ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА ПОВОРОТА ОБЪЕКТА Российский патент 2001 года по МПК G01B9/02 G01B11/26 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к интерференционным способам для дистанционного контроля и измерения пространственного положения частей различных машин, механизмов и сооружений в машиностроении, строительстве, самолето- и судостроении, а также в других областях метрологической и измерительной техники.

Известен интерференционный нуль - индикатор (угломер). [А.М.Ванюрихин и другие. Анализ влияния погрешностей изготовления призмы Кестерса на точность нуль - индикации, ОМП, 1981, N 11, стр. 1], состоящий из источника света, коллиматора, двух диафрагм, призмы Кестерса, зеркала, установленного на объекте, угловое положение которого контролируется, и приемника излучения.

Способ измерения угла поворота основан на том, что световой поток источника излучения делится призмой на два когерентных потока, которые, отразившись от зеркала, совмещаются призмой и интерферируют.

Измеряют фотоприемником интегральное значение энергии интерферирующих потоков, по которому судят об угле поворота зеркала (объекта).

Недостатком указанного способа является низкая точность измерения угла поворота (угол определяется величиной сигнала, на который влияет режим работы источника излучения, колебания питающего напряжения, изменения коэффициента пропускания).

Известен интерференционный способ измерения угла поворота объекта, наиболее близкий к предлагаемому изобретению по технической сущности и выбранный в качестве прототипа. [И.М. Кольцов и др. Интерференционное устройство регистрации нулевого положения. Измерительная техника, 1985, N 3, стр. 29].

Согласно указанному способу монохроматический коллимированный пучок излучения направляют на призму-куб с полупрозрачным покрытием на гипотенузной грани и полным зеркальным покрытием на одной из боковых граней.

Пучок света от источника проходит через призму-куб и, отражаясь от отражателя, связанного с объектом, положение которого контролируется и ее полупрозрачной гипотенузной грани, образует измерительный пучок. Часть света от источника, отражаясь от гипотенузной грани призмы-куба и ее зеркальной грани образует опорный пучок. Пучки интерферируют, образуется последовательность темных и светлых полос. Период интерференционной картины определяется длиной волны излучателя и углом между измерительным и опорным пучками.

При углах поворота объекта, близких к нулю, период картины приближается к ширине диафрагмы и при этом возрастает амплитуда сигнала фотоприемника, т. е. величина контролируемого угла определяется величиной амплитуды сигнала фотоприемника, что отражается на точности измерения угла поворота объекта.

Заявляемый способ решает задачу измерения угла поворота контролируемого объекта с высокой точностью.

Указанная задача решается за счет формирования электрических сигналов различной частоты, связанных пропорциональной зависимостью с величинами измеряемых углов.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в интерференционном способе измерения угла поворота объекта опорный и измерительный отражатель, связанный с контролируемым объектом, одновременно освещают монохроматическим коллимированным пучком излучения, регистрируют распределение интенсивности в интерференционной картине, образованной пучками, отраженными от опорного и измерительного отражателей, преобразуют его в последовательность прямоугольных импульсов, измеряют их частоту, а искомый угол поворота объекта α определяют из соотношения:
α = k·f,
где f - частота импульсов,
k - постоянный коэффициент, зависящий от параметров схемы интерферометра.

Параметры образованной интерференционной картины, а именно период ее или шаг интерференционных полос зависят от угла поворота объекта. Чем больше угол поворота, тем меньше период, т.е. возрастает частота следования электрических сигналов, следовательно частота следования сигналов пропорционально связана с измеряемым углом поворота объекта.

Таким образом, измеряемый угол не зависит от амплитуды сигнала, а зависит только от шага полос (частоты), который будет оставаться для данной величины угла α постоянным даже, если величина сигнала будет изменяться (например за счет флуктуаций потока излучателя).

Заявляемый способ может быть реализован устройством, структурная схема которого изображена на фигуре 1. На фигуре 2 - приведена диаграмма сформированных сигналов.

Устройство, реализующее способ, состоит из источника монохроматического излучения 1 и последовательно расположенных по ходу излучения коллиматора 2, светоделителя 3, опорного 4 и измерительного отражателя 5, объектива 6 и многоэлементного фотоприемника 7, вход которого соединен с выходом блока управления 8, выход фотоприемника соединен со входом компаратора напряжения 9, выход которого соединен с первым входом блока задержки 10 и с первым входом логического элемента ИЛИ 11, второй вход которого соединен с выходом блока задержки, выход элемента ИЛИ соединен со входом частотомера 12, а выход блока управления 8 соединен со вторым входом блока задержки 10.

Интерференционный способ измерения угла поворота объекта осуществляется следующим, образом.

Монохроматическим коллимированным пучком излучения источника 1 одновременно освещают опорный отражатель 4 и измерительный отражатель 5, связанный с контролируемым объектом.

Многоэлементный фотоприемник 7, ориентированный перпендикулярно ребру клина (двугранный угол α), регистрирует интерференционную картину, образованную пучками, отраженными от опорного 4 и измерительного отражателей 5, осуществляют фотоэлектрическое преобразование ее в выходной синусоидальный сигнал фотоприемника, который поступает на компаратор напряжения 9 и преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов.

С выхода компаратора напряжения 9 импульсы поступают на первый вход блока задержки импульсов 10 на целое число периодов следования для того, чтобы заполнить ими паузу, образующуюся в течение интервала накопления фотоприемника излучения.

С выхода компаратора 9 импульсы поступают на первый вход логического элемента ИЛИ 11, а с выхода блока задержки 10 - на второй вход элемента ИЛИ 11, при этом на выходе элемента ИЛИ 11 образуется непрерывная последовательность прямоугольных импульсов, частота следования которых пропорциональна (малому) углу клина α в интерферометре, так как шаг интерференционных полос пропорционален малому углу α.
Частота, пропорциональная углу α, измеряется частотомером 12. Функционирование устройства обеспечивается блоком управления 8.

В качестве конкретного примера выполнения устройства, с помощью которого может быть осуществлен заявляемый способ, предлагается устройство, состоящее из источника монохроматического излучения, выполненного в виде HeNe лазера; коллиматора в виде телескопической насадки [В.А. Иванов, В.Е. Привалов. Применение лазеров. СПб., Политехника, 1993, стр. 12]; светоделителя в виде призмы-куб [Справочник конструктора ОМП, Л.: Машиностроение, 1980, стр. 188] ; отражателей 4,5 в виде плоских зеркал [Справочник конструктора ОМП. Л.: Машиностроение, 1980, стр. 169]; объектива в виде двухкомпонентного склеенного объектива [Справочник конструктора ОМП, Л.: Машиностроение, 1980, стр. 231] ; многоэлементного фотоприемника в виде ПЗС линейки [Г.Г. Ишанин и др. Источники и приемники излучения. СПб., Политехника, 1991, стр. 187]; компаратора напряжения, описанного в [Г.Н. Грязин. Оптико-электронные системы для обзора пространства. Л. : Машиностроение, 1988, стр. 112]; блока задержки, описанного в [Справочник. Телевизионная техника. М.: Радио и связь, 19, стр. 312]; логического элемента в виде стандартного элемента [М.А. Ахметов. Цифровые устройства ОЭП. Логические элементы и триггеры. Новосибирск, НИИГАИК, стр. 11]; стандартного частотомера и блока управления, описанного в [Справочник. Телевизионная техника. М.: Радио и связь, 19, стр. 312].

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к дистанционному контролю положения объектов. Заявляемый способ решает задачу измерения угла поворота за счет формирования электрических сигналов различной частоты, которые зависят от величины измеряемых углов. В способе опорный и измерительный отражатель, связанный с контролируемым объектом, одновременно освещают монохроматическим коллимированным пучком излучения. Регистрируют распределение интенсивностей в интерференционной картине, образованной пучками, отраженными от опорного и измерительного отражателей. Осуществляют преобразование интерференционной картины в последовательность прямоугольных импульсов. Измеряют частоту следования импульсов. Угол поворота α определяют из соотношения: α = k·f, где f - частота импульсов, k - постоянный коэффициент. Способ позволяет повысить точность измерения угла поворота объекта. 2 ил.

Интерференционный способ измерения угла поворота объекта, заключающийся в том, что опорный и измерительный отражатель, связанный с контролируемым объектом, одновременно освещают монохроматическим коллимированным пучком излучения, регистрируют интерференционную картину, образованную пучками, отраженными от опорного и измерительного отражателей, и осуществляют фотоэлектрическое преобразование ее в электрический сигнал, отличающийся тем, что электрический сигнал формируют в виде последовательности прямоугольных импульсов, измеряют их частоту, а искомый угол поворота объекта α определяют из соотношения
α = k·f,
где f - частота импульсов;
k - постоянный коэффициент.