Устройство измерения расстояния до различных точек поверхности объекта

Устройство измерения расстояния до различных точек поверхности объекта

Реферат

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

Известно устройство измерения расстояния до поверхности объекта, содержащее лазер, приемник акустического излучения, выполненный на 3-х микрофонах, закрепленных в вершинах треугольника, стороны которого образованы жесткими стержнями, последовательно соединенные приемник оптического излучения и формирователь переднего фронта импульса, а также трехканальный электронный блок, каждый канал которого включает последовательно соединенные полосовой усилитель, компаратор, счетчик измерителя временных интервалов и подключен к общим интерфейсу и ЭВМ (см. патент РФ №2139497, кл. G 01 B 17/00, G 01 S 15/00, 1999 г., прототип).

Известно также аналогичное устройство, в котором вместо лазера в качестве возбудителя акустического излучения использован электроискровой щуп, а в электронный блок введена дополнительная линия регулируемой задержки переднего фронта импульса (см. заявку №2002128081/28(029669) от 18.10.2002 года).

К общему недостатку указанных устройств можно отнести то, что оба примененных в них типа возбудителей акустического излучения - и лазер и электроискровой щуп - генерируют при работе сильную электромагнитную помеху. При этом можно отметить, что хотя источник электромагнитной помехи в указанных устройствах различен - в лазере им является высоковольтный импульс поджига газоразрядных ламп накачки оптического стержня, а в щупе - высоковольтный электроискровой зазор, оба они при работе иногда вызывают сбой работы счетчиков временных интервалов. Это обстоятельство было выявлено при лабораторных и производственных испытаниях экспериментальных образцов измерительных устройств, выполненных по схемам прототипа и аналога. Из-за этого снижается надежность функционирования электронных регистрирующих блоков указанных измерительных устройств.

Задачей заявленного устройства является повышение надежности рассматриваемой измерительной аппаратуры, достигаемой за счет отсутствия сигнала собственной помехи, а также ее упрощение и удешевление.

Указанный технический результат достигается, когда в устройстве для измерения расстояний до различных точек поверхности объекта, содержащем возбудитель акустического излучения, контактирующей с точками поверхности объекта, приемник акустического излучения, выполненный на трех микрофонах, закрепленных в вершинах треугольника, стороны которого образованы жесткими стержнями, формирователь переднего фронта импульса, а также трехканальный электронный блок, каждый канал которого включает последовательно соединенные полосовой усилитель, компаратор, счетчик измерителя временных интервалов и подключен к общим интерфейсу и ЭВМ, а упомянутый возбудитель акустического излучения выполнен в виде электродинамического жезла, имеющего заостренный наконечник и рукоятку с пусковой кнопкой, и на нем закреплены два разнесенных по длине акустических излучателя, представляющие собой полые сферы из пьезокерамики с металлизированными электродами на внутренних и внешних поверхностях. При этом геометрические центры упомянутых полых сфер и вершина наконечника лежат на одной прямой, а расстояние между наконечником жезла и ближайшим излучателем должно быть меньше расстояния между излучателями, которое много меньше расстояния от жезла до микрофонов. Кроме того, пусковая кнопка соединена с входом формирователя переднего фронта импульса, формирующего импульсы длительностью порядка 20 миллисекунд с частотой порядка 1 Гц, выход которого соединен параллельно с входами счетчиков измерителя временных интервалов, а также с управляющими входами двухканального коммутатора и генератора переменного напряжения с амплитудой около 300 В и частотой 25-45 кГц, выход которого через коммутатор соединен с акустическими излучателями с возможностью поочередного подключения к каждому из них.

На чертеже представлена функциональная схема предложенного устройства.

Устройство для измерения расстояний до различных точек поверхности контролируемого изделия 1 содержит жезл 2, имеющий заостренный наконечник 3 и рукоятку 4 с пусковой кнопкой 5, и акустические излучатели 6 и 7, представляющие собой полые сферы из пьезокерамики, геометрические центры которых лежат на одной прямой с вершиной наконечника, причем излучатели снабжены металлизированными электродами 8, 9, 10 и 11, расположенными на внутренних и внешних поверхностях их полых сфер, приемник акустического излучения 12, содержащий микрофоны 13, 14 и 15, закрепленные в вершинах треугольника, стороны которого образованы жесткими стержнями, формирователь переднего фронта импульса 16, генератор переменного напряжения 17, двухканальный коммутатор 18, усилительный блок 19, содержащий три полосовых усилителя 20, 21, 22, пороговый блок 23, выполненный на трех компараторах 24, 25, 26, измеритель временных интервалов 27, выполненный на трех счетчиках 28, 29, 30, интерфейс 31 и ЭВМ 32.

Устройство работает следующим образом:

Вершина заостренного наконечника 3 жезла 2 прижимается к измеряемой точке поверхности объекта 1, а на рукоятке 4 нажимается пусковая кнопка 5, запускающая работу формирователя переднего фронта импульса 16, на выходе которого формируются импульсы длительностью порядка 20 миллисекунд и частотой порядка 1 Гц. Эти импульсы поступают на управляющие входы генератора переменного напряжения 17 и двухканального коммутатора 18. Генератор 17 включается в работу на время длительности каждого импульса, а на его выходе формируется переменное напряжение с амплитудой порядка 300 В и частотой заполнения 25-45 кГц. Коммутатор 18 синхронно с приходом импульсов формирователя 17 поочередно подключает выход генератора к парам металлизированных электродов 8, 9 и 10, 11 акустических излучателей 6 и 7. Под влиянием напряжения генератора в двух полых сферах, выполненных из пьезокерамики, поочередно возбуждаются механические микроколебания, вызывающие сферическую звуковую волну, которая начинает распространяться в окружающем воздушном пространстве. Синхронно с инициированием звуковой волны каждым излучателем жезла с выхода формирователя 16 подается пусковой импульс на соответствующие входы «Start» измерителя временных интервалов 27.

Акустические сигналы от каждого излучателя 6 и 7 жезла поочередно приходят на микрофоны 13, 14, 15 приемника акустического излучения 12. Эти сигналы преобразуются в микрофонах в электрические и через соответствующие полосовые усилители 20, 21, 22, настроенные на частоту генератора 17, передаются на входы компараторов 24, 25, 26 порогового блока 23. С выходов компараторов сигналы поступают на входы «Stop» соответствующих счетчиков 28, 29, 30.

Измеритель временных интервалов 27 определяет интервалы времени t₁, t₂, t₃ между моментом генерации фронта звуковой волны каждым излучателем жезла и моментами воздействия этого фронта на микрофоны 13, 14, 15.

Затем ЭВМ 32 по специальной программе вычисляет сначала расстояния l₁, L₂, L₃ между геометрическими центрами излучателей жезла и каждым из микрофонов 13, 14, 15 по формулам:

L₁=(t₁.xC)+R; L₂=(t₂xC)+R; L₃=(t₃xC)+R,

где поверхности излучателя, а затем и координаты X, Y, Z геометрических центров излучателей в системе координат приемника акустического излучения. Далее по программе происходит построение прямой, проходящей через эти центры, на которой откладывается известное расстояние между вершиной наконечника жезла и центром ближайшего к нему излучателя, что позволяет определить координаты точки поверхности измеряемого объекта, с которой контактирует наконечник жезла.

Таким образом, использование в качестве возбудителя акустических сигналов вместо лазера или высоковольтного электроискрового щупа - жезла с двумя пьезоэлектрическими излучателями, позволяет решать кроме основной и другие задачи, а именно:

- пьезоэлектрические излучатели жезла позволяют генерировать акустический сигнал в более высокочастотной области спектра (до 75 -100 кГЦ) по сравнению с моноимпульсным лазером и электроискровым щупом, что облегчает отстройку от низкочастотного спектра акустических помех, создаваемых работающим промышленным оборудованием;

- акустический жезл не создает акустических и электромагнитных помех, снижающих надежность функционирования измерительной аппаратуры;

- с помощью акустического жезла с двумя излучателями, разнесенными от его наконечника, можно производить измерения координат точек поверхности объектов, не имеющих прямой видимости по отношению к микрофонам акустического приемника (антенны);

- при высокой стоимости переносного моноимпульсного лазера (˜ $10,0 тыс.) и отсутствии его серийной сертифицированной поставки акустический жезл является более простым, надежным и дешевым (стоимость изготовления ˜ $500,0) компонентом комплекта измерительной аппаратуры:

- акустический жезл может быть изготовлен собственными силами потенциального производителя предлагаемого устройства.

Устройство для измерения расстояний до различных точек поверхности объекта, содержащее возбудитель акустического излучения, приемник акустического излучения, выполненный на трех микрофонах, закрепленных в вершинах треугольника, стороны которого образованы жесткими стержнями, формирователь переднего фронта импульса, а также трехканальный электронный блок, каждый канал которого включает последовательно соединенные полосовой усилитель, компаратор, счетчик измерителя временных интервалов и подключен к общим интерфейсу и ЭВМ, отличающееся тем, что возбудитель акустического излучения выполнен в виде жезла, контактирующего с точкой поверхности измеряемого объекта и имеющего заостренный наконечник и рукоятку с пусковой кнопкой, причем на жезле закреплены два разнесенных по длине акустических излучателя, представляющих собой полые сферы из пьезокерамики, внутренние и внешние поверхности которых снабжены металлизированными электродами, при этом геометрические центры полых сфер и вершина наконечника лежат на одной прямой, а расстояние между наконечником жезла и ближайшим излучателем меньше расстояния между излучателями, которое, в свою очередь, значительно меньше расстояния от жезла до микрофонов, пусковая кнопка жезла соединена с входом формирователя переднего фронта импульса, формирующего импульсы длительностью порядка 20 мс с частотой порядка 1 Гц, выход которого соединен параллельно с входами счетчиков измерителя временных интервалов, а также с управляющими входами двухканального коммутатора и генератора переменного напряжения с амплитудой порядка 300 В и частотой 25-45 кГц, выход которого через коммутатор соединен с акустическими излучателями с возможностью поочередного подключения к каждому из них.