Способ измерения угловых величин и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК G01B11/26 

Изобретение относится к области тех- ничфской физики и может быть широко использовано в специальных геодезических работах, в точных геофизических измерениях и при производстве крупногабаритных изделий в качестве контрольно-измерительной аппаратуры,

Известны способы измерения углового положения объекта с помощью интерференционного изображения. К ним относятся способ измерения угловых величин с помощью плоско-параллельной пластины и способ рычажной схемы двухплечевого интерферометра Майкельсона. Эти способы характеризуются нелинейной зависимостью порядка интерференции от измеряемого угла рассогласования, что приводит усложнению системы обработки результатов измерений и к понижению точности измерений.

Известны также способы измерения углов с использованием пространственной когерентности излучения, при которой нелинейность зависимости угла рассогласования и порядка интерференции устраняется. Они основаны на классическом опыте Юнга и наиболее характерно реализованы в звездном интерферометре Майкельсона, обладающем высокой угловой чувствительностью, определяемой размером базы приема и длиной волны используемого излучения.

Способ реализован путем образования систем интерференционных картин от двух пар участков волнового фронта от одного источника излучения. Смещение интерфеS4 О СП hO vj

ренционных картин в плоскости анализа дает однозначную информацию о положении источника излучения. Точность измерения при использовании этого способа определяется погрешностью того канала, в котором используемые участки волнового фронта разнесены на большее расстояние. Влияние второго канала на точность измерения отсутствует, он обеспечивает лишь увеличение диапазона измеряемых угловых величин.

Целью способа является повышение точности измерения интерференционным методом.

Цель достигается тем, что в предполагаемом способе измерение угловых величин проводят по двум интерференционным картинам, образованным от участков волнового фронта, попарно разнесенных на одинаковое расстояние, но имеющих противоположные по знаку углы сходимости относительно участка волнового фронта, выделенного полупрозрачным зеркалом.

Известны устройства, реализующие интерференционные способы измерения г- лов с использованием пространственной когерентности излучения.

Существенным недостатком данного устройства является необходимость использования достаточно сложной системы определения знака рассогласования, а также то, что предельные погрешности измерения угловых величин в нем определяются величиной базы приема большего из каналов. Еще один из недостатков прототипа заключается в том, что приемная система из четырех зеркал образует интерференционную картину, линейная ширина в которой изменяется при изменении угла рассогласования, что существенно усложняет систему анализа интерференционной картины, особенно дробную часть одной полосы.

Целью изобретения является повышение точности угловых измерений интерференционного устройства.

Цель достигается тем, что в устройстве для измерения угловых величин приемный зеркальный блок выполнен в виде .системы зеркал, образующей две пары сходящихся волновых фргонтов и состоящей из.общего для них полупрбзрачного зеркала и второго глухого зеркала, расположенного от полупрозрачного на расстоянии, зависящем от требуемой точности измерений, и представляющего из себя составное из двух частей, развернутых относительно полупрозрачного на углы, равные по величине, но противо- положные по знаку.

Данный способ реализован с использованием одного лазерного источника излуче0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

ния, который образует в плоскости приема волновой фронт, из которого выделяются две пары разнесенных на некоторое расстояние участков. При этом углы сходимости двух пар участков волнового фронта образуются путем разворота участков волнового фронта относительно опорного на равные и противоположные по знаку углы.

Способ поясняется фиг.1 и 2.

На фиг.1 представлена одна из возможных схем реализации предлагаемого способа. Два приемных канала образованы установленным под углом 45° к направлению на источник излучения полупрозрачным зеркалом 1 и глухими зеркалами 2 и 3, развернутыми относительно направления, параллельного полупрозрачному зеркалу, на углы 4- в одном канале и -фо в другом. Образование интерференционной картины происходит после совмещения пучков полупрозрачным зеркалом, а анализ может производиться в любой плоскости, лежащей за ним.

Способ реализуется следующим образом.

Излучение от лазерного источника образует волновой фронт, из которого в плоскости приема полупрозрачное зеркало 1 выделяет опорный участок волнового фронта. Глухое зеркало 2, развернутое на угол + (ро относительно полупрозрачного, направляет на это зеркало второй участок волнового фронта, который после отражения от полупрозрачного зеркала встречается с прошедшим сквозь него под углом сходимости, равным 2 ро , Второй канал образован аналогично первому, но с помощью зеркала 3, развернутого относительно полупрозрачного зеркала на угол . Поэтому угол сходимости волновых фронтов во втором канале равен -2 Если лазер сместится, то волновой фронт развернется относительно приемного бл ока, возникает разность хода, несущая информацию о положении источника излучения. Интерференционная картина по каждому из каналов начнет перемещаться, при этом направление перемещения определяется знаком угла сходимости волновых фронтов, образующих интерференционную картину в каждом из каналов. Таким образом, величина смещения источника излучения определяется величиной смещения интерференционной картины от первоначального положения, а знак смещения - направлением взаимного перемещения картин в двух каналах.

Следовательно, в измерительной схеме отпадает необходимость введения устройств для определения знака рассол

ласрвания с использованием двух фото- приймников или фазочувствительным сканированием.

Јсли две части зеркала 2 и 3 разнести на разные расстояния относительно полупрозрачного зеркала (фиг.2), а развороты этих зеркал относительно направления, параллельного полупрозрачному зеркалу, сделать не только противоположными по знаку, но и Отличающимися по величине, то можно получить различные соотношения скоростей перемещения интерференционных картин в плоскости анализа. Предельные значения этих углов определяются выражениями

di -cos45°

.

tgps -

cos45°

2Di3

где di - световой диаметр полупрозрачного зеркала,

Di2, Di3 - расстояние между полупрозрачный зеркалом и частями второго зеркала.

Превышение значений этих углов приводит к геометрическому виньетированию, меняющему условий анализа интерфёрен- ционн:ой картины. Расстояния между зеркалами, faKxe как и в прототипе, определяются

не только требуемой точностью измерения в соответствии с выражением Ппоп A/D, но и возможностью устранения неоднозначности при их соотношении Di3 VA Di2, где А - любое иррациональное число.

Таким образом, предложенное решение позволяет существенно упростить систему анализа интерференционного

изображения в угломерах, а также за счет взаимно противоположного и равного по величине перемещения удваивает чувствительность угломера к смещению источника излучения, что позволяет повысить точность

угловых измерений интерференционных угломеров. Такая задача решена впервые и обладает технической новизной.

До сих пор использование интерференционных угломеров в нашей стране ограничено. В производстве пока нет серийно- выпускаемых лазерных угломеров. По периодической печати сведения о производственном использовании имеются лишь о двойном лазерном интерферометре для

определения положения объектов с погрешностью измерений 0,4 в диапазоне до 0,5. Предлагаемое решение способно сохранить диапазон измеряемых величин прототипа (3,5), вдвое повысив его точность (среднеквадратическая погрешность одного измерения 0,03), что доказывает его практическую ценность.

Изобретение относится к технической физике и может быть при производстве крупногабаритных изделий. Целью изобретения в части способа и устройства является повышение точности измерения угловых перемещений, Излучение от лазера образует волновой фронт, из которого в системе анализа картины полупрозрачное зеркало 1 выделяет участок фронта. Второе зеркало 2, развернутое относительно полупрозрачного, направляет на зеркало 1 второй участок волнового фронта, который после отражения от полупрозрачного зеркала 1 встречается с прошедшим сквозь него под углом сходимости. Второй канал образован аналогично первому, но с помощью второй части зеркала 3, развернутого относительно полупрозрачного зеркала 1 на заданный угол. В случае смещения объекта, а соответственно и лазера, происходит разворот волнового фронта относительно системы анализа, при этом возникает разность кода, несущая информацию о положении объекта. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 2 ил. (Л С

Формула изобретения

arctg

pi arctg

di cos45° .

Dl.2

di cos45° Di.3

где di -световой диаметр полупрозрачногоDi,2 и Di,3 - расстояния между полузеркала; прозрачным зеркалом и соответствующей

частью второго зеркала.

а

А

А-А

A fi

/70/re tr#0sH/Jtt

Hill III II

фиг.2