Устройство для измерения угловых перемещений объекта Советский патент 1989 года по МПК G01B21/00 

4ь

sj

со

00

СО

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для точных измерений углового положения объекта в широком диапазоне изменения углов.

Цель изобретения - расширение диапазона измерения углового перемещения объекта путем модуляции частоты аку-стооптического модулятора и фильтрации соответствующих электрических сигналов.

На чертеже приведена функциональная схема устройства.

Устройство содержит последовательно соединенные лазер 1, акустоопти- ческий модулятор 2, плоскопараллельную пластинку 3, связываемую с объектом, дифракционную решетку 4, фотоприемник 5, фильтр 6, фазометр 7, выход фотоприемника 5 через фильтр 8 и смеситель 9 соединены с фазометром 10, первые входы фазометров 7 и 10 связаны с выходом генератора 11 низкой частоты, выход генератора 12 высокой частоты подключен к вторым входам смесителя 9 и модулятора 13, выход которого соединен с входом акустического модулятора 2,

Устройство работает следующим образом.

Пучок света лазера 1 падает на акустооптический модулятор 2. Дифрагированный на акустооптическом модуляторе 2 пучок и пучок нулевого порядка поступают на плоскопараллельную пластинку (ППП) 3, угол поворота которой необходимо измерить. Пусть в - угол дифракции света на модуляторе 2, когда на него подается одна частота. Если ППП 3 перпендикулярна оптической оси, то угол падения пучка на пластинку у б . Если ППП 3 поворачивается на угол ei, то угол падения у, 0 , d . Аналогично угол падения пучка нулевого порядка на пластинку у2 d. Оба пучка при прохождении ППП 3 в зависимости от угла поворота d приобретают различные фазовые набеги.

Углы преломления пучков первого и нулевого порядков

, sin( 6 + al) sin у,;

i sine sinTl ---(О

где n - показатель преломления ППП,

Фазовые набеги при прохождении

ППП

v,

2iTL-n 2ff

L-n

cosj-i Л I Чn2

- 2|TL- n 2 L-n Лсозу и

ZT (2)

sin2

ПГ Sln J1 и

Разлагая эти выражения в ряд Тейлора, получают

2i L-nГ1-cos2(e+oO I

V Г I1п У

„. ,+ j

0 ЛLn2 J

(3)

где h - длина волны света;

L - толщина ППП. Дифрагированный пучок проходит через дифракционную решетку 4 и попадает на фотоприемник 5, а пучок

нулевого порядка дифрагирует на

дифракционной, решетке 4 и тоже поступает на фотоприемник 5, где оба пучка интерферируют. Добавочные дифракционные порядки света, которые

возникают при прохождении дифрагированного пучка через дифракционную решетку 4, могут быть устранены установкой перед фотоприемником щели (на чертеже не показана). На модулятор 2 с модулятора 13 подается сигнал

U (1+т созшнО coswftt cosw8t +

+ - cos (ui8+uiK)t + - COS(U)B-WH) t, (4)

где т - глубина модуляции;

WH- частота генератора 11 . Из выражения (4) видно, что на модулятор 2 подаются сигналы трех час- тот. Поэтому после модулятора 2 имеются три дифрагированных пучка, каждый из которых при прохождении пластинки 3 приобретает различный набег фазы в соответствии с выражением (3),

50

так как угол дифракции света на модуляторе

i - Ј. f

- v-

v ъъ

(5)

где Vift - скорость звука в модуляторе 2;

f - частота сигнала. Полагая, что модулятор 2 осуществляет неглубокую фазовую модуляцию,

314798314

можно получить следующее выражение , i жет быть отфильтрована установкой для напряжения на выходе фотоприем-после фотоприемника 5 конденсатора):

ника 5 (постоянная составляющая мо- счг

и вы Iostn 5 /ftexP(i4+ kxsin6t)+iexp( + + kxsin62 + -an р

+ Ч.| (we + wH)t + + kxsin6j) + Y | exp f i (шв- ц,) t Hf(l+ kxsin в4 J| Jx « Urn ,B t + ifa- (/,+ -| (sin 64- sin 0,+ UmlCos(u)&+ WH) t tifj-if,

+ -| (sin03- sin01)J+ ит3соз(и)В-и,,Н + if 4 Л + f (sin e4- -sin6,)I+ Um4cos(2o)Mt + i/4- i/3 + -| ( si/i03)j + Umfcos wHt +

+ -5- + a (sin 93- sin e4)J,-(6)

где а - апертура фотоприемнйка 5;Этот сигнал подается на смеситель

10 - интенсивность света на моду- 9, после которого получают сигнал

ляторе 2;20 u,Urancos u)Ht+4 -4i+ (sines-sine,)J .

5 - чувствительность фотоприем- , л z /y

помощью фильтра 6 выделяется

- дифракционная эффективность сигнал

модулятора 2;U U Г t i±-4j

р - дифракционная эффективность25 5 COSLU)H 2 +

дифракционной решетки 4:. .

тт ттт тт™ ka(sin 0s- sin64) т ,„, Um.Unij, ,Um3, j (9)

Uma, TJm K - амплитуды частотных сос4 эДля компенсации постоянных фазовых

тавляющих сигналов на вы- м

ходе фотоприемника; gn сдвигов а (sin 65- sin 6,) ;

,. - , izcosW.ka(sin9s- sine)

H(- An2 Гна вьк°Дах Фильт ilЈos2j,6 +c{21 poB 6 и 8 могут быть установлены фа1 ALn2 J зовращатели (на чертеже не показаны).

2 jrLг1-соз2(0з+) 1 Поэтому можно считать, что фазометр

ALn J 7 изметэяет гЬяяовый спвиг ----

7 измеряет фазовый сдвиг -о а

q, 2ЈЬп р + Iicos2 e j+o(} |.фазометр 10 - фазовый сдвиг V3-Ч, .

Ln2 . JУчитывая (6) и полагая, что углы диф, Л л Л40 ракции света малы, получают

i j ; yi v- f в 5

, 4i/L . . .,,1ПЧ

.Л А «: Ч. f И

6Э v fB+ fH 52nV

382fL

Vo,,

М э- - - (f6+ fH)ain2ef. (11)

64 v ( n 4 f

V38Поскольку f e f н, то крутизна из2ffменения фазы в выражении (11) значнК , ; тельно больше, чем в выражении (10).

Поэтому фазометром 7 можно осущестd - шаг дифракционной решетки 4. ,Q влять грубое измерение угла с/ в широких пределах, а фазометром 10 Из выражения (6) видно, что на точное. Откалибровав фазометры, зада- выходе фотоприемника 5 присутствуют вая известные углы d, можно сформи- сигналы нескольких частот. С помощью ровать два канала измерения - точный фильтра 8 выделяется сигнал « и грубый. Причем диапазон измерения

по грубому каналу значительно выше, U, Um cos (ыв+ w) t + ijs- if,+ чем у прототипа. Действительно, ис,пользуя отношение (10) для Чпрот

ка / л . т /-

+ --(sin бj- sin в,) (7) из выражения:

7 изметэяет гЬяяовый спвиг ----

7 измеряет фазовый сдвиг -о а

фазометр 10 - фазовый сдвиг V3-Ч,

U sin(w t

П1D

,

прог

),

(12)

if

прот

w

fsine

л™ a

- частота генератора высокой частоты; а - апертура фотоприемника; 9 - угол между пучками, от-

раженными от отражателей в плоскости фотоприемника;длина волны света; амплитуда напряжения,

получают

M-Jofrp - - « .... J

nV3B- a

м Пр01

Положим, что в качестве материала модулятора выбран молибдат свинца с п 2, V, 4 -104 мм/с,

L 3 мм, Получают

-э.

Јн

А 0,63-10 эмм, а 2 мм.

Ю

с

20 ектом, дифракционную решетку и фотоприемник, первьй фазометр, выход которого является первым выходом устройства, и генератор высокой частоты, отличающееся тем,

. з

Vnpor

25 что с целью расширения диапазона иэ- Следовательно, по сравнению с про- мерений углового перемещения объекта, оно снабжено первым фильтром, 1

вход которого соединен с выходом фотоприемника, а выход - с входом пер30 вого фазометра, последовательно соединенными вторым фильтром, вход которого соединен с-выходом фотоприемника, смесителем и вторым фазометром, выход которого является вторым

35 выходом устройства, модулятором, выход которого соединен с акустоопти- ческим модулятором, генератором низ-: кой частоты, выход которого соединен с входами первого и второго фазомет40 РОВ и модулятора, а выход генератора высокой частоты соединен с входами модулятора и смесителя.

тотипом диапазон измерений угла значительно расширен. Причем регулировку и перестройку диапазона измерения можно производить выбором частоты Јн. Фазометр 10 осуществляет точное измерение угла.

Крутизна измерения фазы в прототипе (12) ив предлагаемом устройстве (11):

прот

а А

(13)

2fL()

5 КЭо5р

Приравнивая указанные выражения с учетом приведенных данных f B v

798316

4 -10 Гц, что вполне достижимо для современных акустооптических модуляторов. Таким образом, в устройстве сформированы два канала измерения- точный и грубый, расширен диапазон преобразования при сохранении точности на уровне прототипа, а также упрощена оптическая схема устройст- 0 ва, так как в ней отсутствуют отражатели.

Формула изобретения

Устройство для измерения угловых перемещений объекта, содержащее оптически связанные лазер, акустооп- тический модулятор, плоскопараллельную пластинку, связываемую с объектом, дифракционную решетку и фотоприемник, первьй фазометр, выход которого является первым выходом устройства, и генератор высокой частоты, отличающееся тем,

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для точных измерений углового перемещения объекта. Цель изобретения - расширение диапазона измерения углового перемещения объекта путем модуляции частоты акустооптического модулятора и фильтрации соответствующих электрических сигналов. Дифрагированные на акустооптическом модуляторе 2 пучки и пучок нулевого порядка при прохождении плоскопараллельной пластинки 3 испытывают различные набеги фазы в зависимости от угла поворота плоскопараллельной пластинки. Дифракционная решетка 4 совмещает указанные пучки на фотоприемнике 5, на выходе которого фаза сигнала будет пропорциональна углу поворота плоскопараллельной пластинки 3. Фазометры 7 и 10 осуществляют соответственно грубое и точное измерение угла. 1 ил.