Оптико-электронный преобразователь угла поворота в электрический сигнал Советский патент 1983 года по МПК G08C9/06 G01N21/21 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, в частности к устройствам, обесточивающим индикацию углов поворота контролируемого объекта относительно базового BOKpyi оси скручивания (линии, соеданяющей даа объекта), и может применяться в станкостроении и геодезии.

Известен оптико-электронный преобразователь угла поворота в электрический сигнал, содержащий излучатель, поляризатор, модулятор Фарадея, соединенный с генератором напряжения, анализатор, фотоприемник, регистрирующий блок 1.

Недостатком устройства является то, что при изменениях параметров питания и температуры, а также наличии остаточных натяже}шй в оптически активном веществе модулятора ось симметрии раскачки изменяет свое положение. Это ведет к дрейфу нуля, т.е. к понижению точности. В модуляторах Фарадея получить амплитуду раскачки плоскости поляризации бопее 1-1,5° практически невозможно. А так как сигнал поворота пропорционален амплитуде раскачки, то практически невозможно получить высокую чувствительность, а следовательно, и точность. Необходимость исключения больщих натяжений в. сердеадшке модулятора усложняет технологию изготовления, а необходимость использования больших токов в кату1нке модулятора усложняет конструкцию.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является оптико-электронный преобразователь угла поворота в электрический сигнал, содержащий излучатель, светоделитель, фотоприемник, поляризатор с анализатором, между которыми установлены четверволновая пластина и пластина 1/8 длины волны, оптические оси пластин-.направлены под углом 1 плоскости поляризации поляризатора и два модулятора фазы в виде ячеек Поккельса. Выход фотоприемника соединен через фильтр с цифровым счетчиком временного интервала. В этом устройстве измерение угла поворота анализатора осуществляется измерением сдвига фазы сигнала, сформированного оптической схемой относительно фазы напряжения модуляции на ячейке Поккельса. При этом величина сдвига фазы соответствует половине величины углового поворота анализатора. Сдвиг фазы между напряжением измеряется цифровым счетчиком временного интервала 2.

Недостатком устройства является то, что положение оптических осей ячеек Поккельса не является равномерным по всему полю и постоят ьш во времени. Например, в ячейках Поккельса под действием электрического поля модулятора происходит нагрев кристаллов. Выделение тепла происходит во всем объеме кристалла, а охлаждение лищь на поверхности. Это приводит к температурным градиентам и возникновению неоднородных по сечению кристалла деформаций, которые приводят к повороту оптических осей (причем в разных зонах по-разному), что приводит к дополнительному сдвигу фазы и, следовательно, дополнительной погреишости.

Точность измерения ухудщается также иэ-за дрейфа фазы напряжения сигнала в результате нестабильности фазового сдвига фотоприемника и фильтра.

Кроме того, для ячеек Поккельса требуется высоковольтное питание (10-20 кВ). Электрооптические кристаллы, применяемые в этих ячейках (модуляторах), технологически сложны, в особенности с размерами более ф 10мм. Кристалль с такими размерами наиболее час0 то требуются дпя использования в реальных приборах.

Поступающий на фотоприемник сигнал содержит,- кроме информационной составляющей также побочные составляющие сигнала, для исключения которых требуются дополнительные фильтры. Все это усложняет конструкцию и технологию изготовления устройства.

Целью изобретения, является повыщение точности и упрощение преобразователя. 0 Поставленная цель достигается тем, что в оптико- электронный преобразователь угла поворота в электрический сигнал, содержащий излучатель, оптически соединенный через последовательно расположенные объектив, поля5 ризатор, модулятор фазы с входом фотоприемника, четвертьволновую пластину и анали3atop, введены пьезогенератор, амплитудно-фазофазовьш детектор,, оптический фазосдвигатель и генератор напряжения, выход которого сое0 динен с первым входом амплитудно-фазового детектора и входом пьезогенератора, жестко закрепленного на грани модулятора фазы, расположенной параллельно оптической оси, выход фотоприемника соединен с вторым входом амплитудно-фазового детектора, а оптический фазосдвигатель и анализатор расположены между модулятором фазы и фотоприемником.

При этом модулятор фазы выполнен в виQ де стеклянного параллелепипеда.

На фиг. 1 изображена структурная схема преобразователя; на фиг. 2 - положение оптических осей и плоскостей поляризации элементов преобразователя.

55 Преобразователь содержит излучатель 1, объектив 2, поляризатор 3, четвертьволновую пластину 4, модулятор 5 фазы, выполненный в виде стеклянного параллелепипеда, пьезогенератор 6, генератор 7 напряжения, оптичес3кий фазосдвигатель 8, анализатор 9, объектив 10, фотоприемник П, амплитудно-фазовый детектор 12. На фиг. 2 обозначено: 13 - положение пл кости поляризации поляризатора, 14 - полож ние оптической оси четвертьволновой пласти-ны, 15 положение оптической оси модулятора фазь1, 16 - положение оптической оси оптического фазосдвигателя, 17 - положение плоскости поляризации анализатора. Оптическая ось четвертьволновой пластины 4расположена под углом 7С/4 к плоскости поляризации поляризатора 3. Оптическая ось модулятора 5 фазы (ось резонатора) располо жена под углом 7С/4 к оптической оси оптического фазосдвигателя 8 и параллельно плоскости поляризации анализатора 9. Оптичес кая ось фазосдвигателя 8 расположена под уг лом ЯГ/4 к плоскости поляризации анализатора 9 и оси модулятора 5 фазы. Пьезогенератор 6 Жестко соединен (например, приклеен) с гранью стеклянного параллелепипеда па раллельной оптической оси и преобразовьшает злектрическую знергию в звуковые волны. Размеры параллелепипеда (вдоль направления распространения звука) --выполняются кратными половине длины волны звука, создаваемого пьезогенератором 6. В зтом случае образуется резонатор колебаний, работающий; на частоте собственного механического резонанса. Оптический фазосдвигатель 8 вьшоднен с фазовым сдвигом более 100 .(эле- l мент, вызывающий разницу фаз между волнами, вышедщими из него, равную более 50 длин волн). Такие элементы изготовляются из анизотропных материалов в виде пластин, вырезанных параллельно оптической Оси. Фазовый сдвиг обеспечивается толщиной пластины, например для кварца пластина с фазовым сдаягом более lOOTZ -«должна быть более 5 мм. Световой поток от излучателя 1, пройдя объектив 2, поляризатор 3, поляризуется в направлении плоскости поляризации поляризатора 3. Четвертьволновая пластина 4 преобраз ет линейно поляризационное излучение в циркулярно поляризованное. После модулятора 5фазы излучение содержит две составляющие с взаимно ортогональными направлениями плоскости поляризации (вдоль оптической оси и перпендикулярно ей). Фаза светового излучения одной из составляющих изменяется по отнощению к другой с частотой изменения фазы модулятора. В связи с тем, что излучение является смесью злектромагнитных волн разной длиной волны, на выходе оптического фазосдвигателя 8 образуется смесь волн с раз 99 ным состоянием поляризации, разными знака- ми и фазами. При суммировании зтих волн образуется излунение, состоящее из двух частей с {ивными амплитудами со строго взаимно перпендикулярными направлениями плоскостей поляризации (вдоль оптической оси фазосдвигателя 8 и перпендикулярно ей). Фазы световых волн зтих составляющих непрерывно изменяются друг относительно друга (с частотой звуковых колебаний). Если оптическая ось фаэосдвигателя строго расположена под углом ftj А к плоскости поляризации анализатора 9, то через него проходят две части излучения (проекции двух частей излечения, вышедцшх из фазосдвигателя 8) одинаковые по амплитуде. Суммарный световой поток не мО дулирован и на выходе фотоприемника сиг- . нал отсутствует. При повороте анализатора 9 относительно оптического фазосдвигателя 8 на угол ± об одна из составПяющих больще и на выходе фотоприемника возникает злектрический сигнал поворота, амплитуда которого пропорциональна величине угла поворота, а фаза определяется знаком угла. При изменении знака угла фаза сигнала меняется на 180° по отнощению к фазе сигнала, поступающего с модулятора. Сигнал поворота поступает на один из входов амплитудно-фазового детектора 12. .. В известном преобразователе сдвиг фазы сигнала, возникающий в оптическом тракте в связи с возникновением неоднородных по сечению кристалла деформаций при нагреве ячейки Поккельса и в связи с нестабильностью фазового сдвига в фотоприемнике и фильтре, приводит к прямой ощибке измерения углового поворота. В предлагаемом преобразователе влияние нестабильности фазы сигнала на точность сигнала практически отсутствует, так как нестабильность фазы не вызывает изменения знака вь1ходного сигнала, т.е. не приводит . к дрейфу нуля, а только может незначительно уменьщить уровень сигнала., Точность предлагаемого преобразователя определяется только Уровнем щумов фотоприемника, а конструкция и технология его изготовления упрощается, так как отпадает необходи юсть использования в модуляторе фазы высококачественных злектрооптических кристаллов, вместо которых использовано стекло, и не требуется высокого напряжения для питания модулятора 5 фазы, что также упрощает преобразователь. Технико-зкономический зффект от испвльзования изобретения обусловлен его техническими особешюстями.

0

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛА ПОВОГОТА В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИгаАЛ, содержащий излучатель, оптически соединенный через последовательно расположенные объектив, поляризатор, модулятор фа15 ЕООЮЭЯАЯ f С. .,; .. ш, -,;j,i с tai с: п t,y. .-л зы с входом фотоприемника, четвертьволновую пластину и анализатор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения преобразователя, в него введены- пьезогенератор, амплитудно-фазовый детектор, оптический фазосдвигатель и генератор напряжения, выход которого соединен с первым входом амппитудно-фазового детектора и входом пьезогенератора, жестко закрепленного на грани модулятора фазы, расположенной параллельно оптической оси, выход фотоприемника соединен с вторым входом амплитудно-фазового детектора, а оптический фазосдвигатель и анализатор расположены между модулятором фазы и фотоприемником. 2. Преобразователь по п. 1, о т л и ч а- (Л ю щ и и с я тем, что модулятор фазы выполнен в виде стеклянного параллелепипеда. г .9 хО 11 П СО со со со