способ измерения скорости объекта и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ измерения скорости объекта путем его освещения пучком когерентного излучения, приема рассеянного излучения в двух точках, расположенных по линии, параллельной направлению движения объекта, на расстоянии X_d друг от друга, и определения скорости объекта по величине задержки между принятыми сигналами, отличающийся тем, что при освещении объекта пучок излучения периодически перемещают по линии, параллельной направлению движения объекта, с заданной частотой и амплитудой при условии

V_in>V _io,

где V_io - скорость объекта на i-том интервале;

V_in - скорость движения светового пятна по поверхности объекта, при этом за каждый период перемещений регистрируют первую пару принятых сигналов при перемещении пучка в направлении движения объекта, и вторую пару - при перемещении пучка в направлении, противоположном движению объекта, а скорость объекта на каждом i-том интервале определяют по формуле

где _i1 - величина задержки для первой пары сигналов;

_i2 - величина задержки для второй пары сигналов,

причем период перемещений пучка устанавливают короче минимального временного интервала, на котором движение объекта допустимо считать равномерным, а значение амплитуды - до достижения соответствующей вероятности того, что задержки и скорости будут определены на каждом участке измерений.

2. Устройство для измерения скорости объекта, включающее источник когерентного излучения, оптически связанный с системой формирования пучка заданных размеров для освещения объекта, два фотоприемника, чувствительные элементы которых располагаются на прямой, параллельной движению объекта, на расстоянии X_d друг от друга, сигнальный процессор для определения временной задержки между сигналами и мгновенной скорости объекта, блок обработки аналоговых сигналов, входы которого соединены с выходами приемников, а выходы - с информационными входами процессора, отличающееся тем, что введен блок формирования перемещений пучка излучения, связанный с объектом сигнальным процессором и системой формирования пучка, и задающий генератор, выходы которого заведены на соответствующие входы блока формирования перемещений пучка.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерения динамических параметров объекта и может быть использовано в различных областях, в том числе и в задачах строительства для исследования вибраций, деформационных характеристик грунтов, осадки строительных конструкций.

Известен способ измерения скорости путем освещения объекта пучком когерентного света со сканированием, приема рассеянного излучения одним оптоэлектрическим преобразователем и обработки выходного сигнала преобразователя в соответствии с заданным критерием [1]. При этом информация о скорости может быть получена после обработки достаточно большого количества реализации принятых сигналов, информация от спеклов не используется, а точность измерения ограничена параметрами приемной оптики. Кроме того, данный метод чувствителен к механическим воздействиям (вибрациям) блоков сканирования и приема излучения.

Известен способ измерения динамических параметров путем освещения объекта пучком когерентного излучения, приема рассеянного излучения и обработки сигналов на основе классического интерферометра [2, 3]. Однако метод достаточно сложен, применим лишь при относительно небольших перемещениях и не позволит вести обработку сигналов в реальном масштабе времени. Кроме того, метод чувствителен к механическим воздействиям и не позволяет проводить измерения в полевых условиях.

Наиболее близким к заявляемому является способ измерения скорости (величины смещения) путем освещения объекта пучком когерентного света, приема рассеянного излучения в двух точках, расположенных в направлении движения объекта на определенном расстоянии друг от друга, и определении задержки между принятыми сигналами через заданные интервалы времени [4].

Известное устройство измерения скорости, выбранное в качестве прототипа заявляемого устройства, содержит источник когерентного излучения (полупроводниковый лазер), оптическую систему формирования пучка (пятна) заданных размеров для освещения объекта, два приемника, у которых чувствительные элементы расположены на прямой, параллельной направлению движения объекта, на определенном расстоянии друг от друга, сигнальный процессор для определения временной задержки между сигналами, скорости и величины смещения объекта, блок обработки аналоговых сигналов, входы которого соединены с выходами приемников, а выходы - с информационными входами сигнального процессора [4].

Известный способ позволяет измерять с высокой точностью скорость движения (величину смещения) в заданные моменты времени при равномерном движении и достаточно больших скоростях при условии, что за время принятия решения объект смещается на величину, большую расстоянию между приемниками. При этом на каждом i-ом участке реализации сигналов должен быть, по крайней мере, один переход из единицы (1) в ноль (0) или из 0 в 1 (см. фиг.7 в [4]).

Единица и ноль в реализации сигналов обусловлены пересечениями чувствительных площадок приемников светлыми и темными спеклами, которые распределены по случайному закону [5].

Предположим, что размеры светлых и темных пятен одинаковы и вероятность того, что за светлым пятном последует темное пятно (т.е. за 1 последует 0), как и в эксперименте с монетой, равна 1/2. Если длину реализации сигналов выбрать соответствующей прохождению через площадку 2 пятен, то задержки не сможем определить в 50% случаев. Если длина реализации будет соответствовать прохождению 11 пятен, то вероятность встретить в реализации все 0 или 1 будет (1/2)¹⁰, то есть неинформативные реализации сигналов вероятно встретятся лишь однажды в 1024 случаях.

При неравномерном движении скорость объекта приходится оценивать по короткому участку реализации, на котором движение объекта еще допустимо считать равномерным. Однако короткий участок реализации спекл-структуры, как показано выше, часто не содержит достаточной информации для оценки скорости, увеличение же длины обрабатываемой реализации приводит к увеличению погрешности измерений, т.к. движение на этом интервале уже нельзя считать равномерным. Кроме того, метод не позволяет получать информацию, если объект покоится или за время принятия решения его смещение меньше расстояния между приемниками. Уменьшение же расстояния между приемниками приводит к возрастанию погрешности измерений.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение точности измерения скорости движения (величины смещения) объекта.

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения скорости движения объекта, основанном на освещении его пучком когерентного излучения, приема рассеянного излучения в двух точках, расположенных по линии, параллельной направлению движения объекта, на определенном расстоянии друг от друга, перемещают освещающий пучок по линии, параллельной направлению движения объекта, с заданной частотой и амплитудой, формируют реализации принятых сигналов, синхронизированные с перемещением пучка, по величине задержки между принятыми сигналами определяют мгновенную скорость объекта.

Поставленная цель достигается также тем, что в устройство для осуществления способа измерения скорости движения объекта, содержащее источник когерентного излучения, оптическую систему формирования пучка заданных размеров для освещения объекта, два приемника у которых чувствительные элементы расположены на прямой, параллельной направлению движения объекта, на определенном расстоянии друг от друга, блок обработки аналоговых сигналов, сигнальный процессор для определения временной задержки между сигналами, мгновенной скорости объекта, блок обработки аналоговых сигналов, входы которого соединены с выходами приемников, а выходы - с информационными входами процессора, введен блок формирования перемещений пучка, которым освещается объект, и задающий генератор, выходы которого заведены на соответствующие входы блока формирования перемещений пучка и сигнального процессора.

На чертеже приведена блок-схема устройства для осуществления предлагаемого способа.

Способ измерения скорости движения (величины смещения) объекта осуществляется следующим образом.

При освещении объекта пучком когерентного излучения каждая его точка рассеивает некоторое количество света в направлении фотоприемников. Вследствие высокой когерентности, излучение, рассеянное одной из точек объекта, интерферирует с излучением, рассеянным любой другой его точкой. В плоскости фотоприемников можно наблюдать картину хаотичной интерференционной структуры, т.е. спеклы. Хаотичность обусловлена шероховатостью поверхности, т.к. фаза рассеянного света изменяется случайно от точки к точке, следуя за вариациями высоты рельефа в данном месте [5]. Количество спеклов, их размеры, контрастность определяются мощностью излучения, размерами пятна, характеристиками поверхности, расстоянием до объекта.

При перемещении пятна или смещении объекта на выходах 2-х приемников можно наблюдать реализации случайных сигналов. Поскольку перемещение пучка по поверхности объекта и расположение приемников производится по линии, параллельной направлению движения объекта, то в идеале - это два идентичных сигнала, сдвинутых между собой на время , которое определяется выражением

где X_d - расстояние между приемниками;

V_io - скорость движения объекта;

V_iп - скорость перемещения пятна.

За период Т перемещения пучка когерентного излучения по поверхности объекта формируют две пары реализации сигналов длительностью, равной Т или меньшей Т/2, синхронные с перемещением пучка вверх и вниз. Одну пару сигналов формируют при перемещении пучка вниз, а другую - вверх. Для каждого i-го периода Т определяют задержки сформированных сигналов _i1 и _i2 при перемещении пучка вниз и вверх, которые, согласно (1), можно представить в виде

Очевидно, можно записать

или

Период перемещения пучка устанавливают короче минимального временного интервала, на котором движение объекта допустимо считать равномерным. При этом необходимо обеспечить такую скорость перемещения пятна V_in, чтобы на каждом i-ом интервале измерения (см.3) выполнялось условие

Задав соответствующую амплитуду перемещений пучка, можно обеспечить необходимую длину реализации сигналов и тем самым задать соответствующую вероятность, что задержки _i и скорости V_i будут определены на каждом участке измерений. Задержки и скорости будут определены в том числе и на тех участках, где скорость движения была очень маленькой и даже равной нулю (т.е. объект находился в состоянии покоя).

Таким образом, на каждом периоде перемещения пучка всегда можно вычислить мгновенную скорость объекта. Величину смещения объекта можно найти из (7)

Устройство (фиг.1) содержит источник когерентного излучения 1 (полупроводниковый лазер), оптическую систему 2 формирования светового пучка (пятна) заданных размеров, два приемника 3 и 4, блок обработки аналоговых сигналов 5, сигнальный процессор для определения временных задержек между сигналами, мгновенной скорости и величины смещения объекта 6, а также блок формирования перемещений пучка 7 и задающий генератор 8.

Устройство работает следующим образом.

Когерентное излучение с источника 1 проходит через оптическую систему 2, которая формирует пятно заданных размеров и поступает на блок 7, который направляет световой пучок на диффузно отражающую поверхность исследуемого объекта и осуществляет его перемещение по линии, параллельной направлению движения объекта. Частота и амплитуда этих перемещений определяются частотой и амплитудой сигналов генератора 8.

При перемещении пятна или смещении объекта на выходах приемников 3 и 4 можно наблюдать реализации случайных сигналов. При этом размеры сформированных спеклов должны соответствовать размерам чувствительных площадок приемников. Если этого соответствия не будет, то при больших размерах площадок приемников и маленьких спеклов, приемник будет работать как сглаживающий фильтр и часть спеклов будет утеряна, в противном случае будет ухудшаться отношение сигнал/шум.

По синхроимпульсам блока 7 за время Т сигнальный процессор 6 формирует две пары реализации сигналов длительностью Т/2 синхронные с перемещением пучка. Одна пара сигналов формируется при перемещении пучка вниз, а другая - вверх. Процессор определяет задержки _i1 и _i2 для каждой пары, вычисляет мгновенную скорость V_io объекта на каждом интервале Т согласно (5) и величину смещения объекта согласно (6).

Блок 7 выполнен в виде ультразвукового преобразователя (УЗП), на котором закреплено зеркало. УЗП состоит из тонкой металлической пластины, на которую наклеена пьезокерамика, состоящая из двух частей. Одна часть пьезокерамики используется для возбуждения колебаний в системе пластина-керамика-зеркало, а вторая часть используется в качестве датчика угла отклонения луча для синхронизации. Под воздействием сигналов генератора в системе возбуждаются изгибные колебания соответствующей частоты и амплитуды, световой пучок отражается от зеркала и отклоняется в заданном направлении с заданной частотой и амплитудой. В результате поверхность объекта освещается пучком когерентного излучения с заданной частотой и амплитудой перемещения.

Таким образом, предложенные способ и устройство позволяют определять задержки и, следовательно, и мгновенные скорости на каждом периоде перемещения пучка при произвольной скорости объекта, расширить диапазон измерений в область смещений меньших расстояний между приемниками, получать информацию даже если объект покоится. К тому же предложенный способ и устройство практически не содержат оптических систем. В связи с этим не требуется проведения настроек и юстировок, что повышает точность измерений, позволяет проводить измерения в промышленных и полевых условиях.

Источники информации, принятые во внимание

1. Патент ЕР 0316093 А2.

2. Патент US 006134006 А, G 01 B 9/02.

3. Патент US 006271924 В1, G 01 В 9/02.

4. Патент ЕР 0295720 А3, G 01 P 3/68.

5. Ч. Вест Голографическая интерферометрия. М.: Мир. 1982.