Устройство для измерения углов наклона

 

ОЛИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

ji i! 65990!

Сонц Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свпд-ву (22) Заявлено 09.05.76 (21) 2337017 18-10 (51) .Ц Кл о

С 01С 9/00 с присоединением заявки М

ГосУдаРственный номитет (23) Приоритет по делам изобретений и открытий (43) Опубликовано 30.04.79. Бюллетень М 16 (45) Дата опубликования описания 30.04.79 (53) УДК 528.54 (088.8) (72) Авторы изобретения

К. Л. Куликовский, В. Я. Купер и А. И. Шимаров (71) Заявитель Куйбышевский политехнический институт им. В. В. Куйбышева (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВ НАКЛОНА

Изобретение относится к приборостроению, в частности к фотоэлектрическим устройствам для определения углов наклона, а также автоматической стабилизации объектов в пространство относительно равно- 5 действующей силы тяжести.

Известны фотоэлектрические датчики углов наклона, содержащие дифференциальный конденсатор, образованный жидкостной ампулой уровня и рядом обкладок- 10 электродов (1).

Однако известныс датчики обладают недостаточной разрешающей способностью и стабильностью показаний.

Известны также фотоэлектрические дат- 15 чики, содержащие фоторезисторы, расположенные по краям ампулы уровня и осветители, размещенные с торцов ампулы (2).

Однако и эти датчики имеют недостаточную разрешающую способность, требуют индивидуальной подборки фоторезисторов и обладают низкой временной стабильностью вследствие старения фоторезисторов, требуют частой калибровки в процессе эксплуатации. 25

Известно также фотоэлектрическое устройство для определения углов наклона объектов, содержащее прозрачный герметичный цилиндрической формы сосуд с днищем и крышкой, заполненный демпфирую- 30 щей прозрачной для световых лучей жидкостью, погруженные в жидкость чувствительный элемент — плоское зеркало, удерживаемое в плавучем состоянии посредством поплавка, шарнирно соединенного с днищем сосуда при помощи торсиона, а также четырехгранную светоделительную призму-пирамиду с отражающими боковыми гранями и подсвечиваемой фаской, образованной плоскостью усечения вершины, параллельной основанию пирамиды, соединенному с крышкой сосуда, закрепленную над прозрачной крышкой сосуда осветительную систему, состоящую из источника света, установленного в фокусе эллиптического отражателя, второй фокус которого совмещен с фаской светоделительной призмы, светопрпемникп, размещенные симметрично против боковых граней светоделительной призмы и включенные попарно в каждой из се плоскостей главного сечения по мостовой дифференциальной схеме (3).

Однако у этого известного устройства недостаточно высока точность измерений, которая обусловлена трудностью обеспечения идентичности параметров светоприемников, температурной и временной нестабильностью этих параметров, а также зависимость1о чувствительности светоприемников от

659901

А соя-(==

tga tg изменения напряжения питания и величины светового потока, а также низкая чувствительность, вследствие наличия «фоновой засветки» светоприемников, которая обусловлена многократным отражением световых лучей от стенок сосуда, призмы и зеркала. Кроме того, известное устройство чувствительно к ускорениям и вибрациям, что значительно ограничивает его применение.

Целью изобретения является повышение чувствительности и точности измерений.

Для этого в устройстве для измерения углов наклона, содержащем чувствительный элемент, установленный в герметичной камере, заполненной оптически прозрачной демпфирующей жидкостью и прикрепленной через торсион к днищу камеры, источник света и вычислительное устройство, оптическая система выполнена в виде набора линз, формирующих три плоских веерообразных световых пучка, расходящихся под заданными углами, и чувствительный элемент выполнен в виде двух сканисторов, укрепленных параллельно один. другому и симметрично относительно точки крепления торсиона на общем основании, на входных зрачках сканисторов установлены световолоконные планшайбы, а выходы сканисторов через параллельно включенные блоки для выделения сигнала и последовательно подключенные к ним блок для измерения временных интервалов и кодирующее устройство подключены к вычислительной машине.

На фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема устройства; на фиг. 2 и 3 — диаграммы световых потоков; на фиг. 4 — эпюры электри еских сигналов.

Устройство для измерения углов наклона содержит герметичную светонепроницаемую камеру 1, которая заполнена прозрачной для световых лучей демпфирующей жидкостью 2, чувствительный элемент 3, подвижно соединенный с днищем камеры 1 посредством торсиона 4, источник света 6 и оптическую систему 6, которая формирует три плоских веерообразных световых луча 7, образующих между собой известные углы а, а также блоки 8 и 9, предназначенные для выделения сигналов, блок 10, предназначенный для измерения временных интервалов, кодирующее устройство 11 и вычислительную машину 12. Чувствительный элемент 3 образован двумя позиционночувствительными фотоприборами (сканисторами) 13 и 14, которые размещены на общем основании 15, имеющем кольцевой баланс 16 и поплавок 17. Кольцевой баланс 16 соединен с поплавком 17 подвижно (например посредством резьбы) и предназначен для регулирования периода собственных колебаний чувствительного элемента 3 и уменьшения чувствительности устройства к линейным ускорениям. Сканисторы 13 и 14 через блоки 8 и 9 соединены с

I0

IIOC ICJ 0I BTC. ьно BI< IK) ICHEIbIt бло OM 10, кодирующим устройством 11 и вычислительной машиной 12. Поверх сканисторов

13 и 14 установлены световолоконные планшайбы 18 и 19, предназначенные для устранения паразитной «фоновой засветки» скаписторов и повышения разрешающей способности устройства.

Устройство для определения углов наклона объекта работает следующим образом.

Световые лучи 7 попадают на поверхность чувствительного элемента 3, образуя три узкие световые полосы - — следы 20 (см. фиг. 2). При углах наклона объекта, равных нулю, световыс следы 20 представляют собой равноотстоящие прямыс, лежащие в плоскостях худ и параллельные осн

oz (см. фиг. 2). При наличии углов наклона v и у объекта относительно осей o>: и

oz параллельность следов 20 световых лучей нарушается, изменяются также и расстояния 1 I и 4,, между ними (см., например, фиг. 3).

Под действием света на сканисторах 13 и 14 создается рельеф возбужденных светом и разделенных р+ — n-переходами нсосновных носителей заряда, При сканировании, которое происходит путем изменения пилообразного напряжения, приложенного к сканистору, сканирующая граница благодаря нелинейным свойствам переходов имеет Н-апертуру. Видеосигнал, отражающий распределение освещенности на сканисторах 13 и 14, снимается с соответствующих блоков 8 и 9 и подается в блок 10.

На фиг. 4а и б приведены осциллограммы сигналов, поступающих со сканисторов

13 и 14 при отсутствии углов наклона объекта; на фиг. 4в и г — при появлении углов наклона.

Как видно из фиг. 4, информацию об измеряемых углах v и у содержат интервалы времени т между видеоимпульсами. Поворот чувствительного элемента 3 вокруг оси oz приводит к изменению соотношения интервалов времени т л, тг.-, и т, tgp между видеоимпульсами с каждого из сканисторов 13 и 14 соответственно, а поворот вокруг оси ох приводит к неравенству соответствующих временных интервалов между видеоимпульсами со сканисторов 13 и 14, т. е.

Сигнал с блока 10 поступает в кодирующсе устройство 11, а полученный коди зованный сигнал — в вычислительную машину 12, где по формулам определяют измеряемые углы ъ и у.

659901 где т=1

С (1 — А ) А

16 tea а tg n

А и= тд

Д 1П вЂ” п л — =ал

7 чД + 2П "lit + "21

С=У,j(T +t ) — (t +,„)J, где Р, — скорость сканирования; причем угол v имеет тот же знак, что и величина А, а угол у имеет тот же знак, что и величина С.

Устройство позволяет измерять угловое положение объекта с высокой точностью в большом динамическом диапазоне, не чувствительно к действию линейных ускорений, приводящих к параллельному перемещению чувствительного элемента 3 вдоль осей координат ох, oz или оу; измерительную информацию получают в виде временных интервалов между видеоимпульсами, которые легко преобразуются в цифровой код для ввода в ЭВМ.

Кроме того, временные интервалы между импульсами мало зависят от параметров самих импульсов (амплитуды, длительности и крутизны фронтов), что обеспечивает высокую точность измерений.

Формула изобретения

Устройство для измерения углов наклона, содержащее чувствительный элемент, установленный в герметичной камере, заполненной оптически прозрачной демпфирующей жидкостью и прикрепленной через торсион к днищу камеры, источник света и

Б вычислительное устройство, о тл и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения чувствительности и точности измерений, оптическая система выполнена в виде набора линз. формирующих три плоских веерообразных световых пучка, расходящихся под заданными углами, и чувствительный элемент выполнен в виде двух сканисторов, укрепленных параллельно один другому и симметрично относительно точки крепления

15 торсиона на общем основании, на входных зрачках сканисторов установлены световолоконные планшайбы, а выходы сканисторов через параллельно включенные блоки для выделения сигнала и последовательно

go подключенные к ним блок для измерения временных интервалов и кодирующее устройство подключены к вычислительной машине.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР № 194335, кл. G 01С, 9/06, 1967.

2. Авторское свидетельство СССР № 154030, кл. G 01С, 9/32, 1963.

3. Авторское свидетельство СССР № 450079, кл. G 01С, 9/36, 1975.

659901

Фиг. Z

5 л тм

Фиг.4

Редактор А. Зиньковский Составитель Ю, Галкин Корректоры: Т. Добровольская и И, Позняковская

Заказ 558/15 Изд. М 274 Тираж 865 Подписное

НПО Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 7К-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2