Интерференционное устройство для измерения угловых перемещений Советский патент 1992 года по МПК G01B21/22 

(Л

С

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к оптикоэлектронным приборам, предназначенным для высокоточных измерений углов поворота различных объектов, имеющих ось вращения. Целью изобретения является повышение точности. В устройство введены датчики опорных положений преобразователя угла поворота (оптического преломляющего клина), вычислительное устройство, обеспечивающее однозначность измерений, и призменные отражательные системы, обеспечивающие увеличение оптических разностей ходов в интерферометрах. Оптические элементы интерферометров жестко закреплены на общей базовой кольцевой пластине. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве измерительного преобразователя для высокоточного измерения угловых перемещений различных объектов.

Известно интерференционное устройство для измерения угловых перемещений, содержащее источник излучения, двухлуче- вой интерферометр, включающий отклоняющиезеркала,отражатель, устанавливаемый на объекте, и регистрирующий блок. Недостатком указанного устройства является его высокая чувствительность к торцевым биениям плоского зеркального отражателя, закрепляемого на контролируемом объекте, следствием чего является погрешность измерения, пропорциональная удвоенному значению изменения угла наклона зеркальной плоскости относительно оси вращения, что практически не позволяет реализовать

высокую точность измерения углов поворота реальных контролируемых объектов.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, содержащее источник излучения, два двухлучевых интерферометра, преобразователь угла поворота и регистрирующий блок. Преобразователь угла поворота выполнен в виде оптического преломляющего клина, что делает данное устройство практически нечувствительным к радиальным и торцевым биениям и обеспечивает ему существенное преимущество по сравнению с известными аналогами, содержащими зеркальные преобразователи углов поворота.

Недостатками указанного устройства является необходимость совместной обработки информации, поступающей с выходов первого и второго интерферометров, и неопределенность начала измерений. При совместной обработка сигналов обоих

vi vj

о VI

N

интерферометров возникают погрешности, обусловленные сложением ошибок измерений в каждом интерферометре. Кроме того, использование плоских зеркал в качестве концевых отражателей в плечах интерферометров и раздельное закрепление оптических деталей в плечах интерферометров не обеспечивает достаточной чувствительности и стабильности измерений.

Цель изобретения - повысить точность, чувствительность и стабильность измерений углов поворота контролируемого объекта в пределах ±360°.

Указанная цель достигается тем, что интерференционное устройство для измерения угловых перемещений, содержащее оптически связанные источник излучения, два двухлучевых интерферометра, преобразователь угла поворота в виде оптического преломляющего клина, оптически связанного с измерительными плечами интерферометров, и блок обработки сигналов, информационные входы которого подключены к выходам интерферометров, снабжено датчиком начала отсчета и датчиком положения клина, оптический преломляющий клин выполнен с четырьмя плоскими зеркальными боковыми гранями, предназначенными для оптической связи с датчиком начала отсчета, и зеркальной кольцевой зоной на преломляющей поверхности, оптически связанной с датчиком положения клина, а блок обработки сигналов выполнен с входом начала отсчета, подключенным к выходу датчика начала отсчета и группой входов положения клина, подключенной к выходам датчика положения клина, кроме того, в измерительных плечах обоих интерферометров перед оптическим клином по ходу лучей от источника излучения установлены призменные отражательные элементы и оптические элементы интерферометров жестко закреплены на кольцевой оптической пластине.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства; на фиг. 2 - схема оптико-электронного преобразователя с датчиками; на фиг. 3 - циклограмма работы устройства.

Устройство содержит оптико-электронный преобразователь ОЭП (фиг. 1), формирующий измерительные сигналы двух интерферометров Н - А: датчик начала отсчета ДНО, формирующий управляющий сигнал Uo; датчик положения оптического клина ДПК, формирующий управляющие сигналы Uki-Un; блок обработки измерительных и управляющих сигналов БОС. В свою очередь, ОЭП содержит монохроматический источник излучения 1 (фиг. 2), коллиматор 2, светоделительную пластину 3,

зеркала-пластины А, сетоделительные пластины 5, прямоугольные призмы 6,7, 8,9,13, кольцевую оптическую пластину 9, оптический преломляющий клин 10, жестко свя5 занный с осью 0-0 контролируемого объекта, трипельпризмы 11 (две из четырех не показаны), линзы 14, фотопреобразователя 15. В состав ДНО входят источник излучения 16, коллимирующая линза 17,

0 плоское зеркало 18, фокусирующая линза 19 и позиционно-чувствительный фотопреобразователь 20. ДПК содержит источник излучения 21, коллимирующие и фокусирующие линзы 22 и фотопреобразо5 ватели 23. ДНО и ДПК оптически связаны с клином 10. Для связи с ДНО клин 10 выполнен с четырьмя плоскими зеркальными боковыми гранями Г, расположенными под углами ±45° относительно главного сечения

0 клина, а для связи с ДПК на преломляющей плоскости клина 10 нанесена кольцевая зеркальная зона К, В состав ОЭП входят два идентичных двухлучевых интерферометра, построенных по дифференциальным схе5 мам, измерительные плечи которых содержат призмы 6, 7, 8, кольцевую оптическую пластину 9, оптический преломляющий клин 10, трипельпризмы 11, призмы 12, 13. Для обеспечения необходимой стабильно0 сти взаимного положения оптических элементов в плечах интерферометров прямоугольные призмы 6, 7, 8,12 и светоделители 5 закреплены на кольцевой оптической пластине 9 неразъемным способом,

5 например, методом оптического контакта или склеиванием. Аналогичным способом призма 13 крепится к призме 8. Вершины трипельпризм 11 установлены в углах квадрата, диагонали которого вместе с высотами

0 трипельпризм лежат в двух взаимно перпендикулярных измерительных плоскостях интерферометров. БОС имеет вход, электрически связанный с входом датчика начала отсчета, и группу входов положения клина,

5 подключенную к выходам датчика положения клина. БОС содержит коммутатор выходных сигналов интерферометров, реверсивные счетчики, формирующие измерительные сигналы, и вычислительное уст0 ройство (микроЭВМ).

Устройство работает следующим образом.

Пучок света от источника 1 (фиг. 2) преобразуется коллиматором- 2 в параллель5 ный, разделяется на два пучка светоделительной пластиной 3, пучки после отражения от зеркальной части зеркал - пластин 4 направляются в два идентичных двухлучевых интерферометра. Ход световых пучков показан стрелками. В каждом интерферометре входной пучок света разделяется светоделителем 5 на два информационных пучка, образующих измерительные плечи интерферометра. Информационный пучок, прошедший светоделитель 5, последовательно отражается от призм 7, 8, проходит кольцевую пластину 9, оптический клин 10, отражается от трипельпризм 11 в обратном направлении со смещением параллельно падающему пучку, проходит on- тический клин 10 и кольцевую пластину 9, отражается со смещением от прямоугольной призмы 12, снова проходит кольцевую пластину 9 и оптический клин 10, отражается со смещением от трипельпризмы 11, про- ходит оптический клин 10 и кольцевую пластину 9, отражается от прямоугольной призмы 8, попадает в прямоугольную призму 13, отражается в ней в обратном направлении со смещением и возвращается со смещением к светоделительной пластине 5, повторив в обратном направлении вышеописанный путь. В другом плече интерферо- метра пучок света, отраженный от светоделителя 5, после отражения от прямо- угольной призмы 6 проходит путь, аналогич- ный описанному в первом плече интерферометра через диаметрально противоположный участок оптического клина 10. Призменные отражательные элементы 8, 12, 13, установленные в измерительных плечах интерферометров, обеспечивают многократное (восемь раз) прохождение пучков света через оптический клин 10 в каждом плече интерферометров и, соответ- ственно, повышение чувствительности измерений. Кроме того указанные отражательные призмы обеспечивают постоянное пространственное смещение входных и выходных световых пучков в пле- чах интерферометров при повороте оптического клина 10 вокруг оси вращения 0-0. На выходе каждого интерферометра после светоделительной пластины 5 образуются в результатеинтерференциидварезультирующих пучка, один из которых проходит через прозрачную часть зеркала- пластины 4 и фокусируется линзой 14 на чувствительной площадке фотопреобразователя 15, второй результирующий пучок в другом направлении фокусируется аналогичной линзой 14 на втором фотопреобразователе 15. При повороте клина 10 вокруг оси 0-0, изменяется оптическая разность хода Л в интерферометрах и на выходах фото- преобразователей 15 возникают выходные сигналы li, la, з и Ц в виде последовательности импульсов, число которых равно числу периодов переменных составляющих интенсивностей соответствующих световых

пучков, т.е. числу порядков интерференции в соответствующих интерферометрах, определяемого зависимостью

1 Ј К Sin a , (1)

где а - длина волны излучения источника света 1 ;

К - постоянный коэффициент, зависящий от конструктивных параметров интерферометров.

Между сигналами li и 1г, 1з и Ц обеспечен сдвиг по фазе, равный 90°, за счет оптико-физических свойств светоделительных покрытий на пластинах 5, что позволяет определить знак угла поворота объекта.

Интерферометры работают попеременно-последовательно в соответствии с циклограммой, изображенной на фиг. 3. Процесс измерения угла поворота контролируемого объекта вокруг оси 0-0 начинается в момент прохождения клином 10 одного из четырех опорных положений, принятого за начальное (нулевое) угловое положение контролируемого объекта. В этот момент на выходе датчика ДПК формируется один из четырех управляющих сигналов Uk, а на выходе датчика ДНО формируется импульсный сигнал Uo, которые поступают на соответствующие входы блока обработки сигналов БОС. БОС осуществляет преобразование сигналов Н - U с интерферометров и управляющих сигналов с датчиков и обеспечивает на выходе текущее значение измеряемого угла поворота контролируемого объекта согласно зависимости

+ at 45°-arc Sin - d щ ) +

+90° р,(2)

где NI - текущее значение измерительного сигнала в цифровом виде, формируемого в БОС из выходных сигналов соответствующего интерферометра;

N45 - постоянное число, равное числу порядков интерференции в соответствующем интерферометре при повороте клина на угол 45 от начала отсчета;

р - 0,1,2,3 - номер опорного углового положения клина, причем, 0- номер начального положения клина, при котором угол поворота принят за 0°.

При последовательной обработке сигналов с каждого из двух интерферометров в устройстве обеспечивается однозначность и повышение точности измерения угловых перемещений оптического клина и связанного с ним контролируемого объекта.

Формула изобретения

ком положения клина, а блок обработки сигналов выполнен с входом начала отсчета, подключенным к выходу датчика начала отсчета и группой входов положения клина, подключенной к выходам датчика положения клина.

Фиг.1

Т U

N

I

Ч4

.грйЗ

Фие.З