Отражатель фотоэлектрического автоколлимационного угломера

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для применения в фотоэлектрических автоколлимационных угломерах. Цель изобретения - повышение точности измерения углов и информативности за счет измерения также и угла скручивания. Отражатель выполнен в виде триэдра с двумя плоскими отражающими гранями и одной цилиндрической гранью. Образующая цилиндрической грани параллельна одной из плоских граней, другая плоская грань составляет с первой угол (90°-δ),, а с образующей цилиндрической поверхности - угол (90°+δ).. Конкретное значение δ определяется исходя из конструктивных параметров угломера, использующего отражатель. 7 ил., 6 табл.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для применения в фотоэлектрических автоколлимационных угломерах для дистанционного определения положения объекта относительно трех взаимно перпендикулярных осей.

Известен отражатель [1] выполненный в виде стеклянного тетраэдра, два двугранных угла которого равны по абсолютной величине (третий двугранный угол равен 90^о). При использовании такого отражателя в плоскости анализа формируются пять изображений марки, четыре из них сформированы пучками от отражающих граней тетраэдра, а пятый пучком, отраженным от входной (преломляющей) грани, как от автоколлимационного зеркала. При повороте отражателя на коллимационные углы Θ₁ и Θ₂ угол скручивания Θ ₃ они (углы) могут быть определены по смещению отраженных пучков.

Данный отражатель обладает тем недостатком, что при увеличении коллимационных углов или (и) увеличении дистанции между автоколлиматором и отражателем в практических случаях возникает ситуация, когда вследствие высокой чувствительности автоколлимационного зеркала, пучок, сформированный преломляющей гранью, при повороте отражателя не попадает во входной зрачок автоколлимационного объектива. Это приводит к значительному увеличению габаритов приемной системы.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является отражатель [2] выполненный в виде полого зеркального триэдрического элемента с одной цилиндрической отражающей поверхностью.

Целью изобретения является повышение точности измерения углов и информативности за счет измерения также угла скручивания.

Это достигается тем, что отражатель выполнен в виде триэдра с двумя плоскими гранями и одной цилиндрической гранью. Образующая цилиндрической грани параллельна одной из плоских граней, другая плоская грань составляет с первой угол (90^о -δ), а с образующей цилиндрической поверхности угол (90^о + δ), при этом угол между цилиндрической и первой гранями лежит в пределах от 90^о до (90^о 90°- δ), где δ заведомо заданное отступление от 90^о.

Конкретное значение δ определяется исходя из конструктивных параметров угломера, использующего отражатель, и дистанции работы. Исходя из физических условий отражения пучка внутри отражателя, параметр δ не должен превышать 7,5^о.

Сущность заявленного изобретения поясняется фиг. 1-7; где на фиг. 3 представлен отражатель, общий вид; на фиг. 3-7 структура изображения в плоскости анализа при различных поворотах отражателя.

Углы между гранями отражателя задаются следующим образом: 90^о δ₂ между гранями 2 и 3.

90^о δ₃ между гранями 1 и 3.

90^о δ₁ между гранями 1 и 2.

Величины δ₁, δ₂ δ₃ являются отклонением от прямого двугранного угла между гранями 1 и 2, 2 и 3, 1 и 3, соответственно. Величины δ₁, δ₂ δ₃ алгебраические, т.е. если δ₁ (или δ₂ δ₃положительна, двугранный угол между гранями 1 и 2 (2 и 3, 1 и 3) меньше 90^о, а если δ₁ (или δ₂ δ₃ отрицательна, то двугранный угол между гранями 1 и 2 (2 и 3, 1 и 3) больше 90^о. Пусть величины δ₁, δ₂ δ₃связаны соотношениями: δ₁=Λ₂δ;δ₂=δ; δ₃=Λ₁δ, где Λ₁,Λ ₂ некоторые коэффициенты, причем Λ₂ меняется от до 0 из-за наличия кривизны цилиндрической грани, а Λ₁= -1.

Параметр δ не должен превышать величину 7,5^о. Выбор конкретной величины δ производится исходя из конструктивных соображений и в зависимости от дистанции работы угломера, в составе которого работает отражатель. Как далее показано, наибольший угол расходимости пучка на выходе отражателя составляет величину: q4 δ [радиан] При работе автоколлиматора необходимо, чтобы отраженные пучки без виньетирования прошли бы приемный объектив. Условие для этого запишется в следующем виде (аналогичное условие имеет место и для прототипа): D/2 ≥ L tg (q), где D диаметр объектива автоколлиматора; L дистанция до отражателя.

Другое условие угол расходимости пучка не должен превышать угловое поле ω приемной системы автоколлиматора, т.е.

q ≅ω 4 δ≅arctg (d/2f), где d размер чувствительной площадки приемника-анализатора; f фокусное расстояние приемного объектива.

Таким образом, величина δ определяется габаритами элементов используемого автоколлиматора и дистанцией его работы. Приведенные условия относятся прежде всего к автоколлиматору и по этой причине подробно не анализируются.

Рассмотрим принцип действия предлагаемого отражателя, для чего воспользуемся системами координат на фиг.1.

Обобщенная матрица действия отражателя в подвижной системе координат О имеет следующим вид: B_п= (1)
С учетом матрицы перехода (2.30 [1]) получаем следующие выражения для элементов матрицы действия отражателя (см.табл.1):
При нормальном падении пучка излучения на отражатель, в соответствии с табл. 1 и выражением для орта отраженного пучка в неподвижной системе координат, получаем следующие значения компонентов матрицы для трех пар пучков 123 (321), 231 (132), 312 (213), представленные в табл.2.

Пусть отражатель в исходном положении имеет начальный разворот относительно оси O на величину κ₁. В этом случае элементы матрицы действия (1) изменяют свою величину в соответствии с выражениями (2), где k, l, m новые значения элементов матрицы действия; а, b, c прежние значения матрицы действия (см.табл.1). Матрица действия отражателя в неподвижной системе координат O X Y Z имеет вид:
B_н
Элементы k, l, m матрицы действия В_н определяются выражениями:
k a Cos κ₁ c Sin κ₁;
l b; (2)
m a Sin κ₁ + c Cos κ₁;
Условие независимого изменения углов Θ₁и Θ₂ от угла Θ ₃выполняется, если k0, l 0, m 0. Решение этой системы алгебраических уравнений (3) имеет следующий вид:
(2Λ₂+Λ₁-1)sinκ₁+(Λ₂-Λ₁+1)cosκ₁=0
(2Λ₂-Λ₁+1)cosκ₁-(Λ₂+Λ₁-1)sinκ₁=0 (3)
(Λ₁+1)=0
1. Λ₁= -1; Λ₂=; κ₁=74°
2. Λ₁= -1; Λ₂=; κ₁=9,83°
Решение по п.1 не учитывается, так как при исходном повороте отражателя на угол κ₁= -74^о отраженный поток уменьшается практически до нуля. Поворот отражателя на угол κ₂= 9,83^о не приводит к значительному уменьшению отраженного потока.

Рассмотрим варианты поворотов исследуемого объекта (Θ₁=0,Θ₂=0, Θ ₃≠0; Θ₁≠0,Θ₂=0,Θ₃=0;Θ₁=0,Θ ₂≠0, Θ₃=0;Θ₁≠0,Θ₂≠0,Θ₃≠0). Для всех четырех рассматриваемых вариантов приведены таблицы. В таблицах указаны координаты начальной (X₁, Y₁) и конечной (Х₃, Y₃) точек ленточного пучка, имеющего последовательность отражения абв (вба) (указаны в первой строке таблицы: а,б,в номер грани).

1. Θ₁=0,Θ ₂=0,Θ₃=0.

Координаты по осям ОХ и OY, в системе координат в плоскости анализа Х и Y векторов отраженных пучков имеют следующий вид:
Х (-k + l Θ₃); Y k Θ₃ l; Для трех пар отраженных пучков получаем (см. фиг.4) данные, приведенные в табл. 3.

Измеряя угол поворота изображений можно определить угол скручивания Θ₃.

2. Θ₁=0,Θ ₂=0,Θ₃=0.

Координаты по осям ОХ и OY в плоскости анализа:
X -k + m Θ₁; Y 1; Для трех пар отраженных пучков получаем (см.фиг.5) данные, приведенные в табл.4.

Измеряя угловой размер отрезка А' С' (А₁' С₁'), можно определить коллимационный угол Θ₁
3. Θ₁=0,Θ₂=0,Θ₃=0.

Координаты по осям ОХ и OY в плоскости анализа:
X -k; Y -(1+ m Θ₂); Для трех пар отраженных пучков получаем (см.фиг. 6) данные, приведенные в табл.5. Этот пучок имеет наибольшую расходимость, определяемую как:
q 4 δ. Измеряя положение концов отрезка С'О'(С₁'О₁') по оси ОY можно определить коллимационный угол Θ₂.

4. Θ₁=0,Θ ₂=0,Θ ₃=0.

Координаты по осям ОХ и OY в плоскости анализа:
X -k lΘ₃ m Θ₁ Y k Θ ₃ l -m Θ₂ Для трех пар отраженных пучков получаем (см.фиг. 7) данные, приведенные в табл. 6
Из фиг. 7 следует, что ленточные изображения занимают произвольное положение в плоскости анализа, однако координата по оси OY точки А' (A₁') с последовательностью отражения 123 (321) определяет непосредственно угол скручивания Θ₃, Y координата точки О'(O₁') пучка с последовательностью отражения 312 (213) определяет угол Θ₁, а Х координата этих точек определяет угол Θ ₂.

Проделанный анализ показывает, что измеряя положение ленточных изображений (т. е. координаты их краев) можно реализовать независимое измерение всех трех углов Θ₁,Θ₂,Θ ₃ (каждый угол определяется по одному пучку), т.е. повысить точность их измерения. При этом все ленточные пучки могут быть идентифицированы, т.е. для каждого изображения может быть указана последовательность отражений пучка, сформировавшего это изображение.

Формула изобретения

ОТРАЖАТЕЛЬ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО АВТОКОЛЛИМАЦИОННОГО УГЛОМЕРА, выполненный в виде зеркального триэдра, две грани которого плоские, третья - цилиндрическая, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения углов и информативности путем измерения также и угла скручивания, образующая цилиндрической грани параллельна одной из двух плоских граней, угол между плоскими гранями составляет 90°-δ, где δ - заведомо заданное отступление от 90^o, угол между цилиндрической гранью и второй плоской гранью составляет 90°+δ, а угол между цилиндрической гранью и первой из плоских граней находится в пределах .

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9