СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВ ПОВОРОТА НЕСКОЛЬКИХ ОБЪЕКТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01C1/00 

Изобретение предназначено для измерения взаимных угловых разворотов нескольких контролируемых объектов, расположенных вдоль створа, задаваемого лазерным пучком, и может быть использовано при проведении геофизических экспериментов, геодезических работах при монтаже и эксплуатации технологического оборудования и т. д.

Известно интерференционное устройство, предназначенное для измерения углов поворота контролируемого объекта (Авт. св. СССР N 983449, кл. G 01 B 9/02, опубл. в БИ N 47, 1982). Недостатками указанного устройства является сложность юстировки взаимного положения зеркал интерферометра, частичное попадание отраженного света в резонатор лазера, что приводит к флуктуациям параметров лазерного излучения, а также невозможность одновременного контроля углового положения нескольких объектов.

Наиболее близким техническим решением является способ измерения углов поворота нескольких объектов /Авт. св. СССР N 1763891, кл. G 01 C 1/00, 1992), в котором вращают направленный луч, регистрируют последовательно отраженные от объектов лучи и вычисляют измеренные углы с помощью датчика угла поворота.

Устройство для реализации данного способа содержит также привод для поворота источника излучения, фотоприемник, блок модуляции частоты, счетно-решающий блок. Недостатками данного способа и устройства являются сложность, а также невозможность одновременного контроля углового положения нескольких объектов.

Задачей изобретения является повышение точности измерений за счет увеличения диапазона измеряемых углов, расширение функциональных возможностей за счет одновременного измерения угловых поворотов нескольких объектов, а также упрощение конструкции и юстировки устройства.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения углов поворота нескольких объектов, заключающемся в том, что световой пучок последовательно направляют на каждый контролируемый объект, регистрируют световой пучок после отражения от каждого контролируемого объекта и вычисляют угол поворота каждого из контролируемых объектов, направляют лазерный пучок последовательно на несколько установленных вдоль створа лазерного пучка проходных интерферометров, каждый из которых установлен на контролируемом объекте и выполнен в виде плоскопараллельной пластины, без изменения углового направления пучка, в каждом интерферометре осуществляют два отражения лазерного пучка с линейным смещением, формируют пространственно разнесенные интерференционные картины в плоскости регистрации, в которых регистрируют смещение интерференционных полос, а угол поворота каждого из контролируемых объектов вычисляют по формуле
α = λ/d′A (M+m), где
A = 2(n²- sin²θ)^1/2/sin 2θ,

λ длина волны лазерного излучения;
0<m<1
d и n толщина и показатель преломления плоскопараллельной пластины интерферoметра;
М и m соответственно целое и дробное число пробежавших интерференционных полос в плоскости регистрации.

Технический результат в устройстве измерения углов поворота нескольких объектов, содержащем источник света, фотоприемное устройство, установленное в плоскости регистрации, и блок обработки информации, достигается тем, что оно дополнительно содержит формирующую оптическую систему, индикатор угла поворота, несколько проходных идентичных нерасстраиваемых интерферометров, каждый из которых выполнен в виде плоскопараллельной пластины, выполненной с возможностью установки на контролируемом объекте и размещенной в корпусе, в котором дополнительно жестко закреплено зеркало с наружным отражающим покрытием, установленное под фиксированным углом к плоскопараллельной пластине, и несколько фотоприемных устройств, при этом источник света выполнен в виде лазера, интерферометры размещены вдоль створа лазерного пучка, все фотоприемные устройства установлены в плоскости регистрации, а число фотоприемных устройств равно числу интерферометров.

На фиг. 1 приведена общая схема измерений, на фиг. 2 показан ход лучей в интерферометре, на фиг. 3 приведена зависимость деления одной интерференционной полосы от угла падения света в интерферометр, на фиг. 4 приведена принципиальная схема устройства для измерения углового поворота одного контролируемого объекта, на фиг. 5 показана принципиальная схема устройства для контроля нескольких контролируемых объектов по нескольким угловым координатам.

Способ измерений иллюстрируется фиг. 1 и заключается в формировании оптической системой 2 светового пучка, испускаемого лазером 1, направлении его вдоль нескольких контролируемых объектов 8 8ⁿ, находящихся в едином створе. На каждом из контролируемых объектов 8 8ⁿ установлены интерферометры 3 3ⁿ, снабженные отражателями 4 4ⁿ. В каждом из интерферометров 3 3ⁿ происходит частичное деление светового пучка и отражение двух интерферирующих пучков при помощи отражателей 4 4ⁿ в плоскость анализа (ПА). В плоскости анализа установлены фотоприемные устройства 5 5ⁿ, количество которых равно количеству интерферометров 3 3ⁿ. Отражатели 4 4ⁿ ориентированы таким образом, чтобы интерференционные картины попадали на фотоприемные устройства 5 5ⁿ, не накладываясь друг на друга. Фотоприемные устройства 5 5_n регистрируют число пробежавших интерференционных полос при угловых разворотах контролируемых объектов 8 8_n, по которому судят о величине углового поворота каждого из контролируемых объектов 8 8_n.

В качестве проходного интерферометра (фиг. 2) предлагается использовать плоскопараллельную пластину 3, разделяющую падающий на нее световой пучок лазера 1, сформированный оптической системой 2, на два отраженных пучка, имеющих разность хода и интерферирующих между собой, и третий пучок, который проходит сквозь пластину 3 без изменения первоначального направления. Поля двух отраженных лазерных пучков взаимно перекрываются с некоторым сдвигом, так как между ними существует разность фаз, они формируют интерференционную картину в виде полос равного наклона.

При падении лазерного пучка под углом q на первую поверхность плоскопараллельной стеклянной пластины 3 распределение интенсивности света в интерференционной картины описывается известной косинусной функцией

где n показатель преломления пластины,
d толщина пластины,
l длина волны лазерного излучения,
r угол преломления света в пластине 3.

Исходя из условия максимумов интерференционной картины с учетом закона Снеллиуса, можно записать

При повороте пластины 3 на угол α (фиг. 2) интерференционные полосы будут перемещаться в поле интерференции. Скорость перемещения полос зависит от скорости поворота пластины 3 и ширины интерференционных полос. Ширина полос зависит от радиуса кривизны волнового фронта, падающего на пластину 3. Необходимую ширину полос можно получить при перефокусировке оптической системы 2.

Исходя из условия, что угол наклона пластины меньше первоначального угла падения света на пластину a<θ, можно определить угол v поворота пластины, соответствующий смещению одной интерференционной полосы
.

Анализируя полученное выражение, можно найти оптимальное значение угла падения света θ на поверхность пластины 3, при котором угол поворота пластины v, соответствующий смещению одной интерференционной полосы, будет минимальным

Таким образом, величина минимального угла Φ_min, соответствующего смещению одной интерференционной полосы, зависит только от выбора материала пластины 3. Для большинства оптических стекол с показателями преломления n 1,41 1,89 оптимальные углы падения лежат в диапазоне θ_опт.= 50^°÷ 47,3^°..

На фиг. 3 представлена зависимость изменения функции Φ от различных углов падения пучка q на пластину 8, выполненную из кварцевого стекла с n 1,457, толщиной 20 мм при длине волны излучения l 0,6328 мкм. Здесь наблюдается минимальное значение v_min= 16,2 угл. с. при угле падения θ = 49,5^° и величина Φ увеличивается при изменении углов q. Однако существует зона углов падения θ_опт.≈ 20^° (фиг. 3), в которой изменение значений Φ составляет менее 1 угл. с. Подобные зоны оптимальных углов можно установить для любых оптических прозрачных материалов.

Внутри зоны оптимальных углов q_опт. угол α наклона пластины может быть определен в виде

A линейный коэффициент, равный, например, для .

Таким образом, измерение углов α поворота пластины 3 сводится к простому подсчету целых M и дробных m частей сместившихся интерференционных полос.

На фиг. 4 приведена принципиальная схема устройства, реализующего данный метод, предназначенного для измерения углового поворота одного контролируемого объекта. Устройство состоит из последовательно расположенных лазера 1, формирующей оптической системы 2, проходного интерферометра 3, выполненного в виде плоскопараллельной пластины, плоского зеркала 4, закрепленного под фиксированным углом к интерферометру. Интерферометр 3 и зеркало 4 4 установлены на контролируемом объекте, способном поворачиваться вокруг оси, перпендикулярной плоскости чертежа.

После прохождения интерферометра 3 и отражения от зеркала 4 два перекрывающихся световых пучка направляются в плоскость анализа ПА, где формируют интерференционную картину (фиг. 4а), состоящую из полос равного наклона. В плоскости анализа установлено фотоприемное устройство 5 (например, двухплощадочный фотодиод или ПЗС-линейка), преобразующее световые сигналы в электрические. Фотоприемное устройство 5 соединено с электронным блоком обработки информации 6, включающим в себя счетчик целого и дробного числа пробежавших интерференционных полос, вычислитель угла поворота контролируемого объекта и преобразователь сигнала в цифровой код. Сигналы с электронного блока обработки информации направляются на цифровой индикатор 7.

При повороте контролируемого объекта изменяется угол падения света на пластину 3, вследствие чего изменяется разность хода интерферирующих световых пучков, что приводит к перемещению интерференционных полос в плоскости анализа. По количеству переместившихся полос и по направлению их перемещения судят о величине и знаке угла поворота контролируемого объекта.

Конструкция отражателя, состоящего из плоскопараллельной пластины 3 и плоского зеркала, жестко закрепленных в едином корпусе, обеспечивает постоянство пространственного положения анализируемой интерференционной картины (фиг. 4а) в плоскости анализа.

Использование в устройстве проходного интерферометра 3 позволяет использовать световой пучок, прошедший сквозь интерферометр 3 без изменения углового направления для измерений углов поворотов нескольких объектов, расположенных вдоль контролируемого створа. Принципиальная схема контроля нескольких объектов представлена на фиг. 5. Для проведения одновременных измерений углов поворота n-го числа объектов на каждый из них устанавливается 3-3ⁿ интерферометров с 4-4ⁿ отражателями, причем отражатели ориентируются таким образом, чтобы интерференционные картины в плоскости анализа не накладывались друг на друга, а попадали каждая на свое фотоприемное устройство 5-5ⁿ. Как видно из чертежа, возможна установка двух интерференционных отражателей, расположенных ортогонально друг к другу на одном объекте для контроля угловых поворотов одновременно по двум угловым координатам.

Повышение контраста интерференционной картины может быть достигнуто за счет введения в световой пучок поляризатора перед фотоприемным устройством 5 или нанесением светоделительных покрытий на переднюю и заднюю поверхности пластины 3.

Повышение чувствительности измерений может быть достигнуто за счет использования электронных схем, способных оценивать малые дробные доли интерференционных полос (например, l/50, λ/100/500), увеличением толщины пластины или использованием пластины, изготовленной из материала с малым показателем преломления (например, две тонкие параллельные стеклянные пластинки с воздушным промежутком).

Изобретение позволяет: расширить функциональные возможности интерференционных углоизмерителей за счет одновременного измерения угловых поворотов нескольких объектов, расположенных вдоль контролируемого створа, задаваемого лазерным пучком; повысить точность измерений за счет увеличения диапазона измеренных углов; упростить процесс вычисления угловых рассогласований за счет использования линейного диапазона интерферометра, определяемого зоной оптимальных углов падения светового пучка на поверхность плоскопараллельной пластины; значительно упростить конструкцию углоизмерительного интерферометра; свести до минимума процесс юстировки интерферометра за счет оригинальной конструкции нерасстраиваемого интерференционного отражателя.

Проведенные экспериментальные исследования с интерференционными отражателями, имеющими пластины толщиной 16,6 мм, при использовании фоторегистрирующих устройств, оценивающих 1/20 интерференционной полосы, показали, что среднеквадратическая погрешность одновременного измерения угловых поворотов четырех контролируемых объектов составила менее 1 угл. с в диапазоне измеряемых углов 18,8^o.

Использование: геодезические и геофизические работы. Сущность изобретения: устанавливают вдоль створа несколько проходных интерферометров, каждый из которых закрепляют на контролируемом объекте и снабжают нерасстраиваемым отражателем, ориентируемым определенным образцом. При этом проходной интерферометр выполнен в виде плоскопараллельной пластины, а отражатель - в виде отражающего зеркала с наружным покрытием. 2 с. п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ измерения углов поворота нескольких объектов, заключающийся в том, что световой пучок последовательно направляют на каждый контролируемый объект, регистрируют световой пучок после отражения от каждого контролируемого объекта и вычисляют угол поворота каждого из контролируемых объектов, отличающийся тем, что направляют лазерный пучок последовательно на несколько установленных вдоль створа лазерного пучка проходных интерферометров, каждый из которых установлен на контролируемом объекте и выполнен в виде плоскопараллельной пластины, без изменения углового направления пучка, в каждом интерферометре осуществляют два отражения лазерного пучка с линейным смещением, формируют пространственно разнесенные интерференционные картины в плоскости регистрации, в которых регистрируют смещение интерференционных полос, а угол поворота каждого из контролируемых объектов вычисляют по формуле
α = λ/d A (M+m),
где A = 2(n²- sin²θ)^1/2/sin 2θ;

M ±, ± 2;
0 < m < 1;
λ длина волны лазерного излучения;
d и n толщина и показатель преломления плоскопараллельной пластины интерферометра;
M и m соответственно целое и дробное число пробежавших интерференционных полос в плоскости регистрации. 2. Устройство для измерения углов поворота нескольких объектов, содержащее источник света, фотоприемное устройство, установленное в плоскости регистрации, и блок обработки информации, отличающееся тем, что дополнительно содержит формирующую оптическую систему, индикатор угла поворота, несколько проходных идентичных нерасстраиваемых интерферометров, каждый из которых выполнен в виде плоскопараллельной пластины, выполненной с возможностью установки на контролируемом объекте и размещенной в корпусе, в котором дополнительно жестко закреплено зеркало с наружным отражающим покрытием, установленное под фиксированным углом к плоскопараллельной пластине, и несколько фотоприемных устройств, при этом источник света выполнен в виде лазера, интерферометры размещены вдоль створа лазерного пучка, все фотоприемные устройства установлены в плоскости регистрации, число фотоприемных устройств равно числу интерферометров.