Устройство для измерения перемещений

 

УСТРОЙСТ-ВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕРЩНИЙ, содержащее источник излучения и оптически связанные светоделитель , объектив,, первый и второй уголковые отражатели,установленные соосно между собой и предназначенные для скрепления с контролирую емым объектом, а в обратном ходе от отражателей два позиционно-чувствительных фотоприемника и три Аотоприемника , установленных в фокальной плоскости объектива, один из позиционно-чувствительных Аотоприемников оптически связан с первым отражателем , выполненным в виде прямоугольного триэдра, а остальные фотопри13 S-i ;,,:; емники - с вторым отражателем, выходы всех фотоприемников электрически соединены с измерителем, отличающееся тем, что, с целью повьшения точности измерения линейных перемещений, оно снабжено пра- . вильной четырехгранной пирамидой с углом при вершине 180 -2oG, скрепленной основанием с входной гранью второго отражателя и ориентированной таким образом,что нормали к ее боковым граням параллельны коллимационным осям, второй отражатель выполнен в виде прямоугольного триэдра и на часть его входной грани, нeэkpaнируемую пирамидой, нанесено отражающее покрытие, угол об выбирают из (П . условия 1 . в-г 2Т;мГ 1Г где R - радиус оправы объектива; t, - расстояние между объективом и вторым отражателем; а ел Р - расстояние между вершиной пирамиды и геометрическим центром следа выходящего 4ib из пирамиды пучка} 1 - показатель преломления материала пирамиды.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК ((9) (((J

4(5!1 С 01 В 11/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

В-1

2(п-11 4 где Ц

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

AO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ,(21) 3523582/25-28 (22) 13. 12.82 (46) 23.03.85. Бюл. №- 11

° (72) И.Д.Бондаренко и E,Ï.Êîëèê (71) Белорусский ордена Трудового

Красного Знамени государственный университет им. В.И.Ленина (53) 531.743 (088.8)

{56) 1."Арр1ied Optics", 1972, № 4, т. 11, с. 961-962.

2.Авторское свидетельство СССР № 1024707, кл. С 01 В 11!26; 1983 (прототип) ° (54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащее источник излучения и оптически связанные светоделитель, объектив,, первый и второй уголковые отражатели, установленные соосно между собой и предназначенные для скрепления с контролируемым объектом, а в обратном ходе от отражателей два позиционно-чувствительных фотоприемника и три фотоприемника, установленных в фокальной плоскости объектива, один из позиционно-чувствительных фотоприемников оптически связан с первым отражателем, выполненным в виде прямоугольного триэдра, а остальные фотоприемники — с вторым отражателем, выходы всех фотоприемников электрически соединены с измерителем, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения линейных перемещений, оно снабжено правильной четырехгранной пирамидой с о углом прн вершине 180 -2 4(,, скрепленной основанием с входной гранью второго отражателя и ориентирован" ной таким образом,что нормали к ее боковым граням параллельны коллимационным осям, второй отражатель выполнен в виде прямоугольного. триэдра и на часть его входной грани, неэМранируемую пирамидой, нанесено отражающее покрытие, угол 46 выбирают из .условия — радиус оправы объектива; — расстояние между объективом и вторым отражателем; расстояние между вершиной пирамиды и геометрическим центром следа выходящего иэ пирамиды пучка; — показатель преломления материала пирамиды.

1146547

Изобретение относится к измери4 тельной технике и может использоваться для одновременного измерения линейных и угловых пространственных смещений положения объекта в машинои приборостроении. . Известно устройство для измерения перемещений, содержащее на одном объекте источник излучения, объектив и два позиционно-чувствительных фотоприемника (ПЧФП), а на другом объекте - уголковый отражатель с частично отражающей фронтальной гранью (1) .

Недостатком этого устройства является невысокая тбчность измерения, I обусловленная невозможностью разделения информации при различных пространственных перемещениях контролируемого объекта.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство для измерения перемещений, содержащее источник излучения и оптически связанные светоделитель, объектив, первый и второй уголковые отражатели, установленные соосно между собой и предназначенные для скрепления с контролируемым объектом, а в обратном ходе от отражателей два ПЧФП и три фотоприемника, установленных в фокальной плоскости объектива, один из ПЧФП оптически связан с первым отражателем, выполненным в виде прямоугольного триэд- И ра, а остальные фотоприемники — с вторым отражателем, и выходы всех фотоприемников электрически соединены с измерителем (2) .

Недостатком известного устройства является низкая точность измерения линейных перемещений, обусловленная зависимостью координат отраженных пучков, формируемых вторым атражате- 4> лем, при изменении его пространственного (углового) положения относительно оси визирования, приводящая к изменению ортогональности направлений симметричных отраженных пучков относительно измерительных осей и, как. следствие этого, зависимость показаний измерительных каналов линейных приращений от угЛовых поворотов контролируемого объекта. И, Цель изобретения — повышение точности измерения линейных перемещений.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для измерения перемещений, содержащее источник излучения и оптически связанные светоделитель, объектив, первый и второй уголковые отражатели, установленные соосно между, собой и предназначенные для скрепления с контролируемым объектом, а в обратном ходе от отражателей два ПЧФП и три фотоприемника, установленных в фокальной плоскости объектива, один из ПЧФП оптически связан с первым отражателем, выполненным в виде прямоугольного триэдра, а остальные фотоприемники с вторым отражателем, и выходы всех фотоприемников электрически соединены с измерителем, снабжено правильной четырехгранной пирамидой с yrо лом при вершине 180 -2М; скрепленной .основанием с входной гранью второго отражателя и ориентированной таким образом, что нормали к ее боковым граням параллельны коллимационным осям, второй отражатель выполнен в виде прямоугольного триэдра и на часть его входной грани, неэкранированную пирамидой, нанесено отражающее покрытие, а угол К выбирают из условия

l R-ã

Ф вЂ” т

2 (n-1) где R — радиус оправы объектива;

Ь вЂ” расстояние между объективом и вторым отражателем;

r — расстояние между вершиной пирамиды ч геометрическим центром следа выходящего из пирамиды пучка б — показатель преломления материала пирамиды.

На фиг. 1 представлена схема устройства; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1 (второй уголковый отражатель и скрепленная с ним пирамида).

Устройство содержит источник 1 излучения, светоделитель 2, объектив 3, коллимирующий излучение, первый уголковый отражатель 4, второй уголковый отражатель 5, предназначенные для скрепления с объектом (не показан), четырехгранную пирамиду 6, скрепляемую основанием с входной гранью второго уголкового отражате ля 5, ПЧФП 7 и 8, один иэ которых (фотоприемиик 7) расположен на оси устройства и оптически связан с пер вым уголковым отражателем 4, а вто3 114654 рой (фотоприемник 8) смещен относительно оптической оси, три фотоприем-, ника 9-11, также смещенные относи" тельно оптической оси, и измери- тель 12. Все фотоприемники 7-11 установлены в фокальной плоскости объектива 3, фотоприемники, смещенные с оптической оси, оптически связаны с вторым уголковым отражателем 5. 10

На фиг. 1 также обозначены положения автоколлимационных изображений

13-17 и отражающее покрытие 18, нанесенное на входную грань второго отражателя. Оси Х и У являются коллимационными осями, на фиг. 1 также показаны возможные перемещения контролируемого объекта — линейные и угловые (сам объект контроля не показан).

Первый и второй уголковые отражатели установлены соосно между собой и скреплены с контролируемым объектом.

Устройство работает следующим об- д разом.

Излучение от источника 1 излучения, пройдя светоделитель 2 и объектив 3, выходит из него коллимированным пучком и направляется на уголковые отражатели 4 н 5, которые жестко скреплены с контролируемым объектом. Излучение, отразившись от уголкового отражателя 4, возвращается в объектив 3, который строит его иэображение 17 в фокальной плоскости.

Излучение, прошедшее мимо уголкового отражателя 4, направляют на правильную пирамиду 6 с углом при вершине о, t80 - 2 а4- т.е. грани пирамиды накло40 иены к передней (входной) грани уголкового отражателя 5 на угол с .

Прбйдя пирамиду, излучение разбива-! ется иа четыре. пучка, каждый из кото. рых меняет направление, отклоняясь к вершине пирамиды 6. Отразившись от уголкового отражателя 5, пучки ,в обратном ходе .снова проходят правильнув пирамиду 6. Каждый из четырех отраженных пучков отклонен от оптической оси на угол где h — показатель преломления материала пирамиды 6;

М - угол наклона боковых граней пирамиды 6 к ее осно-. ванию.

7 4

Угол наклона оС боковых граней пирамиды б к передней грани уголкового отражателя 5 выбирается иэ условия, чтобы для заданного расстояния между объективом 3 и уголковым отражателем 5 линейное отклонение середины каждого из отраженных пучков от оси визирования в плоскости объектива не превышало значения светового радиуса последнего. В этом случае каждый отраженный пучок будет наполовину экранироваться оправой объектива 3, что обеспечит максимальный диапазон измерения линейных перемещений.

Отраженные от уголкового отражателя 5 пучки возвращаются в объектив

3, формируя в его фокальной плоскости четыре автоколлимационных изображения 13-16. Изображения 13 и 14 смещены относительно оптической оси объектива 3 вдоль оси ОУ, а иэображения 15 и 16 — вдоль оси ОХ на одинаковые угловые расстояния в соответствии с величиной угла с6 Координаты изображений 13-16 практически не зависят от малых поворотов уголкового отражателя S относительно коллимационных осей ОХ и ОУ. Они изменяются только при поворотах отражателя с пирамидой б относительно оси визирования OZ (автоколлимационные изображения синхронно поворачиваются в фокальной плоскости относительно оптической оси объектива 3). Фиксируя смещение одного из изображений, например изображения 13, вдоль оси

ОХ с помощью ПЧФП 8, соединенного с измерителем 12.и имеющего нулевую линию чувствительности, совпадающую с ортогональной осью ОУ, определяют величину угла поворота объектива относительно оси 07., т.е. угол 6

Отраженные пучки распространяются попарно симметрично под углом. к опти.," ческой оси устройства. При смещении, уголкового отражателя 5 вдоль коллимационных осей ОХ и ОУ симметричные пучки по-разному экранируются oqpaвой объектива 3. Например, при смещении уголкевого отражателя вдоль положительного направления оси ОУ, отраженный пучок 13 будет экранироваться оправой объектива З,а пучок

14 — меньше. В соответствии со смещениями пучков меняется и яркость. отвечающих им автоколлимационных изображений. При этом разности яр"

114654 7

ВНИИ

Тираж костей изображений 13, 14 и 15, 16 пропорционально смещениям (и щ уголкового отражателя 5 вдоль осей

ОУ и ОХ. Эти изображения регистрируются соответствующими фотоприем- 5 никами 8, 11 и 9, 10 (ПЧФП 8 в этом случае работает как обычный фотоприемник, т.е. выходные сигналы суммирук гся), а разности сигналов на их выходах определяются измерителем

12.

Углы коллимации 8, и 6 определяются при помощи ПЧФП 7 обычным способом по смещению автоколлимационно- го изображения 19, сформированного в фокальной плоскости в результате отражения световых лучей от неэкранированных участков входной грани уголкового отражателя 5, имеющих отражающее покрытие 18.. . 20

Для определения смещения объектива вдоль оси визирования формируется дополнительный отраженный пучок за счет отражения световых лучей от уголкового отражателя 4. Отраженные от него лучи формируют в его фокальной плоскости объектива 3 неподвижное автоколлимационное изображение

17, расположенное от оптической оси устройства. Так как площадь рабочей 30 апертуры уголкового отражателя 4 практически не зависит от малых углов поворота его относительно координатных осей и меньше площади световой апертуры объектива 3, то яркость .Ьилнал ППП "Патаыт" °

r. Ужгород, ул. Проектиая, 4 изображения 17 остается неизменной при поворотах и смещениях объектива относительно осей 0Х, ОУ и 07.. При изменении расстояния между объективом.3 и уголковый отражателем 4 за счет расходимости изображений 13-16 относительно направления падающего пучка яркость соответствующих им автоколлимационных изображений будет меняться; при увеличении дальности она уменьшается, а при уменьшении— увеличивается. Разность суммы яркостей симметричных изображений 13, 14 или 15, 16 и изображения 17 служит мерой смещения объектива вдоль оси 02. Сумма и разность яркостей изображений определяются по выходным сигналам фотоприемников 8, 11 или

9, 10 и 7 (ПЧФП 7 в этом случае работает как обычный фотоприемник) при помощи измерительного устройства 12.

Разделение автоколлимационных изображений 17 и 19, регистрируемое

ПЧФП 7, осуществляют при помощи поляризаторов, светофильтров или поочередно включающихся диафрагм (не показаны), устанавливаемых перед уголковыми отражателями 4 и 5.

Положительный эффект заключается в уменьшении влияния уголкового разворота контролируемого объекта (угла скручивания) на измеряемые линейные его перемещения.