Способ измерения перемещения объекта

011543 Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения перемещений, и может быть использовано в различных областях, в том числе в строительстве, для измерения деформаций строительных конструкций, деформационных характеристик грунтов, параметров вибраций. Известен способ измерения перемещений, заключающийся в том, что с объектом связывают отражающий элемент, направляют на него пучок света, принимают отраженное излучение, по которому судят о величине перемещения объекта [SU 1350488 А 1, публ. 1987]. Устройство для измерения перемещений объекта по данному способу содержит отражающий элемент, связанный с объектом, источник когерентного света, регистрирующий блок, на который падает отраженный от отражателя луч. Способ может быть использован только для определения малых перемещений. При этом точность определения перемещений определяется шириной отраженного луча, а величина измеренного перемещения зависит от расстояния до объекта. Известно устройство для измерения перемещений [RU 2060455 С 1, публ. 1996], согласно которому последовательно устанавливают лазер, оптический элемент в виде пластины и отражатель, предназначенный для крепления на объекте, два фотоприемника и соединенный с ними блок обработки. В резонаторе устанавливают диафрагму, совмещенную с оптической осью и выполненную в виде точки, а одна из поверхностей пластины выполнена в виде винтовой поверхности. Пластину ориентируют таким образом,что ее продольная ось совмещена с оптической осью. Фотоприемники устанавливают так, что их светочувствительные площадки лежат в смежных секторах с вершинами, расположенными на оптической оси. Устройство обеспечивает поворот боковых узлов и пучностей генерируемой моды круговой апертуры на угол, пропорциональный линейному перемещению отражателя, за счет вращения оси максимальной добротности составного резонатора, образованного зеркалами лазера, отражателем и пластиной, вокруг оптической оси. Предлагаемое устройство позволяет определять перемещения объектов с достаточно высокой точностью, однако включает громоздкое и дорогостоящее оборудование и требует специальных условий для его применения. Наиболее близким к заявляемому является способ измерения линейного перемещения объекта [патент BY 8210, публ. 30.06.2006], включающий направление сформированного светового пучка на связанный с объектом отражающий элемент, регистрацию отраженного светового излучения, преобразование его в электрический сигнал и определение величины перемещения в соответствии с измеренными значениями указанного сигнала, согласно которому применяют отражающий элемент, выполненный таким образом, что его средний коэффициент отражения k изменяется в зависимости от координаты x в направлении перемещения объекта по формуле где k0 и- константы,а световой пучок посредством соответствующего формирователя формируют в виде прямой линии постоянной толщины, перпендикулярной направлению перемещения объекта, измеряют амплитуды электрического сигнала U(t1) и U(t2) в моменты времени t1 и t2 соответственно, а величину перемещения d определяют по формуле Упомянутый способ принят за прототип. Реализация прототипом выбранного закона изменения коэффициента отражения позволяет устранить влияние расстояния до объекта на величину измеряемого перемещения. Однако диапазон измеряемого перемещения ограничивается размерами отражающего элемента. Выбор пучка света в виде прямой линии постоянной толщины позволяет усреднить возможную неоднородность коэффициента отражения по отражающему элементу и повысить точность измерений. Однако на точности измерений сказывается ее зависимость от возможных колебаний источника света и засветка отражателя посторонними источниками света. Предлагаемое изобретение направлено на расширение диапазона и повышение точности измерения перемещений. Поставленная цель в соответствии с технической задачей достигается тем, что предлагается способ измерения линейного перемещения объекта, включающий направление сформированного светового пучка на связанный с объектом отражающий элемент, выполненный таким образом, что его средний коэффициент отражения изменяется в зависимости от координаты X в направлении перемещения объекта,регистрацию отраженного светового излучения, преобразование его в электрический сигнал и определение величины перемещения в соответствии с измеренными значениями указанного сигнала, отличие которого в том, что дополнительно между связанным с объектом отражающим элементом и источникомформирователем светового пучка помещают частично связанный с объектом прозрачный транспарант с нанесенной на него решеткой, состоящей из параллельных линий, перпендикулярных направлению перемещения объекта, отражающий элемент реализуют таким образом, что закон изменения его коэффициента отражения имеет монотонный характер, дополнительно на отражающий элемент наносится решетка, состоящая из параллельных линий, перпендикулярных направлению перемещения объекта, причем период линий (d), составляющих решетку отражающего элемента, равен периоду линий на транспаранте,-1 011543 а толщина упомянутых линий сопоставима с расстоянием между ними, по электрическому сигналу определяют вид функции, характеризующей перемещение объекта, и, далее, в зависимости от вида данной функции - периодическая или непериодическая - для измерения перемещений применяют следующие выражения: где А - для периодической функции с периодом колебаний Т в случае колебательного периодического движения объекта - амплитуда колебаний определяется как произведение четверти периода d/4 линий решетки на уменьшенную на единицу сумму числа минимумов nmin и числа максимумов nmax на одном полупериоде электрического сигнала, равного полупериоду функции автокорреляции; для непериодической функции в случае поступательного движения объекта величина перемещения объекта на интервале времени T определяется как произведение полупериода d/2 линий решетки на уменьшенную на единицу сумму числа минимумов nmin и числа максимумов nmax на указанном интервале в электрическом сигнале; а направление перемещения определяется в зависимости от увеличения или уменьшения значений максимумов функции от начала к концу перемещения с учетом направления изменения коэффициента отражения. Суть способа измерения перемещений заключается в том, что с объектом связывают отражающий элемент, выполненный таким образом, что его средний коэффициент отражения изменяется монотонно в зависимости от координаты X в направлении перемещения объекта; между ним и источником светового пучка помещают прозрачный транспарант, на транспарант и отражающий элемент с одинаковым периодом наносится решетка параллельных линий, перпендикулярных направлению перемещения объекта,причем толщина упомянутых линий сопоставима с расстоянием между ними. Транспарант не связан или частично связан с объектом, т.е. его собственная частота колебаний значительно ниже частоты колебаний объекта. Расстояние от транспаранта до отражающего элемента выбирают таким образом, что зона тени от линии на транспаранте не должна превышать величину периода решетки. От источникаформирователя через транспарант на отражающий элемент, связанный с объектом, направляют пучок света, принимают отраженное излучение и преобразуют его в электрический сигнал. При чередовании совпадений в пучке света линий решетки транспаранта и отражающего элемента с их несовпадениями электрический сигнал на регистрирующем блоке представляет собой модулированную функцию. Далее определяют вид данной функции, характеризующей перемещение объекта, которая позволяет определить характер его движения (колебательное или поступательное). В случае колебательного движения подсчитывают количество минимумов nmin и количество максимумов nmax на периоде функции Т, после чего амплитуду колебаний (величину перемещения) объекта определяют как произведение четверти периода d/4 линий решетки на уменьшенную на единицу сумму числа минимумов nmin и числа максимумов nmax на одном периоде электрического сигнала, равного периоду функции автокорреляции, в соответствии с выражением (3). В случае линейного (поступательного) перемещения объекта - для непериодической функции - считают количество минимумов nmin и количество максимумов nmax в функции, характеризующей перемещение объекта, а величину перемещения объекта определяют как произведение полупериода d/2 линий решетки на уменьшенную на единицу сумму числа минимумов nmin и числа максимумов nmax в электрическом сигнале в соответствии с выражением (4). При этом направление перемещения объекта определяют в зависимости от увеличения или уменьшения значений максимумов функции от начала к концу перемещения с учетом направления изменения коэффициента отражения. Сущность предлагаемого способа демонстрируется следующими чертежами. На фиг. 1 приведена блок-схема устройства для осуществления способа измерения перемещения объекта, содержащего отражающий элемент 2, связанный с объектом 1, транспарант 6, не связанный или частично связанный с объектом, источник света 3 с формирователем 4 светового пучка и регистрационный блок 5. На фиг. 2 приведен транспарант 6, который выполнен в виде прозрачной пленки с нанесенными на него поглощающими свет линиями решетки, например, в виде линий черной краски таким образом, что прозрачные полосы 11 чередуются с непрозрачными полосами 10. На фиг. 3, 4 приведены варианты реализации отражающего элемента 2, который подобно транспаранту содержит чередующиеся отражающие 8 и не отражающие 9 полосы. На фиг. 5 и 6 показано положение линий решетки на транспаранте и на отражателе, соответствующее максимальному - фиг. 5 и минимальному - фиг. 6 значению сигнала на выходе регистрирующего блока для случая движения объекта в направлении, перпендикулярном линиям решетки. Фиг. 7 а, б отражает изменение амплитуды в случае поступательного движения объекта с постоянной скоростью в зависимости от направления движения объекта. Фиг. 8 - вид сигнала на выходе регистрирующего блока в случае периодического движения объекта на интервале времени Т=Т/2. Отражающий элемент выполнен в виде световозвращающей поверхности с нанесенными на него-2 011543 поглощающими свет линиями решетки, например, в виде линий черной краски, в качестве которой может быть использована пленка, например, типа "LJ Lacky Light 7000" или "Nikkalite 4305", отражающая пучок света в направлении, противоположном направлению падения пучка. Выбор такого отражающего элемента позволяет повысить энергию принятого сигнала и повысить точность измерений. Коэффициент отражения на элементе изменяется монотонно - например, по линейному закону k=х. Монотонный характер изменения коэффициента отражения обеспечивается либо посредством изменения плотности светопоглощающего покрытия линий - фиг. 4, либо геометрическим способом (плавным изменением размеров линий) - фиг. 3. Период линий (d), нанесенных на решетку отражающего элемента, равен периоду линий на пленке транспаранта, а толщина упомянутых линий сопоставима с расстоянием между ними. Способ измерения перемещения объекта реализуется следующим образом. На объекте закрепляют отражающий элемент и между связанным с объектом отражающим элементом и источникомформирователем светового пучка помещают частично связанный с объектом транспарант с нанесенными на них линиями решетки. Частичная связь транспаранта с объектом осуществляется, например, посредством подпружиненного подвеса 7 (фиг. 1) - в случае колебательного движения объекта или кратковременного его перемещения. Масса транспаранта m и коэффициент k, характеризующий упругость пружины, задают частоту собственных колебаний [Б.М. Яворский, А.А. Детлаф. Справочник по физике. 3 изд. Испр. - М. Наука,1990 - 624 с. (с.304)]: Масса транспаранта и упругость пружины выбирают из соотношения где объекта - частота колебаний объекта или где перемещ - длительность движения объекта. В случае длительного поступательного движения объекта транспарант не должен быть связан с объектом. Отражающий элемент освещается пучком света в виде прямой линии постоянной толщины и перпендикулярной направлению движения, а отраженный сигнал воспринимается регистрирующим устройством. Выбор пучка света в виде прямой линии постоянной толщины позволяет усреднить возможную неоднородность коэффициента отражения по отражающему элементу и повысить точность измерений. В случае неподвижного объекта на выходе регистрирующего устройства наблюдается сигнал постоянной величины. В случае движения объекта в направлении, перпендикулярном линиям решетки, на выходе регистрирующего блока формируется модулированный сигнал, причем максимальные значения сигнала соответствуют положению транспаранта, когда линии решетки на транспаранте и на отражателе находятся на одной прямой, соединяющей их с приемником (фиг. 5); минимальные значения сигнала соответствуют положению транспаранта, когда на одной прямой, соединяющей их с приемником, находятся темная и светлая линии решетки на транспаранте и на отражателе (фиг. 6). В случае периодического движения объекта сигнал на выходе регистратора на интервале времени,соответствующем Т=Т/2, будет иметь вид, представленный на фиг. 8. Амплитуда колебаний определяется по формуле (3). В случае поступательного движения объекта с постоянной скоростью на выходе регистратора формируется синусоида с амплитудой, изменяющейся по линейному закону, как это показано на фиг. 7 а или 7 б в зависимости от направления движения объекта. Расстояние между максимумами (или минимумами) независимо от скорости движения объекта и расстояния до него соответствуют передвижению объекта относительно транспаранта на расстояние, равное периоду решетки d. Величина перемещения объекта на интервале времени T определяется путем подсчета числа максимумов и минимумов на этом интервале и затем по формуле (4). Устройство (фиг. 1) работает следующим образом. Луч света от источника 3 попадает на транспарант 6, частично связанный с движущимся объектом 1 посредством пружинного подвеса 7, и отражающий элемент 2, установленный на движущемся объекте 1. На пути светового луча установлен формирователь пучка 4, который формирует пучок света либо в виде отрезка прямой линии постоянной толщины в поперечном сечении пучка, перпендикулярном его направлению (формирователем служит, например,цилиндрическая линза), либо в виде круга в поперечном сечении пучка, перпендикулярном его направлению (формирователь - например, сферическая линза). Световое излучение с линии падения пучка на отражающем элементе возвращается на регистрационный блок 5, установленный вблизи источника света. Блок может быть выполнен по известной схеме [патент BY 8210, опубл. 30.06.2006] и состоит из по-3 011543следовательно установленных фотоприемника, усилителя, аналого-цифрового преобразователя, цифровой сигнал с выхода которого поступает на блок вычисления перемещений и индикации результата, в качестве которого может быть выбрана ПЭВМ, где определяется тип движения объекта и по формулам(3), (4) производится вычисление значения перемещения объекта. Монотонный характер изменения функции распределения коэффициента отражения в зависимости от расстояния до отражающего элемента, связанного с объектом, позволяет устранить влияние расстояния до объекта на величину измеряемого перемещения. Диапазон измеряемого перемещения ограничивается только размерами отражающего элемента. Таким образом, предложенный способ позволяет определить линейное перемещение объекта, причем диапазон измеряемого перемещения ограничивается только размерами отражающего элемента. Предложенное техническое решение обеспечивает высокую точность измерения и независимость результата измерения от расстояния до объекта. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ измерения перемещения объекта, включающий направление сформированного светового пучка на связанный с объектом отражающий элемент, выполненный таким образом, что его усредненный по площади отраженного луча коэффициент отражения изменяется в зависимости от координаты X в направлении перемещения объекта, регистрацию отраженного светового излучения, преобразование его в электрический сигнал и определение величины перемещения в соответствии с измеренными значениями указанного сигнала, отличающийся тем, что дополнительно между связанным с объектом отражающим элементом и источником-формирователем светового пучка помещают частично связанный с объектом прозрачный транспарант с нанесенной на него решеткой, состоящей из параллельных линий, перпендикулярных направлению перемещения объекта, отражающий элемент реализуют таким образом, что закон изменения его усредненного коэффициента отражения имеет монотонный характер, дополнительно на отражающий элемент наносится решетка, состоящая из параллельных линий, перпендикулярных направлению перемещения объекта, причем период линий d, составляющих решетку отражающего элемента, равен периоду линий на транспаранте, а толщина упомянутых линий сопоставима с расстоянием между ними, по электрическому сигналу определяют вид функции, характеризующей перемещение объекта, и, далее, в зависимости от вида данной функции - периодическая или непериодическая - для измерения перемещений применяют следующие выражения: где А - для периодической функции с периодом колебаний Т в случае колебательного периодического движения объекта - амплитуда колебаний, определяется как произведение четверти периода d/4 линий решетки на уменьшенную на единицу сумму числа минимумов nmin и числа максимумов nmax на одном полупериоде электрического сигнала, равного полупериоду функции автокорреляции; где А - для непериодической функции в случае поступательного движения объекта - величина перемещения объекта, определяется как произведение полупериода d/2 линий решетки на уменьшенную на единицу сумму числа минимумов nmin и числа максимумов nmax в электрическом сигнале, а направление перемещения определяется в зависимости от увеличения или уменьшения значений максимумов функции от начала к концу перемещения с учетом направления изменения коэффициента отражения.