устройство для измерения перемещения, скорости, ускорения и темпа движения объекта

Формула изобретения

Устройство для измерения перемещения, скорости, ускорения и темпа движения объекта, содержащее датчик перемещения и вычислитель, отличающееся тем, что в нем датчик перемещения содержит источник света, флажок, связанный с объектом, объектив и фотолинейку, а электронный блок содержит видеоусилитель, компаратор и микроконтроллер, причем вход фотолинейки соединен с выходом тактовых импульсов микроконтроллера, выход фотолинейки соединен со входом видеоусилителя, выход видеоусилителя соединен с первым входом компаратора, второй вход компаратора соединен с выходом задания порога микроконтроллера, прямой и инверсный выходы компаратора соединены со входами микроконтроллера, а выход микроконтроллера соединен со входом вычислителя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам бесконтактного измерения параметров движения объекта и может быть использовано для измерения величины перемещения, скорости, ускорения и темпа объекта, имеющего реверсивное движение на фиксированном интервале, например возвратно-поступательное движение затворной рамы автоматического стрелкового оружия.

Известным устройством для измерения перемещения и скорости является велосиметр [1, стр. 455]. Различают электрические велосиметры, основанные на преобразовании перемещения объекта в электрическую величину, изменение которой фиксируется в виде графика на движущейся ленте шлейфового осциллографа, а для получения графика скорости на той же ленте применяется электрическое дифференцирование, и механические велосиметры, в которых движущийся объект связан с пером, вычерчивающим на вращающемся барабане график перемещения объекта.

Недостатками данных устройств является механическая связь объекта с чувствительным элементом, что изменяет динамические характеристики объекта и вносит погрешности в измерение перемещения и скорости объекта. Другим недостатком данных устройств является последующая ручная обработка графиков перемещения и скорости с целью получения величины перемещения и скорости в заданных точках.

Известно устройство для бесконтактного метода измерения скорости движения объекта [1, стр. 460]. Данный метод основан на фотографировании экрана, на который проецируется треугольник, закрепленный на объекте. В результате на снимке получается ряд теневых треугольников, а линия, соединяющая точки пересечения противоположных сторон треугольников в соседних положениях, определяет график скорости движения объекта.

Недостатком устройства является ручная обработка результатов измерения и трудоемкость применения, а также наличие расходных материалов.

Известно устройство для измерения ускорения на основе велосиметра-акселерометра с тензорезисторными датчиками [1, стр. 462]. В данном устройстве измеряется деформация пластины, жестко связанной с объектом, при движении последнего. Величина деформации преобразуется в электрическую величину и фиксируется на ленте осциллографа.

Недостатком устройства является также ручная обработка результатов.

Известно устройство для измерения скорости движения объекта [2]. В устройстве реализован корреляционный метод измерения скорости. Устройство содержит 2 фотоприемника, разнесенные на базовое расстояние, при перемещении объекта относительно фотоприемников формируются два сигнала и вычисляется время задержки, соответствующее максимуму корреляционной функции, определяющее скорость объекта.

Недостатком устройства является сложность электронного блока, измерение только в случае постоянной скорости.

Ближайшим аналогом является устройство для измерения скорости и перемещения объекта [3], содержащее датчики перемещения, электронный блок для измерения временных интервалов и вычислитель. При перемещении объекта последовательно срабатывают датчики и по временным интервалам определяются значения скорости в дискретных точках, соответствующих положениям объекта в срединах интервалов между соседними датчиками перемещения.

Недостатками устройства являются измерение скорости в дискретных, заранее заданных точках (соответствующих серединам интервалов между датчиками), сложность из-за большого количества датчиков, а также невозможность измерения ускорения.

Задача изобретения заключается в устранении ручной обработки и ограниченности известных устройств, позволяющих измерять только среднюю скорость по фиксации моментов времени прохождения объектом фиксированных точек участка движения, и повышении точности измерения зависимости скорости от перемещения за счет устранения механической связи объекта и чувствительного элемента.

Задача решается тем, что устройство содержит источник света, флажок, связанный с подвижным объектом, фотолинейку (например, линейный прибор с зарядовой связью), электронный блок и вычислитель, позволяющие фиксировать с большой частотой положение середины тени флажка на фотолинейке при его перемещении.

Технический результат - предлагаемое устройство позволяет измерять зависимость перемещения от времени, скорости и ускорения от перемещения, темпа, а также устранить механическую связь между объектом и чувствительным элементом, ручную обработку и повысить точность измерения.

На чертеже изображена структурная схема устройства.

Устройство содержит источник света 1, флажок 2, объектив (линзу) 3, фотолинейку 4, электронный блок 5, содержащий усилитель видеосигнала 6, компаратор 7 и микроконтроллер (МК) 8, вычислитель 9, содержащий системный блок 10 и устройства отображения информации (монитор 11, печатающее устройство 12).

Устройство работает следующим образом.

При перемещении флажка 2, установленного на объекте, под действием источника света 1 на фотолинейке образуется теневая полоса, положение которой определяется номерами граничных светочувствительных элементов. При поступлении на фотолинейку последовательности сдвигающих импульсов на ее выходе формируется видеосигнал, имеющий контуры флажка, который поступает на вход видеоусилителя 6, а с выхода видеоусилителя - на вход компаратора 7. На другой вход компаратора подается пороговое напряжение U_n с выхода микроконтроллера. На выходе компаратора формируется цифровой сигнал и его инверсное значение. Передним фронтом прямого сигнала компаратора в микроконтроллере защелкивается значение счетчика, код в котором определяет порядковый номер считанного светочувствительного элемента. Передним фронтом инверсного сигнала компаратора также происходит фиксация значения счетчика. Таким образом, в памяти контроллера фиксируются координаты начала и конца теневой полосы. Среднее значение координат определяет координату центра теневой полосы. Средняя скорость V_n на n-м отрезке равна



где N_n, N_n-1 - значения координат центра теневой полосы (номера светочувствительных элементов фотолинейки) в двух последовательных циклах измерения, h - размер чувствительного элемента фотоприемника, Т_ц - время цикла работы фотоприемника, F_ц=1/T_ц - частота измерения перемещения. В случае необходимости, кроме зависимости скорости от перемещения можно найти среднюю скорость перемещения объекта на всем интервале движения в обоих направлениях:



где V - скорость перемещения объекта на интервале движения в прямом направлении, если каждое V_n>0; и соответственно V - скорость перемещения в обратном направлении, если V_n<0, L - число циклов работы фотоприемника при движении объекта в одном из направлений, определяемое микроконтроллером. Используя значения скорости на каждом n-м отрезке времени, можно рассчитать величину ускорения:



где а_n - ускорение движения объекта, V_n2, V_n1 - значения скоростей на соседних временных отрезках.

Используя заданное время цикла работы фотоприемного устройства, можно определить темп движения объекта:



Для построения графиков перемещения S, скорости V и ускорения a (см. чертеж) и визуального их отображения применяется вычислитель, на экране монитора которого можно посмотреть значения величин перемещения, скорости и ускорения в любой точке движения объекта.

Графики перемещения, скорости и ускорения выводятся на печатающее устройство.

Источники информации

1. Теория и расчет автоматического оружия //В.М. Кириллов, А.К. Голомбовский, Д.К. Девятьяров и др. - Пенза: Издательство ПВАИУ, 1973. - 493 с.

2. Авторское свидетельство СССР 888043, кл. G 01 Р 3/68. Устройство для измерения скорости движения объекта //А.А. Жиглинский, Ю.А. Козлов, П.Н. Копаныгин и В. А. Солнцев. Заявлено 08.04.80, 2906873/18-10. - Бюл. 45, 07.12.81.

3. Авторское свидетельство СССР 1737345 А1, кл. G 01 Р 3/64. Устройство для измерения скорости перемещения объекта //А. А. Михайлов. Заявлено 31.05.92, 4698205/10. - Бюл. 20, 30.05.92.