RU2166182C2 - Interference method measuring angle of turn of object - Google Patents

Abstract

FIELD: instrumentation, remote control over position of objects. SUBSTANCE: proposed interference method solves problem of measurement of angle of turn of object thanks to formation of electric signals of various frequencies which depend on value of measured angles. Monochromatic collimated radiation beam illuminates simultaneously reference and measurement reflectors, the latter being coupled to controlled object. Distribution of intensities in interference picture formed by beams reflected from reference and measurement reflectors is recorded. Interference picture is converted to sequence of rectangular pulses. Pulse recurrence rate is measured. Angle α of turn is found from relation α=k · f, where f is pulse frequency; k is constant coefficient. EFFECT: increased accuracy of measurement of angle of turn of object. 2 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к интерференционным способам для дистанционного контроля и измерения пространственного положения частей различных машин, механизмов и сооружений в машиностроении, строительстве, самолето- и судостроении, а также в других областях метрологической и измерительной техники. The invention relates to instrumentation, in particular to interference methods for remote monitoring and measuring the spatial position of parts of various machines, mechanisms and structures in mechanical engineering, construction, aircraft and shipbuilding, as well as in other areas of metrological and measuring equipment.

Известен интерференционный нуль - индикатор (угломер). [А.М.Ванюрихин и другие. Анализ влияния погрешностей изготовления призмы Кестерса на точность нуль - индикации, ОМП, 1981, N 11, стр. 1], состоящий из источника света, коллиматора, двух диафрагм, призмы Кестерса, зеркала, установленного на объекте, угловое положение которого контролируется, и приемника излучения. Known interference zero - indicator (goniometer). [A.M. Vanyurikhin and others. Analysis of the influence of manufacturing errors of the Kisters prism on the accuracy of the zero indication, OMP, 1981, N 11, p. 1], consisting of a light source, a collimator, two diaphragms, a Kester prism, a mirror mounted on an object, the angular position of which is controlled, and a receiver radiation.

Способ измерения угла поворота основан на том, что световой поток источника излучения делится призмой на два когерентных потока, которые, отразившись от зеркала, совмещаются призмой и интерферируют. The method of measuring the angle of rotation is based on the fact that the light flux of the radiation source is divided by a prism into two coherent fluxes, which, reflected from the mirror, are combined by the prism and interfere.

Измеряют фотоприемником интегральное значение энергии интерферирующих потоков, по которому судят об угле поворота зеркала (объекта). The integrated value of the energy of the interfering flows is measured with a photodetector, which is used to judge the angle of rotation of the mirror (object).

Недостатком указанного способа является низкая точность измерения угла поворота (угол определяется величиной сигнала, на который влияет режим работы источника излучения, колебания питающего напряжения, изменения коэффициента пропускания). The disadvantage of this method is the low accuracy of measuring the angle of rotation (the angle is determined by the magnitude of the signal, which is affected by the mode of operation of the radiation source, fluctuations in the supply voltage, changes in transmittance).

Известен интерференционный способ измерения угла поворота объекта, наиболее близкий к предлагаемому изобретению по технической сущности и выбранный в качестве прототипа. [И.М. Кольцов и др. Интерференционное устройство регистрации нулевого положения. Измерительная техника, 1985, N 3, стр. 29]. Known interference method for measuring the angle of rotation of the object, the closest to the invention according to the technical nature and selected as a prototype. [THEM. Koltsov et al. Zero position interference registration device. Measuring equipment, 1985, N 3, p. 29].

Согласно указанному способу монохроматический коллимированный пучок излучения направляют на призму-куб с полупрозрачным покрытием на гипотенузной грани и полным зеркальным покрытием на одной из боковых граней. According to this method, a monochromatic collimated radiation beam is directed to a prism-cube with a translucent coating on the hypotenuse face and a full mirror coating on one of the side faces.

Пучок света от источника проходит через призму-куб и, отражаясь от отражателя, связанного с объектом, положение которого контролируется и ее полупрозрачной гипотенузной грани, образует измерительный пучок. Часть света от источника, отражаясь от гипотенузной грани призмы-куба и ее зеркальной грани образует опорный пучок. Пучки интерферируют, образуется последовательность темных и светлых полос. Период интерференционной картины определяется длиной волны излучателя и углом между измерительным и опорным пучками. A beam of light from a source passes through a prism-cube and, reflected from a reflector associated with an object, the position of which is controlled and its translucent hypotenuse face, forms a measuring beam. Part of the light from the source, reflected from the hypotenuse face of the prism-cube and its mirror face, forms a reference beam. The bundles interfere, a sequence of dark and light bands is formed. The period of the interference pattern is determined by the wavelength of the emitter and the angle between the measuring and reference beams.

При углах поворота объекта, близких к нулю, период картины приближается к ширине диафрагмы и при этом возрастает амплитуда сигнала фотоприемника, т. е. величина контролируемого угла определяется величиной амплитуды сигнала фотоприемника, что отражается на точности измерения угла поворота объекта. At object rotation angles close to zero, the period of the picture approaches the diaphragm width and the amplitude of the photodetector signal increases, i.e., the magnitude of the controlled angle is determined by the amplitude of the photodetector signal, which affects the accuracy of measuring the angle of rotation of the object.

Заявляемый способ решает задачу измерения угла поворота контролируемого объекта с высокой точностью. The inventive method solves the problem of measuring the angle of rotation of the controlled object with high accuracy.

Указанная задача решается за счет формирования электрических сигналов различной частоты, связанных пропорциональной зависимостью с величинами измеряемых углов. This problem is solved by the formation of electrical signals of different frequencies, associated proportionally to the values of the measured angles.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в интерференционном способе измерения угла поворота объекта опорный и измерительный отражатель, связанный с контролируемым объектом, одновременно освещают монохроматическим коллимированным пучком излучения, регистрируют распределение интенсивности в интерференционной картине, образованной пучками, отраженными от опорного и измерительного отражателей, преобразуют его в последовательность прямоугольных импульсов, измеряют их частоту, а искомый угол поворота объекта α определяют из соотношения:
α = k·f,
где f - частота импульсов,
k - постоянный коэффициент, зависящий от параметров схемы интерферометра.The specified technical result is achieved due to the fact that in the interference method of measuring the angle of rotation of the object, the reference and measuring reflector associated with the controlled object are simultaneously illuminated with a monochromatic collimated radiation beam, the intensity distribution is recorded in the interference pattern formed by beams reflected from the reference and measuring reflectors, transform it into a sequence of rectangular pulses, measure their frequency, and the desired angle of rotation of the object α about redelyayut from the relation:
α = k
where f is the pulse frequency,
k is a constant coefficient depending on the parameters of the interferometer circuit.

Параметры образованной интерференционной картины, а именно период ее или шаг интерференционных полос зависят от угла поворота объекта. Чем больше угол поворота, тем меньше период, т.е. возрастает частота следования электрических сигналов, следовательно частота следования сигналов пропорционально связана с измеряемым углом поворота объекта. The parameters of the formed interference pattern, namely, its period or step of the interference fringes, depend on the angle of rotation of the object. The larger the rotation angle, the shorter the period, i.e. the repetition rate of electrical signals increases, therefore, the repetition rate of signals is proportionally related to the measured angle of rotation of the object.

Таким образом, измеряемый угол не зависит от амплитуды сигнала, а зависит только от шага полос (частоты), который будет оставаться для данной величины угла α постоянным даже, если величина сигнала будет изменяться (например за счет флуктуаций потока излучателя). Thus, the measured angle does not depend on the amplitude of the signal, but depends only on the step of the bands (frequency), which will remain constant for a given angle α even if the value of the signal changes (for example, due to fluctuations in the emitter flux).

Заявляемый способ может быть реализован устройством, структурная схема которого изображена на фигуре 1. На фигуре 2 - приведена диаграмма сформированных сигналов. The inventive method can be implemented by a device, a structural diagram of which is shown in figure 1. Figure 2 - shows a diagram of the generated signals.

Устройство, реализующее способ, состоит из источника монохроматического излучения 1 и последовательно расположенных по ходу излучения коллиматора 2, светоделителя 3, опорного 4 и измерительного отражателя 5, объектива 6 и многоэлементного фотоприемника 7, вход которого соединен с выходом блока управления 8, выход фотоприемника соединен со входом компаратора напряжения 9, выход которого соединен с первым входом блока задержки 10 и с первым входом логического элемента ИЛИ 11, второй вход которого соединен с выходом блока задержки, выход элемента ИЛИ соединен со входом частотомера 12, а выход блока управления 8 соединен со вторым входом блока задержки 10. A device that implements the method consists of a source of monochromatic radiation 1 and sequentially located along the radiation of the collimator 2, a beam splitter 3, a reference 4 and a measuring reflector 5, a lens 6 and a multi-element photodetector 7, the input of which is connected to the output of the control unit 8, the output of the photodetector is connected to the input of the voltage comparator 9, the output of which is connected to the first input of the delay unit 10 and to the first input of the logic element OR 11, the second input of which is connected to the output of the delay unit, the output element and OR is connected to the input of the frequency counter 12, and the output of the control unit 8 is connected to the second input of the delay unit 10.

Интерференционный способ измерения угла поворота объекта осуществляется следующим, образом. The interference method of measuring the angle of rotation of the object is as follows.

Монохроматическим коллимированным пучком излучения источника 1 одновременно освещают опорный отражатель 4 и измерительный отражатель 5, связанный с контролируемым объектом. A monochromatic collimated radiation beam of the source 1 simultaneously illuminates the reference reflector 4 and the measuring reflector 5 associated with the controlled object.

Многоэлементный фотоприемник 7, ориентированный перпендикулярно ребру клина (двугранный угол α), регистрирует интерференционную картину, образованную пучками, отраженными от опорного 4 и измерительного отражателей 5, осуществляют фотоэлектрическое преобразование ее в выходной синусоидальный сигнал фотоприемника, который поступает на компаратор напряжения 9 и преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов. A multi-element photodetector 7, oriented perpendicular to the edge of the wedge (dihedral angle α), registers an interference pattern formed by beams reflected from the reference 4 and the measuring reflectors 5, photoelectricly converts it into an output sinusoidal signal of the photodetector, which is fed to the voltage comparator 9 and converted into a sequence rectangular pulses.

С выхода компаратора напряжения 9 импульсы поступают на первый вход блока задержки импульсов 10 на целое число периодов следования для того, чтобы заполнить ими паузу, образующуюся в течение интервала накопления фотоприемника излучения. From the output of the voltage comparator 9, the pulses are fed to the first input of the pulse delay unit 10 for an integer number of repetition periods in order to fill in the pause formed during the period of accumulation of the radiation photodetector.

С выхода компаратора 9 импульсы поступают на первый вход логического элемента ИЛИ 11, а с выхода блока задержки 10 - на второй вход элемента ИЛИ 11, при этом на выходе элемента ИЛИ 11 образуется непрерывная последовательность прямоугольных импульсов, частота следования которых пропорциональна (малому) углу клина α в интерферометре, так как шаг интерференционных полос пропорционален малому углу α.
Частота, пропорциональная углу α, измеряется частотомером 12. Функционирование устройства обеспечивается блоком управления 8.From the output of the comparator 9, the pulses are fed to the first input of the OR gate 11, and from the output of the delay unit 10 to the second input of the OR gate 11, while at the output of the OR gate 11 a continuous sequence of rectangular pulses is formed, the repetition rate of which is proportional to the (small) wedge angle α in the interferometer, since the pitch of the interference fringes is proportional to the small angle α.
A frequency proportional to the angle α is measured by the frequency counter 12. The operation of the device is provided by the control unit 8.

В качестве конкретного примера выполнения устройства, с помощью которого может быть осуществлен заявляемый способ, предлагается устройство, состоящее из источника монохроматического излучения, выполненного в виде HeNe лазера; коллиматора в виде телескопической насадки [В.А. Иванов, В.Е. Привалов. Применение лазеров. СПб., Политехника, 1993, стр. 12]; светоделителя в виде призмы-куб [Справочник конструктора ОМП, Л.: Машиностроение, 1980, стр. 188] ; отражателей 4,5 в виде плоских зеркал [Справочник конструктора ОМП. Л.: Машиностроение, 1980, стр. 169]; объектива в виде двухкомпонентного склеенного объектива [Справочник конструктора ОМП, Л.: Машиностроение, 1980, стр. 231] ; многоэлементного фотоприемника в виде ПЗС линейки [Г.Г. Ишанин и др. Источники и приемники излучения. СПб., Политехника, 1991, стр. 187]; компаратора напряжения, описанного в [Г.Н. Грязин. Оптико-электронные системы для обзора пространства. Л. : Машиностроение, 1988, стр. 112]; блока задержки, описанного в [Справочник. Телевизионная техника. М.: Радио и связь, 19, стр. 312]; логического элемента в виде стандартного элемента [М.А. Ахметов. Цифровые устройства ОЭП. Логические элементы и триггеры. Новосибирск, НИИГАИК, стр. 11]; стандартного частотомера и блока управления, описанного в [Справочник. Телевизионная техника. М.: Радио и связь, 19, стр. 312]. As a specific example of the implementation of the device with which the claimed method can be implemented, a device is proposed consisting of a monochromatic radiation source made in the form of a HeNe laser; collimator in the form of a telescopic nozzle [V.A. Ivanov, V.E. Privalov. The use of lasers. SPb., Polytechnic, 1993, p. 12]; a beam splitter in the form of a prism-cube [Handbook designer OMP, L .: Engineering, 1980, p. 188]; reflectors 4,5 in the form of flat mirrors [OMP Designer Handbook. L .: Mechanical engineering, 1980, p. 169]; a lens in the form of a two-component bonded lens [OMP Designer Handbook, L .: Engineering, 1980, p. 231]; a multi-element photodetector in the form of a CCD line [G.G. Ishanin et al. Sources and receivers of radiation. SPb., Polytechnic, 1991, p. 187]; the voltage comparator described in [G.N. Gryazin. Optoelectronic systems for space viewing. L.: Engineering, 1988, p. 112]; the delay block described in [Reference. Television technology. M: Radio and communications, 19, p. 312]; logical element in the form of a standard element [M.A. Akhmetov. Digital OEP devices. Logic elements and triggers. Novosibirsk, NIIGAIK, p. 11]; standard frequency meter and control unit described in [Reference. Television technology. M.: Radio and communications, 19, p. 312].

Claims (1)

Интерференционный способ измерения угла поворота объекта, заключающийся в том, что опорный и измерительный отражатель, связанный с контролируемым объектом, одновременно освещают монохроматическим коллимированным пучком излучения, регистрируют интерференционную картину, образованную пучками, отраженными от опорного и измерительного отражателей, и осуществляют фотоэлектрическое преобразование ее в электрический сигнал, отличающийся тем, что электрический сигнал формируют в виде последовательности прямоугольных импульсов, измеряют их частоту, а искомый угол поворота объекта α определяют из соотношения
α = k·f,
где f - частота импульсов;
k - постоянный коэффициент.The interference method of measuring the angle of rotation of the object, namely, that the reference and measuring reflector associated with the controlled object are simultaneously illuminated by a monochromatic collimated radiation beam, the interference pattern formed by the beams reflected from the reference and measuring reflectors is recorded, and photoelectric conversion is made into electric signal, characterized in that the electrical signal is formed in the form of a sequence of rectangular pulses, measure their frequency, as the required angle of rotation α of the object is determined from the relation
α = k
where f is the pulse frequency;
k is a constant coefficient.

Images