Оптико-электронное углоизмерительное устройство Советский патент 1990 года по МПК G01B21/22 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к оптико- электронным приборам для измерения углов поворота контролируемых объектов, , и может быть применено в станкостроении, приборостроении, в строительстве, геодезии,

Цель изобретения - повышение быстродействия и точности измерения за JQ счет отсутствия инерционных элементе и компенсации дрейфа элементов схемы.

На фиг, 1 изображено углоизмеритель- ное устройство; на фиг, 2 - анализатор и изображение щелей марки,

Углоизмерительное устройство содержит отражатель 1, размещенный на контролируемом объекте и выполненный в виде прямоугольной призмы, объектив 2, светоделительный элемент 3, мар- 0 ку 4, на которой нанесена первая щель 5, вторая щель 6, третья щель 7 и четвертая щель 8, анализатор 9, выполненный в виде стеклянной пластины с металлическим покрытием, на котором вы- J5 полней набор чередующихся прозрачных щелей 10 с расстоянием между серединами щелей, равным их двойной ширине, первое треугольное окно 11, второе треугольное окно 12, блок 13 питания,.Q выполненный с регулирующими выходами, первый 14, второй 15 и третий 16 излучатели (например, светодиоды) , фазо- сдвигающие блоки 17, 18, основной 19, дополнительный 20 и опорный 21 фотоприемники, основной 22, дополнительный 23 и опорный 24 усилители (переменного тока) , фазометры 25 и 26, обеспечивающие выходные сигналы в виде кода, два амплитудно-фазовых де- 0 тектора 27 и 28, блок 29 согласования, на анализаторе 9 пунктиром показаны изображения 30-33 соответственно первой 5, второй 6, третьей 7 и

35

меры треугольных окон II, 12 определяются диапазоном измерений.

Излучатели 14, 15, 16 оптически связаны через марку 4 и элемент 3 с опорным фотоприемником 21, Расстояни между серединами чередующихся прозра ных щелей 10 равно двойной ширине. Они оптически связаны с основным фотопри емником 19 и через светоделительный элемент 3, объектив 2, отражатель 1 - с первой 5, второй 6 и третьей 7 щеля ми марки 4 и излучателями 14, 15

Марка может быть выполнена на стек лянной пластине с металлическим покрытием, на котором нанесены 4 щели, Первая щель 5 нанесена посередине мар ки, вторая 6 и третья 7 - по обе стороны от первой, четвертая щель 8 нанесена на продолжении третьей, Расстояние от середины первой щели 5 до середины второй щели, а также середины третьей и четвертой щели равно 8/3 ширины щели 10 анализатора (принципиально возможно выбирать расстояние равное 2/31, 4 2/31, 6 2/31 и т.д.), Конструктивно наиболее оптимальным расстоянием является расстояние между серединами щелей, равное 8/31 2 2/31. Высота оснований треугольных окон одинакова,

Первый выход блока 13 питания элек трически соединен с первым излучателем 14 и вторыми входами фазометров 25 и 26. Второй выход блока питания соединен через фазосдвигающий блок 17 со вторым излучателем 15, Третий выход блока 13 питания электрически сое динен через фазосдвигающий блок 18 с третьим излучателем 15. (Фазосдвигающий блок 17 сдвигает фазу сигнала на

120°

а фазосдвигающий блок 18 на

-120°), Первые входы амплитудно-фазовых детекторов 27 и 28 соединены с

четвертой 8 щелей марки 4, Прозрачные д5 Усилителем 24 переменного тока, Втотреугольные окна 11 и 12 нанесены симметрично относительно вертикальной оси центральной щели 10 анализатора так, что их основания противолежащи«

Первое окно 11 оптически связано с дополнительным фотоприемником 20 и через элемент 3, объектив 2 и отражатель 1 - со второй щелью 6 и вторым излучателем 15. Второе окно 12 оптически связано с дополнительным фотоприемником 20 и через элемент 3, объектив 2 и отражатель 1 с щелью 8 и излучателем 16. Геометрические раз

Q 0

5

меры треугольных окон II, 12 определяются диапазоном измерений.

Излучатели 14, 15, 16 оптически связаны через марку 4 и элемент 3 с опорным фотоприемником 21, Расстояние между серединами чередующихся прозрачных щелей 10 равно двойной ширине. Они оптически связаны с основным фотоприемником 19 и через светоделительный элемент 3, объектив 2, отражатель 1 - с первой 5, второй 6 и третьей 7 щелями марки 4 и излучателями 14, 15 .

Марка может быть выполнена на стеклянной пластине с металлическим покрытием, на котором нанесены 4 щели, Первая щель 5 нанесена посередине марки, вторая 6 и третья 7 - по обе стороны от первой, четвертая щель 8 нанесена на продолжении третьей, Расстояние от середины первой щели 5 до середины второй щели, а также середины третьей и четвертой щели равно 8/3 ширины щели 10 анализатора (принципиально возможно выбирать расстояние, равное 2/31, 4 2/31, 6 2/31 и т.д.), Конструктивно наиболее оптимальным расстоянием является расстояние между серединами щелей, равное 8/31 2 2/31. Высота оснований треугольных окон одинакова,

Первый выход блока 13 питания электрически соединен с первым излучателем 14 и вторыми входами фазометров 25 и 26. Второй выход блока питания соединен через фазосдвигающий блок 17 со вторым излучателем 15, Третий выход блока 13 питания электрически соединен через фазосдвигающий блок 18 с третьим излучателем 15. (Фазосдвигающий блок 17 сдвигает фазу сигнала на

120°

а фазосдвигающий блок 18 на

-120°), Первые входы амплитудно-фазовых детекторов 27 и 28 соединены с

0

5

рой вход амплитудно-фазового детектора 27 электрически соединен с выходом фазосдвигающего блока 17, Второй вход амплитудно-фазового детектора 28 электрически соединен с выходом фазо- сдвигающего блока 18, Выходы амплитудно-фазовых детекторов 27 и 28 соединены со входом блока 13 питания.

Выходы фотоприемников 19 и 20 через усилители 22, 23 переменного тока соединены с первыми входами фазометров 25 и 26, Выходы фазометров 25 и 26 электрически соединены с входом блока 29 согласования,

51

Устройство работает следующим образом,

Излучатели 14, 15 и 16 эапитаны о блока 13 питания через фаэосдвигающи блоки 7, 18 переменным напряжением со сдвигом фаз 120° друг относительно друга, Свет от излучателей 14, 15 16, освещая соответственно щели 5, 6 7, 8 и отразившись после прохождения элемента 3 и объектива 2 от отражателя 1, попадает через анализатор 9 на фотоприемники 19 и 20, На фотоприем- ник 19 попадает свет от излучателей 14, 15, 16 после прохождения щелей 7, 5,6 марки 4 и чередующихся щелей 10 анализатора 9. На фотоприемник 20 попадает свет от излучателей 15 и 16 после прохождения щелей 8 и 6 марки 4 и треугольных окон 11 и 12 анализатора.

Если отражатель 1 расположен нормально к оптической оси устройства, то наложение щелей марки 4 на щели анализатора 9 будет соответствовать изображенному на фиг, 2, т.е. на фотоприемник 19 будет поступать максимум излучения от изображения 30 щели 5 и 1/2 излучения от изображений 31, 32 щелей, а на выходе усилителей 22 и 23 будут формироваться переменные сигналы, фазы которых будут совпадать с фазой сигнала, поступающего на излучатель 14, При повороте отражателя 1 на угол gb изображение щелей марки 4 смес- тится относительно вертикальной оси симетрии анализатора 9. Суммируемые на фотоприемнике 19 сигналы разных фаз перераспределяются. Подобным образом перераспределяются сигналы на фотоприемнике 20, Фазы сигнала на выхода усилителей 22 и 23 будут отличаться от фазы сигнала излучателя 14.

45

Фазометры 25 и 26 измеряют этот фазовый сдвиг, который пропорционален углу оС поворота отражателя 1,

При повороте отражателя 1 на угол, соответствующий перемещению щелей марки 4 по анализатору 9 на двойную ши- 50 рину щелей 10, разность фаз, измеряемая фазометром 25, будет изменяться

0

5

5

0

Информация с фазометров 25, 26 ь виде кодов поступает ь блок 29 сования, где формируется суммарный кодовый сигнал, соотретствующий повороту отражателя отн сительно оптической оси устройства, Возможен следующий вариант процесса согласования.

Если значение старшего разряда точного отсчета, поступающего от фазометра 25, будет равно нулю, а младшего разряда грубого отсчета, поступающего от фазометра 26, будет равно единице, то логическая схема блока 29 формирует дополнительную единицу, кото- рая суммируется с кодом грубого отсчета. При остальных комбинациях старшего разряда точного отсчета и младшего разряда грубого отсчета логическая 0 схема формирует ноль, который формально суммируется с кодом грубого отсчета.

Если яркости излучателей одинаковы, то на выходе усилителя 24 переменный 5 сигнал будет отсутствовать, Если яркость одного из излучателей изменится, то на выходе усилителя 24 появится переменный сигнал, фаза которого будет совпадать с фазой сигнала, поетупающего на излучатели 15 или 1 6. На выходе одного из амплитудно-фазовых детекторов 27 появится сигнал рассогласования, который будет служить в качестве управляющего сигнала для выравнивания яркостей.

Если изменяются яркости двух излучателей, то сигнал рассогласования появится на двух детекторах 27, 28, Эти сигналы будут использоваться для выравнивания яркостей излучателей. Та- ким образом будет непрерывно поддерживаться одинаковая амплитуда сигнала на выходе излучателей.

Если взять начало координат в середине изображения 30 щели набора 10 и принять, то центр изображения 30 марки совпадает с серединой щели, то при перемещении изображения на величину ДХ световой поток на выходе анализатора будет изменяться по формуле

сбз --°-Л-Х- ВК-со5 Я ,

5

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к оптико-электронным приборам для измерения углов поворота контролируемых объектов, и может применяться в станкостроении, приборостроении, строительстве, геодезии. Целью изобретения является повышение быстродействия и точности измерения за счет отсутствия инерционных элементов и компенсации дрейфа элементов схемы. Устройство содержит отражатель 1, три излучателя 14, 15, 16, блок 13 питания излучателей с регулирующими выходами, марку 4, объектив 2, анализатор 9, основной 19, опорный 21 и дополнительный 20 фотоприемники, усилители 22, 23, 24, два амплитудно-фазовых детектора 27, 28, два фазосдвигающих блока 17, 18, выполненных с возможностью обеспечения фазового сдвига, равного 120°, два фазометра 25, 26, блок 29 согласования. Анализатор 9 выполнен в виде пластины с набором чередующихся прозрачных щелей 10 с расстоянием между серединами щелей, равным их двойной ширине, а также двух прозрачных треугольных окон 11, 12 с противолежащими основаниями. Марка 4 выполнена в виде четырех щелей 5,6,7,8. Щели нанесены с растоянием между серединой первой щели 5 и серединой второй щели 6, а также серединой третьей 7 и четвертой щели 8, равным 8/3 ширины щели анализатора 9. Устройство позволяет получить высокую точность измерения за счет большого передаточного коэффициента между углом поворота отражателя и изменением фазы сигнала. 2 ил.

на 360

жателя

При дальнейшем повороте отра- информация с выхода фазометра 25 будет периодически повторяться. та зависящий от апертурной диафрагмы

Разность фаз, измеряемая фазометром 26, будет изменяться от -60 до +60° при повороте отражателя на угол, соответствующий диапазону измерения.

фокусного расстояния , коэффициента пропускания и т.д.; 1 - ширина щели; ДХ - величина перемещения изображения марки,

где В - яркость излучателей; К - конструктивный параметр оптического тракфокусного расстояния , коэффициента пропускания и т.д.; 1 - ширина щели; ДХ - величина перемещения изображения марки,

Суммарный световой поток с учетом того, что щели 6 и 7 сдвинуты относительно щели 5 на величину 8/3 ширины щели будет определяться формулой

sin ,

ЈU

21

где d - угол поворота отражателя.

Таким образом, при перемещении изображения на величину, равную ДХ 21, фаза сигнала ц будет меняться от-0 до 360 . Из вышеприведенного выражения можно определить зависимость между углом поворота отражателя tL и фазой сигнала f

360° f ОБ te2ol (

Wl j

fle 360° m

fi6 360°

- коэффициент редукции.

рмула изобретения

Оптико-электронное углоизмеритель- ное устройство, содержащее отражатель два излучателя, блок питания излучате лей, выполненных с регулирующими выходами, марку, объектив, анализатор, светоделительный элемент, основной и опорный фотоприемники, электрически связанные с основным и опорным усили- телями, блок питания, амплитудно-фазовый детектор, выход которого электрически соединен с блоком питания, а вход - с опорным усилителем, отличающее ся тем, что, с целью по- вышёния быстродействия и точности измерения, оно снабжено двумя фазосдви- гающими блоками, третьим излучателем, дополнительным фотоприемником с дополнительным усилителем, двумя фазомет- рами, дополнительным амплитудно-фазовым детектором, блоком согласования,

О

0

5

о -. д 5

анализатор выполнен в вид-1 пластины с набором чередующихся прозрачных щелей с расстоянием между серединами щелей, равным их двойной ширине, оптически связанных с основным фотоприемником, а также двух прозрачных треугольных окон с противолежащими основаниями, оптически связанных с дополнительном фотоприемником, марка выполнена в виде четырех щелей, оптически связанных с опорным фотоприемником и через светоделительный элемент, объектив и отражатель - с анализатором, при этом первая щель марки связана с набором чередующихся щелей и первым излучателем, вторая щель марки - с набором чередующихся щелей, первым треугольным окном и вторым излучателем, третья щель марки - с набором чередующихся щелей и третьим излучателем, четвертая щель марки - с вторым треугольным окном и третьим излучателем, щели на марке нанесены с расстоянием между серединой первой щели и сепединой второй щели, а также серединами третьей и четвертой щелей, равным 8/3 ширины щели анализатора, при этом выходы основного и дополнительного усилителей электрически соединены с входами фазометра, первый выход блока питания электрически соединен с первым излучателем и вторыми входами фазометров, выходы которых электрически соединены с входом блока согласования, второй выход блока питания соединен через первый фазосдвигавший блок с вторым и131учателем, третий выход блока питания электрически соединен через второй фазосдвигающий блок с третьим излучателем, второй вход основного амплитудно-фазового детектора электрически соединен с вторым вых о- дом блока питания, третий выход которого соединен с вторым яходом дополнительного амплитудно-флчового детектору.

3f JO J2 I

Фиг. 2