УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТА
DEVICE FOR MEASURING ANGULAR MOVEMENTS OF OBJECT

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактных измерений угловых перемещений объекта.
Известно интерференционное устройство для измерения угловых перемещений (авторское свидетельство СССР №1770741, кл. G01B 9/00, G01B 9/02). Устройство содержит оптически связанные источник излучения и два двухлучевых интерферометра, преобразователь угла поворота, выполненный в виде оптического клина, оптически связанного с измерительными плечами интерферометра, и блок обработки сигналов, информационные входы которого подключены к выходам интерферометров. С целью повышения точности устройство снабжено датчиком начала отсчета и датчиком положения клина, оптически преломляющий клин выполнен с четырьмя плоскими зеркальными боковыми гранями, предназначенными для оптической связи с датчиком начала отсчета, и зеркальной кольцевой зоной на преломляющей поверхности.
Недостатком известного устройства является избыток оптических элементов и сложность сборки и юстировки оптической системы в целом, а также большие габариты устройства.
Известно устройство, описанное в патенте РФ №2166182 «Интерференционный способ измерения угла поворота объекта» (МПК G01B 9/02, G01B 11/26). Устройство, реализующее способ, состоит из источника монохроматического излучения и последовательно расположенных по ходу излучения коллиматора, светоделителя, опорного и измерительного отражателя, объектива и многоэлементного фотоприемника, вход которого соединен с выходом блока управления, выход фотоприемника соединен с входом компаратора напряжения, выход которого соединен с первым входом блока задержки и с первым входом логического элемента ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом блока задержки, выход элемента ИЛИ соединен с входом частотомера, а выход блока управления соединен со вторым входом блока задержки.
Недостатком известного устройства является чувствительность к торцевым биениям измеряемого объекта, что приводит к увеличению погрешности измерения.
Известно устройство для измерения перемещений на основе полупроводникового инжекционного лазера с внешней оптической обратной связью (патент РФ №2102705, кл. G01B 21/00), содержащее оптическую головку, состоящую из установленных на одной оптической оси фотодиода, инжекционного лазера, микрообъектива и регулируемого фильтра, управляющий блок, состоящий из стабилизаторов тока и температуры лазера, генератора треугольного напряжения, подключенного к стабилизатору тока лазера, и включенных последовательно преобразователя фототока в напряжение, селективного усилителя, детектора фазы и устройства индикации, детектор фазы биений выполнен импульсным и дополнительно включены компаратор и реверсивный счетчик, компаратор включен между выходом усилителя и первым входом детектора фазы, второй и третий входы детектора подключены к выходам тактовых импульсов генератора треугольного напряжения, два выхода импульсного детектора фазы подключены соответственно к входам сложения и вычитания реверсивного счетчика и выходы реверсивного счетчика соединены с входами устройства индикации.
Недостатком устройства является то, что из-за большого диапазона измерений снижается точность измерения. Также из-за использования импульсного детектора ограничена максимальная измеряемая скорость перемещений.
Наиболее близким изобретением по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения линейных и угловых смещений объекта по патенту РФ №2481553 (МПК G01B 9/02, G01B 11/00), (выбрано за прототип). Устройство содержит фотоприемник и источник когерентного излучения, поток которого направлен на основную светоделительную грань, пропускающую без изменения направления первый луч с первой поляризацией и отражающую второй луч со второй поляризацией, ортогональной первой поляризации.
Основная светоделительная грань способна занимать два взаимно перпендикулярных положения. В первом положении светоделительной грани фотоприемник и источник излучения находятся по одну сторону от нее, в то время как во втором положении светоделительной грани фотоприемник и источник излучения находятся по разные стороны от нее. На линии оптического пути первого луча установлено правое зеркало, сориентированное таким образом, чтобы направить указанный луч в автоколлимационном ходе на правый отражатель, установленный на объекте, при этом между основной светоделительной гранью и правым отражателем установлена правая четвертьволновая пластинка.
На определяемой вторым положением основной светоделительной грани линии оптического пути второго луча установлено левое зеркало, сориентированное таким образом, чтобы направить указанный луч в автоколлимационном ходе на левый отражатель, установленный на объекте, при этом между основной светоделительной гранью и левым отражателем установлена левая четвертьволновая пластинка. На линии оптического пути указанных лучей после их совмещения расположен фотоприемник. Оба отражателя выполнены по оптической схеме «кошачий глаз». В частном случае устройство имеет фазовый модулятор, установленный между основной светоделительной гранью и левой четвертьволновой пластинкой.
Недостатком прототипа является избыточное количество оптических компонентов. Другим недостатком является то, что ось качания объекта должна располагаться строго посередине отрезка между отражателями, в противном случае появляется систематическая погрешность измерения, что снижает точность.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание измерителя углового смещения в малых углах (до 5°), только оптически взаимодействующего с измеряемым объектом и не чувствительного к линейным смещениям измеряемого объекта по трем осям, не требующим расположения оси качания строго между отражателями.
Технический результат заключается в повышении точности измерения угловых перемещений за счет исключения влияния линейных смещений по трем осям измеряемого объекта и снижения геометрических и термических разъюстировок.
Указанный результат достигается тем, что устройство для измерения угловых перемещений объекта, содержащее источник когерентного излучения, светоделитель, пропускающий без изменения направления первый луч и отражающий второй луч, первый отражатель, находящийся на линии оптического пути первого луча и установленный на объекте, зеркало, установленное на линии оптического пути второго луча, второй отражатель, установленный на объекте, также фотоприемник, расположенный на линии оптического пути указанных лучей после их совмещения, конструктивно образуя интерферометр, отличается тем, что между источником когерентного излучения и светоделителем введен расширитель, представляющий собой телескопическую систему без промежуточного изображения и предназначенный для уменьшения расхождения светового луча, зеркало, установленное на линии оптического пути второго луча, сориентированное таким образом, чтобы направить указанный луч на второй отражатель, оба отражателя выполнены в виде трипельпризм, при этом выход фотоприемника соединен через блок фильтрации и усиления сигнала с компаратором, на измеряемом объекте установлены два концевых датчика положения, при этом оптические компоненты, оправы для них и корпуса интерферометра выполнены из материалов с низкими и близкими по величине друг к другу коэффициентами теплового расширения для уменьшения терморасстраиваемости оптической системы.
В частном случае устройство может содержать два источника излучения и два фотоприемника.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг. 1, где изображена схема устройства для измерения угловых перемещений объекта, где 1 - источник света, 2 - расширитель, 3 - светоделитель, 4, 6 - отражатели, 5 - зеркало, 7 - измеряемый объект, 8 - фотодиод, 9 - блок фильтрации и усиления, 10 - компаратор, 11 и 12 - концевые датчики положения.
Устройство для измерения угловых перемещений объекта содержит источник 1 когерентного излучения (высокостабильный лазер с брегговской решеткой для стабилизации длины волны), расширитель 2, представляющий собой телескопическую систему без промежуточного изображения. Расширитель 2 установлен между источником 1 когерентного излучения и светоделителем 3. Расширитель 2 предназначен для уменьшения расхождения лазерного луча и исключает требование малой расходимости светового пучка к лазеру. Светоделитель 3 пропускает без изменения направления первый луч и отражает второй луч. На линии оптического пути первого луча расположен первый отражатель 4, установленный на объекте. На линии оптического пути второго луча установлено зеркало 5, сориентированное таким образом, чтобы направить указанный луч на второй отражатель 6, установленный на объекте 7. Фотоприемник 8 (фотодиод) расположен на линии оптического пути указанных лучей после их совмещения. Указанные элементы конструктивно образуют интерферометр. Первый и второй луч образуют плечи интерферометра. Отражатели 4 и 6 выполнены в виде трипельпризм. Выход фотоприемника 8 соединен через блок 9 фильтрации и усиления с компаратором 10. На корпусе интерферометра установлены концевые датчики положения (на базе датчиков Холла) 11 и 12 для ограничения диапазона измерения в малых углах и определения направления (знака) угла. Оптические компоненты, оправы для них и корпуса интерферометра выполнены из материалов с низкими и близкими по величине друг к другу коэффициентами теплового расширения для уменьшения терморасстраиваемости оптической системы.
В частном случае оптические компоненты выполнены из плавленого кварца КУ-1 (ГОСТ 15130-86), оправы для оптических компонентов и корпуса интерферометра выполнены из сплава 32НКД (ГОСТ 10994-74).
В частном случае устройство может содержать два источника когерентного излучения и два фотоприемника.
Первый луч проходит прямо и попадает на отражатель 4, второй луч, отраженный от светоделителя 3 посредством зеркала 5, падает на отражатель 6. Отраженные лучи образуют последовательность максимумов и минимумов картины интерференционных полос на чувствительных элементах фотодиода 8.
Период интерференционных полос определяется разницей оптического пути в плечах интерферометра, кратной длине волны источника 1 когерентного излучения. Полученный с фотодиода 8 сигнал проходит через блок 9 фильтрации высоких частот и усиления сигнала и попадает на компаратор 10.
Для определения угла суммируется количество прямоугольных импульсов при отсчете от концевых датчиков 11 и 12.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Авторское свидетельство СССР №1770741. Интерференционное устройство для измерения угловых перемещений.
2. Патент РФ №2166182. Интерференционный способ измерения угла поворота объекта.
3. Патент РФ №2102705. Устройство для измерения перемещений на основе полупроводникового инжекционного лазера с внешней оптической обратной связью.
4. Патент РФ №2481553. Устройство для измерения линейных и угловых смещений объекта.
5. ГОСТ 10994-74. Сплавы прецизионные. Марки.
6. ГОСТ 15130-86. Стекло кварцевое оптическое. Общие технические условия.