Устройство для автоматизированного измерения угловых величин

 

Использование: в измерительной технике, а конкретнее, для высокоточных измерений малых угловых перемещений. Технической задачей изобретения является повышение удобства считывания результатов измерения. В устройство, содержащее лазер, зеркальный блок, фоточувствительный прибор, выполненный в виде линейного фоточувствительного прибора с зарядовой связью 3 (ЛФПЗС), и блок индикации 18, введены синхрогенератор 4, усилитель 5, компаратор 6, первый счетчик 8, первый триггер 9, линия задержки 10, первый регистр 11, второй регистр 12, второй триггер 13, третий триггер 14, элемент ИЛИ 15, второй счетчик 16 и вычислительный блок 17. В плоскости анализа возникает интерференционная картина, проецируемая на фоточувствительную область ЛФПЗС, вызывая появление видеосигнала на выходе ЛФПЗС 3, однозначно соответствующего проецируемой интерференционной картине. Видеосигнал преобразуется в параллельный цифровой код, несущий информацию о положении объекта. Вычисление измеряемой величины производится в вычислительном блоке 17. Результат измерения выводится на индикацию. 4 ил., 2 табл.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточных измерений малых угловых перемещений в специальных геодезических работах, в точных геофизических измерениях и при производстве крупногабаритных изделий в качестве контрольно-измерительной аппаратуры.

Известно устройство для измерения перемещений, подвижная часть которого, содержащая жестко связанные осветитель, объектив, линейный фоточувствительный прибор с зарядовой связью (ЛФПЗС), перемещается вдоль зубчатой рейки, причем прорези рейки проецируются на фоточувствительную область ЛФПЗС [1].

Недостаток этого устройства является невысокая точность измерения.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство [2], содержащее отражающую мишень, предварительно установленную на контролируемом объекте и представляющую собой плоский круг, покрытый мозаикой уголковых отражателей. На условно неподвижном объекте установлены лазер, электрооптический модулятор, питающийся от СВЧ-генератора, полупрозрачное плоское зеркало и последовательно включенные фотоприемник, усилитель переменного тока, детектор и индикатор. Излучение лазера модулируют по интенсивности в СВЧ-диапазоне электрооптическим модулятором, сформированную волну направляют через полупрозрачное зеркало на отражающую мишень. Отраженные в обратном направлении каждым уголковым отражателем вторичные волны интенсивности направляют полупрозрачным зеркалом на фотоприемник, где они интерферируют. Фотоприемник преобразует переменный по частоте модуляции световой сигнал в электрический, который усиливают усилителем и преобразуют в постоянный детектором. Выходной сигнал детектора измеряют индикатором. Перестраивают СВЧ-генератор по частоте, проходя последовательно через два соседних минимума выходного сигнала индикатора. Измеряют частоты, соответствующие этим минимумам, и по их значению судят об ориентации контролируемого объекта.

Недостатком этого устройства заключается в необходимости дополнительного пересчета для получения информации об ориентации объекта.

Технической задачей изобретения является повышение удобства считывания результатов измерения.

Техническая задача решается тем, что устройство, содержащее лазер, зеркальный блок, выполненный в виде полупрозрачного зеркала, расположенного по ходу излучения от лазера, и расположенного по ходу отраженного от полупрозрачного зеркала излучения глухого зеркала, а также фоточувствительный прибор, оптически связанный с зеркальным блоком, и блок индикации, отличающееся тем, что в нем лазер закреплен на контролируемом объекте, фоточувствительный прибор выполнен в виде линейного фоточувствительного прибора с зарядовой связью (ЛФПЗС), а также устройство снабжено синхрогенератором, усилителем, компаратором, генератором, первым счетчиком, первым триггером, линией задержки, первым регистром, вторым регистром, вторым триггером, третьим триггером, элементом ИЛИ, вторым счетчиком и вычислительным блоком, причем входы ЛФПЗС соединены с управляющими выходами синхрогенератора, а выход - с входом усилителя, выход которого подключен к первому входу компаратора, второй вход которого выполнен с возможностью подачи на него опорного напряжения, выход генератора соединен с счетными входами первого регистра и первого счетчика, вход сброса которого соединен с входом сброса первого триггера, счетным входом второго регистра и выходом линии задержки, вход которой подключен к выходу первого счетчика; счетный вход первого триггера подключен к другому выходу синхрогенератора, информационный вход первого триггера - к напряжению логической единицы, а выход первого триггера - к входу разрешения первого регистра, информационный вход которого соединен с выходом компаратора, а выходы соединены с информационными входами второго регистра, все выходы которого соединены с первыми информационными входами вычислительного блока, причем выход младшего разряда второго регистра соединен с информационным входом второго триггера, счетным входом третьего триггера и первым входом элемента ИЛИ, а выход старшего разряда второго регистра соединен также с счетным входом второго триггера, информационным входом третьего триггера и вторым входом элемента ИЛИ, выход которого соединен с входами сброса второго и третьего триггеров, выходы которых соединены с входом положительного и входом отрицательного счета второго счетчика соответственно, информационные входы второго счетчика соединены с первыми информационными выходами вычислительного блока, а выходы второго счетчика соединены с вторыми информационными входами вычислительного блока, вторые информационные выходы которого соединены с входами блока индикации, а управляющий выход подключен к входу записи второго счетчика, кроме того, вычислительный блок выполнен с возможностью подачи на его дополнительные входы сигналов "Начало счета" и "Конец счета".

На фиг. 1 изображена схема устройства для автоматизированного измерения угловых величин; на фиг. 2 - 4 изображены диаграммы, поясняющие работу устройства для автоматизированного измерения угловых величин.

Устройство для автоматизированного измерения угловых величин содержит лазер (на фиг. 1 не показан), предназначенный для скрепления с объектом, зеркальный блок, выполненный в виде полупрозрачного зеркала 1, расположенного по ходу излучения от лазера, и глухого зеркала 2, расположенного по ходу отраженного от полупрозрачного зеркала излучения на расстоянии, зависящем от требуемой точности измерений, оптически связанный с зеркальным блоком фоточувствительный прибор, выполненный в виде линейного фоточувствительного прибора с зарядовой связью 3 и блок индикации 18, а также введенные синхрогенератор 4, усилитель 5, компаратор 6, генератор 7, первый счетчик 8, первый триггер 9, линию задержки 10, первый регистр 11, второй регистр 12, второй триггер 13, третий триггер 14, элемент ИЛИ 15, второй счетчик 16 и вычислительный блок 17.

Входы ЛФПЗС 3 соединены с управляющими выходами синхрогенератора 4, а выход - со входом усилителя 5, выход которого подключен к первому входу компаратора 6, на второй вход которого подается опорное напряжение; выход генератора 7 соединен с счетными входами первого регистра 11 и первого счетчика 8, вход сброса которого соединен с входом сброса первого триггера 9, счетным входом второго регистра 12 и выходом линии задержки 10, вход которой подключен к выходу первого счетчика 8; счетный вход первого триггера 9 подключен к другому выходу синхрогенератора 4, информационный вход первого триггера 9 - к напряжению логической единицы, а выход первого триггера 9 - к входу разрешения первого регистра 11, информационный вход которого соединен с выходом компаратора 6, а выходы соединены с информационными входами второго регистра 12, все выходы которого соединены с первыми информационными входами вычислительного блока 17, причем выход младшего разряда второго регистра 12 соединен также с информационным входом второго триггера 13, счетным входом третьего триггера 14 и первым входом элемента ИЛИ 15, а выход старшего разряда второго регистра 12 соединен также с счетным входом второго триггера 13, информационным входом третьего триггера 14 и вторым входом элемента ИЛИ 15, выход которого соединен с входами сброса второго триггера 13 и третьего триггера 14, выходы которых соединены с входом положительного и входом отрицательного счета второго счетчика 16 соответственно; информационные входы второго счетчика 16 соединены с первыми информационными выходами вычислительного блока 17, а выходы второго счетчика 16 соединены с вторыми информационными входами вычислительного блока 17, вторые информационные выходы которого соединены с входами блока индикации 18, а управляющий выход подключен к входу записи второго счетчика 16, кроме того, вычислительный блок 17 выполнен с возможностью подачи на его дополнительные входы сигналов "Начало счета" и "Конец счета".

Устройство для автоматизированного измерения угловых величин работает 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 ϕ_o относительно полупрозрачного зеркала 1, направляет на это зеркало 1 второй участок волнового фронта, который после отражения от полупрозрачного зеркала 1 встречается с прошедшим сквозь него под углом сходимости, равным 2ϕ_o. В плоскости анализа возникает интерференционная картина, проецируемая на фоточувствительную область ЛФПЗС 3. На выходе ЛФПЗС 3 будет получен аналоговый сигнал (фиг. 2, а), который усиливается усилителем 5 и поступает на первый вход компаратора 6, на второй вход которого подается опорное напряжение. На выходе компаратора 6 получим последовательный цифровой сигнал (фиг. 2,б), однозначно соответствующий проецируемой на ЛФПЗС 3 интерференционной картине, причем каждый импульс, полученный на выходе компаратора 6, имеет одну только ему соответствующую координату на линии сканирования относительно начальной координаты линии сканирования ЛФПЗС 3 при неподвижном состоянии объекта и постоянную длительность, соответствующую половине ширины интерференционной полосы.

С выхода компаратора 6 последовательный цифровой сигнал поступает на информационный вход первого регистра 11. По поступлении на счетный вход первого регистра 11 импульса от генератора 7 и при наличии разрешающего сигнала на входе разрешения первого регистра 11 сигнал с входа первого регистра 11 записывается на его выход младшего разряда, причем по поступлении следующего импульса от генератора 7 сигналы на выходах первого регистра 11 сдвигаются на один разряд в сторону старшего разряда, а на выход младшего разряда записывается сигнал с входа первого регистра 11. Разрядность N первого регистра 11 выбирается, исходя из требуемого быстродействия и точности. Генератор 7 формирует импульсы (фиг. 2,д), причем частота следования импульсов выбирается такой, что за время, соответствующее одному периоду импульсов, получаемых с выхода компаратора 6, формируется N импульсов генератора 7. Длительность сигнала разрешения равна длительности периода импульсов с выхода компаратора 6. Сигнал разрешения (фиг. 2,ж) формируется следующим образом. С выхода синхрогенератора 4 на счетный вход первого триггера 9 поступает импульс (фиг. 2,г), длительность которого равна половине длительности времени накопления ЛФПЗС 3 (фиг. 2,в), а передний фронт соответствует координате середины линии сканирования ЛФПЗС 3. Этот импульс переключает первый триггер 9, с выхода которого логическая единица поступает на вход разрешения первого регистра 11. По истечении N импульсов генератора 7 первый счетчик 8 сформирует сигнал сброса (фиг. 2,е), поступающий через линию задержки 10 на входы сброса первого счетчика 8 и первого триггера 9 и вход записи второго регистра 12, разрешая запись в него цифрового кода с выхода первого регистра 11, причем время задержки равно длительности одного импульса, формируемого генератором 7. В результате на выходе второго регистра 12 получим параллельный цифровой код. При следующем считывании, через время, равное периоду накопления ЛФПЗС 3, этот код изменится, если произошло перемещение лазерного источника.

Для надежности отсчета необходимо, чтобы угловое перемещение лазера за время накопления ЛФПЗС 3 было таким, что интерференционная картина сместилась бы не более чем на расстояние, равное ширине интерференционной полосы, деленной на разрядность первого регистра 11. Максимальная скорость углового перемещения лазерного источника где L - ширина интерференционнной полосы, N - разрядность первого регистра 11, 2ϕ_o - угол сходимости волновых фронтов, D - база приема зеркального блока, T_н - время накопления ЛФПЗС 3.

Измерение углового перемещения производится следующим образом. По сигналу "Начало счета" вычислительный блок 17 вырабатывает сигнал разрешения работы второго счетчика 16, записывает цифровой код B₁ с выхода второго регистра 12, несущий информацию об исходном положении интерференционной картины в пределах одной интерференционной полосы, а во второй счетчик 16 записывает некоторую опорную величину A₁, относительно которой будет осуществляться отсчет целого числа полос. При перемещении интерференционной картины цифровой код на выходах первого регистра 11 и второго регистра 12 будет перемещаться либо в сторону старшего разряда, либо в сторону младшего разряда. При этом логическая единица появляется раньше на такт (равный времени накопления ЛФПЗС 3) на том разряде, в сторону которого происходит сдвиг.

Пусть логическая единица появилась на выходе старшего разряда второго регистра 12 ранее, чем на выходе младшего разряда того же регистра. Тогда на информационном входе третьего триггера 14 и на счетном входе второго триггера 13 установится логическая единица. Затем логическая единица появится на выходе младшего разряда второго регистра 12. Этот сигнал поступит на счетный вход третьего триггера 14 и на информационный вход второго триггера 13, причем переключит третий триггер 14, и не переключит второй триггер 13. Когда сигналы на выходах старшего и младшего разрядов второго регистра 12 установятся в логический нуль, на выходе элемента ИЛИ 15 появится сигнал сброса, сбрасывающий третий триггер 14. Таким образом, на выходе третьего триггера 14 сформировался импульс. Такой импульс будет формироваться при перемещении интерференционной картины на одну интерференционную полосу.

При появлении логической единицы на выходе младшего разряда второго регистра 12 ранее, чем на выходе старшего разряда того же регистра, импульс, соответствующий перемещению на одну интерференционную полосу, будет формироваться на выходе второго триггера 13.

По поступлении этих импульсов на вход положительного либо отрицательного счета второго счетчика 16 в соответствующую сторону будет изменяться предварительно записанная в этот счетчик величина. По сигналу "Конец счета" в вычислительный блок 17 записывается код с выхода второго счетчика 16 A₂ и код с выхода второго регистра 12 B₂.

Код B₂₍₁₎ с выхода второго регистра 12 в вычислительном блоке 17 шифруется в для удобства последующих вычислений.

Угловое перемещение вычисляется в вычислительном блоке 17 следующим образом. Исходные значения A₁ и B¹₁ и конечные значения A₂ и B¹₂ сравниваются и на основании сравнения происходит выбор расчетной формулы: где Ц - целое число полос; D - дробная часть; n = [log₂ N].

Блок индикации 18 обеспечивает вывод результатов измерения углового перемещения в единицах измерения угловых величин в удобной для человека форме.

Фиг. 3 и 4, табл. 1 и 2 иллюстрируют работу устройства, если разрядность первого регистра 11 и второго регистра 12 равна восьми. На фиг. 3,а; 3,б, 3, в представлены диаграммы последовательного цифрового сигнала с выхода компаратора 6 при перемещении объекта в моменты времени, соответствующие первому, второму и третьему считыванию интерференционной картины соответственно. На фиг. 3,г представлена диаграмма импульсов, формируемых генератором 7; на фиг. 3,д - диаграмма сигнала разрешения. Предположим, например, что объект перемещается так, что цифровой код на выходах второго регистра 12 перемещается в сторону старшего разряда. Перемещение кода показано в табл. 1. На фиг. 4,а представлена диаграмма сигнала на выходе старшего разряда второго регистра 12; на фиг. 4,б - диаграмма сигнала на выходе младшего разряда второго регистра 12; на фиг. 4,в - диаграмма сигнала сброса второго триггера 13 и третьего триггера 14, на фиг. 4,г - диаграмма сигнала на выходе третьего триггера 14, поступающего на вход отрицательного счета второго счетчика 16. В табл. 2 показано соответствие цифрового кода на выходе второго регистра 12 B₁, B₂ и его же после шифрования B¹₁, B¹₂.

Таким образом, предложенное решение позволяет существенно повысить удобство считывания результата измерения угловых перемещений с помощью интерференционного угломера за счет того, что результат измерения выводится на индикацию в единицах измерения угловых величин.

Формула изобретения

Устройство для автоматизированного измерения угловых величин, содержащее лазер, зеркальный блок, выполненный в виде полупрозрачного зеркала, расположенного по ходу излучения от лазера, и расположенного по ходу отраженного от полупрозрачного зеркала излучения глухого зеркала, а также фоточувствительный прибор, оптически связанный с зеркальным блоком, и блок индикации, отличающееся тем, что в нем лазер закреплен на контролируемом объекте, фоточувствительный прибор выполнен в виде линейного фоточувствительного прибора с зарядовой связью (ЛФПЗС), а также устройство снабжено синхрогенератором, усилителем, компаратором, генератором, первым счетчиком, первым триггером, линией задержки, первым регистром, вторым регистром, вторым триггером, третьим триггером, элементом ИЛИ, вторым счетчиком и вычислительным блоком, причем входы ЛФПЗС соединены с управляющими выходами синхрогенератора, а выход - с входом усилителя, выход которого подключен к первому входу компаратора, второй вход которого выполнен с возможностью подачи на него опорного напряжения, выход генератора соединен со счетными входами первого регистра и первого счетчика, вход сброса которого соединен с входом сброса первого триггера, счетным входом второго регистра и выходом линии задержки, вход которой подключен к выходу первого счетчика, счетный вход первого триггера подключен к другому выходу синхрогенератора, информационный вход первого триггера - к напряжению логической единицы, а выход первого триггера - к входу разрешения первого регистра, информационный вход которого соединен с выходом компаратора, а выходы соединены с информационными входами второго регистра, все выходы которого соединены с первыми информационными входами вычислительного блока, причем выход младшего разряда второго регистра соединен с информационным входом второго триггера, счетным входом третьего триггера и первым входом элемента ИЛИ, а выход старшего разряда второго регистра соединен также со счетным входом второго триггера, информационным входом третьего триггера и вторым входом элемента ИЛИ, выход которого соединен с входами сброса второго и третьего триггеров, выходы которых соединены с входом положительного и входом отрицательного счета второго счетчика соответственно, информационные входы второго счетчика соединены с первыми информационными выходами вычислительного блока, а выходы второго счетчика соединены с вторыми информационными входами вычислительного блока, вторые информационные выходы которого соединены с входами блока индикации, а управляющий выход подключен к входу записи второго счетчика, кроме того, вычислительный блок выполнен с возможностью подачи на его другие входы сигналов "Начало счета" и "Конец счета".

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6