ГОНИОМЕТР

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для определения углов между нормалями к плоским полированным граням твердых прозрачных и непрозрачных тел, пирамидальности призм, а также определения показателя преломления различных оптических материалов.
Известен гониометр [Авторское свидетельство СССР №1427173, кл. G01В 11/26] для измерения углов между гранями призмы, содержащий поворотную платформу с приводом и датчиком скорости вращения поворотной платформы, выполненным в виде кольцевого лазера, автоколлиматор, выполненный в виде осветителя, объектива с установленными в его фокальной плоскости двумя щелевыми диафрагмами и анализирующей диафрагмой, оптически связанной с фотоприемником, блок обработки сигнала и дополнительный фотоприемник в виде ПЗС линейки с блоком управления. Недостатком такого гониометра является работа только в режиме непрерывного вращения поворотной платформы.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по совокупности существенных признаков является гониометр [Гониометр ГС-5. Описание, инструкция и методика эксплуатации по ГОСТ 5.567-80], основными элементами которого является автоколлиматор, установленный с возможностью оптической связи с контролируемым изделием, выполненный в виде осветителя, конденсора, марки и телескопического объектива со светоделительным элементом между объективом и анализатором поля изображения, выполненным в виде окуляра. Гониометр также содержит градуированный диск и поворотный юстируемый столик, соединенный валом с градуированным диском. Недостатком этого гониометра является невысокая точность измерения углов плоских изделий, напрямую связанная с систематической погрешностью нанесения делений градуированного диска
делительной машиной, а также значительные трудоемкость и длительность процесса измерений, связанные с визуальным отсчетом и методикой снятия показаний лимба.
Задачей, решаемой полезной моделью является создание гониометра, позволяющего в квазистатическом режиме работы производить угловые измерения с высокой точностью.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый гониометр, также как и известный, содержит юстируемый поворотный столик для размещения контролируемого изделия, градуированный диск, установленный на валу и соединенный с юстируемым столиком, автоколлиматор, установленный с возможностью оптической связи с контролируемым изделием и выполненный в виде осветителя, конденсора, марки и телескопического объектива со светоделительным элементом между объективом и анализатором поля изображения. Но, в отличие от известного, в предлагаемый гониометр введен фотоэлектрический датчик угла, выполненный на основе градуированного диска, а анализатор поля изображения выполнен в виде ПЗС матрицы, установленной в фокусе объектива автоколлиматора, причем расстояния от центра светоделительного элемента до ПЗС матрицы и до марки автоколлиматора равны, а ПЗС матрица через устройство обработки сигналов соединена с дисплеем.
Достигаемый технический результат: повышение точности измерений за счет использования фотоэлектрического датчика угла, который можно откалибровать с помощью кольцевого лазера и применения ПЗС матрицы высокого разрешения.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена схема предлагаемого гониометра.
Гониометр (фиг.1) состоит из юстируемого поворотного столика 1, предназначенного для размещения контролируемого изделия, фотоэлектрического датчика угла 2, градуированный диск 3 которого
соединен с помощью вала 4 с юстируемым столиком 1, автоколлиматора 5, установленного с возможностью оптической связи с контролируемым изделием и выполненного в виде осветителя 6, конденсора 7, марки 8 и телескопического объектива 9 со светоделительным элементом 10 между объективом 9 и ПЗС матрицей 11. Гониометр также включает в себя устройство обработки сигналов 12 и дисплей 13.
Выходы фотоэлектрического датчика угла 2 и автоколлиматора 4 соединены со входами устройства обработки сигналов 12. Выход устройства обработки сигналов 12 соединен с дисплеем 13.
Перед началом работы проводят калибровку датчика угла и автоколлиматора.
Для калибровки фотоэлектрического датчика угла на вал гониометра временно устанавливают кольцевой лазер. При угловом вращении поворотной платформы с помощью двигателя определяют число выходных импульсов кольцевого лазера в интервалах между импульсами датчика угла. По разностям номинальных значений угловой цены деления датчика угла и значений, вычисленных по импульсам кольцевого лазера, находят паспортные значения датчика угла, использующиеся в дальнейшем в качестве поправок к результатам измерений. В последующих измерениях кольцевой лазер и двигатель не участвует.
Для калибровки автоколлиматора используют высокоточное углозадающее устройство и установленную на него призму. Во всем диапазоне измерений автоколлиматора с помощью углозадающего устройства производят фиксированные угловые повороты призмы и снимают показания с автоколлиматора. По разностям известных номинальных положений углозадающего устройства и угловых отклонений, найденных по автоколлиматору, находят паспортные значения автоколлиматора, использующиеся в дальнейшем в качестве поправок к результатам
измерений. В дальнейших измерениях углозадающее устройство и призма не участвуют.
Гониометр работает следующим образом: на юстируемый столик 1 устанавливают контролируемое изделие (например, призму) 14 и производят его угловое вращение до положения, при котором отраженный от грани контролируемого изделия 14 параллельный пучок света осветителя 6 автоколлиматора, пройдя через объектив 9 и светоделительный элемент 10, попадает на ПЗС матрицу 11. Поскольку ПЗС матрица 11, так же как и освещенная осветителем 6 через конденсор 7 марка 8 автоколлиматора, находится в фокальной плоскости телескопического объектива 9, то на поверхности ПЗС матрицы 11 формируется изображение марки (крестообразной светящейся щели) 8. При этом на дисплее 13 будет отображаться марка 8, находящаяся в поле зрения автоколлиматора 4.
В том положении, при котором изображение марки 8 находится в поле зрения автоколлиматора 5, вал 4 гониометра следует зафиксировать стопорным винтом и запустить программу съема данных, находящуюся в устройстве обработки сигналов 12.
Если изображение, наблюдаемое на дисплее 13, сместилось за поле зрения автоколлиматора 5, его следует откорректировать с помощью микрометрического винта плавной угловой подачи вала 4.
Изображение марки 8 на ПЗС матрице 11 в виде значений напряжений ПЗС элементов передается в устройство обработки сигналов 12, где преобразуется и обрабатывается с помощью программы обработки информации. Программа вычисляет координаты x и y изображения марки 8 в фокальной плоскости объектива 9, а углы отклонения грани контролируемого изделия 14 α и пирамидальности β относительно опорного нулевого положения вычисляются по формулам:
где f - фокусное расстояние объектива 9, а x и y - координаты марки 8 на ПЗС матрице 11 относительно опорного нулевого положения. В момент считывания и обработки информации ПЗС матрицы 11, программа обработки информации считывает и запоминает информацию о текущем угловом положении вала 4, поступившую с фотоэлектрического датчика угла 2.
Далее, информация об угловом положении, поступившая с фотоэлектрического датчика угла 2, после автоматической корректировки на величину найденных на этапе калибровки поправочных значений, дополняется угловой информацией о величине смещения автоколлимационной марки 8 относительно нулевых координат, с учетом коррекции на величину поправочных значений автоколлиматора, запоминается и отображается в виде численных значений на дисплее 13.
После этого производится поворот и фиксация вала 4 гониометра с установленным на юстируемом столике 1 контролируемым изделием 14 в следующем положении, при котором отраженный от другой грани пучок света осветителя 6 автоколлиматора, прошедший через марку 8 и светоделительный элемент 10 попадет на поверхность ПЗС матрицы и будет наблюдаться на дисплее 13. В этом положении вычисляется аналогичная угловая информация, поступившая от датчика угла 2 и ПЗС матрицы 11.
Затем программа автоматически вычисляет разность этих угловых положений, сохраняет информацию об измеренном угле между гранями контролируемого изделия и отображает ее на дисплее 13.
Для определения угла между остальными гранями осуществляется аналогичная процедура.
Использование фотоэлектрического датчика угла, предварительно откалиброванного с помощью кольцевого лазера, позволяет повысить точность угловых измерений за счет снижения систематической погрешности
датчика угла до уровня нескольких десятых долей угловой секунды, а использование в автоколлиматоре в качестве анализатора поля изображения ПЗС матрицы с размером ПЗС элемента единицы микрон, позволяет получить точность угловых измерений автоколлиматора лучше угловой секунды. Применение в программе обработки информации современных алгоритмов вычислений автоматизирует процесс измерений и сокращает время вычислений.