импульсное углоизмерительное устройство

Формула изобретения

1. Импульсное углоизмерительное устройство, содержащее рабочую меру, выполненную с возможностью вращения, два источника энергии, связанные каждый со своим чувствительным элементом и метками, нанесенными на рабочей мере, а также регистратор угла, отличающееся тем, что рабочая мера выполнена в виде маховика, на оси которого закреплен отражатель, а упомянутые источники энергии и чувствительные элементы размещены во введенном в устройство неподвижном корпусе, при этом один из источников энергии снабжен коллиматором, оптически связанным через отражатель и первый объектив, фокус которого находится в плоскости метки, а также через второй объектив, размещенный по другую сторону метки, со своим чувствительным элементом.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что коллиматор, первый и второй объективы, а также чувствительный элемент объединены в единый узел, закрепленный неподвижно на корпусе.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что коллиматор, первый и второй объективы, а также чувствительный элемент объединены в единый узел, имеющий возможность вращения вокруг оси рабочей меры.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено датчиком пути, а регистратор угла определителем синуса угла, множителем и сумматором элементарных превышений.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к геодезии и может быть применено в машиностроении для контроля плоскостности и прямолинейности, получения высотных координат точек поверхности, а также в устройствах хранения заданного направления на подвижном транспортном средстве.

Известно импульсное углоизмерительное устройство, содержащее синхронный мотор, на валу которого находится диск со щелью [1] За диском расположены два осветителя, а под диском соответственно два фотоприемника. Один осветитель с фотоприемником неподвижен и создает нулевое направление, другой подвижен и связан с измеряемым направлением. Сигналы с фотоприемников, получаемые при вращении диска со щелью, усиливаются, поступают на электронные часы, вырабатывающие команды для счетчика "Начало отсчета", "Конец отсчета". На счетчик импульсов поступают импульсы от кварцевого генератора. Сигнал со счетчика поступает на преобразователь, а затем на перфоратор.

Это импульсное углоизмерительное устройство может производить измерения только в относительной системе координат, связанной с основанием, на котором смонтировано. Определить угловое смещение самого основания относительно Земли нельзя, так как при этом относительно Земли изменяется положение нулевого отсчета. Кроме этого, синхронные моторы имеют внутри одного оборота ротора "качание" угловой скорости, достигающее десятков угловых минут. Эта неравномерность вращения вносит ощутимую погрешность в измерения угла.

Известно наиболее близкое по технической сути к изобретению импульсное углоизмерительное устройство, содержащее рабочую меру в виде диска, выполненную с возможностью вращения, два источника энергии в виде ламп, связанные каждый со своим чувствительным элементом, представляющим собой фотоприемник, и метками в виде прозрачных щелей, нанесенных на рабочую меру, а также регистратор угла с двумя усилителями сигналов, счетчик электрических импульсов, лампу подсветки, оптически связанную с фотоприемником, на рабочей мере нанесены тактовая дорожка с равными прозрачными и непрозрачными интервалами и два выделенных диаметрально противоположных штриха, оптически связанных с фотоприемниками, подключенными к соответствующим входам регистратора, при этом первый и второй фотоприемники подключены через соответствующие усилители-формирователи и дифференцирующие цепочки к триггеру, выход которого подключен к одному из входов схемы совпадения, а третий фотоприемник через усилитель, умножитель частоты, формирователь и делитель импульсов по длительности подключен к другому входу схемы совпадения, выход которой подключен к счетчику [2]

В описанном импульсном углоизмерительном устройстве за счет применения тактовой дорожки, нанесенной на рабочую меру снижено влияние "качания" угловой скорости ротора мотора. Однако, это устройство проводит измерения в относительной системе координат, связанной с основанием, на котором оно установлено (объектом), и при движении объекта относительно Земли (или абсолютной системы координат) его угловые повороты измерить нельзя.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является совершенствованием импульсного углоизмерительного устройства, в котором за счет изменения конструкции, имеющихся элементов и введения дополнительных узлов обеспечивается возможность измерения угловых перемещений движущегося объекта от первоначально заданного направления. Кроме того, имеется возможность определять относительные превышения точек поверхности и контролировать прямолинейность и плоскостность.

Для решения этой задачи в импульсном углоизмерительном устройстве, содержащем рабочую меру, выполненную с возможностью вращения источника энергии, связанные каждый со своим чувствительным элементом и метками, нанесенными на рабочей мере, а также регистратор угла, согласно изобретению рабочая мера выполнена в виде маховика, на оси которого закреплен отражатель, а упомянутые источники энергии и чувствительные элементы размещены во введенном в устройство неподвижном корпусе, при этом один из источников энергии снабжен коллиматором, оптически связанным через отражатель и первый объектив, фокус которого находится в плоскости метки, а также через второй объектив, размещенный по другую сторону метки, со своим чувствительным элементом.

Кроме того, коллиматор, первый и второй объективы, а также чувствительный элемент объединены в единый узел, закрепленный неподвижно на корпусе. Этот узел может поворачиваться вокруг оси вращения рабочей меры.

Кроме того, устройство снабжено датчиком пути, а регистратор угла определителем синуса угла, множителем и сумматором элементарных превышений.

Вращающаяся рабочая мера является маховиком, установленным в корпусе, и при измерениях вращается по инерции за счет накопленной кинематической энергии. При повороте корпуса в плоскости вращения маховика скорость последнего не изменится, т.е. маховик не отреагирует на поворот корпуса в силу действия закона инерции масс. Это дает возможность связать с маховиком (т.е. с рабочей мерой) независимую от корпуса плоскую систему координат, в которой определяется угол поворота корпуса, т.е. линии, жестко связанной с корпусом, относительно линии, или направления, сохраняемого в пространстве.

При вращении рабочей меры с ее меток информация снимается чувствительными элементами, закрепленными на корпусе, в виде электрических импульсов. В начале рассмотрим случай, когда скорость вращения маховика (_р.м.) постоянная и корпус не поворачивается ( _к 0). В этом случае период следования импульсов остается постоянным:

T

Однако, при повороте корпуса картина меняется. Период следования импульсов определяется относительной угловой скоростью рабочей меры и корпуса (так как чувствительный элемент установлен на корпусе).

T

Знак "минус" соответствует вращению маховика и повороту корпуса в одну сторону.

Изменение длительности периода, соответствующее углу поворота корпуса, можно заметить, сравнивая его с эталонным периодом (периодом опорной частоты) или применяя фазовые измерения. Временной сдвиг между импульсами опорного канала и измерительного, где происходит изменение периода, соответствует в определенном масштабе углу поворота корпуса. Для исключения влияния на точность замедления маховика временной сдвиг между импульсами может определяться отношением к длительности периода.

Так как все элементы опорного канала оказываются расположенными на корпусе, то следовательно внутри опорного канала должна происходить компенсация угла поворота корпуса. Это достигается оптическими средствами, законами отражения и преломления света. Угол падения равен углу отражения, следовательно, при перемещении источника в сторону от нормали зеркала отраженный луч также двигается от нормали, вследствие этого при повороте зеркала отраженный луч двигается с удвоенной угловой скоростью поворота зеркала. Последнее свойство дает возможность получить импульсы от вращающейся рабочей меры и зеркала, укрепленного на ее оси вращения. Период следования этих импульсов будет определяться разностью угловых скоростей отраженного от зеркала луча и маховика, т.е.

T Следовательно, получается равенство периодов в опорном канале и измерительном, если _к 0, т.е. корпус не поворачивается.

Механизм компенсации поворота корпуса основан на законах отражения и преломления света. Известно, что луч под углом к оптической оси пересечет фокальную плоскость положительной линзы вне оси, причем при увеличении угла увеличивается расстояние между точкой пересечения луча с фокальной плоскостью и оптической осью. Следовательно, повороты корпуса и отраженного луча взаимно противоположны. Это приводит к компенсации поворота корпуса.

На фиг. 1 показано устройство, общий вид в аксонометрии; на фиг.2 оптическая схема опорного канала; на фиг.3 временная диаграмма положения импульсов опорного и измерительного каналов, а также получение отсчета; на фиг.4, 5 вариант реализации импульсного углоизмерительного устройства как датчика угла высотомера-автомата для пересеченной местности; на фиг. 6 вариант электронной схемы регистратора угла.

Импульсное углоизмерительное устройство содержит корпус 1, в котором размещены установленная в подшипниках рабочая мера 2 в виде маховика с метками 3, 4 в виде щелей, через которые оптически связаны источники энергии 5, 6 с чувствительными элементами 7, 8, являющимися приемниками излучаемой источниками энергии. Источник энергии 6 и чувствительный элемент 8 закреплены на корпусе 1, вместе со щелью 4 образуют измерительный канал. Источник энергии 5, объектив 9 образуют коллиматор 10, оптически связанный с объективом 11 через отражатель 12 типа двугранной призмы БР-180^о, жестко установленной на рабочей мере 2 таким образом, чтобы отражающая поверхность зеркала, создаваемого отражателем, находилась на оси вращения рабочей меры 2.

Вместе с коллиматором 10 объектив 11, объектив 13 и чувствительный элемент 7 установлены в корпусе 1. В фокальной плоскости объектива 11 находится щель 3, которая является предметом для объектива 13, за которым расположен чувствительный элемент 7 на расстоянии меньше двойного фокусного расстояния объектива 13.

Источник энергии 5, объективы 11, 13 и чувствительный элемент 7 вместе со щелью 3 образуют опорный канал. Чувствительные элементы 7 и 8 электрически связаны с регистратором 14 угла, представляющего собой электронную схему определения угла поворота корпуса через определение временного сдвига между импульсами с чувствительных элементов 7, 8.

В качестве источников энергии 5, 6 могут быть использованы лампы накаливания, светодиоды, оптические квантовые генераторы, а в качестве чувствительных элементов 7, 8 фотоэлементы, фотодиоды, фоторезисторы, фототранзисторы. Отражатель 12 может быть зеркальным уголковым или в виде прямоугольной призмы БР-180^о, а также плоским зеркалом. Разгон маховика перед началом работы может осуществляться любым средством, в том числе мотором через гибкую или другую связь с последующим отключением при измерениях.

Импульсное углоизмерительное устройство работает следующим образом.

Перед началом работы маховик и, следовательно, рабочая мера разгоняются. После отключения привода разгона, когда маховик находится в свободном вращении; можно производить измерения.

В начале рассмотрим работу опорного канала и механизма компенсации поворота корпуса, приводящую к созданию независимого (хранимого) направления. Оптическая схема опорного канала представлена на фиг. 2. Отражатель 12 (изображен в виде плоского зеркала) вращается вместе с маховиком, вращение которого не зависит от поворотов корпуса, следовательно для анализа работы канала можно рассматривать отражатель неподвижным и относительно него определять повороты корпуса. Параллельный пучок лучей, вышедший из коллиматора 10, отразившись от отражателя 12, попадает на объектив 11 и собирается в его фокальной плоскости, где находится щель 3 рабочей меры 2, пройдя щель 3, пучок лучей попадает на объектив 13 и расположенный за ним чувствительный элемент 7. Ход главного луча показан одинарной стрелкой.

Предположим, что корпус повернулся на угол вместе с ним относительно отражателя 12 повернутся коллиматор 10, объективы 11, 13 и чувствительный элемент 7. Ход главного луча в этом случае показан двойной стрелкой, новое положение объективов 11, 13 показано в виде тонких линз. Видно, что отраженный луч по отношению к новому положению оптической оси повернется в противоположную сторону на двойной угол. Это приводит к тому, что лучи после объектива 11 соберутся в прежней точке (щели 3), т.е. не изменится пространственное положение этой точки.

Объектив 13 отклонит лучи таким образом, чтобы в любом положении они попадали на чувствительный элемент. Таким образом, хранимое направление задается положением нормали к отражателю 12 и пересекающую ось вращения рабочей меры в момент появления импульса с чувствительного элемента 7. При вращении отражателя 12 вместе с рабочей мерой это направление хранится в виде положения электрических импульсов, снимаемых с чувствительного элемента 7.

Работа измерительного канала значительно проще. При повороте вместе с корпусом источника 6 (фиг. 1) и чувствительного элемента 8 происходит их смещение относительно щели 4. При вращении рабочей меры электрический импульс с элемента 8 будет занимать новое пространственное положение.

На фиг.3 представлены временные импульсные диаграммы; диаграмма а показывает положение импульсов опорного канала; б измерительного канала, если корпус поворачивается в сторону вращения маховика на угол за один оборот рабочей меры. В момент времени t₁ поворот корпуса закончился и _к стала равна нулю. Диаграмма в показывает импульсы, длительность которых пропорциональна временному сдвигу в положении импульсов опорного и измерительного каналов. После момента времени t₁ временной сдвиг остается постоянным. На диаграмме г показаны импульсы высокой частоты, измеряющие временной сдвиг между импульсами опорного и измерительного каналов, эти импульсы поступают на вход счетчика.

Направление поворота корпуса определяется положением измерительного импульса по отношению к опорному опережает измерительный импульс, опорный или отстает от опорного.

Плоскость, в которой измеряются углы, совпадает с плоскостью вращения маховика. Следовательно, при измерении углов в горизонтальной плоскости, ось вращения маховика вертикальна. Такое положение устройства соответствует измерениям отклонений от курса движения. Если ось маховика расположить горизонтально, то измеряемые углы будут находиться в вертикальной плоскости, что соответствует измерениям наклона.

Этот вариант используется для построения высотомера-автомата, который определяет превышение исходной точки по отношению к конечной, суммируя элементарные превышения (фиг.4). При этом решается уравнение:

h S ^. sin , где S элементарный участок пройденного пути. Эта информация определяется датчиком пути.

В качестве датчика угла наклона используется маятниковый отвес.

Недостатком этого датчика является ограничение точности измерений из-за влияния на положение вертикали внешних возмущающих сил, действующих на отвес при неравномерном движении. Если на маятниковом отвесе установить опорный канал предлагаемого импульсного углоизмерительного устройства, то указанный недостаток устраняется.

Кинематическая схема высотомера-автомата представлена на фиг.5. Высотомер-автомат смонтирован в корпусе 1, в котором находится маховик 2 меткой 4, источник 6 энергии, чувствительный элемент 8. Эти элементы образуют измерительный канал. На маятниковом отвесе 16 установлен опорный канал 17 предлагаемого импульсного углоизмерительного устройства с рабочей мерой 18, содержащей метку и жестко установленной на одной оси с маховиком.

Положение вертикали, определяемое отвесом, не изменится при его раскачивании от внешних сил. А при наклоне корпуса, вызванного рельефом местности, положение импульса с чувствительного элемента 8 изменится. Разность в периодах следования импульсов пропорциональна углу наклона рельефа в данной точке.

В высотомере-автомате увеличение рабочего диапазона измеряемых углов осуществляется применением маятникового отвеса.

Для решения этой задачи в горизонтальной плоскости может быть применен гироскоп или перенос нулевого отсчета опорного канала при достижении предельного угла, ограниченного полем зрения объектива 11. Для этого необходимо остановиться, зафиксировать накопленный угол и начать измерения с нового нуля опорного канала. В это время маховик может пополнить кинетическую энергию.

Для решения других конкретных задач в диапазоне непревышающего поля зрения объектива 11 (10-15^о) предлагаемое импульсное углоизмерительное устройство может применяться без дополнительных доработок. Для увеличения времени непрерывной работы необходима поочередная работа двух устройств на один регистратор 14 угла.

На фиг. 6 представлен один из возможных вариантов регистратора угла. Он содержит два усилителя-формирователя 19 и 20, работающих соответственно в опорном и измерительном каналах, RS-триггер 21, триггер 22, фазовый компаратор 23, инвертор 24, две схемы типа И 25 и 26, фазовый детектор 27, фильтр 28 низкой частоты, генератор 29, управляемый напряжением, и делитель частоты 30. Блоки 27-30 образуют систему фазовой автоподстройки частоты генератора, управляемого напряжением на частоту опорного канала. Входом регистратора угла являются входы усилителей-формирователей 19 и 20, а выходом выходы схем 25 и 26, соединенные соответственно с суммирующим и вычитающим входами счетчиков импульсов.

Регистратор угла работает следующим образом.

Электрический сигнал опорного канала формируется усилителем-формирователем 19 и поступает на R-вход RS-триггера. Сигнал измерительного канала после формирования усилителем-формирователем 20 поступает на S-вход этого же триггера, который формирует сигнал разности периодов (диаграмма в на фиг.3), который поступает на схему И, на другие входы которой поступают сигналы генератора, управляемого напряжением, и сигнал фазового компаратора, который в сочетании с сигналами RS-триггера определяет направление поворота корпуса и через схемы типа И сигнал поступает на реверсивный счетчик счетчик импульсов. Система фазовой автоподстройки частоты подстраивает частоту генератора, управляемого напряжением, под частоты опорного канала, сохраняя неизменным масштаб при измерениях, т.е. исключает влияние замедления вращения рабочей меры.

Предлагаемое устройство может применяться при горнопроходческих работах для ориентации и контроля движения проходческого щита; при горновзрывных работах на открытых карьерах для ориентации буровых машин, делающих шурфы для зарядов; для контроля прямолинейности и плоскостности длинных направляющих в условиях рефракции; при строительстве и эксплуатации железнодорожных, трамвайных, подкрановых путей; для хранения курса азимута в навигации; для хранения горизонта, трассирования дорог, изыскательких работах; при строительстве каналов, трубопроводов и т.д. для хранения заданных направлений в космической навигации, а также для решения ряда других задач, связанных с хранением в абсолютной системе координат направлений.