Оптико-электронное углоизмерительное устройство Советский патент 1987 года по МПК G01B21/22 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к автоматическим углоизмерительным приборам, и может применяться в станкостроении, ,в приборостроении, в строительстве, при монтаже оборудования, в геодезии.

Цель изобретения - повышение точности и быстродействия, а также расширение диапазона измерений за счет исключения погрешностей от флуктуации, исключения механических частей а также обеспечения преобразования угол-тангенс угла.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для регистрации в падающем луче; на фиг. 2 - блок-схема устройства для регистрации в переотраженном луче.

Устройство содержит объектив 1, два источника 2 излучения, разделительную призму 3, апертурную диафрагму 4, светоделительный элемент 5, опорный фотоприемник 6, опорный усилитель 7 (переменного тока), фазо- сдвигающие блоки 8 и 9, подключенные к Входам соответствующего источника 2. Описанные элементы могут быть объединены в коллиматор 10.

Устройство содержит также оптически связанный второй объектив 11, диафрагму 12 и основной фотоприемник 13, а также основной усилитель 14, регулируемый блок 15 питания излучателей, фазочувствительный индикатор 16, соединенный с блоком 15 питания и опорным усилителем 7, фазометр 17 и функциональный преобразователь 18 величины угла в тангенс; фазометр 17 соединен с основным усилителем 14 и фазочувствительньм индикатором 16.

Устройство (фиг. 2) содержит также переотражающую поверхность 19 (образуемую на поверхности объекта) Или пластину (скрепляемую с. объектом) , разделительная призма 3 выполнена с фаской 20, при этом основной фотоприемник 13 и основной усилитель 14 устанавливаются за призмой 3 в отраженном луче.

Блок 15 питания предназначен для образования двух модулированньпс в противофазе напряжений, а фазосдви- гающие блоки 8 и 9 выполнены с возможностью обеспечения фазового сдви- га на + /i и -jS, где ./з 45°.

Устройство работает следующим образом.

Диафрагмы 4 и 12 могут .быть выполнены прямоугольной формы. Фазо- ч.увствительный индикатор 16, если фаза поступаемого сигнала сдвинута относительно опорного сигнала на 90, вырабатывает выходной сигнал, равный нулю. Если фаза поступающего сигнала сдвинута относительно опорного сиг- нала на угол, больший или меньший чем 90°, то индикатор 16 вырабатывает положительный или отрицательный управляющий сигнал, пропорциональный сдвигу- фаз. В качестве индикатора 5 1б возможно использовать устройство, основанное на перемножителе сигналов.

Блок 15 питания вырабатывает два модулированных в противофазе напряжения. Фазосдвигающий блок-8 сдвига- 0 ет фазу одного из напряжений на небольшой угол + jb, меньший .45° . а фа- зосдвигающий блок 9 - ни угол - /з . Эти напряжения подаются на источники 2. Таким образом, каждый из источни- 5 ков 2 излучает переменньш световой поток с равными амплитудами и фазами, отличающимися друг от друга на . угол, несколько меньший или больший

180.

0 Свет от источников 2, отражаясь от граней разделительной призмы 3, освещает две зоны диафрагмы 4. Эти зоны разделены между собой ребром призмы 3. Освещаемые зоны проектиру- 5 ются объективами 1 и 11 в плоскость диафрагмы 12. Если оптические оси коллиматора 10 и объектива 11 параллельны, то каждая половина диафрагмы 12 освещена соответствующим источниг 0 йом 2. На выходе фотоприемника 12 постоянный сигнал и переменный сигнал, пропорциональный sin, сдвину- тый по фазе на 90 ° по отношению к сигналу, поступающему с блока 15 питания.

При повороте коллиматора 10 или системы из объектива 11, диафрагмы 12 и фотоприемника 13 на некоторый 1угол d часть диафрагмы 12, освещаемая одним из источников 2, станет больше, чем диафрагма, освещаемая другим источником 2,

Фаза переменного сигнала на выходе фотоприемника 13 изменяется приблизительно пропорционально величине перемещения диафрагмы 4.

Одновременно с этим на фотоприемник 6 поступает световой поток от источников 2.

5

0

5

В том случае, если яркости источников 2 одинаковы, на выходе усилителя 7 переменный сигнал, пропорциональный sin/ и сдвинутый по фазе на 90 по отношению к сигналу, поступающему с блока 15. питания. Если один из излучателей станет более яркий, чем другой, фаза сигнала, изменится. Фа зочувствительный индикатор 16 вырабатывает управляющий сигнал,- который поступит на блок 13 питания. Этот сигнал изменяет сигналы, подаваемые на источники 2 до момента получения равенства яркостей источников 2.

Одновременно с этим сигнал с усилителя 7 поступает на фазометр 17 и служит в качестве опорного сигнала. На фазометре 17 также поступает сигнал с усилителя 14. Фазометр 17 из меряет сдвиг фаз между сигналами, поступаемыми с усилителя 7 и усилителя 14,

Величина угла поворота d для малых углов L/ 5-10 (при которьк, tg q « Lf) пропорциональна фазовому сдвигу и определяется из уравнения 24Х . „ lik 1

ctg kof,

05 Ctg

таких величин ctg /(, f f , 1, чтобы коэффициент редукции k был гораздо больше единицы, т.е. k 1.

Строгая зависимость между углом поворота oi и фазовым сдвигом i/ определяется выражением

Z/1XZf

tg ч-

ctg л

«

1

Itg У

ctg.

2fi5 g/

mtg (4.

To есть при больших углах tf зависимость между I/ и (У не полностью линейна; если же к выходу фазометра 17 подключен функциональный преобразователь 13, измеряемый фазометром, угол qj преобразовывается в величину tgtc,

Тогда выходной сигнал с преобразователя 18 пропорционален углу поворота с(. при больших углах поворота.

Принцип действия устройства при переотражении луча (фиг. 2) аналогичен.

То, что устройство обладает большой редукцией по фазе, предтверж- дается следующим.

Модулированный световой поток, поступающий на фотоприемник 13, равен

f

o5

1 фокусное расстояние объек- 35

т ива;

ширина диафрагмы.

- - масштабный коэффициент;

К.

/b - фазовый сдвиг, создаваемый фазосдвигающим блоком (Л 45),

dx - величина перемещения изображения диафрагмы;

- 5 1 . . .,„

ции.

коэффициент редукЗамеряемый фазометром 17 с определенным масштабом угол фазового сдви- га является углом поворота.

Как видно из этого выражения, устройство обладает определенной редукцией по фазе, т.е. небольшому углу поворота соответствует большой фазо- вый сдвиг ц . Коэффициент редукции выбирается конструктивно, исходя из требуемой точности, путем принятия

(j h(r + Jx)sin(wt +

+ ft, )

- Bj S

..

Ь(я- - 4 x)sin(wt

-у5 ) А, sin(cot +/5 ) - A sindxjt

-/9 ) (А - A2)sin tat cos /3- + + (A + Aj)sin/3 coswt (A, -A2)cos/J cos((jt - 90°) + (A/ + + Pi)si-n.I) costot,

де Bj, Bj - яркость излучателей 2; S - конструктивный параметр оптического тракта, зависящий от апертур- ной диафрагмы, фокусного расстояния и т.д.; коэффициенты пропускания коллиматора 10 и приемника;

h - высота диафрагмы 13;

1 - ширина диафрагмы (в

направлении измерения);

о . п к r

1350502

/ амплитуда светового

потока, засвечивающего одну часть диафрагмы; амплитуда светового по- g тока, засвечивающего другую часть диафрагмыi

де

tgq

()(-90°)+(Ai+A2)sin sinO° (Ai-A2)(-90 ) + (A,)cos/«cosO

Если яркости источников 2 одинаковы (БЗ Bj), то

.cosft -2jx ctg/5 1 sin 1

-ctg/i 1

Из выражения видно, что при.отсутствии рассогласования фаза суммарного сигнала равна нулю, а при повороте на угол d фаза сигнала, поступающего на .фотоприемник 3, относительно опорного изменяется пропорционально углу поворота.

Аналогичным образом модулированный световой поток, поступающий на фотоприемник 6, равен

Ф4, (А - А г )cos/3sinu)t + (А - - А 2) S in/3 со su)t.

Фаза суммарного сигнала Lf, равн

t

- ,. (Ва - Вг)соз /i (В,-+ Ц) sin ft . При одинаковых яркостях фаза суммарного сигнала равна нулю, а при изменении яркости одного из источников 2 фаза сигнала, поступающего на фотоприемник 6, по отношению к опорному изменится и фазочувстви- тельный индикатор 16 выработает сигнал управления.

Так как измеряется фазовый сдвиг между сигналами, поступающими из усилителей 7 и 14, то даже при неполном выравнивании яркостей источнков 2, погрешность из-за нестабильности излучателей будет уменьшена.

/1 - сдвиг фаз, создаваемый, фазосцвигающим бло ком.,

Фаза суммарного сигнала t определяется из соотношения

(Ат-А)с05;9

(Ai+Aj)sin

Формула изобретения

1. Оптико-злектронное углоизмери- тельное устройство, содержащее два излучателя, регулируемый блок питания излучателей, апертурную диафрагму, объектив, светоделительный элемент, основной и опорньй фотоприемники, выходы которых электрически соединены с входами основного и опорного усилителей, отличающе-- е с я тем, что, с целью повышения точности и быстродействия, оно снабжено двумя фазосдвигающими блоками, выполненными с возможностью обеспечения фазового сдвига на угол + /s и -ft, где (5 45 , фазометром и фазо- чувствительным индикатором, входы

фазосдвигающих блоков соединены с выходами блока питания, выход первого фазосдвигающего блока соединен с входом первого излучателя,выход вто рого фазосдвигающего блока соединен

с входом второго излучателя, выход основного усилителя соединен с первым входом фазометра, выход опорного усилителя соединен с вторым входом фазометра через фазочувствительный

индикатор, первый вход которого соединен с одним из входом блока питания, а выход индикатора связан с входом блока питания.

t

2. Устройство по п. 1, отличающееся- тем, что, с целью увеличения диапазона измерения, в него дополнительно введен функциональный преобразователь величины

угла в тангенс, вход которого соединен с выходом фазометра.

JSS ie1I

16

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности и быстродействия, а также расширение диапазона измерений за счет исключения погрешностей от флуктуации, исклю- . чения механических частей, а также обеспечения преобразования угол-тангенс угла. Устройство.содержит два излучателя 2, засвечивающих грани разделительной призмы 3 излучениями, отличающимися по фазе друг от друга на угол, меньший 180°. Объектив 11. проецирует изображение в плоскость анализа диафрагмы 12, за которой размещен (5}отоприемник 13. На выходе фотоприемника образуется сигнал, фаза которого изменяется по отношению к опорному сигналу в зависимости от угла поворота, зтот сигнал поступает на фазометр 17. Одновременно на фазометр 17 поступает сигнал с опорного фотоприемника 6- Фазометр 17, измеряя сдвиг фаз, определяет угол поворота. Выходные сигналы с блока 15 питания поддерживаются на- уровне, при котором разность между сигналом на выходе опорного фотоприемника 6 и входным сигналом с блока 15 питания равна 90. Таким образом происходит редуцирование фазы. 1 3.п. ф-лы, 2 ил. с (Л 00 ел о СП о IC .

Редактор С.Патрушева

Составитель Е.Глазкова

Техред Л.Олийнык Корректор А.Обручар

Заказ 3249/40Тираж 677Подписное

ВНИИПИ Государственного-комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

..«.-«..--..«..«.«.-..--- «в «вв ------ - -- - -

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород,- ул. Проектная, 4

фиг.2