse of a eurasian patent due to non-payment of renewal fees within the time limit in the following designated state(s) |
Designated state(s): RU |