Устройство для измерения угловых перемещений объекта

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для точных измерений углового положения объекта в широком диапазоне изменения углов. Целью изобретения является расширение диапазона измерений углового перемещения объекта за счет введения в измерительное устройство диска с дорожкой, толщина которой изменяется по линейному закону, и фокусирующей линзы. Лазер 1 освещает акустооптический модулятор (АОМ) 2, на который подан амплитудно-модулированный сигнал. Свет на АОМ 2 дифрагирует. По выходе из АОМ 2 дифрагированные пучки и пучок нулевого порядка отражаются от дорожки 3 диска 4, смещаясь при повороте диска параллельно друг другу. Смещение пучков пропорционально углу поворота объекта. Попадая далее на дифракционную решетку 5, пучки по выходе из нее интерферируют на линзе 6, осуществляющей преобразование Фурье. По изменению фазы сигнала на выходе фотоприемника 8 судят об угле поворота объекта измерения. 2 ил.

(1Ю (11) А1 (51)5 G 01 В 21/22

3ЖИ33@3 1 .."П1 1И-:, :=й!М

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

О. л

1 l .

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И OTHPbITHAM

ПРИ П4ВТ СССР

1 (21) 4606378/24-28 (22) 22. 11.88 (46) 30. 10.90. Бюл. М 40 (71) Московский институт приборостроения (72) А.А. Титов (53) 537.3 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

К 1479831, кл. G 01 В 21/00, 1988. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ ПЕРЕГ1ЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТА (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для точных измерений углового положения объекта в широком диапазоне изменения углов. Целью изобретения является расширение диапазона измерений углового перемещения объекта за счет введения в измерительное

2 устр-во диска с дорожкой, толщина которой изменяется по линейному закону, и фокусирующей линзы. Лазер 1 освещает акустооптический модулятор (AOM) 2 на который подан амплитудномодулированный сигнал. Свет на AOM 2 дифрагирует. По выходе из АОМ 2 дифрагированные пучки и пучок нулевого порядка отражаются от дорожки 3 диска

4, смещаясь при повороте диска параллельно друг другу, смещение пучков пропорционально углу поворота объекта. Попадая далее на дифракционную решетку 5, пучки по выходу иэ нее интерферируют на линзе 6, осуществляющей преобразование Фурье. По изменению фазы сигнала на вьмоде фотоприемника 8 судят об угле поворота объекта измерения. 2 ил.

С:

1603193

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для точных измерений углового положения в широком диапазоне измене-, 5 ния углов.

Цель изобр етейия — расширение диапазона измерений углового перемещения объекта за счет введения в измерительное устройство диска с дорож- 10 кой, толщина которой меняется по линейному закону, и фокусирующей линзы.

Пучок лазера 1 освещает AOM 2, на который от модулятора 10 подается амплитудно-модулированный сигнал

U=(1 + m cosuÄt) созЯ

m созЯ t + — соз((ДВ + 4)„) t +

+ - соз((д — Сдц) t, На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг ° 2 развертка дорожки по окружности и ход лучей при повороте диска.

Устройство содержит последовательно оптически соединенные лазер 1, акустооптический модулятор (AOM) 2, дорожку 3, диск 4, .дифракционную решетку 5, линзу 6, диафрагму 7,

10, второй вход которого соединен с выходом генератора 11 высокой частоты, выход модулятора 10 соединен с входом AOM 2, выход фотоприемника 8 соединен с входами фильтров 12 и 13, выход фильтра 12 соединен с первым входом смесителя 14, второй вход которого соединен с выходом генератора 1 t, выход смесителя 14, соединен с первым входом фазометра

15, выход фильтра 13 соединен с первым входом фазометра 16, вторые входы фазометров 15 и 16 соединены с выходом генератора 9, выходы фазометров 15 и 16 являются выходныли шина— ми соответственно точного и грубого каналов.

Ось вращения диска 4 совмещена с осью вращения объекта. Толщина дорожки по окружности меняется по линейному закону. Дорожка покрыта отражающимм п окр ыти ем.

Устройство работает следующим образом. где ()„и у - соответственно низкая и высокая частоты.

Свет дифрагируют на AOM 2 с углами дифракции:

3 A

Bg = — — ь (В+0н) = fs + зв ЗЬ

% (2) и

О-9 A

f - — — f

В и 17 s y н)

ЪВ где 73 — скорость звука в модуляторе.

Дифрагированные пучки и пучок нулевого порядка падают на дорожку 3 диска 4 и отражаются от нее. Так как толщина дорожки меняется при повороте диска 4 по линейному закону, то отраженные от диска 4 пучки смещаются параллельно друг другу (фиг.2)

На фиг,2 несложно определить величину смещения

C = OA = 2R sing э1п с 0оВ, (3) где R — радиус диска; — угол падения пучка лазера на дорожку; — угол наклона дорожки по отношению к плоскости диска;

О,= угол поворота диска (объекта).

Следовательно, смещение пучков прямо пропорционально углу поворота объекта °

Далее пучки падают на дифракционную решетку 5, которая совмещает пучок нулевого порядка с дифрагированными пучками. При этом частота f выбрана такой, чтобы дифрагированные пучки интерферировали между собой.

В результате на линзе 6 происходит интерференция дифрагированных пучков с пучком нулевого порядка. Линза 6 осуществляет преобразование Фурье, диафрагма 7 установлена в фокусе линзы 6, далее эта картина воспроизводится фотоприемником 8. Поскольку .учки на входе линзы 6 смещаются параллельно ее плоскости, то по свойству Фурье-преобразования это приводит к изменению фазы пучков в плоскости .

Фурье-преобразования. Тогда, полагая, что падающие на линзу 6 пучки имеют плосКий фронт, получают следующее выражение для сигнала на выходе фотоприемника 8: рг зн2 1603193

U = J / t (ехр(к(х-с)+р ехр((е)ее+

-ee -1)(а

+K(K-C)Pe) + g - exPi((C) e+ и„) t +

+ К(Х-C) (Яе + 9„) + q Х ехР1((С)е-C)e) t + к(х-с) (О,- ee)jI ехр()хах (а).

e UecoeP((CeeQe) t — KCQp)e

+ С„coe jte„t — KC Ot) (4)

2(( где К вЂ” - волновое число jl

1

- координата в плоскости щели р

1,D - размеры диафрагмы 7 и линзы 6;

U>,U fK) - амплитуды сигналов.

В выражении (4) не приведены слагаемые с частотами (Д р Q> - Я > р

29>р так как фильтры 12 и 13 пропускают сигналы с частотами соответственно Я + Я„ ия„ . После смесителя

14 частота сигнала уменьшается до (х)н

Таким образом, фазометр 16 измеряет фазу сигнала (грубый канал измерения)

U ) соэ(Я„ — КС9я), а фазометр 15— а фазу сигнала Ui)) соз ((И +И() t-КСО Д(точный канал измерения) .

Таким образом, для грубого и точного каналов фазы

0) =КС9 = —" — С °

2 1

Р V

6 ц) =КСО = — — С.

2фй в

Хоцца > Vqg

Устройство позволяет измерять углы в диапазоне 0-359

Формула изобр ет ения

Устройство для измерения угловых перемещений объекта, содержащее оптически связанные ла зер, а кустооптический модулятор, отражатель, предназначенный для закрепления на объекте измерения, дифракционную Решетку и фотоприемник с диафрагмой, параллельно подключенные к выходу фотоприемника два фильтра и последовательно подключенные к первому фильтру фаэометр, а к второму— последовательно подключенные смеси-." тепь и фазом тр, модулятор, связанный с входом акустооптического модулятора, генератор низкой частоты, выхоц которого связан с модулятором и входами первого и второго фазометров, генератор высокой частоты, выход которого связан с вторым входом модулятора и входом смесителя, отличающееся тем, что, с цепью расширения диапазона измерений, оно снабжено линзой, установленной между дифракционной решеткой, и фотоприемником с диафрагмой, а отражатель выполнен в виде диска с кольцевой отражающей доро)ккой, толщина которой вдоль окружности изменяется по линейному закону.

1б03193

Составитель В, Шабанова

Техред M,Äèäbtê

Редактор А.; Огар

Корректор С,вверни

Заказ 3377

Тираж 483

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

1.13035, Москва, И-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r Ужгород, ул. Гагарина, 101