Фотоэлектрический автоколлиматор

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано для определения величины и направления углового перемещения объекта. Фотоэлектрический автоколлиматор содержит оптически связанные источник излучения, марку, светоделитель, объектив, а также сканатор с источником управляющего напряжения, маску, фотоприемник. Также устройство содержит блок регистрации, блок определения направления углового перемещения объекта, первый и второй индикатор направления углового перемещения объекта. Технический результат - расширение функциональных возможностей автоколлиматора. 5 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения углов в метрологии и машиностроении.

Наиболее близким к изобретению является фотоэлектрический автоколлиматор, который содержит оптически связанные источник излучения, марку, светоделитель, объектив, а также сканатор с источником управляющего напряжения, маску, фотоприемник, блок регистрации, причем марка выполнена в виде пластины с круглым отверстием малого диаметра, маска установлена в фокальной плоскости объектива перед фотоприемником и выполнена в виде двух щелей, расположенных под заданным, но не равным π/2, углом, одна из которых ориентирована ортогонально траектории сканирования марки, фотоприемник установлен после светоделителя в отраженном световом потоке, блок регистрации содержит селектор импульсов, триггер, счетчик, генератор тактовых импульсов, оперативное запоминающее устройство, арифметико-логическое устройство, постоянное запоминающее устройство, дешифратор и индикатор (авторское свидетельство СССР №1368633, кл. G01В 21/22 от 07.08.1986 г.).

Недостатком данного устройства является невозможность определения направления углового перемещения объекта.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей устройства за счет определения направления углового перемещения объекта.

Технический результат достигается конструкционным усовершенствованием прототипа, сущность которого состоит в том, что фотоэлектрический автоколлиматор содержит оптически связанные источник излучения, марку, светоделитель, объектив, а также сканатор с источником управляющего напряжения, маску, фотоприемник, блок регистрации, причем марка выполнена в виде пластины с круглым отверстием малого диаметра, маска установлена в фокалькой плоскости объектива перед фотоприемником и выполнена в виде двух щелей, расположенных под заданным, но не равным π/2, углом, одна из которых ориентирована ортогонально траектории сканирования марки, фотоприемник установлен после светоделителя в отраженном световом потоке, блок регистрации содержит селектор импульсов, триггер, счетчик, генератор тактовых импульсов, оперативное запоминающее устройство, арифметико-логическое устройство, постоянное запоминающее устройство, дешифратор и индикатор, дополнительно введены блок определения направления углового перемещения объекта, первый и второй индикатор направления углового перемещения объекта, причем первый и второй выходы блока регистрации соединены соответственно с первыми и вторыми входами блока определения направления углового перемещения, первый и второй выходы которого соединены соответственно с входами первого и второго индикатора направления углового перемещения объекта, блок определения направления углового перемещения содержит делитель, пороговое устройство, элемент И-НЕ, задатчик постоянных сигналов, причем первый и второй вход блока определения направления углового перемещения соединен с первым и вторым входом делителя, выход которого соединен с первым входом порогового устройства, второй вход которого соединен с выходом задатчика постоянных сигналов, выход порогового устройства соединенный с входом элемента И-НЕ, первым и вторым выходом блока определения направления углового перемещения объекта являются соответственно выход элемента И-НЕ и выход порогового устройства.

Новыми признаками, обладающими существенными отличиями по фотоэлектрическому автоколлиматору, являются: блок определения направления углового перемещения объекта, первый и второй индикатор направления углового перемещения объекта и связи между известными и новыми элементами.

На фиг.1 приведена структурная схема фотоэлектрического автоколлиматора; на фиг.2 - вариант выполнения маски; на фиг.3 - структурная схема блока регистрации; на фиг.4 - временные диаграммы, поясняющие работу автоколлиматора; на фиг.5 - структурная схема блока определения направления углового перемещения объекта.

Фотоэлектрический автоколлиматор содержит оптически связанные источник 1 излучения, марку 2, светоделитель 3, объектив 4, а также сканатор 5 с источником 6 управляющего напряжения, маску 7, фотоприемник 8, блок 9 регистрации, объект 10, блок 11 определения направления углового перемещения объекта, первый 12 и второй 13 индикатор направления перемещения объекта, причем марка 2 выполнена в виде пластины с круглым отверстием малого диаметра, маска 7 установлена в фокальной плоскости объектива перед фотоприемником 8 и выполнена в виде двух щелей, расположенных под заданным, но не равным π/2, углом, одна из которых ориентирована ортогонально траектории сканирования марки 2. Фотоприемник 8 установлен после светоделителя 3 в отраженном световом потоке, блок 9 регистрации содержит селектор 14 импульсов, триггер 15, счетчик 16, генератор 17 тактовых импульсов, оперативное запоминающее устройство 18, арифметико-логическое устройство 19, постоянное запоминающее устройство 20, дешифратор 21 и индикатор 22 величины углового перемещения объекта, при этом выход счетчика 16 и выход оперативно запоминающего устройства 17 являются соответственно первыми и вторыми выходами блока 9 регистрации, которые соединены соответственно с первым и вторым входами блока 11 определения направления углового перемещения, который содержит делитель 23, пороговое устройство 24, элемент И-НЕ 25, задатчик 26 постоянных сигналов. Первый и второй вход блока 11 определения направления углового перемещения соединен с первым и вторым входом делителя 23, выход которого соединен с первым входом порогового устройства 24, второй вход которого соединен с выходом задатчика 26 постоянных сигналов, выход порогового устройства 24 соединен с входом элемента И-НЕ 25, первым и вторым выходом блока 11 определения направления углового перемещения объекта соответственно являются выход элемента И-НЕ 25 и выход порогового устройства 24.

В автоколлиматоре в качестве излучателя может быть использована лампа накаливания. Марка может быть выполнена в виде непрозрачной пластины с круглым отверстием малого диаметра, в качестве светоделителя использована прямоугольная призма или плоскопараллельная пластина, а в качестве сканатора - генератор пилообразного напряжения, нагруженный на пьезоэлектрический элемент. Фотоприемник может быть выполнен в виде фотодиода, в качестве селектора импульсов, в простейшем случае, может быть использовано пороговое устройство на компараторе К55ЧСА2, в качестве триггера - микросхема К155ТВ1, счетчика - микросхема К155ИЕ7. Операционное запоминающее устройство, арифметико-логическое устройство и дешифратор выполнены на однокристальном центральном процессорном элементе КР580ИК80, постоянное запоминающее устройство - на микросхеме К573РФ1, а индикатор - на светодиодной матрице.

Фотоэлектрический автоколлиматор работает следующим образом.

Луч света от источника 1 излучения (фиг.1) проходит через отверстие марки 2 и светоделителем 3 направляется на объектив 4. Отраженный от объекта 10 свет проходит через объектив 4, светоделитель 3 и собирается в фокальной плоскости объектива 4 на маске 7. Таким образом, на маске 7 получается изображение марки 2, соответствующее светящейся точке. Сигнал с выхода источника 6 управляющего напряжения подается на блок 9 регистрации (фиг.4а) и сканатор 5, который обеспечивает поступательное перемещение марки 2, а соответственно, и ее изображение по маске 7, по линейному закону (фиг.2 позиция А, фиг.4б). При прохождении лучом щели I и II в период прямого хода сканирования (Т_п.х.) образуются два световых импульса, интервалы времени между которыми равны τ₁ (фиг.4в).

При повороте объекта 10 на некоторый угол α, который необходимо измерить, световой луч будет перемещаться по маске так, как показано на фиг.2 (позиция В), и интервал времени между импульсами станет равным τ₂ (фиг.4 г).

Известное уравнение измерения углов автоколлиматорами имеет вид:

где α- измеряемый угол;

f - фокусное расстояние объектива;

d - линейное смещение изображения марки относительно первоначального положения.

В предлагаемом автоколлиматоре (фиг.2)

где θ - угол между щелями.

Кроме того,

где γ- коэффициент связи между линейным смещением линий А и В и разностью длительностей импульсов τ₁ и τ₂

Подставляя (3) в (2) и в (1), получаем уравнение измерения углов предлагаемого автоколлиматора:

где k - коэффициент преобразования.

Из выражения (4) видно, что, изменяя угол α, можно получить различные чувствительности автоколлиматора.

Блок регистрации (фиг.3) работает следующим образом. Импульсы с фотоприемника выделяются селектором 14 импульсов и поступают на счетный вход триггера 15, который формирует импульсы длительностью τ₁(τ₂) (фиг.4д, е), в течение которых счетчик 16 заполняется тактовыми импульсами генератора 17 тактовых импульсов. Синхронизирующие импульсы устанавливают в "0" триггер 15, исключая из его выходного сигнала 3 импульсы от фототока в период обратного хода сканирования (Т_о.х.). На выходе счетчика 16 формируется двоичный код, соответствующий длительности τ₁(τ₂).

Код длительности τ₁ запоминается в оперативном запоминающем устройстве 15 и после окончания измерений совместно с кодом длительности τ₂ поступает на вход арифметико-логического устройства 19. Кроме того, на вход арифметико-логического устройства 19 поступают данные с постоянного запоминающего устройства 20, хранящего данные о коэффициенте преобразования k в выражении (4) и программу работы арифметико-логического устройства 19. Фиксация исходного углового положения объекта определяется моментом записи кода в оперативном запоминающем устройстве 18 и может задаваться оператором или автоматически. После окончания измерений арифметико-логическое устройство 19 решает уравнение (4), и результат расчета дешифрируется дешифратором 21 и отображается на индикаторе 22.

Блок 11 определения направления углового перемещения объекта (фиг.5) работает следующим образом.

Сигналы с выхода счетчика 16 и выхода оперативно запоминающего устройства 18 поступают на первый и второй входы делителя 23, с выхода которого поступают на первый вход порогового устройства 24, на второй вход которого поступает сигнал с выходом задатчика 26 постоянных сигналов.

В случае если отношение , то на выходе порогового устройства 24 сигнал отсутствует, при этом с выхода элемента И-НЕ 25 сигнал поступает на первый индикатор направления углового перемещения объекта.

В случае если отношение , то сигнал с выхода порогового устройства 24 поступает непосредственно на второй индикатор направления углового перемещения объекта.

Таким образом, дополнительно с величиной углового перемещения объекта определяется направление перемещения, за счет сравнения временного интервала перемещения светового пятна относительно щелей в первый момент измерения и последующий.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №1368633, кл. G01B 21/22, (прототип).

Фотоэлектрический автоколлиматор содержит оптически связанные источник излучения, марку, светоделитель, объектив, а также сканатор с источником управляющего напряжения, маску, фотоприемник, блок регистрации, причем марка выполнена в виде пластины с круглым отверстием малого диаметра, маска установлена в фокальной плоскости объектива перед фотоприемником и выполнена в виде двух щелей, расположенных под заданным, но не равным π/2 углом, одна из которых ориентирована ортогонально траектории сканирования марки, фотоприемник установлен после светоделителя в отраженном световом потоке, при этом луч света от источника излучения проходит через отверстие марки и светоделителем направляется на объектив, отраженный от объекта свет проходит через объектив, светоделитель и собирается в фокальной плоскости объектива на маске, на которой получается изображение марки, соответствующее светящейся точке, сигнал с выхода источника управляющего напряжения подается на блок регистрации и сканатор, который обеспечивает поступательное перемещение марки, блок регистрации содержит селектор импульсов, триггер, счетчик, генератор тактовых импульсов, оперативное запоминающее устройство, арифметико-логическое устройство, постоянное запоминающее устройство, дешифратор и индикатор, причем импульсы с фотоприемника выделяются селектором импульсов и поступают на счетный вход триггера, который формирует импульсы длительностью τ₁(τ₂), в течение которых счетчик заполняется тактовыми импульсами генератора тактовых импульсов, синхронизирующие импульсы устанавливают в "0" триггер, исключая из его выходного сигнала импульсы от фототока в период обратного хода сканирования, на выходе счетчика формируется двоичный код, соответствующий длительности τ₁(τ₂), код длительности τ₁ запоминается в оперативном запоминающем устройстве и после окончания измерений совместно с кодом длительности τ₂ поступает на вход арифметико-логического устройства, кроме того, на вход арифметико-логического устройства поступают данные с постоянного запоминающего устройства, хранящего данные о коэффициенте преобразования k в выражении α=k(τ₂-τ₁) и программу работы арифметико-логического устройства, фиксация исходного углового положения объекта определяется моментом записи кода в оперативном запоминающем устройстве и может задаваться оператором или автоматически, после окончания измерений арифметико-логическое устройство решает уравнение α=k(τ₂-τ₁) и результат расчета дешифрируется дешифратором и отображается на индикаторе, отличающийся тем, что имеет блок определения направления углового перемещения объекта, первый и второй индикаторы направления углового перемещения объекта, причем первый и второй выходы блока регистрации соединены соответственно с первыми и вторыми входами блока определения направления углового перемещения, первый и второй выходы которого соединены соответственно с входами первого и второго индикаторов направления углового перемещения объекта, блок определения направления углового перемещения содержит делитель, пороговое устройство, элемент И-НЕ, задатчик постоянных сигналов, причем первый и второй входы блока определения направления углового перемещения соединены с первым и вторым входами делителя, выход которого соединен с первым входом порогового устройства, второй вход которого соединен с выходом задатчика постоянных сигналов, выход порогового устройства соединен с входом элемента И-НЕ, первым и вторым выходами блока определения направления углового перемещения объекта являются соответственно выход элемента И-НЕ и выход порогового устройства.