АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК УГЛА Российский патент 1995 года по МПК G01B21/22 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к приборам для прецизионных угловых измерений, и может быть использовано в областях гравиметрии и гироскопии.

Известен сканирующий оптико-электронный датчик угла, с акустооптическим элементом, являющийся прототипом предлагаемому техническому решению, содержащий лазер, светоделитель, сканатор в виде акустооптического элемента, питаемого от источника высокой частоты, модулированного по частоте источником пилообразного напряжения, и плоское зеркало, укрепленное на объекте измерений, дифференциальный фотоприемник и электронный блок преобразования сигнала.

Акустооптический элемент установлен под углом Брегга к проходящим через него лучам лазера. Вследствие модуляции частоты питания акустооптического элемента световое пятно совершает периодические колебания (сканирование) по поверхности фотоприемника, создавая на его выходе сигнал, преобразуемый в нулевом положении объекта в меандр, а при его отклонении в сигнал с широтно-импульсной модуляцией, имеющий постоянную составляющую того или другого знака и величины.

К недостаткам данного технического решения следует отнести трудности получения большей зоны обзора, что связано с селективностью эффекта Брегга. Эти трудности состоят в изготовлении элемента с весьма тонким слоем, в котором распространяется акустическая волна. К недостаткам датчика следует отнести также то обстоятельство, что при размерах светового пятна, меньших чем полоса раздела между чувствительными площадками дифференциального фотодиода, возникнут трудноустранимые помехи в работе электронного блока. Если же размеры светового пятна превышают размеры разделительной полосы фотодиода, то снижается точность показаний датчика из-за уменьшения крутизны фронтов сигналов с фотоприемника.

Цель изобретения - увеличение диапазона измерений за счет увеличения зоны обзора и повышение точности измерения.

Это достигается тем, что в устройство, содержащем лазер, акустооптический элемент, соединенный с источник высокочастотного напряжения, зеркало, укрепленное на объекте измерений, объектив и установленный в его фокальной плоскости фотоприемник, соединенный с электронным блоком преобразования сигналов, содержащим последовательно соединенные усилитель, триггер и фильтр нижних частот, акустооптический элемент установлен по ходу лучей, отраженных от зеркала под углом Брегга, а поперечный размер элемента определяется по формуле:
l = где ϕ_Д - угол естественной расходимости лазерных лучей;
θ_o- центральный угол падения лучей на элемент в "нулевом" положении зеркала.

При этом к источнику высокочастотного напряжения подключен модулятор в виде генератора линейного напряжения, выход которого через дифференцирующее звено подключен к одному из входов триггера.

На фиг.1 приведена схема оптического тракта с электронным блоком датчика; на фиг.2 и 3 - диаграммы электрических сигналов в соответствии с положением светового пятна на фотоприемнике.

Устройство содержит лазер 1, плоское зеркало 2, связанное с объектом измерений, акустооптический элемент 3 с пьезоизлучателем 4, источник 5 высокочастотного напряжения, соединенный с генератором 6 линейного напряжения, объектив 7, фотоприемник 8, блок преобразования сигналов, содержащий дифференцирующее звено 9, триггер 10, усилитель 11 и фильтр 12 нижних частот.

Акустооптический датчик угла работает следующим образом.

Лучи от лазера 1 падают на зеркало 2 и после отражения направляются на акустооптический элемент 3, в котором имеется периодическая структура, обусловленная распространяющейся в нем бегущей акустической волной, возбуждаемой пьезоэлементом 4 и соединенным с источником 5 высокочастотного напряжения, модулированным по частоте генератором 6. При этом, т. е. в "нулевом" положении зеркала 2, "пила" генератора 6 проходит через нуль (фиг. 2), т. е. источник 5 работает на центральной частоте, эта частота f₅ подобрана таким образом, что выполняются условия Брегга, т.е.

2 sin θ_o = (1) где λ - длина световой волны; λ - длина акустической волны = и угол дифракции θ₁=θ₀ . Акустическая мощность подбирается таким образом, чтобы вся энергия падающего луча перешла в энергию первого дифракционного максимума. В этот момент в фотоприемнике 8 возникает импульс, но ввиду того, что частота источника 5 меняется по линейному закону, эта вспышка из-за высокой селективности, т.е. узкополосности эффекта Брегга, будет кратковременной, в дальнейшем все лучи уйдут в нулевой максимум и в фотоприемнике опять возникнет сигнал (фиг.2в) только при повторении пилообразной развертки.

Выход генератора 6 связан также с дифференцирующим звеном 9, которое выдает опорные импульсы в момент перепада "пилы" (фиг.2б). Импульсы по фиг. 2б и 2в запускают с нечетных входов триггер 10, в результате чего на его выходе возникает сигнал в виде меандра с постоянной составляющей, равной нулю. При наклоне зеркала 2 (пунктир на фиг.1) лучи лазера после отражения падают на элемент 3 под углом, отличающимся от угла θ₀, следовательно условие Брегга будет иметь место при другой длине волны λ₁ и другой частоте f₁ и импульс в фотодиоде 8 возникнет в другом месте в пределах его входного окна и в другой момент времени (фиг.3в), причем опорные импульсы от "пилы" остаются в тех местах на оси абсцисс, что и прежде (фиг.2б и 3б).

Следовательно, в выходном сигнале триггера (фиг.3г) появится постоянная составляющая, выделяемая фильтром 12 нижних частот, пропорциональная наклону зеркала.

Зона обзора датчика определяется глубиной частотной модуляции в блоках 6 и 5, т. е. девиацией частоты ±Δf от центрального значения f_о. Нетрудно показать с помощью формулы (1), что в линейном приближении, для небольших углов θ₆ пределы изменения угла Δα(Δθ_o=2Δα) соответствуют условию:
= (2) полагая, например θ_o= 10^о, можно изменять его в пределах Δθ_o= ± 5^о, изменяя соответственно частоту fо в пределах ±50%.

Таким образом, в данном устройстве исключено сканирование световых лучей и его роль выполняет обычное для акустооптики модулирование частоты питания элемента, глубина которого обеспечивает вместе с выбором центрального угла θ_oтребуемый обзор.

При этом требования к акустооптическому элементу, в частности к его толщине l (длине взаимодействия), противоположны по сравнению с прототипом - от него требуется предельно высокая селективность, т.е. большое значение l с целью получения импульсов с фотодиода минимальной длительности, ибо чем выше крутизна их фронтов, тем меньше погрешность определения интервалов между ними, т. е. погрешность датчика. Именно это требование снижает трудоемкость изготовления акустооптического элемента.

Оптимальная толщина l находится из следующих соображений.

Известно, что при дифракции Брегга для полного перехода энергии падающего света в первый дифракционный максимум требуется, чтобы безразмерная интенсивность света в нем С₁ равнялась (2):
C₁= sin = 1 (3) где K = , ν = - глубина модуляции показателя преломления n материала элемента. Из (3) найдем, что = = т. е. имеем связь между l и ν :
= = (4)
Селективность эффекта Брегга состоит в том, что при отклонении угла дифракции θ₁от θ_o наΔθ₁ происходит уменьшение С₁ согласно формуле (5)
C₁(Δθ₁) = (5) где X = sinθ_oΔθ₁ (5а)
Принимая допустимое падение мощности С₁² на краю светового пятна половину, имеем из (5)
= т.е. = (6)
Подставляя из (4) значения ,получим, что = ,откуда Х=2 рад. Тогда из (5а) найдем:
= (7)
Откуда следует, что с увеличением селективности, т.е. с уменьшением Δθ₁ длина взаимодействия l увеличивается. Оптимальное значение l найдем, исходя из учета естественной расходимости лучей лазера ϕ_D= , где D - диаметр пучка параллельных лучей света лазера. Эта величина определяет линейные размеры светового пятна на поверхности фотодиода и уменьшать значения Δθ₁ ниже этой величины нет смысла. Следовательно, оптимальное значение l найдем, считая Δθ₁=ϕ_D:
l = (8) Например, если ϕ_D=1, θ_o =10^о, тоl=10⁴_λ, т.е. около 10 мм, что облегчает выбор материала и изготовление акустооптического элемента и пьезоизлучателя.

Таким образом, описываемое устройство позволяет получить предельно достижимые значения пороговой чувствительности для оптических датчиков угла, ибо длительность импульсов с фотоприемника может соответствовать предельно малому размеру светового пятна, равного длине волны. Несмотря на отсутствие сканирования световых лучей можно получать большую зону обзора и ее размеры не влияют на точность измерения, ибо выходной сигнал имеет широтно-импульсную модуляцию и выделение полезного сигнала может производиться с помощью фильтра нижних частот (аналоговым способом), а также определяется с помощью цифровых измерителей интервалов времени между импульсами, в которых абсолютная погрешность измерения интервалов не зависит от их длительности.

Предлагаемое устройство имеет линейную шкалу измерений, погрешности которой определяются степенью линейности генератора пилообразного напряжения. В данной конструкции нет падения мощности и отклоненных лучей при приближении к краям зоны обзора.

Изобретение может быть использовано в системах для бесконтактного измерения малых угловых отклонений различных объектов, например в приборостроении, навигации и геодезии. Цель изобретения - увеличение точности и диапазона измерений угловых отклонений. Датчик угла содержит лазер 1, акустооптический элемент 3, соединенный с источником 5 высокочастотного напряжения, зеркало, укрепленное на объекте измерений, объектив 7 и установленный в его фокальной плоскости фотоприемник 8, соединенный с блоком преобразования сигналов. Новым в устройстве является установка акустооптического элемента по ходу лучей, отраженных от зеркала под углом, обеспечивающим выполнение условий Брегга во всем диапазоне измерений, а поперечный размер элемента определяется по формуле l = 2λ/πϕ_Dsin θ_o , где ϕ_D - угол естественной расходимости лазерных лучей; θ_o - угол падения лучей на элемент, при котором прошедшие лучи параллельны главной оптической оси объектива; λ - длина волны излучения. К источнику высокочастотного напряжения подключен модулятор в виде генератора линейного напряжения, выход которого через дифференцирующее звено подключен к одному из входов триггера, входящего в состав электронного блока преобразования сигнала. Другой вход триггера соединен с усилителем импульсов с фотоприемника. Такое выполнение датчика позволяет расширить зону обзора и повысить точность измерений благодаря тому, что условия Брегга точно выполняются во всем диапазоне измерений при разных величинах угла Брегга, а также обеспечивается работа датчика в импульсном режиме электронного блока при большей толщине акустооптического элемента. 3 ил.

АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК УГЛА, содержащий лазер, акустооптический элемент, источник высокочастотного напряжения, соединенный с ним, зеркало, связываемое с объектом, объектив и установленный в его фокальной плоскости фотоприемник, электронный блок преобразования сигналов, соединенный с фотоприемником и состоящий из последовательно соединенных усилителя, триггера и фильтра нижних частот, модулятор частоты, отличающийся тем, что, с целью увеличения диапазона измерений за счет увеличения зоны обзора, повышения точности, он снабжен дифференцирующим звеном, модулятор выполнен в виде генератора линейного напряжения, выход которого соединен с источником высокочастотного напряжения, а через дифференцирующее звено - с одним из входов триггера, другой вход которого подключен к выходу усилителя импульсов, акустооптический элемент установлен под углом Брегга к направлению отраженных от зеркала лучей, во всем диапазоне измерения толщина l акустооптического элемента определяется по формуле

где ϕ_D - угол естественной расходимости лазерных лучей;
λ - длина волны излучения;
q_o - угол падения лучей на элемент,
при котором прошедшие лучи параллельны главной оптической оси объектива.