Устройство для измерения угловых перемещений объекта Советский патент 1990 года по МПК G01B21/22 

На фиг.1 представлена функгщональ- ная схема устройства; на фиг.2 - развертка дорожки по окружности и ход лучей при повороте диска.

Устройство содержит последоратель- но оптически соединенные лазер 1, акустоодтический модулятор (АОМ) 2, дорожку 3, диск 4, дифракционную решетку 5, линзу 6, диафрагму 7, фотоприемник 8, а также генератор 9 низкой частоты, выход которого соединен с первым входом модулятора 10, второй вход которого соединен с выходом генератора 11 высокой частоты, выход модулятора 10 соединен с входом АОМ 2, выход фотоприемника 8 соединен с входами, фильтров 12 и 13, выход фильтра 12 соединен с первым входом смесителя 14, второй вход которого соединен с выходом генератора 11, выход смесителя 14, соединен с первым входом фазометра 15, выход фильтра 13 соеди1нен с первым входом фазометра 16, вторые входы фазометров 15 и 16 соединены с выходом генератора 9, выходы фазометров 15 и 16 являются выходньк-м шинами соответственно точного и грубого каналов.

Ось вращения диска 4 совмещена с осью вращения объекта. Толщина дорожки по окружности меняется по линейному закону. Дорожка покрыта отражающим покрытием.

Устройство работает следуюшлм образом.

Пучок лазера 1 освещает АОМ 2, на который от модулятора 10 подается амплитудно-модулированный сигнал

и(1 + m cosUbt) cosCOat .

15

20

25

где скорость звука в модуляторе.

Дифрагированные пучки и пучок нулевого порядка падают на дорожку 3 диска 4 и отражаются от нее. Так как толщина дорожки меняется при повороте диска 4 по линейному закону, то отраженные от диска 4 пучки смещаются параллельно друг другу (фиг.2) На фиг.2 несложно определить величину смещения

С - ОА 2R sinq. .0o6 , (3).

где R

ч cosWgt + cos(GJft +COH)t +

m

- cos(a)e - СО„)Градиус диска; угол падения пучка лазера на дорожку; 30Ы, - угол наклона дорожки по

отношению к плоскости диска;

w.j- угол поворота диска (объекта).

35Следовательно, смещение пучков

прямо пропорционально углу поворота объекта.

Далее пучки падают на дифракционную решетку 5, которая совмещает 40 пучок нулевого порядка с дифрагированными пучками. При зтом частота f выбрана такой, чтобы дифрагированные пучки интерферировали между собой. В результате на линзе 6 происходит интерференция дифрагированных пучков с пучком нулевого порядка. Линза 6 осуществляет преобразование Фурье, диафрагма 7 установлена в фокусе линзы 6, далее эта картина воспроизво- 50 дится фотоприемником 8. Поскольку 1.учки на входе линзы 6 смещаются параллельно ее плоскости, то по свойству Фурье-преобразования это приводит к изменению фазы пучков в плоскости . 55 УРье-преобразования. Тогда, полагая, что падающие на линзу 6 пучки имеют плоский фронт, получают сле- (1)дующее выражение для сигнала на выходе фотоприемиика 8;

где скорость звука в модуляторе.

Дифрагированные пучки и пучок нулевого порядка падают на дорожку 3 диска 4 и отражаются от нее. Так как толщина дорожки меняется при повороте диска 4 по линейному закону, то отраженные от диска 4 пучки смещаются параллельно друг другу (фиг.2) На фиг.2 несложно определить величину смещения

С - ОА 2R sinq. .0o6 , (3).

где R

ч Ы, -

iz Ф/г

и I / I (expi K(X-C) ,t+ ,+K(X-C)p j + 1 I expi(CDj-«-0,)t +

+ К(Х-СМбв 9н + f expi(u3e-С0„)1 + K(X-C)(9j-0H)IjexpiyXdx /d «U«,co8(tOj + Q)t - KCfij

16

+ и cos w/ - КСРн

(4)

г

V 2Г где К - волновое число;

- координата в плоскости

щели; 1,0 - размеры диафрагмь) 7 и

линзы 6; Um,Ut«2 акшлитуды сигналов.

В вьфажении (4) не приведены слагаемые с частотами СО WB СО ц , 2(|)|,, так как фильтры 12 и 13 пропускают сигналы с частотами соответственно Ci)a 00«H(4j. После смесителя 14 частота сигнала уменьшается до и)н Таким образом, фазометр 16 измеряет фазу сигнала (грубый канал измерения) ( - КСбц), а фазометр 15 - фазу сигнала U cos(Oj +0),,)t - -КС0 р(точный канал измерения).

Таким образом, для грубого и точного каналов фазы

iA

/п кгО - --in г

Н гр Н - -у ,

1603193

s

0

5

0

2flf 6 ,,

V-.

PтcцГ C V,.

Устройство позволяет измерять углы в диапазоне 0-359.V

Формула изобретения

Устройство для измерения угловых перемещений объекта, содержащее оптически связанные лазер, акустооп- тический модулятор, отражатель, предназначенный для закрепления на объекте измерения, дифракционную решетку и фотоприемник с диафрагмой, параллельно подключенные к выходу фотоприемника два фильтра и последовательно подключенные к первому фильтру фазометр, а к второму - последовательно подключенные смеси- - тель и фазом тр, модулятор, связанный с входом акустооптического модулятора, генератор низкой частоты, выход которого связан с модулятором и входами первого и второго фазометров, генератор высокой частоты, выход которого связан с вторым входом модулятора и входом смесителя, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона измерений, оно снабжено линзой, установленной мезвду дифракционной решеткой, и фотоприемником с диафрагмой, а отражатель выполнен в виде диска с кольцевой отражающей дорожкой, толщина которой вдаль окружности изменяется по линейному закону.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для точных измерений углового положения объекта в широком диапазоне изменения углов. Целью изобретения является расширение диапазона измерений углового перемещения объекта за счет введения в измерительное устройство диска с дорожкой, толщина которой изменяется по линейному закону, и фокусирующей линзы. Лазер 1 освещает акустооптический модулятор (АОМ) 2, на который подан амплитудно-модулированный сигнал. Свет на АОМ 2 дифрагирует. По выходе из АОМ 2 дифрагированные пучки и пучок нулевого порядка отражаются от дорожки 3 диска 4, смещаясь при повороте диска параллельно друг другу. Смещение пучков пропорционально углу поворота объекта. Попадая далее на дифракционную решетку 5, пучки по выходе из нее интерферируют на линзе 6, осуществляющей преобразование Фурье. По изменению фазы сигнала на выходе фотоприемника 8 судят об угле поворота объекта измерения. 2 ил.