устройство для измерения расстояния до различных точек поверхности объекта

Формула изобретения

Устройство для измерения расстояний до различных точек поверхности объекта, содержащее лазер и последовательно соединенные приемник оптического излучения и формирователь переднего фронта импульса, выход которого соединен со входом "Запуск" измерителя временных интервалов, а также приемник акустического излучения и пороговый блок, отличающееся тем, что лазер выполнен переносным и введены последовательно соединенные интерфейс и ЭВМ, а также три полосовых усилителя, при этом измеритель временных интервалов выполнен на трех счетчиках, входы "Запуск" которых объединены и являются входом "Запуск" измерителя временных интервалов, а выходы счетчиков являются выходами измерителя временных интервалов и подключены к соответствующим входам интерфейса, пороговый блок выполнен на трех компараторах, приемник акустического излучения выполнен на трех микрофонах, при этом выход каждого микрофона через последовательно соединенные полосовой усилитель и компаратор подключены к входу "Останов" каждого счетчика измерителя временных интервалов соответственно, причем три микрофона приемника акустического излучения закреплены в вершинах треугольника, стороны которого образованы жесткими стержнями, а мембраны микрофонов расположены в плоскости, параллельной плоскости треугольника.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области метрологии, в частности к средствам измерения расстояний и формы объектов.

Известно устройство измерения расстояния до поверхности объекта, содержащее лазер и регистрирующий блок, обеспечивающий измерение по излучению, провзаимодействовавшего с поверхностью объекта (см., например, Laser in Manufacturing 3-rd Biennial International Machine Tool Technical Conference, Sept. 3-10, 1986, p. 4-185).

Недостатком данного устройства является небольшой объем информации о точках на поверхности объекта, малый диапазон пределов измерений, что делает его неудобным в эксплуатации и сужает возможности его использования.

Наиболее близким к заявленному является устройство для измерения расстояний до различных точек поверхности объекта (реализующее известный способ измерения расстояния до объекта), содержащее лазер и последовательно соединенные приемник оптического излучения и формирователь переднего фронта импульса, выход которого соединен со входом "Запуск" измерителя временных интервалов, а также приемник акустического излучения и пороговый блок (см. например, патент РФ N 1835048, кл. G 01 В 17/00, 1990 г.).

Недостатком данного устройства является недостаточно большой объем информации о координатах точек на поверхности объекта, достаточно большое время, требуемое для измерений, и большие габариты устройства.

Задачей заявленного устройства является увеличение объема информации о координатах точек на поверхности объекта, сокращения времени измерений, обеспечение возможности выполнения устройства переносным.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для измерения расстояний до различных точек поверхности объекта, содержащем лазер и последовательно соединенные приемник оптического излучения и формирователь переднего фронта импульса, выход которого соединен со входом "Запуск" измерителя временных интервалов, а также приемник акустического излучения и пороговый блок, лазер выполнен переносным и введены последовательно соединенные интерфейс и ЭВМ, а также три полосовых усилителя, при этом измеритель временных интервалов выполнен на трех счетчиках, входы "Запуск" которых объединены и является входом "Запуск" измерителя временных интервалов, а выходы счетчиков являются выходами измерителя временных интервалов и подключены к соответствующим входам интерфейса, пороговый блок выполнен на трех компараторах, приемник акустического излучения выполнен на трех микрофонах, при этом выход каждого микрофона через последовательно соединенные полосовой усилитель и компаратор подключены к входу "Останов" каждого счетчика измерителя временных интервалов соответственно, причем три микрофона приемника акустического излучения закреплены в вершинах треугольника, стороны которого образованы жесткими стержнями, а мембраны микрофонов расположены в плоскости параллельной плоскости треугольника.

На чертеже представлена функциональная схема предложенного устройства.

Устройство для измерения расстояний до различных точек поверхности объекта содержит лазер 1, приемник оптического излучения 2, формирователь переднего фронта импульса 3, объект 4, приемник акустического излучения 5, выполненный на трех микрофонах 6, 7, 8, закрепленных в вершинах треугольника 9, полосовые усилители 10, 11, 12, пороговый блок 13, выполненный на трех компараторах 14, 15, 16, измеритель временных интервалов 17, выполненный на трех счетчиках 18, 19, 20, интерфейс 21, ЭВМ 22.

Устройство работает следующим образом:

Облучение измеряемого объекта 4 производится с помощью лазера 1, работающего в импульсном режиме, при этом последовательно освещаются различные точки на поверхности объекта 4.

Часть импульсного излучения, отражаясь от объекта 4, попадает на приемник оптического излучения 2, где преобразуется в электрический сигнал, который через формирователь переднего фронта импульса 3 подается на соответствующие входы "Запуск" измерителя временных интервалов 17.

Другая часть импульсного лазерного излучения, попадая на участок поверхности объекта 4, нагревает его. За счет теплопередачи нагревается пристеночный слой газа, при повышении температуры газа он расширяется и в газе рождается акустическая волна. Акустические сигналы попадают на микрофоны 6, 7, 8 приемника акустического излучения 5, укрепленные в вершинах треугольника 9, стороны которого выполнены в виде жестких стержней (например, металлических). Акустические сигналы преобразуются в микрофонах 6, 7, 8 в электрические и через соответствующие полосовые усилители 10, 11, 12 передаются на входы компараторов 14, 15, 16 порогового блока 13. Полосовые усилители 10, 11, 12 пропускают лишь верхнюю рабочую частоту микрофонов больше 10 кГц, исключая влияние промышленных акустических помех. С выходов компараторов 14, 15, 16 сигналы поступают на входы "Останов" соответствующих счетчиков 18, 19, 20 измерителя временных интервалов 17.

Измеритель временных интервалов 17 определяет интервалы времени t₁, t₂, t₃ - между приходом оптического сигнала на объект 4 и акустическим сигналом, попадающим на микрофоны 6, 7, 8.

По специальной программе ЭВМ 22 вычисляет сначала расстояния между облучаемым объектом 4 и каждым из микрофонов 6, 7, 8 по формуле

l₁=t₁V

l₂=t₂V

l₃=t₃V

где V - скорость звука, l₁, l₂, l₃ - расстояния от соответствующей точки поверхности объекта 4 до микрофонов 6, 7, 8, а затем и координаты измеряемых точек поверхности объекта 4.

Таким образом, благодаря использованию трехканальной системы приема акустической волны в каждом измерении определяются три координаты каждой облучаемой точки, в отличие от прототипа, где при каждом измерении получают одну координату.

Кроме того, использование трехканальной системы приема акустической волны дает возможность исключить из устройства измерения сложные механические сканирующие узлы, что позволяет сделает устройство измерения переносным и компактным.

Благодаря тому, что предложенное устройство измерения легко доставляется к крупногабаритным объектам, транспортировка которых к измерительным устройствам затруднена, сокращается время, необходимое для проведения измерений, и уменьшается стоимость проведения измерений.

Разработано и испытано предложенное устройство, которое обеспечивает измерение объектов размером приблизительно 3x3x3 метра с точностью до примерно 0, 5 мм. Вес устройства не более 15 кг, габариты в собранном для транспортировки виде позволяют разместить устройство в двух ящиках размером 500x300x150 мм.

В устройстве использованы в качестве лазера 1 - импульсный переносной лазер с длительностью импульса 10^-9-10^-5 с (активный элемент на основе неодюймового стекла), приемника оптического излучения 2 - фотодиод ФД -24К, приемника акустического излучения 5 - конденсаторные микрофоны М 201, измерителя временных интервалов 17 - три счетчика типа ЧЗ - 34, в качестве ЭВМ 22 - персональный малогабаритный компьютер типа "АМБРА".