CZ17375U1 - Zařízení k měření strukturálního indexu lomu - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení k měření strukturálního indexu lomu, které zahrnuje optický prostředek v rovině záměrného bodu, optickou soustavu, detektor optického záření, elektronický obvod pro zesílení a zpracování signálu a zařízení pro jeho vyhodnocení. Zařízení je určeno pro rychlé orientační určení chyby, vyvolané turbulencí atmosféry, při měření úhlové polohy záměrného bodu na velké vzdálenosti.

Dosavadní stav techniky

Uhlová poloha záměrného bodu se měří při stanovování vzdálenosti sledovaných objektů trigoio nometrickou metodou, popřípadě při nekontaktním měření rovinných posuvů a natočení, např. při sledování mechanicky namáhaných konstrukcí, jako např. mostních konstrukcí při průjezdu nadměrných nákladů. Úhlová měření jsou zatížena chybou způsobenou deformací dráhy paprsku v důsledku optické nehomogenity prostředí, tj. fluktuace indexu lomu vzduchu na dráze mezi záměrným bodem a měřicím zařízením. Současné vyspělé metody, které umožňují určovat chybu polohy záměrného bodu, jsou založeny buď na statistickém vyhodnocení většího množství snímků; pak se bere v úvahu pouze střední hodnota chyby. Nebo využívají aktivní scintilometr skládající se z části vysílací a detekční, který umožňuje stanovit parametry turbulence atmosféry, avšak pouze pro vlnovou délku, na níž září ve vysílací části laserový zdroj.

Technické řešení si klade za úkol navrhnout zařízení ke stanovení chyby polohy záměrného bodu v reálném čase.

Podstata technického řešení

Uvedený úkol řeší zařízení k měření strukturálního indexu lomu, které zahrnuje optický prostředek v rovině záměrného bodu, optickou soustavu, detektor optického záření, elektronický obvod pro zesílení a zpracování signálu a zařízení pro jeho vyhodnocení, jehož podstata spočívá v tom, že v optické soustavě je v ohniskové rovině objektivu umístěna středově symetrická modulační clona s odstupňovanou propustností optického záření, přičemž stupeň propustnosti se směrem od středu postupně snižuje.

Modulační clona je s výhodou tvořená soustřednými mezikružími.

Ve výhodném provedení je propustnost modulační clony ve středovém kruhu rovna 1 a v krajním mezikruží rovna 0.

Opatřením v rovině záměrného bodu může být kruhový zdroj světla, pokud zařízení pracuje v aktivním režimu, nebo bílý kruh na tmavé kontrastní ploše, pokud pracuje v pasivním režimu.

Obzvláště výhodné z hlediska přesnosti měření v pasivním režimu je, když je v rovině záměrného bodu umístěn záměrný terč tvořený soustavou soustředných mezikruží s různým stupněm světel35 né pohltivosti.

Záměrný terč může mít ve středu bílý kruh a světelná pohltivost mezikruží od středu vzrůstá, přičemž vnější mezikruží je černé.

Záměrný terč může mít ve středu černý kruh a světelná pohltivost mezikruží od středu plynule klesá, přičemž vnější mezikruží je bílé.

Ve výhodném provedení záměrného terče je kontrast mezi dvěma sousedními mezikružími konstantní a shodný pro všechny vlnové délky optického záření ve viditelné oblasti spektra.

Vnější průměr každého mezikruží záměrného terče je s výhodou dvojnásobkem vnějšího průměru sousedního vnitřního mezikruží.

- 1 CZ 17375 Ul

Vnější průměr modulační clony v optické soustavě je s výhodou roven podílu ohniskové vzdálenosti objektivu a vzdálenosti mezi záměrným bodem a objektivem vynásobenému vnějším průměrem vnějšího mezikruží záměrného terče.V tomto provedení je velikost obrazu vnějšího mezikruží záměrného terče shodně velká jako velikost modulační clony a zařízení tak má nejvyšší citlivost.

Pro lepší zaměření může být střed záměrného terče označen záměrným křížem s rameny, jejichž délka s výhodou činí 0,3 až 0,5 průměru vnitřního kruhu a jejichž šířka činí 1/3 délky ramena.

Rovněž k usnadnění zaměření mohou být v rovině terče mimo vnější mezikruží vyznačeny vnější záměrné kříže ve vrcholech pravoúhlého čtyřúhelníka, délka jehož strany se rovná alespoň vnějío Šímu průměru vnějšího mezikruží terče.

Přehled obrázků na výkrese

Technické řešení bude dále objasněno pomocí výkresu, na němž obr. 1 představuje schéma konstrukčního uspořádání zařízení k měření strukturálního indexu lomu, na obr. 2 je výhodné provedení záměrného terče, na obr. 3 je příkladné čtyřzónové provedení modulační clony, tedy se střete dovým kruhem a třemi mezikružími a na obr. 4 je provedení modulační clony o velkém počtu mezikružných zón.

Příklady provedení technického řešení

Zařízení k měření strukturálního indexu lomu je tvořeno dvěma navzájem vzdálenými částmi.

Jednak je to opatření v rovině záměrného bodu £, např. na konstrukci mostu, jednak je to vlastní 20 měřič tvořený optickou soustavou, detektorem optického záření, elektronickým obvodem pro zesílení a zpracování signálu a zařízením pro jeho vyhodnocení. V rovině záměrného bodu i může být aktivní kruhový zdroj světla, a to buď klasický nebo laserový, anebo v pasivním režimu měření bílý kruh na černé s výhodou čtvercové ploše. Z hlediska navrhovaného řešení optické soustavy obzvláště výhodným opatřením v rovině záměrného bodu £ v režimu pasivního měření však je záměrný terč podle obr. 2. Čtyřzónový záměrný terč podle obr. 2 je tvořen soustavou středového kruhu a tří soustředných mezikruží s různým stupněm světelné pohltivosti. Středový kruh je bílý a světelná pohltivost mezikruží od středu plynule vzrůstá, přičemž vnější mezikruží je černé. Přitom kontrast mezi dvěma sousedními mezikružími je konstantní a shodný pro všechny vlnové délky optického záření ve viditelné oblasti spektra. Vnější průměr každého me30 zikruží je dvojnásobkem vnějšího průměru sousedního vnitřního mezikruží. Záměrný terč v jiném provedení může však mít ve středu černý kruh a světelná pohltivost mezikruží od středu pak postupně klesá, přičemž vnější mezikruží je bílé. Střed záměrného terče je označen záměrným křížem s rameny, jejichž délka činí 0,3 až 0,5 průměru vnitřního kruhu d a jejichž šířka činí 1/3 délky ramena. K usnadnění zaměření jsou v rovině terče mimo vnější mezikruží vyznačeny vnější záměrné kříže ve vrcholech pravoúhlého čtyřúhelníka, délka jehož strany se rovná alespoň vnějšímu průměru D vnějšího mezikruží terče. Rozměry vnějších záměrných křížů jsou shodné s rozměry středového záměrného kříže.

Ve vlastním měřicím zařízení je záměrný bod £ zobrazen optickou soustavou objektivu 2 do obrazové roviny objektivu. V ní se nachází modulační clona 3 - viz obr. 3. Tato čtyřzónová clona 3 je tvořena soustřednými mezikružími s různým stupněm propustnosti optického záření se zcela propustným středovým kruhem. Její vnější průměr Di je roven podílu ohniskové vzdálenosti f objektivu 2 a vzdálenosti s mezi záměrným bodem £ a objektivem 2 vynásobenému vnějším průměrem D vnějšího mezikruží záměrného terče. Propustnost modulační clony 3 se mění postupně. Je rovna 1 ve středovém kruhu a rovna 0 ve vnějším mezikruží. Počet mezikruží, na které je clona rozdělena, závisí na požadované přesnosti určení chyby. Např. clona podle obr. 4 je rozdělena na 256 zón a proto se při jejím použití výsledky měření zobrazí prakticky jako spojitá křivka. Obraz modulační clony 3 je následně promítnut pomocnou soustavou 4 do roviny detekce, v níž je umístěn detektor 5 optického záření. Vlivem fluktuací polohy obrazu záměrného bodu dochází v rovině detekce ke změnám velikosti optického záření dopadajícího na detektor 5. Tyto změny jsou přímo závislé na velikosti odchylky záměrného bodu od středu optické osy optické

-2CZ 17375 Ul soustavy. Čím větší je okamžitá odchylka, tím slabší je osvit detektoru 5. Po detekci optického záření detektorem 5 je generovaný elektrický signál zesílen, zpracován elektronickým obvodem 6 a předán dál vyhodnocovacímu zařízení 7. Z takto generovaného elektrického signálu je možno přímo stanovit velikost odchylky záměrného bodu od optické osy, strukturální parametr indexu lomu turbulentní atmosféry a spektrum turbulence. Zařízení přiřadí ke každé naměřené hodnotě úhlu velikost odchylky. Z řady naměřených hodnot úhlu pak lze vybrat tu, která je zatížena nejmenší chybou.

V případě velmi výhodného provedení záměrného terče 1 jakožto obrazce tvořeného soustřednými kruhy, jejichž odrazivost postupně klesá směrem od středu, je jeho obraz promítnut opticio kou soustavou objektivu 2 do roviny modulační clony 3 tvořené rovněž soustřednými kruhy.

Vlivem fluktuace obrazu způsobené turbulencí atmosféry je tento obraz vychylován ze své polohy a moduluje tak optický signál procházející za modulační clonu 3. Výsledný optický signál soustředěný pomocnou optickou soustavou 4 na detektor 5 je pak dán součinem rastru záměrného terče a modulační clony 3. V tomto provedení záměrného terče lze proto dosáhnout vyššího rozli15 šení posunu obrazu a tím i vyšší přesnosti měření oproti prostému záměrnému terči.

Claims (12)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zařízení k měření strukturálního indexu lomu, které zahrnuje optický prostředek v rovině záměrného bodu, optickou soustavu, detektor optického záření, elektronický obvod pro zesílení a zpracování signálu a zařízení pro jeho vyhodnocení, vyznačující se tím, že v optické

   20 soustavě je v ohniskové rovině objektivu (2) umístěna středově symetrická modulační clona (3) s odstupňovanou propustností optického záření, přičemž stupeň propustnosti se směrem od středu postupně snižuje.
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že modulační clona (
3. 3) je tvořena soustřednými mezikružími.

   25 3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že propustnost modulační clony ve středovém kruhu rovna 1 a v krajním mezikruží rovna 0.
4. 4. Zařízení podle nároků laž3, vyznačující se tím, že optickým prostředkem v rovině záměrného bodu (1) je kruhový zdroj světla nebo bílý kruh na tmavé kontrastní ploše.
5. 5. Zařízení podle nároků laž3, vyznačující se tím, že v rovině záměrného bodu

   30 (1) je umístěn záměrný terč tvořený soustavou soustředných mezikruží s různým stupněm světelné pohltivosti.
6. 6. Zařízení podle nároku 5, vyznačující se tím, že záměrný terč má ve středu bílý kruh a světelná pohltivost mezikruží od středu vzrůstá, přičemž vnější mezikruží je černé.
7. 7. Zařízení podle nároku 5, vyznačující se tím, že záměrný terč má ve středu

   35 černý kruh a světelná pohltivost mezikruží od středu klesá, přičemž vnější mezikruží je bílé.
8. 8. Zařízení podle nároků 5 až 7, vyznačující se tím, že kontrast mezi dvěma sousedními mezikružími je konstantní a shodný pro všechny vlnové délky optického záření ve viditelné oblasti spektra.
9. 9. Zařízení podle nároků 5až8, vyznačující se tím, že vnější průměr každého

   40 mezikruží záměrného terče je dvojnásobkem vnějšího průměru sousedního vnitřního mezikruží.
10. 10. Zařízení podle nároků 5až9, vyznačující se tím, že střed záměrného terče je označen záměrným křížem s rameny, jejichž délka činí 0,3 až 0,5 průměru vnitřního kruhu a jejichž šířka činí 1/3 délky ramena.

    -3CZ 17375 Ul
11. 11. Zařízení podle nároků 5 až 10, vyznačující se tím, že v rovině terče mimo vnější mezikruží jsou vyznačeny vnější záměrné kříže ve vrcholech pravoúhlého čtyřúhelníka, délka jehož strany se rovná alespoň vnějšímu průměru vnějšího mezikruží terče.
12. 12. Zařízení podle nároků lažll, vyznačující se tím, že vnější průměr (Di) mo5 dulační clony (3) v optické soustavě je roven podílu ohniskové vzdálenosti (f) objektivu (2) a vzdálenosti (s) mezi záměrným bodem (1) a objektivem (2) vynásobenému vnějším průměrem (D) vnějšího mezikruží záměrného terče.