УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ ОТКЛОНЕНИЙ ОБЪЕКТА Российский патент 1997 года по МПК G01B11/26 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в бесконтактных системах слежения за угловым положением объекта, в частности, за отклонением кристаллизатора в процессе его возвратно-поступательного движения.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения угловых отклонений объекта, включающее источник излучения, призменный отражатель, установленный на объекте, оптический блок (марка или объектив), позиционно-чувствительный фотоприемник (линейка ПЗС) и блок обработки сигнала, электрически соединенный с фотоприемником.

Угол отклонения объекта определяется по формуле:

где XI', XI'' координаты изображений марки на фотоприемнике,
f' фокусное расстояние объектива.

Недостатком известного устройства является недостаточная точность измерения угловых отклонений объекта. Это объясняется тем, что точность измерения угла отклонения контролируемого объекта зависит как от точности измерения координат изображений марки на фотоприемнике XI', XI'', так и от фокусного расстояния f'.

Указанный технический эффект достигается тем, что устройство снабжено цилиндрическим растром, установленным между оптической системой, представляющей собой телескоп с окуляром в виде градиентной цилиндрической линзы, позиционно-чувствительным блоком, выполненным из последовательно установленных маски с секторным вырезом, угол которого не более 180^o, и фотодиода, а растр установлен от позиционно-чувствительного блока на расстоянии L, определяемом из зависимости:
L = y¹/2Г(Φ)
где Y^-1 смещение светового штриха на позиционно-чувствительном блоке
Г увеличение телескопа;
Φ максимально возможный угол отклонения объекта.

На чертеже изображено предлагаемое устройство.

На устройстве для измерения угловых отклонений объекта состоит из лазера 1, призменного отражателя 2, скрепленного с контролируемым объектом (на схеме не показан), телескопической системы 3 с окуляром в виде градиентной цилиндрической линзы 4, цилиндрического растра 5, фотодиода 6 с круглой светочувствительной площадкой, маски 7 и блока обработки, электрически соединенного с фотодиодом 6 (на схеме не показан), светочувствительного штриха 8.

Устройство для измерения угловых отклонений объекта работает следующим образом.

Призменный отражатель 2, скрепленный с контролируемым объектом, может быть расположен на произвольном расстоянии от устройства. Необходимо только, чтобы отраженный пучок попадал в апертуру телескопа. Для измерения угла отклонения объекта в одной плоскости призменный отражатель 2 представляет собой обычную призму полного внутреннего отражения типа БР-180.

Окуляр 4 представляет собой градиентную цилиндрическую линзу, необходимую для получения светового штриха 8 правильной прямоугольной формы. Коэффициенты показатель преломления которой определяют аберрационные характеристики градиентной линзы и рассчитываются таким образом, чтобы получить на фотодиоде 6 световой штрих 8 правильной прямоугольной формы требуемого размера с учетом фокусного расстояния цилиндрического растра 5 и расстояния L от растра до позиционно-чувствительного блока.

Цилиндрический растр 5 представляет собой прозрачную линейную решетку для структурного преобразования направленного пучка лучей. Его элементы (цилиндрические микролинзы) параллельны друг другу. Расстояние L от цилиндрического растра 5 до фотодиода 6 может быть произвольным, но таким, чтобы при угловых отклонениях объекта на максимальный угол световой штрих 8 не выходил за пределы светочувствительной площадки фотоприемника.

Маска 7 представляет собой тонкий металлический диск, из которого вырезан сектор с углом не более 180^o.

Световой пучок от лазера 1 попадает на призменный отражатель 2, скрепленный с контролируемым объектом, отражается от него и попадает в телескопическую систему 3, проходит через градиентную цилиндрическую линзу 4, цилиндрический растр 5, проецируется на фотодиод 6, закрытый маской 7, в виде узкого светового штриха 8. При отклонении контролируемого объекта (а значит, и призменного отражателя) относительно оси OY на некоторый угол v световой штрих 8 смещается от первоначального положения на величину Y¹. (На чертеже смещенный штрих 8 показан пунктиром). Поскольку при смещении светового штриха его площадь в пределах неэкранированной части светочувствительной площадки (сектора) меняется, то меняется и напряжение на сопротивлении нагрузки фотодиода. Таким образом, измеряя напряжение на сопротивление нагрузки фотодиода, можно судить о величине угловых отклонений контролируемого объекта. Предлагаемый вид маски обеспечивает линейную зависимость выходного напряжения от углового отклонения контролируемого объекта, при этом предполагается, что сам фотодиод (без маски) работает в линейном режиме, т. е. его фототок строго пропорционален световому потоку, падающему на его светочувствительную площадку.

Расстояние L от цилиндрического растра до позиционно-чувствительного блока устанавливается по зависимости:
L = y¹/2Г(Φ);
а угол отклонения контролируемого объекта Φ определяется по формуле:
Φ = y¹/2ГL;
где L расстояние от цилиндрического растра до позиционно-чувствительного блока;
Y' смещение светового штриха на позиционно-чувствительном блоке;
Г увеличение телескопа;
(Φ) максимально возможный угол отклонения контролируемого объекта;
Φ фактический угол отклонения контролируемого объекта.

Для обеспечения точности измерения смещения светового штриха +/-10 мкм с помощью предлагаемого фотодиода с секторной маской необходимо измерять выходное напряжение в диапазоне 0-10 в с точностью +/-0,001 в, что не представляет больших трудностей при существующих цифровых вольтметрах. Экспериментальное исследование точности измерения угловых отклонений с помощью предлагаемого устройства подтвердило указанные оценки. Вследствие сокращения габаритов устройства (вместо объектива применен телескоп) повышаются эксплуатационные возможности устройства по сравнению с прототипом.

Использование: изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в бесконтактных системах слежения за угловым положением объекта, в частности, за отклонением кристаллизатора при непрерывной разливке металла в процессе его возвратно-поступательного движения. Технический эффект при использовании изобретения заключается в повышении точности измерения угловых отклонений объекта. Сущность изобретения: указанный технический эффект достигается тем, что в устройстве, содержащем источник излучения, призменный отражатель, жестко скрепленный с объектом, оптический блок, позиционно-чувствительный блок и блок обработки сигнала, оптический блок выполнен в виде телескопа, а между позиционно-чувствительным блоком, выполненным в виде последовательно установленных маски с секторным вырезом и фотодиода, и телескопом установлен цилиндрический растр. Расстояние L от цилиндрического растра до позиционно-чувствительного блока устанавливается по зависимости: L = Y'/2 Г(Y), где L - расстояние от цилиндрического растра до позиционно-чувствительного блока, Y' - смещение светового штриха на позиционно-чувствительном блоке, Г - увеличение телескопа, (Φ) - максимально возможный угол отклонения контролируемого объекта. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Устройство для измерения угловых отклонений объекта, содержащее источник излучения и последовательно установленные по ходу излучения призменный отражатель, предназначенный для скрепления с объектом, оптическую систему, позиционно-чувствительный блок и электрически с ним связанный блок обработки сигналов, отличающееся тем, что оно снабжено цилиндрическим растром, установленным между оптической системой, представляющей собой телескоп с окуляром в виде градиентной цилиндрической линзы, и позиционно-чувствительным блоком, выполненным в виде последовательно установленных маски с секторным вырезом, угол которого не более 180^o, и фотодиода, а растр установлен от позиционно-чувствительного блока на расстоянии L, определяемом из зависимости
L = y′/2Г(Φ),
где y' смещение светового штриха на позиционно-чувствительном блоке;
Г увеличение телескопа;
(Φ) - максимально возможный угол отклонения объекта.