АВТОКОЛЛИМАТОР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА СКРУЧИВАНИЯ
AUTOCOLLIMATOR FOR MEASURING ANGLE OF TORQUE

Изобретение относится к области измерительной техники, к измерительным устройствам, характеризующимся оптическими средствами измерений, и может быть использовано для решения широкого круга технических задач, таких как юстировка оптико-электронных систем, сборка крупногабаритных конструкций, определение параметров жесткости валов, дистанционное измерение и дистанционная передача значения угла скручивания и др.
Известен автоколлиматор для измерения угла скручивания [Пат. RU №2182311, МПК G01B 11/26, приор. 10.05.2001 г.]. Автоколлиматор состоит из двух марок в виде низкочастотного растра с осветителями, светоделителя, объектива, отражателя в виде блока призм АР-90, фотоприемника в виде ФПЗС-линеек, разнесенных на измерительную базу, и вычислительного блока. Осветители освещают марки, установленные в фокальной плоскости объектива. Параллельный пучок света после прохождения объектива попадает на отражатель в виде блока призм АР-90, отражается от него, проходит объектив, отражается от светоделителя и попадает на фотоприемник, установленный в фокальной плоскости объектива. На строках ФПЗС-линеек фотоприемника появляется изображение низкочастотных растров марок, разворот которого относительно координат линеек равен удвоенному углу поворота отражателя.
Информация в виде координат растров марок на ФПЗС-линейках вводится в вычислительный блок, где производится расчет угла скручивания. Угол скручивания определяют как
,
1
2
где X, Х - смещение изображения низкочастотного растра относительно координат ФПЗС-линеек 1,2 фотоприемника;
B - измерительная база (расстояние, на котором установлены ФПЗС-линейки фотоприемника).
Чувствительность устройства зависит от измерительной базы, числа штрихов низкочастотного растра и параметров фотоприемника (размера элемента и отношения сигнал/шум).
Недостатками автоколлиматора являются недостаточно высокая чувствительность и необходимость точной угловой установки отражателя в виде блока призм АР-90 относительно оптической оси.
Для увеличения чувствительности измерений необходимо либо увеличивать измерительную базу, что ведет к усложнению конструкции объектива, а также уменьшению рабочей дистанции, либо улучшать параметры фотоприемника (повышать отношение сигнал/шум), что технически очень сложно и малоэффективно. Например, повышение отношения сигнал/шум в 10 раз приводит к увеличению чувствительности в 3,16 раза.
Известен выбранный нами в качестве прототипа автоколлиматор для измерения угла скручивания [Син Сянмин. Исследование и разработка трехкоординатных оптико-электронных автоколлиматоров.// Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Университетские телекоммуникации. Санкт-Петербург. 2007].
Автоколлиматор состоит из источника света, установленных по ходу луча конденсора, марки в виде перекрестия, светоделителя, объектива, установленного с возможностью вращения вокруг оптической оси отражателя в виде триппель-призмы, один из прямых двухгранных углов которой имеет отклонение от 90°, матричного фотоприемника, установленного в автоколлимационной точке, и подключенного к фотоприемнику вычислительного устройства.
Источник света через конденсор освещает марку, установленную в фокальной плоскости объектива. Параллельный пучок света после прохождения объектива попадает на триппель-призму, отражается от нее в виде двух наклонных параллельных пучков, которые проходят объектив, светоделитель и попадают на фотоприемник, установленный в фокальной плоскости объектива в автоколлимационной точке. На фотоприемнике появляются два изображения перекрестия марки, разнесенные на расстояние, определяемое фокусным расстоянием объектива и отклонением от 90° одного из прямых двухгранных углов триппель-призмы. Вращение триппель-призмы вокруг оптической оси приводит к плоскопараллельному перемещению изображений марки по окружности, причем угловое перемещение вокруг оптической оси равно углу поворота отражателя. Информация с фотоприемника вводится в вычислительный блок, в котором определяется угол скручивания.
Угол скручивания определяют как
,
1
2
где Х-Х - смещение изображения перекрестия относительно Х-координаты фотоприемника при повороте отражателя;
f - фокусное расстояние объектива;
ϕ - угол отступления двугранного угла триппель-призмы от 90°;
n - показатель преломления материала призмы.
Автоколлиматор менее чувствителен к юстировке отражателя относительно оптической оси, однако его чувствительность зависит от радиуса вращения изображений марки, определяемого фокусным расстоянием объектива и отступлением двугранного угла триппель-призмы от 90°, а также параметров матричного фотоприемника (количества и размеров элемента, отношения сигнал/шум). Для увеличения радиуса вращения, приводящего к увеличению чувствительности измерений, необходимо либо увеличивать фокусное расстояние объектива, либо увеличивать отступление двугранного угла триппель-призмы от 90°, что в обоих случаях ведет к увеличению габаритов и усложнению конструкции объектива и уменьшению рабочей дистанции.
Повышение чувствительности за счет улучшения параметров приемника, например повышения отношения сигнал/шум за счет охлаждения, малоэффективно. Так, увеличение отношения сигнал/шум с 46 дБ до 61 дБ (реальные данные серийных фотоприемников) приводит к увеличению чувствительности всего в 2.3 раза при изменении цены фотоприемников ориентировочно в 15 раз.
Принимая плоскопараллельное смещение изображения марки по окружности в небольшом диапазоне углов как линейное смещение по одной из ортогональных составляющих вектора движения (как в прототипе), нами обосновано и экспериментально показано, что можно значительно повысить чувствительность измерения угла скручивания, применив для измерения линейного смещения муаровую систему, для чего выполнив марку в виде линейного растра и дополнительно введя перед приемниками линейные растры, отличные по частоте от частоты растра марки.
Однако при таком исполнении марки для повышения чувствительности измерения угла скручивания необходимо использовать строго определенные оптические схемы автоколлиматоров. Например, схема с двухгранным отражателем АР-90 (или набором двухгранных отражателей), выбранная нами в качестве аналога, дает вращение изображения марки вокруг осевой точки, что не позволяет применить в ней муаровую систему.
Плоскопараллельное смещение изображения марки по окружности с радиусом, определяемым углом отклонения лучей отражателем и фокусным расстоянием объектива, даст применение в качестве отражателя, например, таких элементов как триппель-призма с отклонением одного из углов от 90 град., двухгранный отражатель с углом при вершине, близким к 180 град, низкочастотная дифракционная решетка. С точки зрения эффективности лучшим из них является триппель-призма с отклонением одного из углов от 90 град, которая имеет более широкий допуск по плоским углам при установке ее относительно оптической оси.
Нами предложен высокочувствительный автоколлиматор для измерения угла скручивания, работающий при большом диапазоне дистанций.
Такой технический результат достигнут нами, когда в автоколлиматоре для измерения угла скручивания, включающем осветитель, размещенные по ходу луча конденсор, марку, светоделитель, объектив, установленный с возможностью вращения вокруг оптической оси отражатель в виде триппель-призмы, одна из граней которой имеет отклонение от прямого угла, матричный фотоприемник, подключенный к вычислительному устройству, при этом марка установлена в фокальной плоскости объектива, а фотоприемник - в автоколлимационной точке, отличающийся тем, что фотоприемник выполнен в виде двух матриц, установленных в автоколлимационных точках, часть поля марки выполнена в виде линейного растра, часть - в виде штриха, а перед частью матриц, регистрирующих изображение поля марки в виде растра, дополнительно вплотную к ним установлены линейные растры, при этом растр марки и дополнительные растры ориентированы параллельно столбцам матричного фотоприемника.
На фиг.1а приведена принципиальная схема автоколлиматора, где источник 1 света, конденсор 2, марка 3, светоделитель 4, объектив 5, отражатель 6, линейные растры 7, 8, матрицы 9, 10 фотоприемника, блок 11 обработки информации и расчета угла скручивания.
На фиг.1б приведены в увеличенном масштабе изображения марки, линейные растры и изображение, полученное на фотоприемнике.
Автоколлиматор работает следующим образом.
Источник света 1 при помощи конденсора 2 освещает марку 3, часть поля которой выполнена в виде растра, а часть - в виде штриха. Марку 3 устанавливают в фокальной плоскости объектива 5. Пучок света отражается от светоделительной поверхности светоделителя 4 и попадает в объектив 5. Параллельный пучок света после прохождения объектива 5 попадает на триппель-призму 6, одна из граней которой имеет отклонение от прямого угла, отражается от него и в виде двух параллельных пучков, наклоненных к оптической оси, попадает на объектив 5, проходит светоделитель 4, нониусные растры 7, 8 и попадает на матрицы 9, 10 фотоприемника, при этом часть марки 3, содержащая растр, проецируется на соответствующую часть матриц 9, 10, перед которыми установлены нониусные растры 7, 8. В результате на одних частях матриц 9, 10 фотоприемников образуется изображение штриха марки 3, а на других частях - изображение муаровой картины, частота которой зависит от соотношения частот двух растров: изображения растра марки 3 и нониусных растров 7, 8. При повороте отражателя 6 вокруг оптической оси происходит плоскопараллельное смещение изображений марки 3 относительно координат матриц 9, 10 фотоприемника с радиусом, определяемым углом отклонения одного двухгранного угла отражателя 6 от 90° и фокусным расстоянием объектива 5. При этом муаровая картина, регистрируемая матрицами 9, 10 фотоприемника, имеет линейное перемещение экстремумов муаровой картины, большее, чем перемещение элементов изображения растра марки. Это позволяет использовать перемещение экстремумов муаровой картины в качестве точного (нониусного) отчета, за счет чего повысить точность определения угла скручивания (при одинаковых параметрах объектива и фотоприемника).
Грубый отсчет в автоколлиматоре берется по смещению изображения штриха марки (для сохранения однозначности измерений, поскольку муаровая картина имеет периодическую структуру).
На практике частоту растров выбирают в диапазоне 0,1-0,5 предельной частоты объектива, исходя из получения с одной стороны достаточно высокого контраста изображения растра, а следовательно, и муаровой картины, и с другой стороны получения нескольких периодов муара на фотоприемнике. Соотношение частот растра марки и растров перед матрицами фотоприемного устройства для упрощения алгоритма обработки информации предпочтительно выбирать 10:9.
Наличие нониусного отсчета позволяет при использовании стандартного фотоприемника увеличить чувствительность измерений (или увеличить рабочую дистанцию), а использование в качестве отражателя триппель-призмы - уменьшить требования к установке отражателя относительно оптической оси.
Угол скручивания ψ определяют в вычислительном устройстве как
,
11
12
где X-X - смещение изображения марки относительно Х-координаты первой матрицы при повороте отражателя;
21
22
X-X - смещение изображения марки относительно Х-координаты второй матрицы при повороте отражателя;
f - фокусное расстояние объектива;
ϕ - угол отступления двугранного угла триппель-призмы от 90°;
n - показатель преломления материала призмы.
Пример конкретного исполнения.
1
По схеме на фигуре 1а создан макет автоколлиматора для измерения угла скручивания. В качестве источника света использовался светодиод (λ=0,87 мкм), объектив имел фокусное расстояние 700 мм, а световой диаметр 80 мм, отклонение одного угла триппель-призмы от прямого 20 угл. мин, в качестве фотоприемников служили цифровые матрицы формата 6,4×5,2 мм, данные с фотоприемников поступали в ЭВМ типа Pentium-4. Растр марки 3 имел частоту 10 штр./мм, растры 7 и 8 имели частоту 9 штр./мм.
Соотношение частот растров выбрано 10:9, что приводит к увеличению чувствительности в нониусном канале в 10 раз по сравнению с грубым каналом. Такое соотношение упрощает алгоритм обработки информации. Программное обеспечение по известному алгоритму с усреднением по строкам половины матрицы энергетического центра определяло координату изображения штриха марки относительно координат матрицы. Положение экстремумов муаровой картины относительно координат матрицы производилось с использованием алгоритма двухмерной аппроксимации синусоидой муаровой картины. Затем эти данные пересчитывались в угол поворота триппель-призмы с учетом фокусного расстояния объектива, отклонения одной грани призмы от прямого угла и размера элемента матрицы.
Диапазон измерений автоколлиматора составил ±2,5 угл. град, чувствительность к изменению угла скручивания - 0,5 угл. сек.
Достоинство предложенной схемы автоколлиматора для измерения угла скручивания заключается в возможности значительно повысить чувствительность измерений без существенного изменения конструкции, используя стандартные матричные приемники, увеличить рабочую дистанцию измерений и уменьшить габариты устройства. Наличие в автоколлиматоре двух симметричных автоколлимационных точек упрощает реализацию некоторых полезных схем измерения углов скручивания, например двухспектральной схемы, позволяющей уменьшить влияние воздушных потоков на результаты измерений в полевых условиях.
При выполнении триппель-призмы с отклонением одного угла от прямого в 2 угл. мин можно увеличить рабочую дистанцию до 10 м, получив чувствительность к изменению угла скручивания 5 угл. сек. При этом все остальные параметры системы остаются прежними.
Предполагается использование предложенного технического решения в системе дистанционной передачи угловой координаты. В настоящее время ведется конструкторская проработка системы.