Устройство для измерения малых угловых перемещений Советский патент 1982 года по МПК G01B11/00 G01B11/26 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ УГЛОВЫХ ПЕГРЕ 1ЕЩЕНИЙ .Изобретениеотносится к измерительной технике и может быть использовано для дистанционных измерений малых угловых переметений объектов. Известно устройство для измерения величины линейных и угловых пере мещений, содержащее источник света, модулятор с генератором модулирующего сигнала, отра;катель, фотоприемник и схему обработки сигнала, состоящую из усилителя и блока вычисления отношения фаз Недостатком устройства является малая точность измерений, связанная с погрешностями от воздействия помех и отсутствием цепи автокомпенсации. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения малых угловых перемещений, содержащее, последователь но установленные оптическую систему модулятор светового потока и фотоприемник, генератор опорного сигнала, соединенный с модулятором светового потока, и вычитатель. Устрййство содержит также переключатель, два пороговых элемента, соединенных с входом переключателя, и инвертор, со диненный с последним, с фотоприем ником и вычитателем С2 . Недостатком устройства является его низкая точность при наличии помех, так как отсутствует цепь компенсации. Цель изобретения - повышение точности измерений, Поставленная цель достигается тем, что устройство снабжено соединенными последовательно первым детектором, вход которого соединен с выходом выЧитателя, первым фильтром и управляекнм источником напряжения, соединенными последовательно первым сумматором, вход которого подключен к выходу фотоприемника, соединенному с входом вычитателя, вторым детектором и вторым фильтром, выход которого соединен свторым входом управляемого источника напряжения, ивторым суь5матором, входы которого соединены соответственно с выходом управляемого источника напряжения и с выходом генератора опорного сигнала, а выход - с BToptiM входом вычитателя и вторым входом первого сумматора. На фиг.1 представлена блок-схема устройства; на фиг.2 - временные эпюры, поясняющиеработу схемы. Устройство состоит из установлен ньрс последовательно оптической CKCTet M 1, |модулятора 2 светового потока и фотоприемника 3, соединенных последовательно вычитателя 4, подключенного к фотоприемнику 3, первого детектора 5, первого фильтр 6 и управляемого источника 7 напряжения, соединенных последовательно первого сумматора 8, второго детектора 9 и второго фильтра 10, выход которого подключен к управляемому источнику 7 напряжения, второго сумматора 11, выхс5ды которого соеди нены с BTopHf-m входами вычитателя 4 и первого сумматора 8, и генерато 12опорного сигнала, вьаход которого соединен с модулятором 2 светового потока и первым входом второго сумматора 11, с BToptiiM входом которого соединен выход управляемого источника 7 напряжения. Измеряется перемещение объекта 13. Устройство работает следующим образом. Световой поток, посылаемый оптической системой 1, отражаясь от объекта 13, возвращается в оптическ систему 1. Пройдя через нее, светов поток проходит через модулятор 2, управляемый опорным гармоническим сигналом fg (фиг.2,а), вырабатываемым генератором 12. Сигнал f на выходе фотоприемника 3 имеет вид взятой по модулю синусоиды, сметенной на величину постоянной составляющей, прямо пропорциональной угло вому перемещению объекта .2,1-). При повороте объекта 13 влево ил вправо относительно оптической оси выходной фотоприемника 3 меняется с частотой опорного сигнал при этом постоянная составляющая не равна нулю. В этом случае имеет место модуля ция сигнала. Разность модуляционных максимумов тем больше (тем больше модуляция), чем больше угол поворота объекта 13 относительно направле йия оптической оси. Разность этих максимумов (глубина модуляции) лине но зависит оТ угла поворота объекта 13, а фаза - от знака SToro угла. При изменении знака угла фаза меняется скачком на ISOJ При предельном значении угла поворота объекта 13относительно оптической оси модуляции равна 100%, при этом один из максимумов становится равным нулю. Если же угол поворота объекта 1 равен нулю, то равна нулю и модуляция, при этом оба максимума модуляции становятся одинаковыми. На выходе управляемого источника 7 напряжения получается электрический сигнал fg (фиг.2), по величине и полярности строго соответствующий измеряемому перемещению объекта 13. Пусть первоначально объект 13 занимает поло сение справа от оптической оси оптической системы 1 и перемещается еще правее. Условно будем считать, что сигнал fg на выходе управляемого источника 7 напряжения положителен, если объект 13 занимает положение от оптическрй оси вправо, и отрицателен, если влево. (Соответствующие этому случаю сигналы показаны на фиг.2). Опорный гармонический сигнал fg (фиг.2,о1), вырабатываемый генератором 12, поступает на один из входов сумматора 11, на другой вход которого поступает сигнал f (фиг.2,Б) от управляемого источника 7 напряжения. В результате на выходе сумматора 11 получается сигнал f(, (фиг.2,6). Сигнал f (фиг, 2,г) с выхода фотоприемника 3 соответствует новому положению объекта 13. Он поступает одновременно на первые входы сумматора 8 и ьычитателя 4, на вторые входы которых в то же время поступает сигнал f с выхода сумматора 11. В результате на выходе сумматора 8 получается сигнал (фиг,2,а), а на выходе вычитателя 4 - сигшал fj (фиг. 2 ,е ) , Сигнал f, пройдя через.детектор 9, преобразуется в сигнал f4 (фиг, 2,), а сигнал f3, пройдя через детектор 5|в сигнал f5, который в этом случае тохадественно равен нулю. Следовательно в рассматриваемом случае сигнал f. на выходе фильтра б также тождествен 1о равен нулю, а сигнал f на выходе фильтра 10 не равен нулю (фиг.2,3). Сигнал ( прямо пропорционален изменению положения объекта 13. Сигнал f(, поступает на один из входов управляемого источника 7 напряжения и вызывает изменение сигнала fg, который будет увеличиваться до тех пор, пока отрицательные максимумы сигнала не станут по абсолютной величине равны меньшим максимумам сигнала f , В результате сигнал f 1 станет только положительным, следовательно, сигналы f и fjj станут тождественно равными нулю и в итоге изменение сигнала fg прекратится. Если объект 13 находится справа от оптической оси, то имее место модуляции сигнала fJ,(фиг.2,г) и при этом fg 7 о, если же объект 13 находится слева от оптической оси, то фаза сигнала f скачком меняется на 180 и лри этом . При перемещении объекта 13 слева направо работает канал, состдящий из блоков 8 -10: fj,0 . и сигнал fg растет; при перемещении объекта 13 справа налево работает канал состоящий из блоков 4-6J и сигнал $ уменьшается. Таким образом, на выходе управляемого источника 7 напряжения пол чается электрический сигнал fg, стр го соответствующий по величине и по лярности измеряемому перемещению объекта 13. Так как предлагаемое устройство построено в виде двухканальной следящей автоматической системы с аста 1 измЬм первого порядка,то сячибка измерений выходной величины угла в установившемся режиме равна нулю. Таким образом, положительный эффект заключается в повышении точности и быстродействия производимых измерений . Формула изобретения Устройство для измерения малых угловых перемещений, содержащее пос ледовательно установленные оптическую систему, модулятор светового потока и фотоприемник, генератор опорного сигнала, соединенный с модулятором светового потока, и вычитатель, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, оно снабжено соединенными последовательно детектором, вход которого сбединен с. выходом вычитателя, первым фильтром и управляемым источником напряжения, соединенными последовательно с первым сумматором, вход которого подключен к выходу фотоприемника, соединенному с входом вычитателя, вторым детектором и вторым фильтром, выход которого соединен с вторым входом управляемого источника напряжения, и вторым сумматором, входы которого соединены соответственно с выходом управляемого источника напряжения и с выходом генератора опорного сигнала , а выход - с вторым входом вычитателя и вторым входом первого сумматора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 408145, кл. G 01 В 11/00, 1971. 2.Авторское свидетельство СССР № 808836, кл. G 01 В 11/00, 1978. (прототип).