Способ измерения углов поворота

 

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повьшение точности и быстродействия за счет исключения погрешностей от флуктуации и сокращения числа операций. Способ позволяет осуществлять редуцирование фазы, при этом измеряется относительно опорного сигнала фаза информационного сигнала, пропбрциональная произведению угла поворота на коэффициент редукции, не зависящая от амплитуд информационного и опорного сигнала. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИх

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) (5D4G01 В 21 22

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

Н А BTOPCKOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3891823/24-28 (22) 30,04.85 (46) 15.05.87. Бюл. Ф 18 (72) И.М.Пасько (53) 53 1. 717(088 .8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 236779, кл. G 01 В 9/08, 1967. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВ ПОВОРОТА (57) Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности и быстродействия за счет исключения погрешностей от флуктуаций и сокращения числа операций. Способ позволяет осуществлять редуцирование фазы, при этом измеряется относительно опорного сигнала фаза информационного сигнала, пропорциональная произведению угла поворота на козффициент редукции, не зависящая от амплитуд информационного и опорного сигнала. 2 ил.

1 13

Изобретение относится к измерительной технике, в частности позволяет обеспечивать измерение углов поворота одного объекта относительно другого.

Целью изобретения является повышение точности и быстродействия за счет исключения погрешностей от флуктуации элементов и сокращения числа операций.

На фиг. 1 и 2 изображены устройства для реализации способа.

Устройство, приведенное на фиг. 1, содержит коллиматор 1, включающий объектив 2, разделительную призму 3, излучатели 4 и 5, диафрагму 6, блок 7 питания с генератором 8 напряжения и инвертором 9; коллимационный приемник 10, включающий объектив 11, диафрагму 12, фотоприемник 13, усилитель

14 переменного тока, фазосдвигающие блоки 15 и 16, фазометр 17, электрически соединенный с блоком ? питания и усилителем 14.

Устройство, приведенное на фиг. 2, содержит коллиматор t8 (поляризационного) устройства, включающего излучатель 19, объектив 20, поляризатор 21, модулятор 22 фазы, четвертьволновой элемент 23 приемник 24, включающий анализатор 25 (поляризатор), объектив 26, фотоприемник 27, усилитель 28 переменного тока, фазометр 29, генератор 30 напряжения, положение плоскости поляризации поляризатора обозна чего поз.3 1, положение оптической оси модулятора фазы — поз. 32, положение оптической оси четвертьволнового элемента — поз. 33, а положение плоскости поляризации анализатора поз.34.

Предлагаемьпл способ осуществляют следующим образом.

В фокальной плоскости объектива 2 коллиматора 1 (фиг. 1) размещено ребро разделительной призмы 3 и,циафрагма 6. Ребро призмы размещено посередине диафрагмы 6, Одна грань призмы освещается излучателем 4, а другая излучателем 5. Каждый из излучателей излучает переменный световой поток с равными амплитудами и фазами, отличающимися друг от друга на угол, неD сколько меньший или больший, чем 180 .

Такая засветка может осуществляться от блока 7 питания, включающего, например, генератор 8 напряжения, выход которого соединен через фазосдвигаю10638 2 щий блок 15 с излучателем 4. Кроме .того, этот же выход соединен через инвертор 9 и фазосдвигающий блок 16 с излучателем 5. В цепи каждого излучателя фазосдвигающие блоки 15 и 16 сдвигают фазу излучения из излучателя по отношению к питающему напряжению на небольшой угол . Для одного излучателя сдвиг фаз осуществляется

10 на угол +P для другого — на угол -/3.

Возможны и другие варианты формирования излучения.

Таким образом, каждая половинка диафрагмы 6 излучает одинаковые по амплитуде световые потоки, но отличающиеся друг от друга по фазе. Объективы 2 и 11 проектируют изображение диафрагмы 6 в плоскость диафрагмы 12, которая находится в фокальной

20 плоскости объектива 11 и меньше, чем изображение диафрагмы 6, <

Если визирные оси коллиматора 1 и коллимационного приемника 10 параллельны друг другу, то на выходе диафрагмы 12 будет два потока излучения с одинаковой амплитудой. В том случае, если один из блоков поворачивается на какой †ли угол с, изображение диафрагмы 6 смещается относительно диафрагмы 12 на величину, пропорциональную углу сЬ . На выходе диафрагмы 12 амплитуда одного из световых потоков изменяется. Модулированный световой сигнал на выходе фотоприем-35 ника 13 становится равным

Р =ВЫ, „h(-+ах) sin(ut+P)g

В$6ксп Ь(-Qx) sin(G)t-Ð)—

Х

40 =А, sin(zt+J3)-А sin(t-P) где  — яркость излучателей 4 и 5;

S — конструктивный параметр оптиI ческого тракта, зависящий от апертурной диафрагмы, фокусного расстояния и т.д.; к, п — коэффициенты пропускания коллиматора и приемника; — высота диафрагмы 12;

1 — ширина диафрагмы (в направлении плоскости измерения);

А1 - амплитуда светового потока, засвечивающего одну часть диафрагмы;

А — амплитуда светового потока, засвечивающего другую часть диафрагмы.

Это выражение можно преобразовать в следующее:

3 1310638 4

Ф =A, sinutcosP+A, cosset sinP- гого на малый угол < на вход фазометА sinytcos(3+A sin

+ + )1 .

Кп, К1 С$1паЕ+0$1п Ы+90 )„. хсо$ $ пы + ь„ з п

cosset=Csi t+Dcosut, 5 Фаза этого суммарного сигкалаф= где C=2BS7„7„h xcosP; D=BS „ i„hlsin 8,. =Я,+ hq) определяется из известного

Величину 0 выбирают конструктивно отношения путем выбора величины угла Р так, Csжч +DsдпVz чтобы величина D была меньше, чем Ссоз, +Dcos(p половина величикы С при ее макси-, 10

1 где Ц, и ц соответственно фазы сигмально возможной величике (при Q x=-), 2 нала с амплитудой С и D;

Таким образом, в основном оптичес- — фаза сигнала прис =О; ком тракте на входе фотоприемника 13 Й(— приращение фазы при повороформируют модулированный основной те на угол с . световой сигнал с амплитудой С, про- Так как в данном случае Ч ; =О, о . порциональной углу поворота в фазе Ц)„=90, то или противофазе с опорным сигналом; ting, +г.1» hg модулированный не зависящий от угла " =1-tgcq,tgьс = поворота дополнительный световой сиг-20 (A<+A )sin H D нал, сдвинутый по фазе относительно (А -A;)cosf) С о основного сигнала на угол 90, с ама tgtp = oo плитудой D меньшей, чем половина макили D D симально возможного основного сиг- -tgЮ

С о C+t 9<> С 2дх нала.

D 1 Ь D 1

Далее измеряют фазу суммарного 1+-tg q -- — +—

С 0 Е8< C сигнала, поступающего после усилителя 14 на фазометр 17, относительно Для данного конструктивного исопорного сигнала, поступаемого на фа- полнения коэффициент редукции равен зометр 17 из блока 7 питания. 30 с цф, который выбирают большим, чем 2, Разделив замеренную величину раз- и определяют из отношения ности фаз на предварительно принятое С(при х= /2) отношение m амплитуды максимально D возможного основания сигнала С (при Пример. Известны, фазометры, 1 работающие на одной частоте и позвоЬх=-) к амплитуде дополнительного

2 ляющие измерять фазовый сдвиг с точсигнала D, определяют угол поворот-. ностью д, =О,? . При выборе диХарактеркым для этого способа являет- афрагмы 1=0,1 мм; угла 8 = 1 9 о ся то, что при повороте одного бло- (m=ctgl3=50)» фокусного расстояния ка относительно другого на угол (6 . 40 f» =175 мм прибор позволяет измерять разность фаз изменяется на большую перемещение: величину, т.е. происходит "редуциро- -- -О,ООООО35 ванне фазы". 2ctgP

Действительно, если рассогласова- что соответствует 0,04 ние между блоками равно нулю (фго 45 Возможно измерять фазу, если опори, следовательно, Вх=о), то на вход ный сигнал по фазе совпадает с дополфазометра поступает только дополни- . нительным сигналом. В этом случае тельный сигнал при отсутствии рассогласования разК К Dcosut=DK К sin(gt+90 ), ность фаз равна нулю. п у

Устройство для осуществления спогде K — коэффициент преобразоваTIP соба (фиг. 2) работает следующим обния фотоприемника; разом.

К вЂ” коэффициент усиления уси3 В этом устройстве плоскость 31 лителя. поляризации поляризатора 21 распоо

Фаза этого сигнала по отношению >5 ложена под углом 45 к оптической о к опорному равна 90 . Это значение оси 32 модулятора 22 фазы. Оптичес-, фазы принимается за нулевое. При по- кая ось 33 четвертьволнового элевороте одного блока относительно дру- мента 23 расположена под небольшим

38 6 мированный с помощью четвертьволнового элемента 23 модулированный дополнительный световой сигнал, сдвинутый по фазе относительно основного на 90 . Остальные операции выполняюто ся аналогично операциям в устройстве, изображенном на фиг. 1.

Коэффициент редукции подбирается углом .

Вышеизложенное подтверждается следующим.

Поток излучения после анализатора определяется выражением где Ч вЂ” световой поток на выходе объектива;

1 (s) =

О

О затора;

1 О 0

О cos(90, 2, 2k) w sin(90, 2, 2g)

cos (90, 2 g 2М) О

О О

0+sin(90, 2, 2g)

О 0

1 О О О

О 1 ΠΠ— матрица действия четвертьО 0 cos(90,ut) sin(90", t)

0 0 s>n(90,àt) cos(90 yt) волнового элемента и моду лятора;

О

Π— матрица поляризатора.

О О

О О

9, Отсюда ф =-0-(1-cos2vsin2)cosut2 45 в хпЪк 3 3.пя ) °

После усилителя 28 переменного тока сигнал становится равным

U=-K„ K (sin2(cosset+sin 2gsinut) — 0

Р

Фаза суммарного сигнала определяется аналогично предыдущему из выражения з1п2 cos2oL tp2g, t g (q+ Щ) = — — é — — е (д ьа

s in29. s in2(55

Ф о р м у л а и з î o p е т е н и я

Способ измерения углов поворота, основанный на формировании в основном оптическом тракте мсдулированного светового сигнала с амплитудой, пропорциональной углу поворота, в фазе или противофазе с опорным сигналом,. отличающийся тем, чт», с целью повышения точности и быстродействия измерения углов, .дополнительно формируют независящий от угла поворота оптический модулированный сигнал, сдвинутый по фазе относительно основного сигнала на угол 90, с амплитудой меньше половины амплитуды

5 1310б углом к оптической оси 32 модулятора фазы и параллельны (при отсутствии рассогласования) плоскости 34 поляризации анализатора 25.

Световой поток, выйдя из излучателя 19 коллиматора 18, пройдя объектйв 20 и поляризатор 21, поляризуется в направлении плоскости 31 поляризации. После модулятора 22 фазы излучение содержит две составляющие Ю со взаимно ортогональными направлениями плоскости поляризации (вдоль оптической оси и перпендикулярной ей), равными амплитудами и в противофазе друг к другу. 15

Четвертьволновой элемент 23 (являющийся оптическим фазосдвигающим элементом) сдвигает фазу излучения на 90 . После анализатора в оптичес0 ком тракте присутствует модулирован- 20 ный основной световой сигнал, пропорциональный углу скручивания, и сфорКоэффициент редукции равен Bl=

- -т — — и при малом угле m>31.

sin2$ о 1ЫЕ 9о1 1Ьцг1 tM 3 (83э — линейно поляризованный свет на выходе поляри7 1310638 8 максимально возможного основного сиг- предварительно принятому отношению нала, определяют относительно опорно- амплитуды максимально возможного осго сигнала фазу суммарного модулиро- новного и дополнительного сигналов ванного сигнала, по разности фаз и определяют угол поворота.

18 1У Z0 21ZZ

Составитель Е.Глазкова

Редактор Л.Повхан Техред.А.Кравчук Корректор Г.Решетник. Производственно-полиграфическое предпрИятие, r.Óæãoðoä, ул.Проектная, 4

Заказ 1879/36 Тираж 678 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35,. Раушская наб., д. 4/5

31 iF