4. Акустическая система для измерения координат графических изображении

Измерение и выдача в цифровом виде координат сложных гра­фических изображений на фотоносителях, чертежах и других документах применяются при автоматизации проектирования, в геологии и картографии, океанологии и т.п. Часто такие измере­ния производятся полуавтоматически с участием оператора, ука­зывающего точки изображения, координаты которых необходимо измерить. Для измерения координат в таких полуавтоматических устройствах используются датчики, позволяющие координаты за­данной точки преобразовать (в информационном смысле) в изме­нение электрических параметров, отобразить на матричных сеточ­ных моделях или преобразовать в интервалы времени прохождения световых или акустических им пульсов между точками, опре­деляющими измеряемые коорди­наты.

Ограничимся далее знакомством с полуавтоматической аку­стической системой для измере­ния координат точек на плоско­сти (на планшете).

Излучатель ультразвука И — миниатюрный пьезокерамический цилиндр — совмещается оператором с точкой изображения, координаты которой измеряются (рис. 12.13). Три приемника ультразвука П₁ — П₃ расположены на одной прямой на известных с высокой точностью расстояниях L/2. Использование трех приемников ультразвука позволяет измерять не только координаты х, у, но и скорость звука в среде. Приведем расчетные формулы для определения координат из­лучателя. Значение k — поправки на отклонение скорости звука от принятой при расчете — определяется из известного соотноше­ния, заключающегося в том, что сумма квадратов сторон паралле­лограмма равна сумме квадратов его диагоналей, т. е. по резуль­татам измерений l₁ — l₃ и параметру системы L:

Рис. 12.13. Размещение источника и приемников

Поправка на реальную скорость звука позволяет уточнить резуль­таты измерений:

l₀₁ = k l₁; l₀₂ = k l₂; l₀₃ = k l₃.

Если |l — k| ≥ 0,02, то данное измерение должно быть отброшено как ошибочное, так как такого изменения скорости звука в воздухе в лабораторных условиях не может быть.

Координаты центра излучения сигнала определяются по формулам:

Источник И излучает пакеты импульсов, в которых импульсы следуют с частотой f₁, а затем с f₂. Отсчет интервалов времени прохождения акустических сигналов от точки излучения до точек приема производится именно с момента изменения частоты. Интервал времени между пакетами импульсов превышает время про­хождения акустических сигналов планшета по диагонали.

Рис. 12.14. Структурная схема канала акустического измерителя координат

На рис. 12.14 показана структурная схема канала измерения расстояния l₁ акустического измерителя координат. Она работает как цифровая следящая система с двойным интегрированием по времени разности между интервалом времени, соответствующим величине l₁ и определяемым по сигналу акустического приемника, и интервалом времени, пропорциональным сумме сформированных на выходе канала кода z(l₁) и скорости изменения этого кода z(l'₁). Алгоритм двойного интегрирования сигналов рассогласова­ния в сочетании с прерывистым режимом работы излучателя обеспечивает:

• повышение точности устройства, так как фронт импульса, по которому определяется конец измерительного интервала време­ни, находится близко к началу пакета импульсов, т. е. наименее искажен отраженными сигналами;

• устойчивость устройства против акустических шумов, так как скорость l’₁ корректируется на ±1 квант 1 раз за период из­лучения пакета импульсов;

• работу схемы в следящем режиме без динамических ошибок при средней скорости перемещения визира до 1 м/с.

С помощью микро-ЭВМ вводятся поправки на скорость звука, производится вычисление х и у и устраняются неверные результаты.

Наличие ЭВМ позволяет одновременно со считыванием коор­динат производить дальнейшую обработку графической информа­ции по заданной программе.

Акустический измеритель координат позволяет считывать ин­формацию на поле размерами 1000*1000 мм с погрешностью примерно ±0,1 мм и обеспечивает достаточную для надежной ра­боты защиту от помех и ошибочных действий оператора.

Акустическое устройство в трехмерном исполнении используется в робототехнике, медицине и в других областях нау­ки и техники.