Средства регистрации и измерений

Оптические и оптико-электронные

Электромеханические измерительные устройства

В основе электромеханических методов измерения лежит использование электромагнитных явлений. В качестве основных устройств используются электромагниты, соленоиды с подвижными сердечниками (перемещение сердечника изменяет самоиндукцию соленоида), трансформаторы и автотрансформаторы, электромоторы, электрогенераторы (например тахогенераторы: их выходное напряжение пропорционально скорости вращения якоря генератора) постоянного или переменного тока, умформеры (соединение мотора и генератора постоянного тока, позволяющее изменить его напряжение: трансформаторы меняют напряжение только переменного тока).

Якорь — вращающийся барабан, на который приблизительно в плоскостях, проходящих через ось вращения, намотан провод (обмотка якоря). В генераторе якорю придается вращение, и в его обмотке возникает электрический ток. В электромоторе по обмотке якоря пропускают электрический ток, и возникает вращающий момент, который приводит якорь в движение.

Трансформатор — сердечник (обычно набор пластинок, в совокупности имеющих форму стержня или прямоугольной рамы) из магнитного материала с 2 или более обмотками с различным числом витков. На одну обмотку (первичную) подается переменное напряжение, с других (вторичных) снимается уже другое по величине напряжение, пропорциональное числу витков. Если в первичной обмотке больше витков, чем во вторичной, трансформатор понижающий, если меньше — повышающий. В автотрансформаторе обмотка одна: в понижающем роль вторичной обмотки играет часть первичной, в повышающем, наоборот, роль первичной обмотки играет часть вторичной обмотки.

И электромотор, и электрогенератор могут задавать нужное внешнее сопротивление, но могут быть использованы и по-другому: электромотор как преобразователь подаваемого на него электрического напряжения в движение, а электрогенератор — как преобразователь придаваемого ему движения в электрическое напряжение. Обычно их применяют для измерения скорости объекта.

Оптические методы измерения осуществляют посредством монокуляров, оптических дальномеров, фото- и киноаппаратуры.

Монокуляр применяют для измерений в плоскости, перпендикулярной его оптической оси. На установке фиксируют вертикальные и горизонтальные проекции угловых перемещений монокуляра, что позволяет, зная расстояние плоскости движений объекта измерения от оси поворота монокуляра, определять линейные перемещения выбранной точки объекта (умножением тангенса угла поворота оси монокуляра на расстояние до названной плоскости). Направлением монокуляра на объект можно определить его азимут (угол между вертикальными плоскостями, проходящими через направления на объект и на северный полюс) и угол места цели (угол между направлением на объект и горизонтальной плоскостью).

Принцип работы оптических дальномеров: каждый из 2 расположенных на некотором расстоянии друг от друга монокуляров (расстояние между их оптическими осями при их параллельном расположении называется базой дальномера) наводят на объект и, регулируя направление их оптических осей, добиваются слияния изображений в одно. Зная угол между осями монокуляров и базу, определяют расстояние. Так определяют расстояние до объектов люди и животные с бинокулярным зрением: расстояние между центрами глаз — база, а степень конвергенции (сведения) оптических осей глаз определяется по напряжению мышц, вращающих глазные яблоки.

К оптическим средствам измерения относят также фото-, кино- и видеоаппаратуру. В настоящее время фото- и кинометоды все больше вытесняются видеометодами. Это в большинстве случаев целесообразно. В соединении с компьютером (с соответствующей программной платой и специальным проектором, либо если видеокамера цифровая) такая методика позволяет не только отслеживать положение контрольных точек тела, отцифровывая их координаты и поэтому позволяя (к сожалению, с существенными ошибками) вычислять их скорости и ускорения, но и фиксировать отдельные кадры как на экране, так и на бумаге.

Фотоаппарат (фотокамера) позволяет получать не только отпечатки отдельных поз человека, выполняющего некоторую систему движений, но и циклограмму или стробограмму (совокупность фигурок — палочковых либо контурных, отображенных через равные промежутки времени). Циклограмму и стробограмму получают с помощью равномерно вращающегося с заданной скоростью диска со щелями, не совсем удачно называемого стробоскопом. Диск закрывает от света объектив, открывая его только в то время, когда против него оказывается одна из щелей. Поскольку все время съемки затвор открыт, на пленке или пластинке получается ряд последовательных, через равные промежутки времени, изображений контрольных точек. Съемка производится в затемненном помещении или в темное время суток, спортсмен одет в черное трико, закрывающее все тело и голову, лицо закрыто черной маской, на контрольных точках установлены миниатюрные лампочки, питаемые от батарейки. Поэтому пленка (пластинка), невзирая на долго открытый объектив, не засвечивается, и на ней отображаются только контрольные точки. Зная масштаб изображения, можно подсчитать пути, скорости и ускорения контрольных точек, а по ускорениям (линейным, угловым), массам или моментам инерции — приложенные силы и вращающие моменты.

Вместо стробоскопа-диска можно использовать так называемый электростробоскоп: установку с импульсной лампой (она «безынерционна» — мгновенно накаляется и мгновенно гаснет) и прерывателем с регулируемой частотой замыканий. На теле объекта съемки в таком случае контрольные точки помечаются отражателями: белыми пятнами или кусочками фольги.

Циклограмму можно получить и на основе киносъемки, причем в этом случае съемка производится на свету, и это огромное преимущество. Контрольные точки помечаются контрастной по цвету краской или кусочками пластыря. В плоскости съемки нужно иметь динейку или другой предмет известной длины, чтобы был определен масштаб изображения. Кроме того, в поле съемки должны быть 2 неподвижные контрастные по тону точки-ориентиры.

Проявленную кинопленку вставляют в фотоувеличитель, а на планшет кладут чистый лист бумаги. Проецируя первый интересующий нас кадр на белый лист бумаги, карандашом помечают на ней проекции контрольных точек, 2-х неподвижных точек-ориентиров и предмета, служащего для масштабирования изображения. Отображения контрольных точек соединяют отрезками, получается «палочковая схема». Со следующего нужного кадра переносят на бумагу только проекции контрольных точек, их тоже соединяют отрезками: так разделяются между собой кадры, чтобы не перепутать принадлежность точек на бумаге тому или иному кадру и той или иной контрольной точке на теле. Каждый кадр пленки устанавливают в увеличителе так, чтобы проекции обеих неподвижных точек-ориентиров совпали с отметками этих точек, сделанными при проецировании 1-го кадра — так совмещаются пространства всех кадров.

После того как перенесены точки с нужных кадров, все отметки одной контрольной точки можно для наглядности соединить тонкими сплошными или пунктирными линиями — получаем циклограмму, которую обрабатываем так же, как фотоциклограмму. Есть такие фотокамеры, которые позволяют заснять несколько кадров в режиме киносъемки. На их основе тоже можно сделать киноциклограмму.

Материалы киносъемки позволяют сделать кинограмму — ряд отпечатков последовательных кадров (лишь тех, которые отображают характерные моменты выполнения упражнения). Отметив на отпечатках порядковые номера соответствующих кадров пленки, можно определять временны¢е промежутки между кадрами кинограммы.

Значительное преимущество киносъемки перед видеосъемкой в том, что можно снимать с разной частотой кадров, притом с высокой частотой (до 96 кадров/с и даже с более высокой частотой), тогда как видеосъемка производится с одной частотой — 25 кадров/с (существуют, правда, видеокамеры, позволяющие снимать с большей частотой, но они очень дороги). При большой скорости движений нужна съемка с высокой частотой кадров, иначе изображение смазывается, а главное — оказываются пропущенными важные, иногда главные моменты упражнения. Если заснятую с большой частотой кадров пленку (рапид, рапидная съемка) проецировать с нормальной скоростью, на экране движения будут замедленными, и легко разглядеть их во всех подробностях. Недостаток кинометода — невозможность использовать пленку вторично и многократно, а также продолжительность и трудоемкость обработки экспонированной (заснятой) пленки, тогда как видеосъемка сразу дает «готовую продукцию» для просмотра и измерений, а пленку можно использовать многократно.

Оптикоэлектронный метод составляет основу: 1) видеометодик, 2) лазерных методик, 3) оптронных методик.

Видеометодики могут включать в себя компьютеры, на экран монитора можно подать одновременно 2–3 картинки: например, с 2 видеокамер, ведущих съемку в фас и в профиль, и синхронизированные с «картинками» динамограммы.

Лазерные методики могут включать в состав аппаратуры светорезисторы (полупроводниковые элементы, проводимость которых зависит от их освещенности), фотоэлементы (полупроводниковые устройства, генерирующие тем большую разность потенциалов, чем сильнее освещены), частотомеры, улавливающие разность излучаемой и отраженной от движущегося объекта частот (в соответствии с эффектом Допплера), что позволяет измерить скорость его удаления или приближения.

Оптронные методики основаны на связи светоизлучателя и светоприемника — это оптронная пара. В качестве светоизлучателя используют любой источник света: лампочку накаливания, светодиод (полупроводниковый элемент, который при пропускании через него электрического тока излучает свет; светодиоды широко используют в качестве индикаторов состояния «включено» в радиоприемниках, телевизорах, магнитофонах, в измерительных приборах). Лазер используют, если требуется мало зависящая от расстояния мощность светового потока. В качестве светоприемника можно применять фотодиод (полупроводниковый элемент, только при условии его освещения пропускающий электрический ток), фотоэлемент (полупроводниковый прибор, при его освещении генерирующий разность потенциалов, причем тем большую, чем сильнее освещена его светочувствительная поверхность), фоторезистор.

Принцип работы оптронной пары: луч света из светоизлучателя падает на светоприемник — и ничего не происходит. Но стоит пересечь этот луч каким-либо непрозрачным телом, как ток через светоприемник прерывается, срабатывает соответствующее реле (замыкается или размыкается) и включается (либо выключается) электросекундомер. Если установить на некотором обоснованном расстоянии 2 оптронные пары, можно определить время, за которое тело преодолевает это расстояние (пересекает сначала один, затем другой луч). Разделив расстояние на время, получаем среднюю скорость перемещения тела на данном отрезке.

Дата добавления: 2015-04-30