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.
Известно устройство контроля угла скручивания [Л.В.Пинаев. Система из двух прямоугольных зеркал и ее свойства. Оптико-механическая промышленность, 1987, №12, с.18-20], состоящее из двух отражателей в виде прямоугольных зеркал и расположенного между ними предмета, неподвижного относительно одного из отражателей. Принцип работы устройства основан на свойстве прямоугольного зеркала поворачивать отраженное изображение. Устройства такого типа требуют высокой точности установки предмета параллельно углу отражателя, что снижает их точность в реальных условиях применения (либо требует применения дополнительных устройств контроля).
Известен выбранный нами в качестве прототипа автоколлиматор для измерения угла скручивания (Пат. РФ №2182311, МПК G01B 11/26, приор. 10.05.2001). Данный автоколлиматор состоит из расположенных на оптической оси двух марок в виде низкочастотного растра с осветителями, светоделительной призмы, разделяющей осветительный и измерительный каналы, объектива, отражателя в виде блока призм АР-90, расположенного на объекте, фотоприемника в виде двух параллельно установленных фотоприборов с зарядной связью (ФПЗС-линеек), разнесенных на измерительную базу, и вычислительного блока, при этом марки и фотоприемник установлены в фокальной плоскости объектива, а вычислительный блок подключен к фотоприемнику. Осветители освещают марки, установленные в фокальной плоскости объектива. Параллельный пучок света после прохождения объектива попадает на установленный на объекте отражатель в виде блока призм АР-90, отражается от него, проходит объектив, светоделительную призму и попадает на фотоприемник, также установленный в фокальной плоскости объектива. На строках ФПЗС-линеек фотоприемника появляется изображение низкочастотных растров марок, поворот которых вокруг оптической оси равен удвоенному углу поворота отражателя. Поворот изображения марок приводит к смещению изображения марок относительно координат ФПЗС-линеек.
Информация в виде координат штрихов растров марок на ФПЗС-линейках вводится в вычислительный блок, где производится расчет угла скручивания.
Угол скручивания (поворота отражателя) φ определяют как
где ψ - угол поворота изображения марок;
1
2
X, Х - смещение изображения низкочастотного растра относительно координат первой и второй ФПЗС-линеек фотоприемника;
В - измерительная база (расстояние, на котором установлены ФПЗС-линейки фотоприемника).
Автоколлиматор позволяет вести измерения при существенных продольных и поперечных смещениях отражателя (объекта).
Такое устройство обладает недостаточно высокой точностью из-за значительного влияния на результат измерений температурных градиентов и вызванных ими воздушных потоков в оптическом тракте, что требует принятия специальных мер при работе в полевых условиях (например, использование защитных тубусов, в том числе вакуумированных). Такие известные устройства имеют большие габариты, достаточно сложную конструкцию и большое время подготовки к работе, а при больших дистанциях вообще неприменимы.
Нами предложен высокоточный автоколлиматор для измерения угла скручивания. Автоколлиматор надежен и прост в эксплуатации в полевых условиях.
1
2
1
2
Такой технический результат достигнут нами, когда в автоколлиматоре для измерения угла скручивания, включающем расположенные на оптической оси осветитель из источников света и конденсоров, выполненные в виде низкочастотного растра марки, светоделитель, разделяющий световой поток на осветительный и измерительный каналы, объектив, фотоприемное устройство, отражатель в виде блока призм АР-90 и вычислительный блок, причем марки и фотоприемное устройство установлены в фокальной плоскости объектива, новым является то, что каждый источник света осветителя выполнен в виде двух источников излучения различного спектрального λ, λ диапазона, оптические оси которых совмещены, объектив ахроматизован на длинах волн λ, λ, в устройство дополнительно введен блок управления считыванием информации на разных длинах волн, подключенный к осветителю и фотоприемному устройству, а фотоприемное устройство выполнено в виде двух матриц, разнесенных на измерительную базу.
Подходы к решению задачи по конструкции блока управления считыванием известны.
Ранее были известны двуспектральные системы для контроля смещений, но линейных, где модель оптической трассы была представлена в виде занимающей весь воздушный тракт среды с постоянным градиентом показателя преломления, направленным поперек трассы [1].
В случае измерения угла скручивания такое распределение градиента показателя преломления воздушной среды не вызывало бы погрешности измерений, так как постоянный градиент приводит к плоскопараллельному смещению изображения марки в плоскости приемника, а алгоритм определения угла включает определения разности координат марки, которая в этом случае не меняется.
Однако эксперименты показывали, что результаты измерений угла скручивания при работе в полевых условиях при помощи системы-прототипа существенно зависят от состояния атмосферы.
В результате проведенных исследований и экспериментов по определению угла скручивания нами была предложена другая модель воздушной среды в виде локальных оптических клиньев, расположенных в части оптического тракта, и показано, что учет спектрального показателя преломления воздуха позволяет существенно уменьшить влияние воздушных потоков на точность измерения угла скручивания.
Математическая модель воздушной среды представляется нами следующим образом.
Если обозначить угол локального воздушного клина, создаваемого температурным градиентом в воздушном тракте, как е, тогда по предложенной модели измеренный угол поворота изображения марок ψ на различных длинах волн можно определить как
где φ - угол поворота отражателя (угол скручивания);
1
2
1
2
n, n - показатель преломления воздуха на длинах волн λ, λ;
L - длина воздушного тракта;
В - измерительная база.
При отсутствии воздушных потоков в оптическом тракте эти значения были бы равны между собой и равны удвоенному значению угла скручивания (поворота отражателя) φ.
Решая систему уравнений (2, 3) относительно φ, угол скручивания (поворота отражателя) можно определить как
На фиг.1а приведена принципиальная схема заявленного автоколлиматора, где: осветитель из источников 1, 2 света, светоделителя 3 и конденсоров 4, марки 5 в виде низкочастотных растров, светоделитель 6, выполненный в виде призмы, для разделения на осветительный и измерительный каналы, объектив 7, отражатель 8 в виде призм АР-90, фотоприемное устройство 9, вычислительный блок 10 и блок 11 управления.
На фиг.1б представлен вид матричного фотоприемного устройства 9, где матрицы 12, 13; В - измерительная база; i - номер строки матричного фотоприемника; j - номер штриха низкочастотного растра;
Автоколлиматор работает следующим образом.
1
2
Источники 1 и 2 света, оси которых совмещены светоделителем 3 осветителя, при помощи конденсоров 4 освещают марки 5. Марки 5 в виде низкочастотных растров установлены в фокальной плоскости объектива 7. Пучки света, отражаясь от светоделительных поверхностей светоделительной призмы 6, попадают в объектив 7. Параллельные пучки света после прохождения объектива 7, попадают на двугранный отражатель 8, отражаются от него, попадают в виде параллельных пучков на объектив 7, фокусируются им, проходят светоделительную призму 6 и попадают на фотоприемник 9. Фотоприемник 9 выполнен в виде двух матриц, разнесенных на измерительную базу. Такое выполнение фотоприемника позволяет повысить чувствительность за счет усреднения результата измерений по строкам приемника. Повышение чувствительности необходимо для работы двуспектрального прибора в связи с тем, что разность показателей преломления на различных длинах волн весьма незначительна. Таким образом, повышение чувствительности достигается усреднением результатов как по штрихам растра, так и по строкам приемника. При повороте отражателя 8 вокруг оптической оси, происходит поворот изображений марки 5 относительно координат фотоприемника 9 на удвоенный угол. Измерения на различных длинах волн проводят с разделением во времени, для чего по сигналам блока управления 11 последовательно включаются источники излучения 1 и 2, работающие на длинах волн λ и λ, одновременно включается считывание информации в вычислительный блок 10 с фотоприемника 9 и в вычислительном блоке 10 запоминается информация с фотоприемника 9, затем вычислительный блок 10 рассчитывает угол скручивания (поворота отражателя). При этом временной сдвиг между измерениями на различных длинах волн много меньше среднего периода возмущений в воздушном тракте. В связи с низкой частотой возмущений атмосферы разделение спектральных измерений во времени не вносит дополнительной погрешности в результат.
1
2
Усредненный угол  поворота изображения марки для длин волн λ и λ определяют как
где i - номер строки матричных фотоприемников;
n - число строк матричного фотоприемника;
j - номер штрихов низкочастотных растров;
m - число штрихов низкочастотного растра;
В - измерительная база;
- смещение изображения j-ro штриха марки относительно координат i-той строки матричных фотоприемников на различных длинах волн.
При вычислении угла у матричных приемников берут значения строк и штрихов с одним порядковым номером.
При воздействии воздушных потоков значения  и  будут отличаться, что связано с зависимостью показателя преломления воздуха от длины волны.
Угол скручивания (поворота отражателя) φ с учетом поправки определяют как
Пример конкретного исполнения.
1
2
По схеме, приведенной на фигуре 1а, создан макет автоколлиматора для измерения угла скручивания. В качестве источника света использовались светодиоды (λ=0,40 мкм, λ=0,86 мкм), объектив имел фокусное расстояние 700 мм, в качестве фотоприемников служили цифровые ПЗС-матрицы с размером элемента 5 мкм. Измерительная база составляла 25 мм. Измерения на двух длинах волн проводились со сдвигом во времени 1 мсек. В качестве вычислительного блока использовался компьютер типа Пентиум-4. Управление подключением источников света и считыванием информации с фотоприемного устройства также производилось программно от компьютера.
При измерениях необходимо контролировать температуру и влажность воздуха, от которых зависят значения спектральных показателей преломления воздуха.
Программное обеспечение по известным алгоритмам определяло положение изображения штрихов марки относительно Х-координаты каждой строки фотоприемных матриц на двух длинах волн, после чего пересчитывало данные в угловую координату поворота отражателя с учетом приведенной выше зависимости. Диапазон измерений автоколлиматора составил ±2,5 угл. град, погрешность измерения угла скручивания в лабораторных условиях составила 4 угл. сек.
При измерениях в полевых условиях (длина вертикального оптического тракта равнялась 3,5 м, средняя температура воздуха 18°С, относительная влажность 70%, средняя скорость ветра 4-6 м/сек) среднеквадратичная погрешность в случае измерения угла на одной длине волны (0,86 мкм) составила 40 угл. сек., в случае измерения угла с использованием предложенного технического решения среднеквадратичная погрешность составила 11 угл. сек.
Таким образом, нами показано, что учет спектрального показателя преломления воздуха позволяет существенно уменьшить влияние воздушных потоков на точность измерения угла скручивания при использовании простой модели воздушной среды в виде локальных оптических клиньев.
В настоящее время ведется конструкторская проработка системы. Предполагается использование предложенного технического решения в системе дистанционной передачи угловой координаты.
Литература
1. Витол Э.А., Мусяков В.Л., Прокофьев А.В., Тимофеев А.Н. Выбор параметров измерительной оптико-электронной системы, ослабляющей влияние градиента температуры воздушного тракта. VI Международная конференция «Прикладная оптика». Сборник трудов. СПб, 2004, т.1, с.79.