專利名稱:由光學透鏡與光電池組成的測量裝置的制作方法
本發(fā)明是一種非接觸的光電式測量裝置，用于測量物體的瞬時位移、速度和加速度，特別適用于測量各種車輛的速度、各種輕武器彈丸和火炮炮彈的飛行速度、運動員的賽跑速度，以及測量上述各種物體運動的加速度。也適用于測量鐵路、公路橋梁由于車輛通行引起的動負載變形量，高大建筑物例如高層樓房、高大煙囪和機械轉軸等的擺動量以及測量放置物體的幾何量例如直升機放置漿葉轉速、軌跡間隔和槳葉相位等。
解決本發(fā)明任務的辦法是利用光學成像技術和光電轉換技術相結合的方法制作一種測量裝置，該裝置由光學接收裝置、信號處理裝置以及測量結果的顯示裝置三部分組成。本發(fā)明的特征是采用光學成像技術和光電轉換技術相結合，成像裝置內成像處不用攝影膠片作為物像的記錄載體，而是用光電池片代替攝影膠片作為光電轉換器件，將被測物體的運動參量的光學信號轉換成電信號。測量時被測物體的物像遮擋光電池片，從而引起光電池片的輸出電流發(fā)生變化，電流變化信號經處理裝置處理后送給顯示裝置，給出測量結果。
本發(fā)明的實施例有三個附圖如下圖1.速度、加速度測量裝置系統(tǒng)方塊圖。
圖2.速度、加速度測量原理圖。
圖3.帶有兩塊光電池片的測量裝置觀察窗示意圖。
圖4.兩塊光電池片的輸出電流波形。
圖5.帶有三塊光電池片的測量裝置觀察窗示意圖。
圖6.帶有四塊光電池片的測量裝置觀察窗示意圖。
圖7.帶有多塊光電池片的測量裝置觀察窗示意圖。
圖8.位移測量裝置系統(tǒng)方塊圖。
圖9.位移測量原理圖。
圖10.矩形光電池片受遮擋時的輸出電流波形，①.全遮擋，②.半遮擋，③.1/4遮擋。
圖11.帶矩形光電池片的測量裝置觀察窗示意圖。
圖12.細高體擺動測量原理示意圖。
圖13.帶三角形光電池片的測量裝置觀察窗示意圖。
圖14.測量細高體擺動時三角形光電池片的輸出電流波形。
圖15.旋轉物體幾何量測量裝置系統(tǒng)方塊圖。
圖16.裝在直升機內相機鏡頭對準槳葉葉尖軌跡面的測量示意圖。
圖17.漿葉通過鏡頭遮擋光電池片(4)所產生的電流變化。
本發(fā)明第一個實施例是測量物體的運動速度和加速度。
歐洲專利EP-0126423公布的輕武器彈丸速度測量裝置包括有光學信號接收裝置、信號處理裝置及顯示器等、光學接收裝置有兩個分立的光學元件放在箱體內，箱體有一防護蓋板把光學接收元件同彈丸彈道隔開、蓋板有兩個光闌作為進光孔、每個接收元件各自對應一個進光孔、進光孔之間有一定的距離、蓋板與彈道平行，測量時裝置放在槍口附近，進光孔對準彈道，彈丸飛過進光孔，光學接收元件有一響應信號，該信號經過處理后加給顯示器給出測量結果。
上述測量裝置只限于輕武器彈丸速度的測量。由于兩個接收元件要求有一定的距離、測量裝置不可能做得很小。使用時靠近槍口和彈道，仍然有一定的危險性。
為解決上述問題，本發(fā)明是制作一種新的測量裝置，遠離被測物體工作，用于測量輕武器彈丸的速度、炮彈彈頭的飛行速度、各種車輛的速度、運動員的賽跑速度以及其他物體的運動速度，也可以測量上述運動物體的加速度。
本發(fā)明的優(yōu)點是測量精度高、靈敏度高、用于高速運動物體的測量更為有效、可對運動速度高達1000米/秒的運動物體進行測量，可以遠離被測物體操作，對設備和人員都安全可靠，且體積小。
物體運動速度(以S表示)測量原理從圖1所示的本發(fā)明第一個實施例的系統(tǒng)方塊圖可知，該光電式速度和加速度的測量裝置主要由光學接收裝置，信號處理裝置和顯示裝置三部分組成。信號處理裝置包括信號放大器(7)，門電路(8)，微處理機(9)，時鐘信號發(fā)生器(10)，顯示裝置采用數(shù)字顯示器(11)，實施本發(fā)明的光學接收裝置包括光學成像裝置和光電轉換裝置，光學成像裝置主要包括成像透鏡(2)，觀察物像清晰度用的毛玻璃即觀察窗(3)，調焦機構(5)，鏡箱(6)，光電轉換裝置則采用光電池片(4a和4b)。從圖3可知，兩塊光電池片之間的間隔為h2，光電池片4a和4b的寬度分別為h1和h3，h1和h3可以相等，也可以不等，本實施例取h1＝h3。光電池片可以采用硅材料制造的也可以采用其它材料制造的。觀察物像清晰度用的觀察窗(3)上刻有校正標度線(14)，光電池片(4a和4b)的同側邊分別與校正標度線(14a和14b)相重合。光學接收裝置可以制成包括有上述元件的專用鏡箱，也可用改裝的普通照相機。
圖2中U代表物距，V為像距，f為鏡頭的焦距。
被測物體(1)經過透鏡(2)聚焦成像在觀察物像清晰度用的觀察窗(3)上，觀察窗(3)上放有兩塊光電池片(4a和4b)，見圖3。當物體(1)運動時物像也在觀察窗(3)上移動，物體(1)的前端到達B點時物像的前端移到B1點，繼續(xù)移動，光電池片(4a)被遮擋，引起光電池片(4a)的輸出電流下降。當物體(1)的末端離開C點時物像離開C1點，物像移出光電池片(4a)，光電池片(4a)的輸出電流又恢復正常。物體(1)的前端到達D點時物像移到D1點，繼續(xù)移動，遮檔光電池片(4b)，同樣引起光電池片(4b)的輸出電流下降，物體(1)末端到達E點時物像移到E1點，物像末端離開光電池片(4b)，光電池片(4b)的輸出電流恢復正常。光電池(4a和4b)的輸出電流波形如圖4所示。從圖4中可看出物像在遮檔光電池片(4a和4b)的過程中，光電池片(4a和4b)的輸出電流波形各自有下降沿(12a和12b)以及上升沿(13a和13b)。光電池片(4a和4b)輸出電流上升沿(13a、13b)或下降沿(12a和12b)對應點之間的時間差△T與△T時間內物體(1)通過的距離L之比即為物體(1)在△T時間內的平均運動速度。以下降沿(12)為例，物體(1)到達B點時光電池片(4a)輸出電流開始出現(xiàn)下降沿(12a)，到達D點時光電池片(4b)輸出電流出現(xiàn)下降沿(12b)，則有Sbd＝(Lbd)/(△Tbd)-①式中Lbd為物體(1)由B點到D點走過的距離，△Tbd為物體(1)由B點到達D點所需時間，Sbd為物體(1)由B點到達D點的平均速度。
另外應用物距、像距、焦距關系，也可推導出計算物體運動的速度公式。由光學原理和幾何原理可知1/(U)+1/(V)＝1/(f)-②(Lbd)/(U)＝(h1+h2)/(V)-③式中h1為光電池片4a的寬，h2為光電池片4a和4b的間隔。整理②式得U＝(Vf)/(V-f)-④
將④式代入③式得Lbd＝(h1+h2)(f)/(V-f)-⑤將⑤式代入①式得Sbd＝(h1+h2)(f)/(V-f)/△Tbd-⑥或者將②式化成V＝(Uf)/(U-f)-⑦將⑦式代入③式得Lbd＝(h1+h2)(U-f)/(f)-⑧將⑧式代入①式得Sbd＝(h1+h2)(U-f)/(f)/△Tbd-⑨從上述的推導可看出利用①、⑥、⑨式均可得到物體運動速度的計算公式。另外從圖4的電流波形圖可看出△T的計時可取兩塊光電池片(4a和4b)輸出電流波形的任意兩對應點之間的時間差△T，可取下降沿(12a和12b)結束點的時間差，也可以都取下降沿(12a和12b)其它對應點如1/2處或1/3處的時間差。
光電式速度測量裝置的處理裝置可任選①式、⑥式和⑨式三式中之一進行設計。本實施例以⑨式為例來描述，處理裝置是以⑨式為基礎配備的。利用⑨式計算物體的運動速度時，光電池片(4a)的寬度(h1)，光電池片(4a和4b)的間隔(h2)，以及成像鏡頭的焦距f為設計值，這些值已固在微處理機(9)中，測量裝置到被測物體(1)之間的距離即物距U值測速前測出并輸入微處理機(9)，然后便可以進行調節(jié)聚焦和測量工作，△Tbd值在測量過程中測量裝置可自動記數(shù)，微處理機(9)對測量過程進行處理后自動顯示測量結果。
如果利用①式，測量前先要得到物體(1)經過的B、D兩點之間的距離Lbd，并將測出Lbd值輸入微處理機(9)，做法是在被測物體(1)通過的距離Lbd起始兩點B和D處分別豎立兩個標識物，鏡頭對準標識物，調節(jié)焦距，使兩個標識物清晰地成像在觀察窗(3)上，并分別與校正標度線(14a和14b)相重合，調好后將Lbd值輸入微處理機(9)，然后即可進行測量工作。
上述利用⑨式或①式都需予先輸入物距U或者路程Lbd，即測量前先給出已知的定標值物距U或者路程Lbd，對測量裝置進行予先的校正，這種校正法稱為定標參量校正法。
物體運動加速度(以a表示)測量原理
前面敘述的是利用光電池片(4a和4b)輸出電流的下降沿(12a和12b)對應點時間差△Tbd內物體(1)所通過的距離Lbd得出物體(1)的運動速度Sbd的。同樣也可利用光電池片(4a和4b)輸出電流上升沿(13a和13b)對應點時間間隔△Tce內物體(1)通過的距離Lce來推導物體(1)的運動速度Sce，則有Sce＝(h2+h3)(U-f)/(f)/△Tce-⑩式中h3為光電池片(4b)的寬。
⑨式中的Sbd是△Tbd時間內的平均速度，也可以近似地作為B點和D點之間中點M點的瞬時速度，同樣⑩式中Sce認為是C點和E點之間中點N點的瞬時速度，這樣一來M和N之間也存在一個時間差△Tmn，將速度Sce與Sbd之差△Smn同△Tmn之比，其比值即為在△Tmn時間內物體(1)的運動加速度。則有a＝(Sce-Sbd)/(△Tmn)＝(△Smn)/(△Tmn)-(11)圖5、圖6、圖7所示是本發(fā)明的另外幾個測量速度和加速度的方案。
圖5是采用三塊光電池片的測量方案，利用光電池片(4c和4d)測量物體的一個速度值Scd，利用光電池(4d和4e)又可測得物體的另一個速度Sde，同理可用Sde和Scd兩個速度差，及時間差也可得到物體運動的加速度a值圖6是采用四塊光電池片的測量方案、利用光電池片(4f和4g)以及光電池片(4h和4j)分別測出兩個速度Sfg和Shj及其Shj和Sfg的差值也能得到運動物體的加速度。
圖7是采用多塊光電池片的測試裝置、利用廣角境頭，這種測量裝置可進行多點或者多段路程的速度值或加速度值的測量。
本發(fā)明的第二個實施例是測量物體的位移。即測量鐵路、公路橋梁由于車輛通行引起的動負載變形量;測量高大建筑物例如高層樓房、高大煙囪和機械轉軸的擺動量;不停車測量機床加工工件的外徑等。
眾所周知的橋梁承載彎曲變形量測量是采用電阻應變儀法，測量前在橋梁的幾個分布點貼上電阻應變片，電阻應變片的輸出接處理電路。橋上有動負載使橋產生彎曲變形，通過測電阻應變片阻值變化可間接測量橋梁的彎曲參數(shù)。高大建筑物的擺動位移量測量通常用經偉儀測量。利用電阻應變片法和經緯儀法的測量設備都很復雜。利用本發(fā)明的光電測量只要將本測量裝置中的光電池片由兩片或兩片以上換成一片，形狀采用三角形或菱形，另外將處理電路稍加改變即可。
本實施例的瞬時位移測量裝置，其測量精度高，誤差不大于千分之二，操作簡便，用途廣泛。
本實施例的光電式位移測量裝置如圖8所示由光學接收部份、信號處理裝置和顯示器等組成。信號處理裝置和顯示器包括信號放大器(7)、A/D轉換器(8-2)、時鐘信號發(fā)生器(10)、微處理機(9)和數(shù)字顯示器(11)等，其特征是光學接收裝置由光學成像裝置和采用光電池片的光電轉換器件組成;光學成像裝置主要有光學成像透鏡(2)、調焦機構(5)、鏡箱(6)和觀察窗(3)等，光電池片使用矩形硅光電池片(4)(如圖11所示);觀察窗(3)上刻有校正標度線(14)。光學接收裝置可以采用改裝的普通照相機或專用鏡箱，以光電池片代替攝影膠片作為光電轉換器件。實施本發(fā)明測量方法的原理如下圖9中U和V分別表示物距和像距，f為焦距，P和Q分別表示被測物體(1)的位移量及其相應的物像的位移量，H代表光電池片(4)的高。根據光學原理和幾何原理可知U、V、f、P、Q存在下列關系1/(U)-1/(V)＝1/(f)-②(U)/(V)＝(P)/(Q)----(12)從公式②、(12)可得出U＝(1-(P)/(Q))f----(13)或者P＝((U)/(f)-1)Q-----(14)
由(14)式可知被測物體(1)的位移量P與物像的位移量Q、鏡頭焦距f、物距U有關。這樣一來，被測量物體(1)的位移量P是物像位移量Q的函數(shù)，而物像Q的變化又引起光電池片輸出電流改變，圖10給出了光電池片輸出電流的變化波形。因此，在測量前先知道焦距f與物距U，并將物距U予先測出輸入微處理機(9)。由物像位移量Q就可以得到物體(1)的位移量P(位移測量方法之一)從公式②、(12)還可得出V＝(1-(Q)/(P))f-----(15)或者P＝(f)/(V-f)Q-----(16)同理在測量前先知道焦距f與像距V，將像距V予先測出并輸入微處理機(9)。由物像位移量Q也可測出物體(1)的位移量P(位移測量方法之二)由(13)、(15)式可知當光電池片(4)的高度H確定后如果測量前知道被測物體(1)的物距U或像距V，那么根據(14)和(16)式知，當物像位移量Q＝H時可確定最大可檢測位移量Pmax。測量時物像在光電池片(4)上移動的位移量最大值Qmax不能超過光電池片(4)的高H，如果估算物體(1)的最大位移量Pmax，那么使一個與最大位移Pmax相等的一個標志物，置于被測物體(1)處，或在被測物體上作一標記，讓其標記等于最大位移量Pmax，將其標志物或標記清晰地成像在觀察窗(3)上、使在觀察窗(3)上的物像等于Qmax。這樣，小于光電池片高H的物像位移量的Q值則反映被測出物體位移量。(位移測量方法之三)采用上述原理可有三種方法解決物體位移的測量。
測量步驟如下首先在測量前確定檢測裝置與被測物體(1)的距離U，將物距的U值輸入微處理機(9)或者確定像距V，將像距V值輸入微處理機(9)，接著進行顯示裝置的校正。由于每次檢測時被測物體的散射光和背景光的強度不可能完全一致，有很大的隨機性，對測量結果有直接影響、為克服散射光和背景光的不一致性，本實施例也采用前述的定標校正法，具體做法是予先將一定標參數(shù)輸入微處理機(9)，根據該定標參數(shù)可推算出被測物體的最大可檢測位移量Pmax，將檢測裝置對準被測物體，使其物像遮擋光電池片(4)某一確定值，則數(shù)字顯示器(11)應給出一對應被測物的位移量，例如當定標值輸入為最大可檢測位移量1000毫米，光電池片(4)全遮擋時，光電流變化量應是△Isc，見圖10①，顯示器(11)應顯示1000毫米，或者光電池(4)遮擋1/2時，光電流變化量應是1/2△Isc見圖10②，顯示器(11)應顯示500毫米、但受散射光和背景光的影響，輸出電流變化量不是△Isc或者1/2△Isc，可能大，也可能小，顯示器的顯示值可能比實際的1000毫米或者500毫米大，也可能小，不是應顯示的1000毫米或者500毫米，這說明光電池片(4)輸出電流變化信號大于或者小于正常的電流變化值，此時可以通過調節(jié)信號處理裝置的信號放大器(7)的放大倍數(shù)進行補償、直到顯示器(11)顯示1000毫米或者500毫米為止。接著便進行正式的測量。校正用的定標參數(shù)可取測量裝置到被測物體的距離即物距U或像距V，當定標參數(shù)取物距U時，可根據(14)式推導出最大可檢測位移量。
Pmax＝((U)/(f)-1)H------(17)當定標參數(shù)取像距V時可根據(16)式推導出最大可檢測位移量Pmax＝(Hf)/(V-f)------(18)測量時還可以選用由已知尺寸的定標物作為定標參數(shù)，如在被測物體(1)處設標志牌，使標志牌的物像與光電池片(4)高H的上下兩端的兩條校正標度線(14a和14b)相重合，則標志牌兩邊的距離即為最大可檢測位移量Pmax。
如果被測物體是細高的物體時(例如高大的煙囪)光電池片(4)的形狀采用三角形的，其測量示意圖如圖12所示，該實施例的系統(tǒng)方塊圖與前一實施例除光電池片(4)選用的形狀不同之外，其它都相同輸出電流信號變化的原理是從圖13可知當物像在光電池片(4)上由A點向著BC邊方向移動時遮擋面積增加，使得三角形光電池片(4)的輸出電流下降;當物像相反方向移動時電流上升。圖14中電流△Isc代表細高物體(1)的擺動幅值。
選用三角形光電池片(4)的光電式位移測量裝置測量前用的定標校正法與上述相似?，F(xiàn)采用定標參數(shù)直接取被測細高物體(1)的寬度R值，細高物體(1)在三角形光電池片(4)上的物像寬度R′即代表了細高物體(1)被測處的寬度R值。在觀察窗(3)上可調節(jié)物像R′占光電池片(4)高H值的1/n，這樣選用三角形光電池片(4)的檢測裝置可檢測最大位移量也為已知，即n·R′＝Pmax，n為三角形光電池片(4)的A點到BC邊之間的垂直距離的等分間隔段數(shù)。同理也可采用以上實施例的校正過程，對本實施例的檢測裝置進行測量前的校正。
本發(fā)明的第三個實施例是測量旋轉物體的幾何量，例如直升機、螺旋槳、風車等旋轉槳葉轉速、軌跡間隔和槳葉相位等。下面以測量直升機旋轉槳葉軌跡間隔為例予以說明。目前測量直升機槳葉軌跡間隔使用的方法有打紙筒法、攝像法和閃頻法，打紙筒法設備簡單，但使用時需要涂色臘，費時費力，且不安全。蘇制米-6型直升機使用攝像法，測量時需要攝影后沖洗照片，不能直接讀出數(shù)據，檢測周期較長，而且按照照片判讀，誤差較大。法國專利FR2499712中提出閃頻法，該法利用各槳葉裝有一定高度、顏色各異的標志塊，當槳葉旋轉時，標志塊在強烈可見光脈沖照射下，反射出不同顏色的光，利用人眼的視覺停留，人眼可直接觀察到各標志塊的相對位置，由此可確定任意兩個槳葉葉尖軌跡的間隔，這種裝置檢測之前需要安裝標志塊人眼觀察判讀誤差也較大。
本測量裝置由光學接收裝置、檢測箱(17)和同步受感器(18)三部分組成。檢測箱(17)內裝有信號放大器(7)、峰值保持器(15)、A/D轉換器(8-2)、微處理機(9)、數(shù)字顯示器(11)和信號選擇部分(16)等。在本裝置中采用一塊光電池片，其組成如圖15所示。
檢測軌跡間隔的原理是，將鏡頭對準槳葉葉尖軌跡面，見圖16旋翼轉動后，當沒有槳葉通過鏡頭時，鏡頭未被遮擋，光電池片(4)可以全部感光而產生短路電流Isc;當槳葉通過鏡頭產生的影像全部遮擋住光電池片(4)時，電流瞬時下降△Iscmax，當槳葉通過鏡頭產生的影像遮擋住光電池片(4)高度(H)的一半時，則電流瞬時下降1/2/△Iscmax，圖17表示沒有槳葉通過鏡頭時，以及槳葉通過鏡頭產生的影像遮擋住光電池片(4)1/2H、H、1/4H所產生的電流變化。各槳葉軌跡的高低間隔，通過電流瞬時下降值來確定，電流信號經信號放大器(7)峰值保持器(15)，A D轉換器(8-2)，再經微處理機(9)送入數(shù)字顯示器(11)顯示出來，槳葉軌跡最大間隔值(D)用△Iscmax來確定并以此作為測量前檢測裝置的校準值。
檢測裝置起動時，同步受感器(18)發(fā)出同步信號，同步受感器(18)的作用是為了分辨出圖17中電流值的每個波谷來源于第幾號槳葉，同步受感器(18)由軟磁鐵和感應線圈兩部份組成，前者裝在轉子上，后者裝在定子上。槳葉每旋轉一周，兩者相遇一次，發(fā)生一同步脈沖信號，該信號輸入檢測箱(17)，由微處理機(9)進行處理，槳葉號位置在數(shù)字顯示器(11)面板上顯示出來，同一瞬間，數(shù)字顯示器(11)面板上還將顯示出該槳葉軌跡的間隔值d本裝置一次可測量多圈信號，需要顯示某一圈信號可通過信號選擇部份(16)進行選擇。
測量時的定標校正方法與上述相同。
檢測槳葉相位的原理是，每個槳葉通過相機鏡頭時光電流都會出現(xiàn)脈沖下降，當兩個相鄰槳葉夾角相等時，則對應的電流脈沖時間間隔也相等，夾角不等，時間間隔也不等，利用脈沖時間間隔可以計算出槳葉相位。
本發(fā)明的優(yōu)點是，檢測精度高，一般裝置檢測誤差為±5毫米，本裝置為±2毫米，操作簡便，因為不需要裝標志塊或涂色臘，所以可以在直升機起飛線上直接使用，檢測結果可以定量的自動顯示和貯存，顯示數(shù)據為每片槳葉的實際間隔值或相位值，使用壽命長。
權利要求
1.一種由光學透鏡與光電池組成的光電測量裝置，用于測量物體的瞬時位移、速度和加速度，它包括光學接收、信號處理和數(shù)字顯示三個部分，本發(fā)明的特征是采用光學成象技術和光電轉換技術相結合，通過光學接收裝置的成像透鏡(2)、觀察物像清晰度用的觀察窗(3)、調焦機構(5)和光電池片(4)，用光電池片(4)代替攝影膠片作為光電轉換器件，將被測物體(1)的運動參量光學信號轉換成電信號，光電池片(4)的形狀根據測量對象不同可以做成矩形、三角形和菱形，觀察物像清晰度用的觀察窗(3)上刻有測量校正標度線(14)。
2.根據權利要求
1所述的光電測量裝置，其特征是光學接收裝置可采用改裝的普通照相機或專用鏡箱。
3.根據權利要求
1所述的光電測量裝置，其特征是在光學接收裝置中使用一塊光電池片(4)，用于測量瞬時位移、相位和偏差。
4.根據權利要求
1所述的光電測量裝置，其特征是光學接收裝置中使用兩塊或兩塊以上光電池片(4)，用于測量位移、速度和加速度。
5.根據權利要求
1或2或3或4所述的光電測量裝置，其特征是光電池片(4)采用硅材料制成的硅光電池片。
專利摘要
本發(fā)明是非接觸式光電測量裝置，采用光學成像和光電轉換相結合，成像處不用攝影膠片而裝光電池片，測量時被測物體的物像遮擋光電池片，引起光電池片輸出電流變化，將被測物體運動參量的光學信號轉換成電信號，經處理裝置處理后給出測量結果。用于測量物體瞬時位移，速度和加速度，特別適用于測量車輛、子彈、炮彈、運動員的速度和加速度；橋梁、高大樓房、煙囪的振動和變形以及直升機槳葉轉速、軌跡和相位等。
文檔編號G01P3/64GK86105821SQ86105821
公開日1988年2月3日 申請日期1986年7月18日
發(fā)明者張拯 申請人:空軍第一航空技術?？茖W校導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan