Устройство для измерения угловых перемещений объекта

 

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения - расширение диапазона измерений, повышение точности и расширение функциональных возможностей путем определения наряду с величиной перемещения направления поворота объекта и его нулевого положения. Перед началом измерений зеркало 4, установленное на объекте, находится в нулевом положении, которое фиксируется фотоприемником 6. При угловом перемещении объекта зеркало отклоняется на угол ±α<SB POS="POST">об</SB> от нулевого положения. Отклонение +α<SB POS="POST">об</SB> измеряется первой группой из N световодов, отклонения -α<SB POS="POST">об</SB> - второй группой из N световодов. Каждая из групп световодов соединена с фотоприемником 8 и расположена симметрично относительно 2N+1 световода, связанного с фотоприемником 6. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ.

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК сю 4 С 01 В 21/00 и ) и г

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н A8TOPCKOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ вЂ” 1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

IlO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4279801/24-28 (22) 07.07,87 (46) 30.09.89. Бюл. и 36 (71) Всесоюзный заочный машиностроительный институт (72) А.А.Титов (53) 531 ° 7.717 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 823850, кл. G 01 В 11/00, 1981. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ

ПЕРЕМЕЦ ЕНИЙ ОБЪЕКТА (57) Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретениярасширение диапазона измерений, повышение точности и расширение функциональных возможностей путем определе„„SU„„1511596 А 1

2 ния наряду с величиной перемещения направления поворота объекта и его нулевого положения. Перед началом измерений зеркало 4, установлено на объекте, находится в нулевом положении, которое фиксируется фотоприемником 6. При угловом перемещении объекта зеркало отклоняется на угол

+о „ от нулевого положения. Отклонение + е „ измеряется первой группой из и световодов, отклонения -с, второй группой из и световодов. Каждая из групп световодов соединена с фотоприемником 8 и расположена симметрично относительно 2п. + 1 световода, связанного с фотоприемником 6. д

2 ил.

3 1511 59

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений углов поворота объектовe

Цель изобретения - расширение диапазона измерений, повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей путем определения наряду с величиной перемещения и на- 10 правления поворота объекта и его рулевого положения.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства; на фиг.2 - диаграммы измерения угла поворота объек- !5 та, закон изменения углов поворота объекта (1126 U 1127 напряжения на шинах), Устройство содержит лазер 1, выход которого через линзы 2, зеркало 20

3 оптически соединен с зеркалом 4, установленным на объекте, зеркало 3 механически соединено с двигателем

5; фотоприемники 6-8; 2п + 1 светодиодов 9, где n — число разрядов младшей ступени преобразования, свето- диоды 9 разбиты на две группы по и светодиодов в каждой группе, зеркало 4 оптически соединено с торцами всех световодов 9, 2п световодов 9 соеди- ЗО нены с входом фотоприемника 8, (2n + + 1)-й световод соединен с входом фотоприемника 6, 1-й световод второй группы световодов расщеплен на два световода и соединен с входами фото- З5 приемников 7 и 8; триггер 10, первый вход которого через компаратор 11 соединен с выходом фотоприемника 7, выходы фотоприемников 6 и 8 соединены . с входами компараторов 12 и 13, вы- 40 ход компаратора 13 через ключ 14, счетчик-регистр 15, импульсов, вычислитель 16 соединен с индикатором

17, выход компаратора 13 соединен с первым входом реверсивного счетчика 45

18 импульсов, второй вход которого соединен с входом элемента НЕ 19, выход которого соединен с вторым входом ключа 14, входы реверсивного счетчика 18 через биполярный цифро- 50 аналоговый преобразователь 20, ключ

21 соединены с входом двигателя 5, первый вход триггера 22 соединен с выходом компаратора 12, вторым входом триггера 10, а выход триггера 22 соединен с вторым входом ключа 21 и вхо-. дом элемента 19 НЕ, выход триггера

10 соединен с вторым входом индикатора 17, третий вход реверсивного

6 4 счетчика 18 соединен с выходом ком" паратора 12; счетчик-регистр 15 содержит счетчик 23 импульсов и регистр

24, второй вход счетчика 23 соединен с шиной 25 "Сброс", выходы счетчика 23 через регистр 24 соединены с выходами счетчика-регистра 15, первый вход регистра 24 соединен с шиной 26 "Передача кода", второй вход регистра

24 соединен с выходом компаратора 12, второй вход триггера 22 соединен с шиной 27 "Установка нуля", второй вход вычислителя 16 соединен с выходом компаратора 12, а третий вход - с шиной 25.

Устройство работает следующим образом.

Луч лазера 1 фокусируется с помощью линз 2 на один из торцов световодов

9. В начальном состоянии зеркало 4, установленное на объекте, находится в нулевом положении. С помощью юстировки зеркала 3 вручную с помощью механических приспособлений (не пока-. заны) луч направляется на нулевой световод 9, соединенный с фотоприемни. ком 6, который определяет нулевое состояние устройства. Сигнал с фотоприемника 6 поступает на компаратор 12, который формирует пороговый уровень, с помощью которого обнуляются триггеры

10, 22, реверсиынй счетчик 18, регистр

24, вычислитель 16, а на индикаторе

17 появляется цифра "нуль", соответствующая нулевому положению устройства. Ключ 21 закрыт и напряжение на двигатель 5 не подается. При этом подается также импульс по шине

25 "Сброс" на счетчик 23, который устанавливает в нулевое положение.

Зеркало 4 может отклоняться на угол

+0! << 0T нулевого положения. 3TQ оТ клонение происходит. дискретно с шагом ю!, (Фиг.2), причем. этот шаг может несколько меняться от одного отклонения к другому, что обусловлено свойствами объекта. Устройство измеряет общий угол поворота о!, объекта. Световоды 9 разбиты на две группы по п.световодов в каждой. Одна группа световодов измеряет углы отклонения + oL,„ а другая - Ы.,в. Если обозначить Х шаг между световодами

9, то ширина одной группы световодов будет равна; .1 = пЬХ, (1) тогда из фиг.1 можно получить

1= к e.gq, (2) 1511 "<) 6

15 бы

- . В2 сБ„„ (3) где с(, „ „; максимально возможный угловой поворот объекта за один шаг.

Это необходимо, чтобы при отклонении объекта на угол 6с „ „„ „,луч находился на световодах 9. При первом отклонении от нулевого положения на угол Ы, луч света находится на линейке световодов 9. Система замеряет угол. Затем с помощью зеркала 3 луч устанавливается в нулевое положение на линейке 9. При следующем отклонении объекта на угол аобу, луч опять перемещается по линейке световодов 9.

Система замеряет суммарный угол за два шага. И опять с помощью зеркала

3 луч возвращен в нулевое положение на линейке световодов 9. Описанный процесс повторяется, пока не будет измерен весь угол поворота объекта.

Рассмотрим теперь подробнее работу устройства. При перемещении луча по линейке световодов 9 на выходе фотоприемника 8 формируется периодический сигнал, который компаратором

13 превращается в периодическую последовательность импульсов. Ключ 14 при этом открыт, так как на его вход от элемента НЕ 19 подан разрешающий сигнал, поскольку триггер 22 находится в обнуленном состоянии. Счетчик

23 и реверсивный счетчик 18 подсчитывает количество импульсов, соответствующее углу поворота АЫ сБ . Однако, когда с выхода счетчика 23 будет пере. дан и считан с регистра 24 только тогда, когда будет подан импульс на шину 26 "Передача кода". Этот импульс подается на шину 26 после того, как объект повернется на угол Ы, (фиг.2, напряжение U z).При подаче сигнала по шине 26 код из счетчика 23 зано сится в регистр 24 и передается в вычислитель 16. Количество импульсов, подсчитанных счетчиком 23 при поворо. те объекта на угол hei,, равно: где R — расстояние от зеркала 4 до линейки световодов 9; (- угловая апертура линейки световодов 9;

Поскольку угол отклонения луча зеркалом 4 равен.aL „ — — 2hoL где

Е сБ - угол поворота объекта, то X -=

= R tg2hd.

Выбираем 1 >) X таким образом, что20

m = -- tg2gg

06 (4)

Иэ выражения (4) видно, что зависимость числа импульсов от угла поворота нелинейная. Чтобы эту нелинейность устранить, введен вычислитель

)6, который производит вычисление угла по формуле

1 mbX

Ес = — arctg — — . (5)

2 R

Вычислитель начинает работать при подаче сигнала по шине 26. После вычислителя t 6 код, соответствующий углу поворота объекта, поступает на индикатор 17, у которого на световом табло высвечивается результат преобразова ния.

Для того, чтобы измерить следующее отклонение объекта на угол йс система должна быть возвращена в нулевое положение. Для этого на триггер

22 по шине "Установка в нуль" подается импульс (фиг.2, U<7 ) ° Триггер

22 срабатывает и через элемент НЕ 19 выключает ключ 14 и включает ключ

21, При этом доступ импульсов на счетчик 23 прекращается, а сигналом с триггера 22 реверсивный счетчик 18 переводится в режим вычитания. Через биполярный ЦАП 20 и открытый ключ 21 напряжение поступает на двигатель 5, который поворачивает зеркало 3 так, что луч двигается по линейке световодов к нулевому положению. При этом импульсы от компаратора 13 поступают на реверсивный счетчик 18, который работает в режиме вычитания. В результате напряжение на выходе биполярного ЦАП 20 уменьшается и при достижении лучом нулевого положения на линейке световодов 9 напряжение ста" новится равным нулю и двигатель ос" танавливается. При этом срабатывает компаратор 12 и сбрасывает в нуль триггер 22, реверсивный счетчик 18, регистр 24 и вычислитель 16, а на индикаторе 17 будет зафиксировано нулевое положение объекта. При этом ключ

21 размыкается и отключает двигатель

5 от системы, а ключ 14 через элемент

НЕ 19 включается. Если объект 4 поворачивается в другую сторону от нулевого положения, то при прохождении лучом первого световода от нулевого положения появляется импульсный сигнал на выходе фотоприемника 7 и через компаратор 11 срабатывает триггер 10 . знака, зажигает на индикаторе 17 лам1511596 почку. Это свидетельствует об отклонении объекта e: другом направлении.

Аналогично происходит подсчет им5 пульсов счетчиком 23, При возвращении системы в нуль зеркало 3 нужно поворачивать в другую сторону. Для этого на триггер 22 подается импульс "Установка в нуль", который включает ключ 21. Поскольку при этом триггер

10 находится в сработанном состоянии, то он переключает биполярный ЦАП 20 так, чтобы напряжение на его выходе изменилось на противоположное, что приводит к. вращению двигателя в противоположную сторону и возвращению системы к нулю аналогичным образом.

При дальнейшем отклонении объекта импульсы от компаратора 13 через открытый ключ 14 поступают на счетчик

23, где они складываются с ранее записанным кодом так, что при отклонении объекта на угол о4 на индикаторе 17 фиксируется данный угол. Рос- 25 ле окончания процесса измерения всего угла на счетчике 23 подается сигнал

"Сброс" (фиг.2, Uqq).

Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает расширение диапазона измерения углов .в ре. зультате введения системы, возврац|ающего луч после каждого отклонения объекта в нулевое положение, при этом З линейка световодов 9 имеет ограниченное количество световодов по сравнению с линейкой, которую нужно было бы изготовить на весь диапазон измерения угла. Кроме того, повышается точность измерения. В настоящее время точность расположения волоконных световодов достигает порядка 100 на

1 мм, т.е. шаг д Х = 10 мкм. Если расположить линейку на расстоянии

R = 0,5 м, то разрешение по углу равно

1 hX

Асб =- — = 21

MNH 2 R У

50 при этом по сравнению с прототипом повышает точность измерения и за счет введения вычислителя 16, что позволяет устранить нелинейность преобразования. Функциональные возможности

55 расширяются эа счет того, что устройство позволяет определить направление поворота объекта и его нулевое положение.

Формула изобретения

Устройство для измерения угловых перемещений объекта, содержащее источник когерентного монохроматического излучения, последовательно расположенные по ходу излучения объектив, первое зеркало, второе зеркало, свя. зываемое с объектом, и первый фотоприемник, блок обработки сигнала, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, расширения диапазона измерений и функциональных воэможностей путем определения наряду с величиной перемещения направления поворота объекта и его нулевого расположения, оно снабжено приводом, связанным с первым зеркалом, вторым и третьим фотоприемниками, оптически связанными с вторым зеркалом, 2п + 1 световодами, расположенными в ряд двумя симметричными относительно (2n + 1)-ro световода группами по и световодов в каждой группе, (2n + 1) -й световод связан с входом первого фотоприемника, с входом второго фотоприемника связаны каждый из

2п световодов двух групп, с входом третьего фотоприемника связан ближайший к (2 + 1)-му световоду световод одной из групп, блок обработки сигнала выполнен в виде первого и второго триггров, первого, второго и третьего компараторов, последовательно соединенных первого ключа, счетчика с регистром, блока вычислений, индикатора, цифроаналогового преобразователя и второго ключа, логического элемента

НЕ и реверсивного счетчика, входы первого, второго и третьего компараторов соединены соответственно с выходами первого, второго и третьего фотоприемников, первый вход первого триггера соединен с выходом третьего компаратора, второй вход - с выходом первого компаратора и с первым входом второго триггера, а выход - с входом цифроаналогового преобразователя, выход первого компаратора соединен с входом реверсивного счетчика, с вторыми входами счетчика и блока вычислений, выход второго компаратора соединен с входом первого ключа и с первым входом реверсивного счетчика, с вторым входом которого соединен вход логического элемента НЕ, выход второго триггера и второй вход второго ключа, выход которого связан с входом привода, выход логического

1511596

И26 27 25

Составитель О. Несова

Тех ред М.дкдык

Корректор С Черни

Редактор К.Крупкина

Заказ 5891/44 Тираж 683 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r Ужгород, ул. Гагарина,101 элемента И соединен с вторым входом первого ключа, вход сброса счетчика соединен с шиной "Сброс", вход регистра счетчика и третий вход блока вычислений соединены с шиной Передача кода", а установочный вход второго триггера соединен с шиной "Ус,тановка нуля".