Устройство для измерения угловых перемещений объекта

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 9) (И) 8 1 В 2100 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ЛЬСТВУ ерение угла, 1 ил,Звей ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИ(51 Авторское свидетельство СССРВ 853378, кл. С 01 В 9/00, 1979.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТА(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для точных измерений углового перемещения объекта, Цель изобре"тения - расширение диапазона измерения углового перемещения объекта путем модуляции частоты акустооптическогомодулятора и фильтрации соответствующих электрических сигналов, Дифрагированные на акустооптическом модуляторе 2 пучки и пучок нулевогопорядка при прохождении плоскопараллельной пластинки 3 испытываютразличные набеги фазы в зависимостиот угла поворота плоскопараллельнойпластинки. Дифракционная решетка 4совмещает указанные пучки на фотоприемнике 5, на выходе которого фаза сигнала будет пропорциональна углуповорота плоскопараллельной пластинки 3. Фазометры 7 и 1 О осуществляютсоответственно грубое и точное из 1479831Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для точных измерений угловогоположения объекта в широком диапазо 5не изменения углов.Цель изобретения - расширениедиапазона измерения углового перемещения объекта путем модуляции частоты акустооптического модулятора и 10фильтрации соответствующих электрических сигналов,На чертеже приведена функциональная схема устройства.Устройство содержит последовательно соединенные лазер 1, акустооптический модулятор 2, плоскопараллельную пластинку 3, связываемую с объек. том, дифракционную решетку 4, фотоприемник 5, фильтр б, фазометр 7, 20выход фотоприемника 5 через фильтр 8и смеситель 9 соединены с фазометром 10, первые входы фазометров 7и 10 связаны с выходом генератора 11низкой частоты, выход генератора 12 25высокой частоты подключен к вторымвходам смесителя 9 и модулятора 13,выход которого соединен с входомакустического модулятора 2,1 30Устройство работает следующим образом.Пучок света лазера 1 падает наакустооптический модулятор 2 Дифрагированный на акустооптическом модуляторе 2 пучок и пучок нулевогопорядка поступают на плоскопараллельную пластинку (ППП) 3, угол поворотакоторой необходимо измерить. Пусть8 - угол дифракции света на модуляторе 2, когда на него подается одначастота. Если ППП 3 перпендикулярнаоптической оси, то угол падения пучка на пластинку т= 6 . Если ППП 3поворачивается на угол Ы, то уголпадения у,= 6+ Ы . Аналогично уголпадения пучка нулевого порядка напластинку т =. Оба пучка при прохождении ППП 3 в зависимости от углаповорота Ы приобретают различные.фазовые набеги, 50Углы преломления пучков первогои нулевого порядковя 1.и( 6 + с)яи =яидяи гигде и - показатель преломления ППП, Фазовые набеги при прохожденииППП 2 К, и 2 Г , иЧ Всдву 3. и 2 Г. и 2 ГЦ - Л сояЛ Еп 2 Разлагая эти выражения в ряд Тейлора, получают 2 й, и1-соя 2 (О+сО 11 ++ - соя( ив+ ын)+ - соя(са,- ю,) Т, (4) где ш - глубина модуляции;ы- частота генератора 11.Иэ выражения (4) видно, что на модулятор 2 подаются сигналы трех частот, Поэтому после модулятора 2 имеются три дифрагированных пучка, каждый из которых при прохождении пластинки 3 приобретает различный набег фазы в соответствии с выражением (3), так как угол дифракции света на моду- ляторе 9= - , Г,Л 7 Ф(5) где Ч - скорость звука в модуляторе 2;- частота сигнала. Полагая, что модулятор 2 осуществляет неглубокую фазовую модуляцию, где Л - длина волны света;, - толщина ППП.Дифрагированный пучок проходит через дифракционную решетку 4 и попадает на фотоприемник 5, а пучок нулевого порядка дифрагирует на дифракционнок решетке 4 и тоже поступает на фотоприемник 5, где оба пучка интерферируют. Добавочные дифракционные порядки света, которые возникают при прохождении дифрагированного пучка через дифракционную решетку 4, могут быть устранены установкой перед фотоприемником щели (на чертеже не показана). На модулятор 2 с модулятора 13 подается сигнал13 = (1+ш созе )соя иС = соя 038 +14798314жет быть отфильтрована установкойпосле фотоприемника 5 конденсатора); Этот сигнал подается на смеситель9, после которого получают сигналка20 Бэ=Шсов)н "+ Чэ Ч)+ 2 (вдпбэ-Ядп В,)1С помощью фильтра 6 выделяетсясигналА+Ч,1- Пщ сояын + -+25 ьн 1 са(вдп Вэ- ядпб 1 1+3 (9) 4Для компенсации постоянных фазовыхсдви о ф (вдп Ээ - дп Э,);ка(вдп Э э - вдп 64)4на выходах фильтров 6 и 8 могут быть установлены фазовращатели (на чертеже не показаны).35 Поэтому можно считать, что фазометр4 з7 измеряет фазовый сдвиг в в -, а фаэометр 10 - фазовый сдвиг Ч, - Ч, Учитывая (6) и полагая, что углы диф ракции света малы, получают 1-сов 2 сМз- Р 4 4 Н 1,й и ядп 24 . (10)2 п 173 в н2 Й.45 " пзвЧ- Р = --- (Е + й ) вдп 2 Ы. (11)Поскольку Г вЕ, то крутизна изменения фазы в выражении (11) значительно больше, чем в выражении (10).Поэтому фаэометром 7 можно осуществлять грубое измерение угла И в широких пределах, а фазометром 1 О -точное, Откалибровав фазометры, задавая известные углы Ы, можно сформировать два канала измерения - точныйи грубьп. Причем диапазон измеренияпо грубому каналу значительно вьппе,чем у прототипа. Действительно, используя отношение (10) для Чриз выражения:(ь н)1-- И - к )4 тт6 нэв 2 нК = й - шаг дифракционной решетки 4. Иэ выражения (6) видно, что навыходе фотоприемника 5 присутствуютсигналы нескольких частотС помощьюфильтра 8 выделяется сигнал55 11 = Пщ соя(и+сон 1 Т + Ч - Ц,+ + (ядп Ээ яд")1 ка можно получить следующее выражение,для напряжения на выходе фотоприемника 5 (постоянная составляющая моа(2Оц = 1 Б/1 хР(хч,+ кх 1 пВ,)+ехр( + + кх 1 п 61+-вдп 9,)1+ Бщ 4 сов(2 ь 1 + Ч 4 - чэ+ -2 (ядп В 4 - ядп 6 )+ ищ сояон с + + +(ядп Вэ вдп 84) (6)2 21где а - апертура фотоприемнйка 5;1 - интенсивность света на модуоляторе 2;Б - чувствительность фотоприемфпника;- дифракционная эффективностьмодулятора 2;- дифракционная эффективностьРдифракционной решетки 4;Пщ Пщ 2 щэйп 4, 11 щ- амплитуды частотных составляющих сигналов на выходе фотоприемника;5П = Ц э 1 п(Ов Г прот)79831 6а 4 10 Гц, что вполне достижимо для современных акустооптических модуляторов. Таким образом, в устройстве сформированы два канала измерения- точный и грубый, расширен диапазон преобразования при сохранении точности на уровне прототипа, а также упрощена оптическая схема устройства, так как в ней отсутствуют отражатели. 14(12) э 1 пОЛ фчастота генератора высокой частоты;апертура фотоприемника; угол между пучками, отраженными от отражателей в плоскости фотоприемника;длина волны света;амплитуда напряжения,где ц = ЛЦ -ж получают Формула изобретения Устройство для измерения угловыхперемещений объекта, содержащее оптически связанные лазер, акустооптический модулятор, плоскопараллельную пластинку, связываемую с объ 20 ектом, дифракционную решетку и фотоприемник, первый фаэометр, выход которого является первым выходом устройства, и генератор высокой частоты, о т л и ч а ю щ е е с я тем,25 что с целью расширения диапазона измерений углового перемещения объекта оно снабжено первым фильтром,вход которого соединен с выходом фотоприемника, а выход - с входом пер 30 вого фазометра, последовательно соединенными вторым фильтром, вход которого соединен с выходом фотоприемника, смесителем и вторым фазометром, выход которого является вторым35 выходом устройства, модулятором, выход которого соединен с акустооптическим модулятором, генератором низ-.кой частоты, выход которого соединенс входами первого и второго фазомет 40 ров и модулятора, а выход генератора высокой частоты соединен с входами модулятора и смесителя,4 Цн ЛпЧ а Положим, что в качестве материала модулятора выбран молибдат свинца с и = 2, Ч = 4 10 мм/с, й = 10 Гц, 1, = 3 мм, Л = О,б 3 10 мм, а = 2 мм. Получают 4 5 10чзобр -5УР протСледовательно, по сравнению с прототипом диапазон измерений угла значительно расширен. Причем регулировку и перестройку диапазона измерения можно производить выбором частоты Е. Фазометр 10 осуществляет точное измерение углаКрутизна измерения фазы в прототипе (12) и в предлагаемом устройстве (11): иапрот Л ф(13) 2 И ( в+и)6Иэо Р д.Приравнивая укаэанные выраженияс учетом приведенных данных Г вСоставитель Ю, СадыковТехред М.Ходанич Корректор Т, Бугренкова Редактор Л. Пчолинская Заказ 2534/4 1 Тираж б 84 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,101