УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Данная полезная модель относится к области измерительной техники и предназначена для измерения угловых или линейных перемещений по двум пространственным координатам и углу скручивания.
Известны устройства для измерения угловых и (или) линейных перемещений по двум координатам и углу скручивания (а.с. СССР №1146547 G01B 11/26, 23.03.1985; а.с. СССР №1435936 G01B 11/26, 07.11.1988; а.с. СССР №1566206 G01B 11/26, 23.05.1990). Недостатком этих устройств является необходимость применения сложных оптических систем, что ведет к увеличению габаритов, веса и стоимости устройств.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой изобретению полезной модели является устройство для измерения угловых отклонений объекта по авторскому свидетельству СССР №1211601 G01B 11/26, 15.02.1986, позволяющее измерять две угловые координаты и угол скручивания.
Устройство содержит две светящиеся марки, установленные в фокальной плоскости объектива коллиматора симметрично относительно оптической оси передающей оптической системы. Световые потоки от марок попадают на два объектива коллиматора приемной оптической системы, оптические оси которых параллельны. В общей фокальной плоскости коллиматоров установлен позиционно-чувствительный (квадрантный) фотоприемник. Смещения марок и расстояния между объективами приемной системы связаны с фокусными расстояниями объективов передающей и приемной оптических систем определенным соотношением.
Недостатком данного устройства является необходимость использования трех объективов для реализации функции измерения, что увеличивает габариты и усложняет устройство.
Техническим результатом, на которое направлена предлагаемая полезная модель, является упрощение устройства при сохранении возможности измерения двух угловых или линейных перемещений и угла скручивания.
Устройство для решения поставленной задачи содержит передающую коллимационную оптическую систему, в фокальной плоскости которой симметрично относительно оптической оси установлены четыре светящиеся марки, соединенные с модуляторами, и оптически связанную с ней приемную коллимационную оптическую систему, в фокальной плоскости которой установлен квадрантный фотоприемник, отличающееся тем, что в него введены шесть блоков вычитания сигналов, блок формирования модулирующих ортогональных функций, четыре ортогональных фильтра и блок суммирования сигналов; выходы первого, второго, третьего и четвертого блоков вычитания соединены с первыми входами ортогональных фильтров, выходы блока формирования модулирующих функций соединены со вторыми входами ортогональных фильтров и с соответствующими модуляторами, выходы ортогональных фильтров сигналов попарно противоположных квадрантов соединены с входами пятого и шестого блоков вычитания сигналов соответственно, а выходы всех ортогональных фильтров соединены с входами блока суммирования.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является упрощение устройства.
Сущность устройства поясняется фигурами 1-3.
На фиг. 1 изображена оптическая схема измерительной системы устройства.
На фиг. 2 показаны проекции световых потоков от марок на чувствительной поверхности квадрантного фотоприемника при различных значениях линейных и угловых перемещений.
На фиг. 3 изображена схема формирования и обработки сигналов.
Устройство содержит передающую оптическую систему, включающую коллиматор 2 (фиг. 1), в фокальной плоскости которого установлен блок светящихся марок 1, который формирует четыре световых потока. Возможная форма и размещение марок показана на фиг. 1 (вид А). Световые потоки поступают на приемную оптическую систему, содержащую коллиматор 3, в фокальной плоскости которого установлен квадрантный фотоприемник 4. Изображения марок на фотоприемнике показаны на фиг. 1 (вид Б).
Марки 1 соединены с модуляторами 5 (фиг. 3). Смежные квадранты фотоприемника 4 соединены с входами первого, второго, третьего и четвертого блоков вычитания сигналов 6. Выходы блоков вычитания сигналов 6 соединены с первыми входами ортогональных фильтров 7. Вторые входы фильтров 7 и входы модуляторов 5 соединены с выходами φ1-φ4 блока формирования модулирующих ортогональных функций 8. Выходы ортогональных фильтров 7 сигналов смежных квадрантов соединены с входами пятого и шестого блоков вычитания сигналов 9 соответственно и с входами блока суммирования 10.
Устройство работает следующим образом.
Передающая оптическая система, содержащая коллиматор 2 (фиг. 1), в фокальной плоскости которого установлен блок светящихся марок 1 формирует четыре световых потока. Световые потоки поступают на приемную оптическую систему, содержащую коллиматор 3, в фокальной плоскости которого установлен квадрантный фотоприемник 4. Изображения марок и квадранты фотоприемника условно пронумерованы, как показано на фиг. 2а, где также показана система координат фотоприемника x, y. Световые потоки формируют изображения марок 1 на поверхности фотоприемника на границах раздела квадрантов. Фотоприемник преобразует оптические сигналы каждого светового потока в электрические сигналы s11, s12, s22, s23, s33, s34, s44, s41. Здесь первый индекс при s относится к номеру светового потока, а второй к номеру квадранта фотоприемника (например, s23 - сигнал от второго светового потока с третьего квадранта). Каждый квадрант фотоприемника преобразует сигналы от двух световых потоков, поэтому электрический сигнал с квадранта состоит из суммы сигналов от двух световых потоков. Для выделения из этой суммы сигнала соответствующего светового потока, световые потоки модулируют ортогональными функциями. Возможность выделения определенного сигнала из суммы ортогонально модулированных сигналов основана на свойствах ортогональных функций.
Если имеется множество ортогональных функций, например, φ1(t), φ2(t), φ3(t), φ4(t), то
где (0, T) - интервал ортогональности; c - константа (при c=1 множество называется ортонормированным); поэтому, например,
На основе этого выражения строится ортогональный фильтр для выделения из суммы ортогональных сигналов определенного сигнала. Фильтр содержит перемножитель суммы сигналов на выделяемый сигнал и интегратор.
Существует множество типов ортогональных функций, таких, например, как гармонические функции кратных частот, функции Уолша и т.п. Частным (и простейшим) случаем ортогональных функций является периодическая последовательность групп импульсов, не совпадающих по времени на интервале ортогональности (периоде).
Таким образом, появляется возможность выделения из сигналов каждого квадранта сигналов от соответствующего светового потока s11, s12, s22, s23, s33, s34, s44, s41.
При взаимных отклонениях передающей и приемной оптических систем на углы Δα и Δβ (фиг. 1), изображения марок на фотоприемнике сместятся соответственно по координатам x и y на величины Δx и Δy (фиг. 2б). Величина смещения связана с угловыми отклонениями и фокусным расстоянием f коллиматора  соотношениями
В свою очередь, как видно на фиг. 2б, разность сигналов Δs1=s11-s12 и соответственно Δs3=s33-s34 пропорциональна смещению Δx, а разность сигналов Δs2=s22-s23 и, соответственно Δs4=s44-s41 пропорциональна смещению Δy.
При взаимном развороте передающей и приемной оптических систем на угол скручивания γ (фиг. 1) изображения марок на фотоприемнике развернутся так же на угол γ (фиг. 2в). Изображения марок на фотоприемнике сместятся, при этом, как видно на рисунке, разность сигналов Δs1=s11-s12, Δs2=s22-s23, Δs3=s33-s34, Δs4=s44-s41 будет пропорциональна величине смещения за счет разворота на угол γ.
Поскольку эти разностные сигналы так же пропорциональны и линейным смещениям Δx и Δy, то для того, чтобы отличить сигналы за счет линейных смещений от сигналов за счет скручивания, результирующие сигналы Δsx и Δsy, пропорциональные линейным смещениям Δx и Δy, формируют как разность сигналов разности попарно противоположных квадрантов фотоприемника:
При этом, как следует из фиг.2в, при чистом развороте на угол γ без смещений Δx и Δy, сигналы s11=s33, s12=s34, s22=s44, s23=s41 и, в соответствии с (3), результирующие сигналы Δsx=Δsy=0.
По результатам измерения Δsx и Δsy с помощью (2) определяют угловые перемещения Δα и Δрβ.
Результирующий сигнал Δsg, пропорциональный углу скручивания γ, формируют как сумму всех разностных сигналов:
Сигналы с квадрантов фотоприемника 4 поступают на входы блоков вычитания сигналов 6, где вычитаются друг из друга. Сигнал результата вычитания, содержащий смесь сигналов со смежных квадрантов от трех световых потоков поступает на входы ортогональных фильтров 7, которые выделяют из смеси сигналов разностные сигналы только одного светового потока Δs1=s11-s12, Δs2=s22-s23, Δs3=s33-s34, Δs4=s44-s41. Эти сигналы поступают на блоки вычитания 9 и блок суммирования 10. На выходах блоков вычитания 9 в соответствии с (3) формируются сигналы Δsx и Δsy, пропорциональные перемещениям Δx и Δy. По этим сигналам можно определить перемещения Δα и Δβ в соответствии с (2).
Разностные сигналы также поступают на блок суммирования сигналов 10, на выходе которого в соответствии с (4) формируется сигнал Δsg, пропорциональный углу скручивания γ.
Техническим результатом, на которое направлена данная полезная модель, является упрощение устройства при сохранении возможности измерения двух угловых или линейных перемещений и угла скручивания.
Заявляемое устройство для измерения перемещений может быть использовано в системах следящей отработки рассогласований и в системах точного позиционирования. Кроме угловых перемещений существует возможность измерения линейных перемещений и угла скручивания. При этом систему из двух жестко связанных коллиматоров 21 и 3 (фиг. 1) можно рассматривать как проекционный объектив, а перемещать и поворачивать блок марок 1 или фотоприемник 4. В любом из этих случаев будут измеряться линейные перемещения Δx и Δy по сигналам Δsx и Δsy и угол скручивания γ по сигналу Δsg.