Сканирующий оптико-электронный датчик угла Советский патент 1989 года по МПК G01B11/26 

Фи«.;

315

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение, в системах для измерения малых угловых отклонений различных объектов, например в гироскопиио

Цель изобретения - повышение точности и быстродействия - достигается за счет увеличения частоты сканиропания и повышения ее стабиль нести путем использования акустического метода сканирования.

На фиг, 1 приведена схема оптического тракта и электронного блока датчика угла; на фиг, 2 диаг- раммы электрических сигналов в электронном блоке; на фиг, 3 - разрез Л-А на фиг, 1, фотоприемник с световым пятном в центральном положении; на фиг, 4 - то же, с световым пятном, смещенным на одну из светочувствительных площадок о

Устройство содержит источник 1 когерентного излучения, светоделитель 2, сканатор в виде акустоопти- ческого модулятора 3 с пьезоизлу- чателем Л, высокочастотный источник 5 питания, генератор 6 пилообразного напряжения, плоское зеркало 7, объектив 8, в фокальной плоскости которого расположена светочувствительная площадка 9 фотоприемника 10, на которую нанесена невосприимчвая к свету полоса П, блок 12 преобразования сигнала,

Блок I2 преобразования сигнала состоит из двух усилителей 13, двух компараторов 14, триггера 15 и фильтра 16 частот.

Сканирующий оптико-электронный датчик угла работает следующим образом.

Параллельный пучок света от источника 1, проходя через светодели тель 2, падает на акустооптический модулятор 3, который установлен к направлению лучей под углом 0ц Брэгга Угол Брэгга находится из условия дифракции лучей в первой дифракционный максимум V

А

sin

ь 2А

Л - длина волны источника 1;

Л - длина акустической волны, 55 возбужденной в акустооп- тическом модуляторе 3 с помощью пьезоизлучателя 4 от источника 5 питания,

средняя частота источника 5 определяется по формуле

Л д.

где V - скорость акустических волн и в акустооптическом модуляторе 3„

Бегущая волна в модуляторе 3 эквивалентна п оявлению в нем дифракционной решетки н при соответствующем подборе амплитуды в источнике

5большая часть излучения источника 1, падающая на модулятор 3, отклоняется под углом 04 ®ь дает перпендикулярно на зеркало 7, Отражаясь от зеркала 7, свет опять испытывает дифракцию в модуляторе 3 и, падая на светоделитель 2 под углом 45°, направляется на объектив 8 которым фокусируется на светочувствительную площадку 5 фотоприемника 10 в световое пятное, причем при нулевом, т,е, неотклоненном положении зеркала 7, пятно попадает в центр полоски I1 светочувствительной площадки 9, При этом сигналы

на выходах фотодиода 10 отсутствуют Функционирование устройства, связанное со сканированием пятна, происходит следующим образом. Источник 5 питания типа свип-геиератора осуществляет частотную модуляцию, котора производится с помощью генератора

6пилообразного напряжения. При это происходят периодические нарушения условий брэгга, т.е„ свет отражается на угол 9, 0б±л9. Отраженны от зеркала 7 лучи также меняют направление на ±& 9 , ив результате изменения обратного хода лучей световое пятно колеблется (сканирует) перпендикулярно разделительной полоске 11 на поверхности площадки 9 (фиг, 3),

Рассмотрим теперь графики сигналов в электронном блоке 12 (фиг, 2) при неотклоненном положении зеркала 7, На фиг, 2а показан управляющий сканированием сигнал с генератора 6 с периодом Т, При прохождении этого сигнала через нуль световое пятно находится в центре полоски 1 1 , При нарастании сигнала пятно через короткий интервал времени попадает на одну из светочувствительных половин площадки 9 (например правую, фиг, 2а), при этом в ней возникает сигнал, показанный на фиг. 26 Его длительность несколько меньше

Т

г (Т - период сканирования). Подобный сигнал, только со сдвигом по времени на Т/2, снимается и с другой половины дифференциального фотоприемника 10 (фиг. 2в). После усиления этих сигналов с помощью усилителей 13 они подаются на компараторы 14, сигналы с которых приведены на фиг. 2 г,д„ От передних фронтов-этих сигналов запускается триггер 15, на выходе которого возникает сигнал в виде меандра с длительностью полупериодов по Т/2. При подаче такого напряжения на фильтр 16 нижних частот (ФНЧ) получим нулевой выходной сигнал.

При повороте зеркала 7 от нулевого положения на.уголДо6| который требуется измерить, ход отраженных от зеркала 7 лучей изменится таким образом, что середина линии сканирования сместится от полоски 11 в какую-либо сторону, в зависимости от знака Д0 (фиг. 4). В этом случае при сканировании на одной половине площадки 9 пятно.будет находиться в течение Т/2 + Т, а на другой Т/2 - Т. График сигналов с компараторов 14 приведен для этого случая на фиг. 2 ж, 3, а с триггера 15 - на фиг. 2н, откуда видно, что в выходном фильтре 16 появится постоянная составляющая определенного знака, зависящего от знака uoi. Это значит, что электронный блок 12 выдает сигнал, пропорциональный угловому смещению объекта. Линейность выходной характеристики датчика U(uot) определяется линейностью сигнала с генератора 6. Отметим, что наличие разделительной полоски 11 между чагтя- ми светочувствительной площадки 9, размеры которой превышают диаметр светового пятна, не сказываются на форме сигналов с триггера 15 и влияют на выходной сигнал. Ширина полоски 11 вызывает лишь некоторое уменьшение углового обзора датчика, определяемого амплитудой сканирования X, а она в свою очередь, зависит от амплитуды углового сканирования д0 и фокусного расстояния 8 (их F Д9). Угловой обзор в зависимости от выбора акустооптического элемента 3 может достигать ±1°. Формула изобретения

Сканирующий оптико-электронный

датчик угла, содержащий источник когерентного получения, оптически связанные и установленные .по ходу луча светоделитель, сканатор и плоское зеркало, кинематически связываемое

с объектом, объектив, оптически связанный с светоделителем, дифференциальный фотоприемник, светочувствительная площадка которого расположена в фокальной плоскости объектива, и блок преобразования сигнала, входа которого соединены с соответствующими входами дифференциального фотоприемника, отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности и быстродействия, он снабжен последовательно соединенньми высокочастотным генератором пилообразного напряжения и источником питания, сканатор выполнен в виде акустооптического модулятора, входом

соединенного с выходом высокочастотного источника питания, и установлен под углом Брэгга относительно напряжения распространения луча.

Фи1.2

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в системах для измерения малых угловых отклонений различных объектов, например в гироскопии. Цель изобретения - повышение точности и быстродействия. Это достигается за счет увеличения частоты сканирования и повышения ее стабильности путем использования акустооптического метода сканирования. Источник 1 когерентного излучения освещает лучом света зеркало 7, установленное под углом Бретта по отношению к лучу, связываемое с объектом. Отраженный луч света с помощью светоделителя 2 и объектива фокусируют на светочувствительную площадку 9 дифференциального фотоприемника 10, сигнал с которого преобразовывается блоком 12 преобразования в импульсный с широкоимпульсной модуляцией. Об угле судят по отсутствию постоянной составляющей на выходе фильтра 16 нижших частот. Использование в качестве сканатора акустооптического модулятора 3 позволяет осуществить сканирование по линейному закону, задаваемому генератором 6 пилообразного напряжения с высокой частотой и стабильностью. 4 ил.

А-А, 11

Фиъ.З

L:LA. и

Шие.