Устройство для измерения перемещений

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ АНИЕ ИЗОБР СВИДЕТЕЛЬСТ(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащее источникизлучения и оптически связанные светоделитель, объектив первый и второй уголковые отражатели, установленные соосно между собой и предназначенные для скрепления с контролируемым объектом, а в обратном ходе ототражателей два позиционно-чувствительных фотоприемника и три фотоприемника, установленных в фокальнойплоскости объектива, один из позиционно-чувствительных фотоприемниковоптически связан с первым отражателем, выполненным в виде прямоугольного триэдра, а остальные фотоприемники - с вторым отражателем, выхо" ды всех фотоприемников электрически соединены с измерителем, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения линейных перемещений, оно снабжено правильной четырехгранной пирамидой со углом прн вер)пине 180 -2 4( скрепленной основанием с входной гранью второго отражателя и ориентирован"ной таким образом,что нормали к ее боковым граням параллельны коллимационным осям, второй отражатель выполнен в виде прямоугольного. триэдра и на часть его входной грани, неэМранируемую пирамидой, нанесено отража ющее покрытие, угол Ю выбирают из ,условия ы объектива; ежду объектиотражателем;ежду вераиной еометрическим центром следа выходящего иэ пирамиды пучка;казатель преломления териала пирамиды.Изобретение относится к измери 4тельной технике и может использоваться для одновременного измерения линейных и угловых пространственных смещений положения объекта в машино- и приборостроении,. Известно устройство для измеренияперемещений, содержащее на одном объекте источник излучения,объектив и два позиционно-чувствительных фотоприемника (ПЧФП), а надругом объекте - уголковый отражатель с частично отражающей фронтальной граньюЦ .Недостатком этого устройства является невысокая тбчность измерения,обусловленная невозможностью разделения информации при различных пространственных перемещениях контролируемого объекта.Наиболее близким к изобретениюпо технической сущности являетсяустройство для измерения перемещений, содержащее источник излученияи оптически связанные светоделитель,объектив, первый и второй уголковыеотражатели, установленные соосномежду собой и предназначенные дляскрепления с контролируемым объектом, а в обратном ходе от отражателей два ПЧФП и три фотоприемника,установленных в фокальной плоскостиобъектива, один из ПЧФП оптическисвязан с первым отражателем, выполненным в виде прямоугольного триэд- Ира, а остальные фотоприемники - свторым отражателем, и выходы всехфотоприемников электрически соединены с измерителем 121.Недостатком известного устройства является низкая точность измерения линейных перемещений, обусловленная зависимостью координат отраженных пучков, формируемых вторым отражате лем, при изменении его пространст" венного (углового) положения относительно оси визирования, приводящая к изменению ортогональности направлений симметричных отраженных Ю пучков относительно измерительных осей и, как следствие этого, зависимость показаний измерительных каналов линейных приращений от угЛовых поворотов контролируемого объекта. И, Цель изобретения - повышение точности измерения линейных перемещений. Поставленная цель достигается тем, что устройство для измерения перемещений, содержащее источник излучения и оптически связанные светоделитель, объектив, первый и второй уголковые отражатели, установленные соосно между, собой и предназначенные для скрепления с контролируемым объектом, а в обратном ходе от отражателей два ПЧФП и три фотоприемника, установленных в фокальной плоскости объектива, один из ПЧФП оп" тически связан спервым отражателем, выполненным в виде прямоугольного триэдра, а остальные фотоприемники с вторым отражателем, и выходы всех фотоприемников электрически соединены с измерителем, снабжено правильной четырехгранной пирамидой с уголом при вершине 180 -2 М; скрепленной .основанием с входной граньювторого отражателя и ориентированной таким образом, что нормали к ее боковым граням параллельны коллимационным осям, второй отражатель выполнен в виде прямоугольного триэдра и на часть его входной грани, неэкранированную пирамидой, нанесено отражающее покрытие, а угол К выбирают из условия8-г- т2(о) Ьгде К - радиус оправы объектива;Ь - расстояние между объективоми вторым отражателем;г - расстояние междувершинойпирамиды ч геометрическимцентром следа выходящего изпирамиды пучкаб - показатель преломления материала пирамиды.На фиг. 1 представлена схема устройства; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1 (второй уголковый отражатель и скрепленная с ним пирамида),Устройство содержит источник 1 излучения, светоделитель 2, объектив 3, коллимирующий излучение, первый уголковый отражатель 4, второй уголковый отражатель 5, реднаэначенные для скрепления с объектом (не показан), четырехгранную пирамиду б, скрепляемую основанием с входной гранью второго уголкового отражате ля 5, ПЧФП 7 и 8, один иэ которых (фотоприемиик 7) расположен на оси устройства и оптически связан с первым уголковым отражателем 4, а вто3 114654рой (отоприемник 8) смещен относительно оптической оси, три фотоприем-,ника 9-11, также смещенные относи"тельно оптической оси, и измери-тель 12. Все фотоприемники 1-11установлены в Локальной плоскостиобъектива 3, фотоприемники, смещенные с оптической оси, оптическисвязаны с вторым уголковым отражателем 5, 10На Лиг. 1 также обозначены положения автоколлимационных изображений13-17 и отражающее покрытие 18, нанесенное на входную грань второгоотражателя. Оси Х и У являются кол"лимационными осями, на Лиг, 1 такжепоказаны возможные перемещения контролируемого объекта - линейные и угловые (сам объект контроля не показан).20Первый и второй уголковые отражатели установлены соосно между собойи скреплены с контролируемым объектом,Устройство работает следующим об- дразом.Излучение от источника 1 излучения, пройдя светоделитель 2 и объектив 3, выходит из него коллимированным пучком и направляется науголковые отражатели 4 н 5, которыежестко скреплены с контролируемымобъектом. Излучение, отразившись отуголкового отражателя 4, возвращается в объектив 3, который строит егоиэображение 17 в Фокальной плоскости.35Излучение, прошедшее мимо уголковогоотражателя 4, направляют на правильную пирамиду 6 с углом при вершинео,180 -2 ж- т.е. грани пирамиды накло 40иены к передней (входной) грани угол.кового отражателя 5 на угол 0 .Прбйдя пирамиду, излучение разбивается иа четыре. пучка, каждый из которых меняет направление, отклоняяськ вершине пирамиды 6. Отразившисьот уголкбвого отражателя 5, пучки,в обратном ходе .снова проходят правильнув пирамиду 6. Каждый из четырех отраженных пучков отклонен отоптической оси на уголР= 2 к(-1),где В - показатель преломления материала пирамиды 6; М - угол наклона боковых граней пирамиды 6 к ее осно-. ванию.7 4Угол наклона Ы боковых граней пирамиды б к передней грани уголкового отражателя 5 выбирается иэ условия, чтобы для заданного расстояния между объективом 3 и уголковым отражателем 5 линейное отклонение середины каждого из отраженных пучков от оси визирования в плоскости объектива не превышало значения светового радиуса последнего. В этом случае каждый отраженный пучок будет наполовину экранироваться оправой объектива 3, что обеспечит максимальный диапазон измерения линейных перемещений.Отраженные от уголкового отражателя 5 пучки возвращаются в объектив 3, формируя в его фокальной плоскости четыре автоколлимационных изоб. ражения 13-16. Изображения 13 и 14 смещены относительно оптической оси объектива 3 вдоль оси ОУ, а иэображения 15 и 16 - вдоль оси ОХ на одинаковые угловые расстояния в соответствии с величиной угла сб, Координаты изображений 13-16 практически не зависят от малых поворотов уголкового отражателя 5 относительно коллимационных осей ОХ и ОУ Они изменяются только при поворотах отражателя с пирамидой б относительно оси визирования 02 (автоколлимационные изображения синхронно поворачиваются в 4 окальной плоскости относительно оптической оси объектива 3). Фиксируя смещение одного из изображений, например изображения 13, вдоль оси ОХ с помощью ПЧФП 8, соединенного с измерителем 12 и имеющего нулевую линию чувствительности, совпадающую с ортогональной осью ОУ, определяют величину угла поворота объектива относительно оси 07., т.е. угол 0 1Отраженные пучки распространяются попарно симметрично под углом к опти," ческой оси устройства. При смещении, уголкового отражателя 5 вдоль колли- мационных осей ОХ и ОУ симметричные пучки по-разному экранируются оправой объектива 3. Например, при смещении уголкгвого отражателя вдоль положительного направления оси ОУ, отраженный пучок 13 будет экранироваться оправой объектива З,а пучок 14 - меньше. В соответствии со сме. щениями пучков меняется и яркость отвечающих им автоколлимационных изображений. При этом разности яр"Ь 114654 7 ал ПОП "Патаытффжгород, ул. Проекти г костей изображений 13, 14 и 15, 16 пропорционально смещениям ь и щ уголкового отражателя 5 вдоль осей ОУ и ОХ. Эти изображения регистрируются соответствующими Аотоприем" 5 никами 8, 11 и 9, 10 (ПЧФП 8 в этом случае работает как обычный Фото- приемник, т.е. выходные сигналы суммирукгся), а разности сигналов на их выходах определяются измерителем 10 12.Углы коллимации 8, и 6 определяются при помощи ПЧФП 7 обычным способом по смещению автоколлимационно- го изображения 19, сАормированного в 15 фокальной плоскости в результате отражения световых лучей от неэкранированных участков входной грани уголкового отражателя 5, имеющих отражающее покрытие 18, . . 20Для определения смещения объектива вдоль оси визирования Формируется дополнительный отраженный пучок за счет отражения световых лучей от уголкового отражателя 4. Отраженные 2 от него лучи формируют в его фокальной плоскости объектива 3 неподвижное автоколлимационное изображение 17, расположенное от оптической оси устройства. Так как площадь рабочей ЗО апертуры уголкового отражателя 4 практически не зависит от малых углов поворота его относительно координатных осей и меньше площади световой апертуры объектива 3, то яркостьизображения 17 остается неизменнойпри поворотах и смещениях объективаотносительно осей ОХ, ОУ и 07 Приизменении расстояния между объективом,3 и уголковыв отражатепем 4 засчет расходимости изображений 13-16относительно направления падающегопучка яркость соответствующих имавтоколлимационных изображений будетменяться; при увеличении дальностиона уменьшается, а при уменьшении -увеличивается. Разность суммы яркостей симметричных изображений 13,14 или 15, 16 и изображения 17 служит мерой смещения объектива вдольоси 02. Сумма и разность яркостейизображений определяются по выходнымсигналам фотоприемников 8, 11 или9, 10 и 7 (ПЧФП 7 в этом случаеработает как обычный Аотоприемник)при помощи измерительного устройства 12. Разделение автоколлимационных изображений 17 и 19, регистрируемое ПЧФП 7, осуществляют при помощи поляризаторов, светоАильтров или поочередно включающихся диафрагм (не показаны), устанавливаемых перед уголковыми отражателями 4 и 5.Положительный эффект заключается в уменьшении влияния уголкового разворота контролируемого объекта (угла скручивания) на измеряемые линейные его перемещения.