Способ измерения углов поворота Советский патент 1987 года по МПК G01B21/22 

1 .13

Изобретение относится к измери- тельной технике, в частности позволяет обеспечивать измерение углов поворота одного объекта относительно другого,

Целью изобретения является повышение точности и быстродействия за счет исключения погрешностей от флуктуации элементов и сокращения числа операций.

На фиг. 1 и 2 изображены устройства для реализации способа.

Устройство, приведенное на фиг. 1, содержит коллиматор 1, включающий объектив 2, разделительную призму 3, излучатели 4 и 5, диафрагму 6, блок 7 питания с генератором 8 напряжения и инвертором 9; коллимационный приемник 10, включающий объектив 11, диафрагму 12, фотоприемник 13, усилитель 14 переменного тока, фазосдвигающие блоки 15 и 16, фазометр 17, электрически соединенный с блоком 7 питания и усилителем 14.

Устройство, приведенное на фиг. 2, содержит коллиматор 18 (поляризационного) устройства, включающего излучатель 19, объектив 20, поляризатор 21, модулятор 22 фазы, четвертьволновой элемент 23j приемник 24, включающий анализатор 25 (поляризатор), объектив 26, фотоприемник 27, усилитель 28 переменного тока; фазометр 29, генератор 30 напряжения, положение плоскости поляризации поляризатора обозна чего П03.315 положение оптической оси модулятора фазы - поз. 32 положение оптической оси четвертьволново- То элемента - поз. 33, а положение плоскости поляризации анализатора - поз.34. .

Предлагаемьй способ осуществляют

следующим образом. I

В фокальной плоскости объектива 2 коллиматора 1 (фиг, 1) размещено ребро разделительной призмы 3 и диафрагма 6. Ребро призмы размещено посередине диафрагмы 6. Одна грань призмы освещается излучателем 4, а другая - излучателем 5. Каждый из излучателей излучает переменный световой поток с равными амплитудами и фазами, отличающимися друг от друга на угол, несколько меньший или больщий, чем 180 Такая засветка может осуществляться от блока 7 питания, включающего, например, генератор В напряжения, выход которого соединен через фазосдвигаю8 ,2

щий блок 15 с излучателем 4. Кроме ТОГО, этот же выход соединен через инвертор 9 и фазосдвигающий блок 16 с излучателем 5. В цепи каждого излучателя фазосдвигающие блоки 15 и 16 сдвигают фазу излучения из излучателя по отношению к питающему напряжению на небольшой угол J} . Для одного излучателя сдвиг фаз осуществляется

на угол +А, для другого - на угол -р, Возможны и другие варианты формирования излучения.

Таким образом, каждая половинка диафрагмы 6 излучает одинаковые по

амплитуде световые потоки, но отличающиеся друг от друга по фазе. Объективы 2 и 11 проектируют изображение диафрагмы 6 в плоскость диафрагмы 12, которая находится в фокальной

плоскости объектива 11 и меньше, чем изображение диафрагмы 6.

Если визирные оси коллиматора 1 и коллимационного приемника 10 параллельны друг другу, то на выходе диафрагмы 12 будет два потока излучения с одинаковой амплитудой. В том случае, если один из блоков поворачивается на какой-либо угол ci , изображение диафрагмы 6 смещается относительно диафрагмы 12 на величину, пропорциональную углу об . На выходе диафраг- мь 12 амплитуда одного из световых потоков изменяется. Модулированный световой сигнал на выходе фотоприем- ника 13 становится .равным

,,h(|+ux)sin(ot+/3)f -C,x)sin(ot-/i)

A, sin(ut+|3)-A2sin(GDt-p) ,

где В - яркость излучателей 4 и 5;

S - конструктивный параметр оптического тракта, зависящий от апертурной диафрагмы, фокусного расстояния и т.д.; t-Ki t- n коэффициенты пропускания коллиматора и приемника; h - высота диафрагмы 12;

-Л

1 - ширина диафрагмы (з направлении плоскости измерения); А, - амплитуда светового потока, засвечивающего одну часть диафрагмы;

2 амплитуда светового потока, засвечивающего другую часть диафрагмы.

Это выражение можно преобразовать в следующее:

Ф А, sincJtcosB+A,cos(j3t:sinp- )tcosp+A sinpcoscot (А, -А2.} sinCi)tcos/3+(A, -А) sin coscot 2BS€j, L huxcoS|P sinut+BS 0| b hlsin 3

cosa3t Csinot+Ucosot,

где C 2BS Z Z:,,huxcos/3; D BS c C hlsin, 3, Величину D выбирают конструктивно путем выбора величины угла р так, чтобы величина D была меньше, чем половина величины С при ее мак си- .мально возможной величине (при йх)

Таким образом, в основном оптическом тракте на входе фотоприемника 13 формируют модулированный основной световой сигнал с амплитудой С, пропорциональной углу поворота в фазе или противофазе с опорным сигналом; модулированный не зависящий от угла поворота дополнительный световой сигнал, сдвинутьш по фазе относительно основного сигнала на угол 90 , с амплитудой D меньшей, чем половина максимально возможного основного сигнала.

Далее измеряют фазу суммарного сигнала, поступающего после усилителя 14 на фазометр 17, относительно опорного сигнала, поступаемого на фа

зометр 17 из блока 7 питания, jg ctg, который выбирают большим, чем 2,

Разделив замеренную величину раз- и определяют из отношения ности фаз на предварительно принятое отношение m амплитуды максимально

т

С(при )

D

ctg/3 2,,

возможного рснования сигнала С (при ) к амплитуде дополнительного

сигнала D, определяют угол поворота Характерным для этого способа являеся то, что при повороте одного блока относительно другого на угол oi разность фаз изменяется на большую величину, т.е. происходит редуцирование фазы.

Действительно, если рассогласование между блоками равно нулю ( и, следовательно, ), то на вход фазометра поступает только дополнительный сигнал

К„ KyDcoscot DKnpKySin(cot+90°),

где К - коэффициент преобразова ния фотоприемника; Кц - коэффициент усиления усилителя,

Фаза этого сигнала по отношению к опорному равна 90 , Это значение фазы принимается за нулевое. При повороте одного блока относительно дру- мента 23 расположена под небольшим

гого на малый угол od, на вход фазометра 17 поступает сигнал

КррКи csinL3t+Dsin(cot+90°)l

Фаза зтого суммарного сигналаср Ч р+Ьср определяется из известного отношения

Q,§isyil SiBiPj Ccosq), +Dcosq)

где Cf, и Lf соответственно фазы сигнала с амплитудой С и D;

Q- фаза сигнала прио6 0; йЦ) - приращение фазы при повороте на угол ui . Так как в данном случае Ф, 0,

то

Ч, 90

.s.tg(c,..)8H .. it.

l-li-l2.

(A,-A,-)coSj5 С

-tgcf tguq)

а tgq) 00 или D

tgu(f

и ,

l °-Ciiii LI

IH-tecp --- + - ° tgcpo С

Для данного конструктивного исполнения коэффициент редукции равен

и определяют из отношения

т

С(при )

D

ctg/3 2,,

Ир им е р. Известны, фазометры, работающие на одной частоте и позволяющие измерять фазовый сдвиг с точностью л с/у 0,2°, При выборе диафрагмы ,1 мм| угла .в l°9j (), фокусного расстояния прибор позволяет измерять перемещение:

,0000035 мм, 2ctgj ;,

что соответствует 0,04 .

Возможно измерять фазу, если опорный сигнал по фазе совпадает с дополнительным сигналом, В этом случае при отсутствии рассогласования разность фаз равна нулю. I

Устройство для осуществления способа (фиг. 2) работает следуюгцим образом,

В этом устройстве плоскость 31 поляризации поляризатора 21 распо- ложена под углом 45 к оптической оси 32 модулятора 22 фазы, Оптичес-. кая ось 33 четвертьволнового эле

углом у к оптической оси 32 модулятора фазы и параллельны (при отсутствии рассогласования) плоскости 34 поляризации анализатора 25.

Световой поток, выйдя из излучателя 19 коллиматора 18, пройдя объек тйв 20 и поляризатор 21, поляризуется в направлении плоскости 31 поляризации. После модулятора 22 фазы излучение содержит две составляющие со взаимно ортогональными направлениями плоскости поляризации (вдоль оптической оси и перпендикулярной ей) равными амплитудами и в противофазе друг к другу.

Четвертьволновой элемент 23 (являющийся оптическим фазосдвигающим элементом) сдвигает фазу излучения на 90 . После айализатора в оптическом тракте присутствует модулирован- ный основной световой сигнал, пропорциональный углу скручивания, и сфор1О

О соз(90 Oisin(90

о

о

2 2

,Mc,t

1 о

о 1

О

о

о о cos(90%-ot) sin(90%cot) О о sin(90%Qt) cos(90°,,COt)

О О

1 1 1 1

о О о о

о о

о о

9.

Отсюда Р (1-cos2c/sin2Jcosut-sin2o;,sinQt) .

После усилителя 28 переменного тока сигнал становится равным

Ku(sin2jfcosQt+sin 2c,:sinot)rФаза суммарного сигнала определяется аналогично предыдущему из выражения

/ . .,л з1п2Х соз2Ы , tR2oi tg(cp4uC|))--.i---; t,--.--.

Коэффициент редукции равен т

- -т--- и при малом угле У m 1. sin/ij

мированный с помощью четвертьволнового элемента 23 модулированный дополнительный световой сигнал, сдвинутый по фазе относительно основного на 90°. Остальные операции выполняются аналогично операциям в устройстве, изображенном на фиг. 1.

Коэффициент редукции подбирается углом Jf .

Вышеизложенное подтверждается следующим .

Поток излучения после анализато- ра определяется выражением

4 оМ млм му1ык и,

на выходе

поляризованный е поляриматрица поворота системы координат по часовой и против часовой стрелки;

О О

матрица действия четвертьволнового элемента и модулятора;

- матрица поляризатора.

О О

О

о

Ф о

5

0

5

рмула изобретения

Способ измерения углов поворота, основанный на формировании в основном оптическом тракт-е модулированного светового сигнала с амплитудой, пропорциональной углу поворота, в фазе или противофазе с опорным сигналом отличающийся тем, что, с целью повьшения точности и быстродействия измерения углов, дополнительно формируют независящий от угла поворота оптический модулированный сигнал, сдвинутый по фазе относительно основного сигнала на угол 90, с амплитудой меньше половины амплитуды

максимально возможного основного сигнала, определяют относительно опорного сигнала фазу суммарного модулиро-. ванного сигнала, по разности фаз и

предварительно принятому отношению амплитуды максимально возможного основного и дополнительного сигналов определяют угол поворота.

J 4

7 10 12 f

фиг.1

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повьшение точности и быстродействия за счет исключения погрешностей от флуктуации и сокращения числа операций. Способ позволяет осуществлять редуцирование фазы, при этом измеряется относительно опорного сигнала фаза информационного сигнала, пропбрциональная произведению угла поворота на коэффициент редукции, не зависящая от амплитуд информационного и опорного сигнала. 2 ил.

18 19 го 212Z -7

и

25 27 8

31

ff j

jj

Фиг.г