RU1770741C - Интерференционное устройство дл измерени угловых перемещений - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике, в частности к оптикоэлектронным приборам, предназначенным дл  высокоточных измерений углов поворота различных объектов, имеющих ось вращени . Целью изобретени   вл етс  повышение точности. В устройство введены датчики опорных положений преобразовател  угла поворота (оптического преломл ющего клина ), вычислительное устройство, обеспечивающее однозначность измерений, и призменные отражательные системы, обеспечивающие увеличение оптических разностей ходов в интерферометрах. Оптические элементы интерферометров жестко закреплены на общей базовой кольцевой пластине . 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

(Л

С

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано в качестве измерительного преобразовател  дл  высокоточного измерени  угловых перемещений различных объектов.

Известно интерференционное устройство дл  измерени  угловых перемещений, содержащее источник излучени , двухлуче- вой интерферометр, включающий отклон ющиезеркала ,отражатель, устанавливаемый на объекте, и регистрирующий блок. Недостатком указанного устройства  вл етс  его высока  чувствительность к торцевым биени м плоского зеркального отражател , закрепл емого на контролируемом объекте, следствием чего  вл етс  погрешность измерени , пропорциональна  удвоенному значению изменени  угла наклона зеркальной плоскости относительно оси вращени , что практически не позвол ет реализовать

высокую точность измерени  углов поворота реальных контролируемых объектов.

Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  устройство, содержащее источник излучени , два двухлучевых интерферометра , преобразователь угла поворота и регистрирующий блок. Преобразователь угла поворота выполнен в виде оптического преломл ющего клина, что делает данное устройство практически нечувствительным к радиальным и торцевым биени м и обеспечивает ему существенное преимущество по сравнению с известными аналогами, содержащими зеркальные преобразователи углов поворота.

Недостатками указанного устройства  вл етс  необходимость совместной обработки информации, поступающей с выходов первого и второго интерферометров, и неопределенность начала измерений. При совместной обработка сигналов обоих

vi vj

о VI

N

интерферометров возникают погрешности, обусловленные сложением ошибок измерений в каждом интерферометре. Кроме того, использование плоских зеркал в качестве концевых отражателей в плечах интерферометров и раздельное закрепление оптических деталей в плечах интерферометров не обеспечивает достаточной чувствительности и стабильности измерений.

Цель изобретени  - повысить точность, чувствительность и стабильность измерений углов поворота контролируемого объекта в пределах ±360°.

Указанна  цель достигаетс  тем, что интерференционное устройство дл  измерени  угловых перемещений, содержащее оптически св занные источник излучени , два двухлучевых интерферометра, преобразователь угла поворота в виде оптического преломл ющего клина, оптически св занного с измерительными плечами интерферометров , и блок обработки сигналов, информационные входы которого подключены к выходам интерферометров, снабжено датчиком начала отсчета и датчиком положени  клина, оптический преломл ющий клин выполнен с четырьм  плоскими зеркальными боковыми гран ми, предназначенными дл  оптической св зи с датчиком начала отсчета, и зеркальной кольцевой зоной на преломл ющей поверхности, оптически св занной с датчиком положени  клина , а блок обработки сигналов выполнен с входом начала отсчета, подключенным к выходу датчика начала отсчета и группой входов положени  клина, подключенной к выходам датчика положени  клина, кроме того, в измерительных плечах обоих интерферометров перед оптическим клином по ходу лучей от источника излучени  установлены призменные отражательные элементы и оптические элементы интерферометров жестко закреплены на кольцевой оптической пластине.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства; на фиг. 2 - схема оптико-электронного преобразовател  с датчиками; на фиг. 3 - циклограмма работы устройства.

Устройство содержит оптико-электронный преобразователь ОЭП (фиг. 1), формирующий измерительные сигналы двух интерферометров Н - А: датчик начала отсчета ДНО, формирующий управл ющий сигнал Uo; датчик положени  оптического клина ДПК, формирующий управл ющие сигналы Uki-Un; блок обработки измерительных и управл ющих сигналов БОС. В свою очередь, ОЭП содержит монохроматический источник излучени  1 (фиг. 2), коллиматор 2, светоделительную пластину 3,

зеркала-пластины А, сетоделительные пластины 5, пр моугольные призмы 6,7, 8,9,13, кольцевую оптическую пластину 9, оптический преломл ющий клин 10, жестко св 5 занный с осью 0-0 контролируемого объекта, трипельпризмы 11 (две из четырех не показаны), линзы 14, фотопреобразовател  15. В состав ДНО вход т источник излучени  16, коллимирующа  линза 17,

0 плоское зеркало 18, фокусирующа  линза 19 и позиционно-чувствительный фотопреобразователь 20. ДПК содержит источник излучени  21, коллимирующие и фокусирующие линзы 22 и фотопреобразо5 ватели 23. ДНО и ДПК оптически св заны с клином 10. Дл  св зи с ДНО клин 10 выполнен с четырьм  плоскими зеркальными боковыми гран ми Г, расположенными под углами ±45° относительно главного сечени 

0 клина, а дл  св зи с ДПК на преломл ющей плоскости клина 10 нанесена кольцева  зеркальна  зона К, В состав ОЭП вход т два идентичных двухлучевых интерферометра, построенных по дифференциальным схе5 мам, измерительные плечи которых содержат призмы 6, 7, 8, кольцевую оптическую пластину 9, оптический преломл ющий клин 10, трипельпризмы 11, призмы 12, 13. Дл  обеспечени  необходимой стабильно0 сти взаимного положени  оптических элементов в плечах интерферометров пр моугольные призмы 6, 7, 8,12 и светоделители 5 закреплены на кольцевой оптической пластине 9 неразъемным способом,

5 например, методом оптического контакта или склеиванием. Аналогичным способом призма 13 крепитс  к призме 8. Вершины трипельпризм 11 установлены в углах квадрата , диагонали которого вместе с высотами

0 трипельпризм лежат в двух взаимно перпендикул рных измерительных плоскост х интерферометров. БОС имеет вход, электрически св занный с входом датчика начала отсчета, и группу входов положени  клина,

5 подключенную к выходам датчика положени  клина. БОС содержит коммутатор выходных сигналов интерферометров, реверсивные счетчики, формирующие измерительные сигналы, и вычислительное уст0 ройство (микроЭВМ).

Устройство работает следующим образом .

Пучок света от источника 1 (фиг. 2) преобразуетс  коллиматором- 2 в параллель5 ный, раздел етс  на два пучка светоделительной пластиной 3, пучки после отражени  от зеркальной части зеркал - пластин 4 направл ютс  в два идентичных двухлучевых интерферометра. Ход световых пучков показан стрелками. В каждом интерферометре входной пучок света раздел етс  светоделителем 5 на два информационных пучка, образующих измерительные плечи интерферометра. Информационный пучок, прошедший светоделитель 5, последовательно отражаетс  от призм 7, 8, проходит кольцевую пластину 9, оптический клин 10, отражаетс  от трипельпризм 11 в обратном направлении со смещением параллельно падающему пучку, проходит on- тический клин 10 и кольцевую пластину 9, отражаетс  со смещением от пр моугольной призмы 12, снова проходит кольцевую пластину 9 и оптический клин 10, отражаетс  со смещением от трипельпризмы 11, про- ходит оптический клин 10 и кольцевую пластину 9, отражаетс  от пр моугольной призмы 8, попадает в пр моугольную призму 13, отражаетс  в ней в обратном направлении со смещением и возвращаетс  со смещением к светоделительной пластине 5, повторив в обратном направлении вышеописанный путь. В другом плече интерферо- метра пучок света, отраженный от светоделител  5, после отражени  от пр мо- угольной призмы 6 проходит путь, аналогич- ный описанному в первом плече интерферометра через диаметрально противоположный участок оптического клина 10. Призменные отражательные элементы 8, 12, 13, установленные в измерительных плечах интерферометров, обеспечивают многократное (восемь раз) прохождение пучков света через оптический клин 10 в каждом плече интерферометров и, соответ- ственно, повышение чувствительности измерений . Кроме того указанные отражательные призмы обеспечивают посто нное пространственное смещение входных и выходных световых пучков в пле- чах интерферометров при повороте оптического клина 10 вокруг оси вращени  0-0. На выходе каждого интерферометра после светоделительной пластины 5 образуютс  в результатеинтерференциидва результирующих пучка, один из которых проходит через прозрачную часть зеркала- пластины 4 и фокусируетс  линзой 14 на чувствительной площадке фотопреобразовател  15, второй результирующий пучок в другом направлении фокусируетс  аналогичной линзой 14 на втором фотопреобразователе 15. При повороте клина 10 вокруг оси 0-0, измен етс  оптическа  разность хода Л в интерферометрах и на выходах фото- преобразователей 15 возникают выходные сигналы li, la, з и Ц в виде последовательности импульсов, число которых равно числу периодов переменных составл ющих интенсивностей соответствующих световых

пучков, т.е. числу пор дков интерференции в соответствующих интерферометрах, определ емого зависимостью

1 Ј К Sin a , (1)

где а - длина волны излучени  источника света 1 ;

К - посто нный коэффициент, завис щий от конструктивных параметров интерферометров .

Между сигналами li и 1г, 1з и Ц обеспечен сдвиг по фазе, равный 90°, за счет оптико-физических свойств светоделительных покрытий на пластинах 5, что позвол ет определить знак угла поворота объекта.

Интерферометры работают попеременно-последовательно в соответствии с циклограммой , изображенной на фиг. 3. Процесс измерени  угла поворота контролируемого объекта вокруг оси 0-0 начинаетс  в момент прохождени  клином 10 одного из четырех опорных положений, прин того за начальное (нулевое) угловое положение контролируемого объекта. В этот момент на выходе датчика ДПК формируетс  один из четырех управл ющих сигналов Uk, а на выходе датчика ДНО формируетс  импульсный сигнал Uo, которые поступают на соответствующие входы блока обработки сигналов БОС. БОС осуществл ет преобразование сигналов Н - U с интерферометров и управл ющих сигналов с датчиков и обеспечивает на выходе текущее значение измер емого угла поворота контролируемого объекта согласно зависимости

+ at 45°-arc Sin - d щ ) +

+90° р,(2)

где NI - текущее значение измерительного сигнала в цифровом виде, формируемого в БОС из выходных сигналов соответствующего интерферометра;

N45 - посто нное число, равное числу пор дков интерференции в соответствующем интерферометре при повороте клина на угол 45 от начала отсчета;

р - 0,1,2,3 - номер опорного углового положени  клина, причем, 0- номер начального положени  клина, при котором угол поворота прин т за 0°.

При последовательной обработке сигналов с каждого из двух интерферометров в устройстве обеспечиваетс  однозначность и повышение точности измерени  угловых перемещений оптического клина и св занного с ним контролируемого объекта.

Claims (3)

1. Интерференционное устройство дл  измерени  угловых перемещений, содержащее оптически св занные источник излучени  и два двухлучевых интерферометра, преобразователь угла поворота, выполненный в виде оптического клина, оптически св занного с измерительными плечами интерферометра , и блок обработки сигналов, информационные входы которого подключены к выходам интерферометров, отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности, оно снабжено датчиком начала отсчета и датчиком положени  клина, оптический преломл ющий клин выполнен с четырьм  плоскими зеркальными боковыми гран ми, предназначенными дл  оптической св зи с датчиком начала отсчета, и зеркальной кольцевой зоной на преломл ющей поверхности, оптически св занного с датчи0

ком положени  клина, а блок обработки сигналов выполнен с входом начала отсчета, подключенным к выходу датчика начала отсчета и группой входов положени  клина, подключенной к выходам датчика положени  клина.

2.Устройство по п. 1, отличающее- с   тем, что, с целью повышени  чувствительности , в измерительных плечах интерферометров перед оптическим клином по ходу лучей установлены призменные отражательные элементы.

3.Устройство поп.1, отличающее- с   тем, что оптические элементы интерферометров установлены на оптической пластине .

Фиг.1

Т U

N

I

Ч4

.грйЗ

Фие.З