УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТСЧЕТА УГЛА ПОВОРОТА ОСИ Советский патент 1947 года по МПК G01C1/00 

В ряде случаев измерительной практики необходимо отсчитывать оптическим методом углы смещения подвижных систем различных измерительных приборов, в частности их взаимное угловое смещение. Подобные случаи имеют место, например, при измерении скалывающих напряжений зеркальными приборами для измерения предельных деформаций. Наличие в подобных приборах двух зеркал, углы поворота которых требуется измерить, а также необходимость учета влияния на результаты измерений поворота всего испытуемого объекта в целом, связано обычно с применением двух отдельных комплектов зрительных труб с рейками, которые для получения достаточной точности отсчета должны быть удалены на расстояние до 2 метров от прибора, что значительно усложняет пользование прибором.

Предлагаемое устройство для отсчета угла поворота зеркала или для одновременного отсчета углов отклонения двух зеркал основано на использовании автоколлиматора, заключающего в себе источник света, лучи которого, проходя через оптическую систему, отражаются от зеркал, после чего попадают обратно в трубу автоколлиматора и положение их отсчитывается при помощи окуляра на микрометрической шкале.

Особенность предложенного устройства заключается в том, что, с целью устранения влияния смещений автоколлиматора на правильность отсчета, на пути падающего и отраженного от зеркал луча установлены соответственно: призма полного внутреннего отражения и пентапризма.

На фиг. 1а и 1б изображена схема измерительного прибора и пути лучей, отраженных от зеркал прибора. На фигурах приведена схема расположения элементов в известном приборе для измерения скалывающих усилий, причем на фиг. 1а - до деформации, а на фиг. 1б - после деформации, причем линия 3 служит осью объекта испытания до деформации, а 3′ - после деформации; 1 и 2 - зеркала прибора. На фиг. 1а и 1б указан также ход лучей, отраженных от зеркал прибора. На фиг. 2 изображена оптическая схема прибора при использовании автоколлиматора и на фиг. 3 и 4 - предложенная оптическая схема устройства.

В большинстве случаев испытаний инженерных конструкций (например, мостов, стропильных ферм и т.п.) необходима неподвижная установка зрительных труб и реек в расстоянии 1,5-2,0 м от прибора, к тому же, с соблюдением необходимого условия, чтобы визирная ось трубы была перпендикулярна к оси вращения зеркал прибора, что в ряде случаев оказывается невозможным. Это обстоятельство в значительной мере сокращает область применения прибора для измерения скалывающих усилий и он, как и прибор для измерения деформации, является поэтому преимущественно лабораторным прибором.

Другим не менее важным недостатком этого прибора является необходимость установки для каждого прибора двух комплектов зрительных труб и реек, что ограничивает возможность установки большого количества приборов в одном месте на испытываемом объекте.

Для устранения обоих указанных недостатков в предложенном устройстве применен автоколлиматор.

Как известно, автоколлиматор представляет собой зрительную трубу, в плоскости главного фокуса объектива которой помещен крест нитей или микрометренная шкала. В той же плоскости находится освещаемый с помощью осветительной системы индекс, луч от которого, пройдя через объектив, дает пучок параллельных лучей.

Если этот пучок лучей будет направлен на какую-либо отражательную плоскость, то отраженные лучи, оставаясь параллельными и пройдя через объектив автоколлиматора, сойдутся в плоскости главного фокуса и дадут изображение индекса на помещенной в этой плоскости микрометренной шкале. Положение изображения индекса на шкале будет зависеть от угла между направлением исходящего от объектива пучка света и направлением возвращающегося в объектив отраженного пучка. Например, при строго перпендикулярном падении лучей на отражательную плоскость изображение индекса будет совпадать с самим индексом.

Таким образом, автоколлимационная труба позволяет с помощью отсчета по микрометренной шкале измерять величину угла между падающим и отраженным пучком параллельных лучей.

Для использования этого свойства в предлагаемом приборе зеркала расположены под углом по отношению одно к другому, близким к прямому (как это изображено на фиг. 2).

Падающий из автоколлиматора 4 на одно из зеркал 1 пучок параллельных лучей отражается, попадает на второе зеркало 2 и отражается от него обратно в объектив автоколлиматора. Обозначим угол между направлением падающего пучка параллельных лучей и плоскостью первого зеркала через β, тогда угол между отраженным от этого зеркала пучком лучей и плоскостью зеркала будет также равен углу падения, т.е. β.

Приняв угол между обоими зеркалами равным α, получим, что угол падения отраженного от первого зеркала луча на второе зеркало будет равен 180-(α+β). Следовательно и отраженный от второго зеркала пучок лучей образует с плоскостью этого зеркала тот же угол. Величину угла γ между падающим на зеркала пучком лучей и возвращающимся обратно найдем из треугольника abc:

γ=180°-(∠cab+∠cba)=180°-{(180°-2β)+180°-2[180°-(α+β)]}=180°-2α.

Этот угол не зависит от угла падения β, а лишь от угла α между плоскостями обоих зеркал. При прямом угле α, т.е. при α = 90°, γ=0° и, следовательно, падающий и отраженный от зеркал пучки лучей параллельны один другому.

Выведенная здесь зависимость между углом, образованным падающим и отраженным пучком лучей и углом, образованным плоскостями обоих зеркал, справедлива лишь в плоскости чертежа фиг. 2, т.е. в плоскости, перпендикулярной к ребру угла, образованного зеркалами. Если же падающий луч выходит из этой плоскости, например, падая под некоторым углом сверху на чертеж, то и отраженный от обоих зеркал луч выйдет из плоскости чертежа.

Во избежание необходимости удержания визирной оси автоколлиматора в строго перпендикулярной плоскости к обоим зеркалам, к оптической системе прибора прибавлена комбинация из трехгранной прямоугольной равнобедренной призмы 5 и пентапризмы 6, согласно фиг. 3. Как известно, пентапризма обладает тем свойством, что падающий на нее луч, независимо от угла падения, образует с выходящими из пентапризмы лучами всегда прямой угол. Рассматривая ход луча в плоскости, перпендикулярной оси пентапризмы, обозначим угол падения на пентапризму проекции луча через β (фиг. 4). Отразившись от двух посеребренных граней пентапризмы, выходящий из нее луч будет перпендикулярен к падающему и, следовательно, его проекция в рассматриваемой плоскости выйдет из пентапризмы также под углом β к вертикальной грани последней, падая дальше на два поставленные под углом α одно к другому плоские зеркала. Проекция луча, согласно предыдущему, будет иметь по отношению к ребру угла α углы падения и отражения, равные углу β. Упав затем под таким же углом на вертикальную грань треугольной призмы, имеющей при основании углы в 45°, проекция луча даст угол падения на отражательную плоскость призмы, равный β-45°.

Отразившись под таким же углом, проекция луча выйдет из призмы под тем же углом β к верхней горизонтальной плоскости и таким образом будет параллельна проекции падающего на пентапризму луча.

Если таким же образом рассмотреть ход проекции луча в плоскости, параллельной оси призмы и пентапризмы, то можно установить, что угол между направлением падающего и отраженного луча зависит лишь от утла α между зеркалами.

Благодаря указанному свойству можно измерять угол α между зеркалами с помощью автоколлиматора без неподвижной установки последнего.

Таким образом, направив исходящий из объектива автоколлиматора пучок лучей на верхнюю плоскость пентапризмы или призмы, получим, независимо от угла падения луча и от расстояния объектива автоколлиматора до прибора, в плоскости главного фокуса изображение освещенного индекса, находящегося в автоколлиматоре и для производства отсчета величины угла α между зеркалами прибора останется совместить изображение индекса с микрометренной шкалой.

Положение изображения индекса на микрометренной шкале будет зависеть лишь от угла между направлением выходящего и возвращающегося пучка лучей, а благодаря свойствам предлагаемой оптической системы этот угол будет зависеть лишь от угла между зеркалами прибора.

Таким образом, изменение положения индекса на микрометрической шкале автоколлиматора при двух последовательных отсчетах будет свидетельствовать об изменении угла между зеркалами, и величина разности этих отсчетов будет характеризовать величину изменения этого утла. В предлагаемой конструкции прибора для измерения скалывающих напряжений изменение угла между зеркалами вызывается передачей с помощью увеличивающих рычагов на одно из зеркал угловых перемещений ножек прибора, вызванных скалывающими деформациями.

Устройство для отсчета угла поворота оси или угла поворота одной оси относительно другой (например, в приборе для определения скалывающих напряжений) при помощи поворотного зеркала или двух зеркал и автоколлиматора (зрительной трубы, в плоскости главного фокуса объектива которой расположены шкала и освещенный индекс, изображение которого, отраженное в зеркалах, наблюдается на шкале), отличающееся тем, что с целью устранения влияния смещений автоколлиматора на правильность отсчета на пути падающего (или отраженного) луча установлена призма, а на пути отраженного (или соответственно падающего) пентапризма.