RU2046343C1

RU2046343C1 - Device for measuring speed of object

Info

Publication number: RU2046343C1
Authority: RU
Inventors: В.А. Прянишников; Э.М. Юлдашев; Г.Г. Есин; Б.А. Васильев
Original assignee: Центральный научно-исследовательский институт машиностроения
Priority date: 1992-07-15
Filing date: 1992-07-15
Publication date: 1995-10-20

Abstract

FIELD: measurement engineering. SUBSTANCE: device for measuring the speed of object has time interval meter, object speed computer and radiators and receivers of high-directional sounding radiation connected with them and arranged at the beginning and at the end of metering interval of route. Introduced at the beginning and at the end of metering interval of route in sections locating the flight of object orthogonally to longitudinal axis of route are coordinate axes and beam grids connected with them. Semi-reflecting mirrors are mounted in each section in parallel with coordinate axes in pairs opposite each other on either of longitudinal axis of route. After each mirror N receivers of high-directional sounding radiation are located. Besides that, radiator is located after each engageable pair of mirrors whose sounding beam connects ZN receivers located after semi-reflecting mirrors in the course of reflection and passage through engageable pairs of these mirrors. Outputs of ZN receivers are connected to object speed vector computer through multi-channel meter of output intervals. EFFECT: recording time of fly-by in analog and digital form and coordinates of object at forecast accuracy and determination of magnitude and direction of vector of object speed at measuring interval. 2 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения линейной скорости технологических и транспортных объектов, а также при проведении баллистических экспериментов. The invention relates to instrumentation and can be used to measure the linear speed of technological and transport objects, as well as when conducting ballistic experiments.

Известно устройство, содержащее измеритель временных интервалов, вычислитель и продольный датчик пролета, составленный из источника и приемника излучения, которые оптически согласованы через многопроходовый оптический резонатор, включающий N отражателей, установленных попарно встречно по обеим сторонам продольной оси резонатора [1]
Недостатком известного устройства является низкая точность определения величины скорости объекта на мерном интервале трассы при малых поперечных размерах объекта и при ощутимом угловом разбросе направления скоростей при пролетах объектами заданного базового расстояния при многократных пусках и измерениях скоростей на фиксированном мерном интервале трассы.A device is known comprising a time interval meter, a calculator and a longitudinal span sensor composed of a radiation source and receiver, which are optically matched through a multi-pass optical resonator, including N reflectors installed in pairs opposite on both sides of the longitudinal axis of the resonator [1]
A disadvantage of the known device is the low accuracy of determining the magnitude of the object’s speed on the measured interval of the route with small transverse dimensions of the object and with a noticeable angular dispersion of the direction of velocities when flying objects of a given base distance with multiple starts and speed measurements on a fixed measured interval of the route.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения скорости объекта, содержащее размещенные на концах мерного участка трассы две опорные рамки с горизонтальными и вертикальными стенками, связанными с координатными осями, источники излучения и N приемников излучения, расположенных на каждой горизонтальной и вертикальной сторонах рамки, причем все приемники излучения связаны через аналого-цифровые преобразователи с вычислителем [2]
В известном устройстве определяется пробиваемая снарядом площадь в мишенной плоскости с лучевыми сетками с использованием множества вертикальных и горизонтальных лучей, координаты которых невозможно использовать для однозначного определения вектора скорости.The closest in technical essence and the achieved result is a device for measuring the speed of an object, containing two supporting frames with horizontal and vertical walls associated with the coordinate axes located at the ends of the measuring section of the route, radiation sources and N radiation receivers located on each horizontal and vertical sides framework, and all radiation receivers are connected through analog-to-digital converters with a computer [2]
In the known device, the area pierced by the projectile is determined in the target plane with ray grids using a variety of vertical and horizontal rays, the coordinates of which cannot be used to uniquely determine the velocity vector.

Цель изобретения определение вектора скорости объекта. The purpose of the invention is the determination of the velocity vector of an object.

Цель достигается тем, что в устройство, содержащее размещенные на концах мерного участка трассы две опорные рамки с горизонтальными и вертикальными стенками, связанными с координатными осями, источники излучения и N приемников излучения, расположенных на каждой горизонтальной и вертикальной сторонах рамки, причем все приемники излучения связаны через аналого-цифровые преобразователи с вычислителем, введены полупрозрачные зеркала, установленные на горизонтальных и вертикальных сторонах каждой рамки, пара зеркал вдоль каждой из координатных осей направлена навстречу друг другу и снабжена одним источником излучения, а N приемников излучения установлены за каждым полупрозрачным зеркалом. The goal is achieved in that in a device containing two supporting frames located at the ends of the measured section of the route with horizontal and vertical walls connected with coordinate axes, radiation sources and N radiation receivers located on each horizontal and vertical sides of the frame, all radiation receivers being connected through analog-to-digital converters with a computer, translucent mirrors are introduced, mounted on the horizontal and vertical sides of each frame, a pair of mirrors along each of the coordinates The axes are directed towards each other and equipped with one radiation source, and N radiation detectors are installed behind each translucent mirror.

На фиг. 1 представлена обобщенная функциональная схема устройства; на фиг.2 детальная функциональная схема. In FIG. 1 presents a generalized functional diagram of a device; figure 2 detailed functional diagram.

Согласно фиг. 1 в баллистической трассе 1 соосно продольной оси z установлены гиперскоростной ускоритель 2, объект 3, мишень 4. В сечениях А и Б трассы полета объекта 3 вдоль оси z введены нормальные оси трассы z поперечные координатные плоскости х₁у₁ в точке продольной оси z₁ и х₂у₂ в точке продольной оси z₂. Таким образом, продольный отрезок оси Δ z=z₂-z₁ образует мерный интервал трассы, на котором определяется скорость объекта 3. Пролет объекта в каждом сечении А и Б контролируют поперечные датчики 5. В общем случае в поперечном сечении А на фиг.1 установлены датчики 5, фиксирующие координаты D(z₁), D(x₁), D(-x₁), D(y₁), D(-y₁) и время D(t₁), а в поперечном сечении Б на фиг. 1 установлены датчики 5, фиксирующие координаты D(z₂), D(x₂), D(-x₂), D(y₂), D(-y₂) и время D(t₂). Так как продольный отрезок оси Δ z= z₂-z₁ образует мерный интервал трассы и заранее известен, то координаты z₁, z₂ и отрезок Δ z вводятся в измеритель скорости для самокалибровки и контроля их преобразования в многоканальном измерителе 6 временных интервалов (ИВИ), к которому подключены выходы всех датчиков, и для контроля расчета исследуемых величин в вычислителе 7, к которому подключены выходы ИВИ 6.According to FIG. 1, in a ballistic track 1 coaxially with the longitudinal z axis, a hyper-accelerator 2, object 3, target 4 are installed. In sections A and B of the flight path of object 3 along the z axis, normal axis axes z are introduced transverse coordinate planes x ₁ y ₁ at the point of the longitudinal axis z ₁ and x ₂ y ₂ at the point of the longitudinal axis z ₂ . Thus, the longitudinal segment of the axis Δ z = z ₂ -z ₁ forms a measured interval of the path on which the speed of the object 3 is determined. The span of the object in each section A and B is controlled by transverse sensors 5. In general, in the cross section A in FIG. 1 sensors 5 are installed, fixing the coordinates D (z ₁ ), D (x ₁ ), D (-x ₁ ), D (y ₁ ), D (-y ₁ ) and time D (t ₁ ), and in the cross section B in FIG. 1, sensors 5 are installed that fix the coordinates D (z ₂ ), D (x ₂ ), D (-x ₂ ), D (y ₂ ), D (-y ₂ ) and time D (t ₂ ). Since the longitudinal segment of the axis Δ z = z ₂ -z ₁ forms a measured interval of the path and is known in advance, the coordinates z ₁ , z ₂ and the segment Δ z are introduced into the speed meter for self-calibration and control of their transformation in the multi-channel meter 6 time intervals (IVI ), to which the outputs of all sensors are connected, and to control the calculation of the studied quantities in the calculator 7, to which the outputs of the IVI 6 are connected.

По-существу, многоканальный ИВИ 6 осуществляет аналого-цифровое преобразование информации датчиков 5 в такую форму, которая удобна для вычислителя 7 при определении приращений Δ t, Δ x, Δ y, Δ z и при их последующем использовании в вычислителе 7 для расчета фактического расстояния ρ по формуле ρ

модуля вектора скорости на мерном интерва- ле трассы по формуле

и для расчета фактического угла θ между вектором скорости

, и осью трассы z по формуле θ arccos

т.е. для определения ориентации вектора скорости на мерном интервале трассы.Essentially, the multi-channel IVI 6 performs analog-to-digital conversion of the information of the sensors 5 in such a form that is convenient for the calculator 7 when determining the increments Δ t, Δ x, Δ y, Δ z and their subsequent use in the calculator 7 to calculate the actual distance ρ by the formula ρ

modulus of the velocity vector on the measured interval of the path according to the formula

and to calculate the actual angle θ between the velocity vector

, and the axis of the trace z according to the formula θ arccos

those. to determine the orientation of the velocity vector on the measured interval of the path.

Более детально функционирование устройства для измерения вектора скорости объекта иллюстрирует фиг.2, на которой более подробно представлены принципиальная схема одного из координатных датчиков 5 и функциональная схема многоканального аналого-цифрового преобразователя ИВИ 6, связанного с вычислителем 7. In more detail, the operation of the device for measuring the velocity vector of an object is illustrated in FIG. 2, which shows in more detail a schematic diagram of one of the coordinate sensors 5 and a functional diagram of a multi-channel analog-to-digital converter IVI 6 connected to a calculator 7.

Датчик 5 на фиг.2 размещен в сечении А на нормальной к оси плоскости. В этой плоскости проведены координатные оси х₁, у₁, пересекающиеся на оси z. Таким образом, в начале мерного интервала трассы нормально оси трассы задана поперечная координатная плоскость. Лучевая сетка этой координатной плоскости сформирована двумя излучателями 8 и 9 остронаправленного зондирующего излучения. Направление излучения на выходе каждого излучателя ориентировано под фиксированным углом к соответствующим координатным осям. Параллельно оси х, попарно встречно друг другу по обеим сторонам оси установлены полупрозрачные зеркала 10 и 11, а параллельно оси у аналогично установлены полупрозрачные зеркала 12 и 13. За каждым из полупрозрачных зеркал размещено N приемников 14 остронаправленного зондирующего излучения. При этом луч от излучателя 8, многократно отражаясь от полупрозрачных зеркал 10 и 11 и пересекая после каждого отражения ось х₁, формирует многопроходную лучевую сетку для фиксации координаты х₁ при пролете объекта 3 через некоторую точку сечения А после прерывания в этой точке из-за экранирования объектом многопроходного остронаправленного зондирующего луча, согласованного с осью х₁. Аналогично луч от излучателя 9, многократно отражаясь от другой пары полупрозрачных зеркал 12 и 13 и пересекая после каждого отражения ось у₁, формирует лучевую сетку для фиксации координаты у₁ объекта 3 при его пролете через сечение А баллистической трассы. В результате прерывания в некоторой точке сечения А из-за экранирования объектом многопроходового остронаправленного зондирующего луча на координатной плоскости х₁у₁ осуществляется фиксация координат х₁ ^оу₁ ^о той парой приемников 14 из множества 4N, в которые не попали лучи от излучателей 8 и 9 вследствие их экранирования в точке х₁ ^оу₁ ^о пролетающим через сечение А объектом 3.The sensor 5 in figure 2 is placed in section A on a plane normal to the axis. In this plane, the coordinate axes x ₁ , y ₁ , intersecting on the z axis. Thus, at the beginning of the measured interval of the trace, the transverse coordinate plane is set normally to the trace axis. The ray grid of this coordinate plane is formed by two emitters 8 and 9 of sharply directed probe radiation. The direction of radiation at the output of each emitter is oriented at a fixed angle to the corresponding coordinate axes. In parallel to the x axis, translucent mirrors 10 and 11 are installed in pairs opposite each other on both sides of the axis, and translucent mirrors 12 and 13 are installed parallel to the y axis. N translucent directing probes 14 are placed behind each of the translucent mirrors. In this case, the beam from the emitter 8, repeatedly reflected from the translucent mirrors 10 and 11 and intersecting the x ₁ axis after each reflection, forms a multipass beam network to fix the x ₁ coordinate when the object 3 passes through some point of section A after interruption at this point due to shielding an object of a multi-pass sharply directed probing beam, consistent with the x ₁ axis. Similarly, the beam from the emitter 9, repeatedly reflected from another pair of translucent mirrors 12 and 13 and intersecting the y ₁ axis after each reflection, forms a ray grid to fix the coordinate at _{1 of} object 3 when it passes through section A of the ballistic path. As a result of interruption at a certain point of section A due to the screening by the object of a multi-pass sharply directed probe beam on the coordinate plane x ₁ y ₁ , the coordinates x ₁ ^о y ₁ are fixed ^on that pair of receivers 14 from the set 4N into which the rays from the emitters 8 and 9 due to their screening at the point x ₁ ^about y ₁ ^about flying object 3 through section A.

Аналогично осуществляется фиксация координат х₂у₂ при пролете объекта 3 через сечение Б баллистической трассы (на фиг.2 не показано). По прерыванию лучей в каждой координатной плоскости фиксируются моменты времени пересечения объектом 3 мерного интервала трассы между сечениями А и Б, что позволяет определить с большой точностью время пролета объектом 3 мерного интервала трассы, а также величину и направление вектора скорости объекта 3 на этом интервале после аналого-цифрового преобразования полученной информации в многоканальном ИВИ 6.Similarly, the x ₂ y ₂ coordinates are fixed when the object 3 passes through section B of the ballistic path (not shown in FIG. 2). By interruption of rays in each coordinate plane, moments of the time the object intersects the 3-dimensional interval of the path between sections A and B are fixed, which allows you to determine with great accuracy the time of flight of the object 3-dimensional interval of the path, as well as the magnitude and direction of the velocity vector of object 3 in this interval after -digital conversion of the received information in multi-channel IVI 6.

Многоканальный ИВИ 6 содержит входные устройства 15, преобразующие информацию приемников излучения, связанных с координатными осями х₁у₁; х₂у₂, в напряжение, пропорциональное положению приемника 14 относительно соответствующей координатной оси. Входные устройства 15 для координаты z для заданных сечений А и Б связаны с фиксированными точками на оси z. При идентичном исполнении многоканальные входы этих устройств могут быть использованы для контрольных проверок, самокалибровки и для передачи другой служебной информации, например, из блока контроля и управления 16, предназначенного для установки "0", синхронизации, калибровки и т.п. Выход каждого входного устройства 15 подключен к компаратору 17, второй вход которого связан с генератором линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) 18. Запуск ГЛИН 18 осуществляется через схему ИЛИ 19 А при появлении напряжения на любом из выходов устройств 15, связанных с координатной плоскостью х₁у₁ в сечении А.Multichannel IVI 6 contains input devices 15 that convert the information of radiation receivers associated with the coordinate axes x ₁ y ₁ ; x ₂ y ₂ , in a voltage proportional to the position of the receiver 14 relative to the corresponding coordinate axis. The input devices 15 for the z coordinate for given sections A and B are associated with fixed points on the z axis. With an identical design, the multichannel inputs of these devices can be used for control checks, self-calibration, and for transmitting other overhead information, for example, from the control and control unit 16, which is used for setting “0”, synchronization, calibration, etc. The output of each input device 15 is connected to a comparator 17, the second input of which is connected to a linearly varying voltage generator (GLIN) 18. Start of the GLIN 18 is carried out through the OR 19 A circuit when voltage appears at any of the outputs of the devices 15 connected to the coordinate plane x ₁ y ₁ in section A.

По существу момент появления сигналов на выходах устройств 15, связанных с приемниками излучений 14 для координат х₁ и у₁, свидетельствует о первоначальном прерывании в сечении А многопроходового зондирующего луча вследствие его экранировки объектом 3 на входе мерного интервала трассы. Поэтому этот момент фиксируется как начало измеряемого на этом мерном интервале промежутка времени. Конец этого промежутка времени фиксируется при пересечении объектом 3 сечения Б баллистической трассы по моменту прерывания объектом 3 многопроходового зондирующего луча на координатной плоскости х₂у₂ и по появлению вследствие этого сигнала на соответствующих выходах приемников излучения 14, связанных с осями х₂ и у₂ (на фиг.2 не показано), которые через входные устройства 15 для координат х₂ и y₂ выведены на входы схемы ИЛИ 19 Б. Связанная с ИЛИ 19 Б линия задержки (ЛЗ) 20 блокирует появление ложных сигналов на входе ИЛИ 19Б на минимальное время Δ τ пролета объектом 3 мерного участка трассы и обеспечивает помехоустойчивость измерения промежутка времени Δ t_изм ≥ Δ τ на мерном интервале трассы.In fact, the moment of appearance of signals at the outputs of devices 15 associated with radiation receivers 14 for coordinates x ₁ and y ₁ indicates the initial interruption in section A of a multi-pass probe beam due to its screening by object 3 at the input of the measured interval of the path. Therefore, this moment is recorded as the beginning of the time interval measured at this measured interval. The end of this period of time is recorded when object 3 crosses section B of the ballistic track at the time the object 3 interrupts the multi-pass probe beam on the x ₂ y ₂ coordinate plane and as a result of the appearance of the signal at the corresponding outputs of the radiation receivers 14 associated with the x ₂ and y ₂ axes ( 2), which, through input devices 15 for coordinates x ₂ and y _2, are output to the inputs of the OR circuit 19 B. The delay line (LZ) 20 connected to OR 19 B blocks the appearance of false signals at the input OR 19 B for a minimum time τ span object 3-dimensional section of the route, and provides noise immunity measurement time interval Δ t _rev ≥ Δ τ in a measuring interval the track.

На основании вышеизложенного схема ИЛИ 19Б пропускает на вход временного селектора-формирователя стробирующего импульса 21 сначала сигналы с выходов устройств 15 для преобразования координат х₁у₁z₁, а затем по истечении времени Δ τ сигналы с выходов устройств 15 для преобразования координат х₂у₂z₂. Временной селектор-формирователь стробирующего импульса 21 управляет заполнением тактовых (счетных) импульсов в счетчик 22, связанный с генератором счетных импульсов 23. При этом временной селектор выполняет функцию логического элемента И, так как пропускает счетные импульсы на вход счетчика 22 только в течение времени действия стробирующего импульса, сформированного из исследуемого (измеряемого) сигнала, например, с помощью триггера Шмитта. Поэтому можно считать, что временной селектор 21 осуществляет промежуточное преобразование исследуемого сигнала в импульс, ширина которого пропорциональна измеряемому сигналу, а в счетчике 22 исследуемый сигнал преобразуется в универсальный цифровой вид, воспринимаемый для переработки вычислителем 7. Аналогичную функцию выполняют остальные временные селекторы 21, преобразующие информацию о координатах х₁у₁z₁x₂y₂z₂ в пропорциональные широтно-модулированные импульсы (импульсы ШИМ), которые управляют уровнем заполнения своих счетчиков 22 и формируют тем самым цифровой код координат для их дальнейшей обработки в вычислителе 7. При этом на вход координатных временных селекторов поступает стробирующий импульс от компараторов 17, который начинается в момент запуска ГЛИН 18, а завершается в момент сравнения линейно изменяющегося напряжения ГЛИН на одном входе компаратора 17 с уровнем напряжения соответствующего входного устройства 15, поданного на второй вход компаратора 17.Based on the foregoing, the OR 19B circuit passes the input from the outputs of devices 15 for converting coordinates x ₁ y ₁ z ₁ to the input of a temporary selector-driver of gating pulse 21, and then, after a time Δ τ, the signals from outputs of devices 15 for converting coordinates x ₂ y ₂ z ₂ . The temporary gate-pulse selector-shaper 21 controls the filling of clock (counting) pulses into the counter 22 connected to the counter-pulse generator 23. In this case, the temporary selector performs the function of the logic element And, since it passes counting pulses to the input of the counter 22 only during the duration of the gate pulse generated from the studied (measured) signal, for example, using a Schmitt trigger. Therefore, we can assume that the time selector 21 performs an intermediate conversion of the studied signal into a pulse, the width of which is proportional to the measured signal, and in the counter 22, the studied signal is converted into a universal digital form, perceived by the calculator 7. A similar function is performed by the other temporary selectors 21, which convert the information about the coordinates x ₁ y ₁ z ₁ x ₂ y ₂ z ₂ into proportional pulse-width modulated pulses (PWM pulses), which control the fill level of their counters 22 and thereby form a digital coordinate code for their further processing in the calculator 7. At the same time, a gating pulse from comparators 17 is received at the input of the coordinate time selectors, which starts at the moment of starting the GLIN 18 and ends at the moment of comparing the linearly varying voltage of the GLIN at one input a comparator 17 with a voltage level of the corresponding input device 15 supplied to the second input of the comparator 17.

Таким образом, в счетчиках формируется цифровой код для величин Δ t, x₁, y₁, z₁, x₂, y₂, z₂. Поступление этих величин в вычислитель 7 по известным алгоритмам позволяет вычислить интервалы Δ х, Δ у,Δ z и определить фактическое базовое значение пролета объекта 3 между сечениями А и Б баллистической трассы по формуле
ρ

, знание ρ позволяет вычислить модуль вектора скорости на мерном интервале

и угол вектора скорости относительно оси z по формуле θ arccos

arccos

.Thus, a digital code is generated in the counters for the quantities Δ t, x ₁ , y ₁ , z ₁ , x ₂ , y ₂ , z ₂ . The receipt of these quantities in the calculator 7 according to well-known algorithms allows us to calculate the intervals Δ x, Δ y, Δ z and determine the actual base value of the span of the object 3 between sections A and B of the ballistic path according to the formula
ρ

, knowledge of ρ allows us to calculate the modulus of the velocity vector on the measured interval

and the angle of the velocity vector relative to the z axis by the formula θ arccos

arccos

.

Знание характерного размера а объекта 3 позволяет сформулировать требование на допустимое угловое расхождение α после отражения от полупрозрачного зеркала остронаправленного зондирующего луча из условия прерывания луча объектом 3 в наиболее невыгодных условиях. При расстоянии между полупрозрачными зеркалами L должно быть a>h 2Ltg

где h расстояние между приемниками излучения; α угловое расхождение падающего и отраженного лучей.Knowing the characteristic size a of object 3 allows us to formulate the requirement for an allowable angular difference α after reflection from a translucent mirror of a sharply directed probe beam from the condition of interruption of the beam by object 3 under the most unfavorable conditions. When the distance between the translucent mirrors L should be a> h 2Ltg

where h is the distance between the radiation receivers; α angular divergence of the incident and reflected rays.

Таким образом, предложенное изобретение позволяет с прогнозируемой точностью зафиксировать в аналоговом и цифровом виде как время пролета тела малых размеров мерного интервала баллистической трассы, так и координаты тела (объекта) в сечениях баллистической трассы на концах мерного интервала, а также определить по полученным данным величину и направление вектора скорости объекта на мерном интервале. Thus, the proposed invention allows with predictable accuracy to record in analog and digital form both the time of flight of a body of small dimensions of a measured interval of a ballistic trace, and the coordinates of a body (object) in sections of a ballistic trace at the ends of a measured interval, and also to determine the value and the direction of the velocity vector of the object on the measured interval.

Claims

DEVICE FOR MEASURING SPEED OF THE OBJECT, containing two supporting frames located at the ends of the measured section of the route with horizontal and vertical walls connected with coordinate axes, radiation sources and N radiation receivers located on each horizontal and vertical sides of the frame, and all radiation receivers are connected through analog -digital converters with a computer, characterized in that it contains translucent mirrors mounted on the horizontal and vertical sides of each frame, p pa mirrors along each of the coordinate axes directed towards each other and provided with one radiation source and the radiation detectors are installed N for each semi-transparent mirror.