Способ измерения углов поворота

(50 4 С О 1 В 21 22 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ К А ВТОРСКСМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Авторское свидетельство СССРФ 236779, кл, С 01 В 9/08, 1967.(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВ ПОВОРОТА(57) Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности и быстродействия за счет исключения погрешностей от флуктуаций и сокращения числа операций. Способ позволяет осуществлять редуцирование фазы, при этомизмеряется относительно опорного сигнала фаза информационного сигнала,пропорциональная произведению углаповорота на козффициент редукции, независящая от амплитуд информационногои опорного сигнала. 2 ил.1 13Изобретение относится к измерительной технике, в частности позволяет обеспечивать измерение углов поворота одного объекта относительно другого,Целью изобретения является повышение точности и быстродействия за счетисключения погрешностей от флуктуации элементов и сокращения числа операций.На. Фиг. 1 и 2 изображены устройства для реализации способа.Устройство, приведенное на Фиг. 1,содержит коллиматор 1, включающий объектив 2, разделительную призму 3, излучатели 4 и 5, диафрагму 6, блок 7питания с генератором 8 напряженияи инвертором 9; коллимационный приемник 10, включающий объектив 11, диафрагму 12, Фотоприемник 13, усилитель14 переменного тока, Фазосдвигающиеблоки 15 и 16, Фазометр 17, электрически соединенный с блоком 7 питанияи усилителем 14,Устройство, приведенное на фиг. 2,содержит коллиматор 18 (поляризационного) устройства, включающего излучатель 19, объектив 20, поляризатор 21,модулятор 22 Фазы, четвертьволновойэлемент 23 приемник 24, включающийанализатор 25 (поляризатор), объектив 26, фотоприемник 27, усилитель 28переменного тока, фазометр 29, генератор 30 напряжения, положение плоскости поляризации поляризатора обозначего поз.3 1, положение оптическойоси модулятора фазы - поз. 32, положение оптической оси четвертьволнового элемента - поз. 33, а положениеплоскости поляризации анализаторапоз.34,Предлагаемьпл способ осуществляютследующим образом,1В фокальной плоскости объектива 2коллиматора 1 (Фиг. 1) размещено ребро разделительной призмы 3 и,циафрагма 6, Ребро призмы размещено посередине диафрагмы 6, Одна грань призмыосвещается излучателем 4, а другаяизлучателем 5, Каждый из излучателейизлучает переменный световой потокс равными амплитудами и Фазами, отличающимися друг от друга на угол, неосколько меньший или больший, чем 180 .Такая засветка может осуществлятьсяот блока 7 питания, включающего, например, генератор 8 напряжения, выходкоторого соединен через Фазосдвигаю 10638 2щий блок 15 с излучателем 4. Кроме.того, этот же выход соединен черезинвертор 9 и фазосдвигающий блок 16с излучателем 5. В цепи каждого излучателя фазосдвигающие блоки 15 и 16сдвигают фазу излучения из излучателя по отношению к питаюЩему напряжению на небольшой угол. Для одногоизлучателя сдвиг фаз осуществляется10 на угол +, для другого - на угол -3.Возможны и другие варианты Формирования излучения.Таким образом, каждая половинкадиафрагмы 6 излучает одинаковые по15 амплитуде световые потоки, но отличающиеся друг от друга по фазе. Объективы 2 и 11 проектируют изображение диафрагмы 6 в плоскость диафрагмы 12, которая находится в фокальной20 плоскости объектива 11 и меньше, чемизображение диафрагмы 6.Если визирные оси коллиматора 1и коллимационного приемника 10 параллельны друг другу, то на выходе диаф 5 рагмы 12 будет два потока излученияс одинаковой амплитудой. В том случае, если один из блоков поворачивается на какой-либо угол М изображение диафрагмы 6 смещается относительно диафрагмы 12 на величину, пропорциональную углу Ы, На выходе диафрагмы 12 амплитуда одного из световыхпотоков изменяется, Модулированныйсветовой сигнал на выходе фотоприемника 13 становится равнымР =ВБь,ьЬ(-+ах) з 1 д(ие+/3)- ВБь, Ь( -Юх) в 1 пЬ-Р) -л;40 =А 81 п(21+3)-АЯ 1 п(Я ) ьгде В - яркость излучателей 4 и 5;Б - конструктивный параметр оптического тракта, зависящий отапертурной диафрагмы, фокусного расстояния и т.д.;л,ц,п - коэффициенты пропускания коллиматора и приемника;Ь - высота диафрагмы 12;501 - ширина диафрагмы (в направлении плоскости измерения);А в амплитуда светового потока,засвечивающего одну частьдиафрагмы;А - амплитуда светового потока,засвечивающего другую частьдиафрагмы,Это выражение можно преобразоватьв следующее3 1310638 4Ф =А,я 1 пиСсоя 3+А,сояиГя 1 п(3- гого на малый угол о 4 на вход ФазометАядпиТсоя+Л я 1 п 3 сояц= ра 17 поступает сигнал"к"осозе=Ся 1 пцг+Рсояцй, 5 Фаза этого суммарного сигналаф=где С=2 ВБТЬ 4 хсоя; Р=ВЯсГЬ 1 я 1 п 9 =Я + ЬЦ) определяется иэ известногоВеличину Р выбирают конструктивно отношенияпутем выбора величины угла (3 так, Ся жЖ +Р я дпРгчтобы величина Р была меньше, чем =. - . - , - ,-,Р - .-;,половина величикв С при ее макси- , 101 где Ц, и ц соответственно Фазы сигмально возможной величике (при бх=-),22нала с амплитудой С и Р;Таким образом, в основном оптичес- о - фаза сигнала прис =0;ком тракте на входе фотоприемника 13 Ь - приращение фазы при повороформируют модулированный основной те на угол с,световой сигнал с амплитудой С, про- Так как в данном случае Ф; =О,о,порциональной углу поворота в фазе Ц)=90 , тоили противофазе с опорным сигналом; у,+ге ьцмодулированный не зависящий от угла Чо Ч 1 - т 8 дрповорота дополнительный световой сиг(А,+А)яж Я Рнал, сдвинутый по Фазе относительно (А -А;)соя 3 Соосновного сигнала на угол 90 , с ама Тщ=ооплитудой Р меньшей, чем половина мак Чоили Р Рсимально возможного основного сиг- -С 8 Юо С+ ойдо С 2 дхнала.Р 1 Ь Р 1Далее измеряют Фазу суммарного 1+-с с- + -сую, Ссигнала, поступающего после усилителя 14 на Фазометр 17, относительно Для данного конструктивного исопорного сигнала, поступаемого на фа- полнения коэффициент редукции равензометр 17 из блока 7 питания. 30 сцф, который выбирают большим, чем 2,Разделив замеренную величину раз- и определяют из отношенияности фаз на предварительно принятое С(при х=/2)отношение ш амплитуды максимально Рвозможного основания сигнала С (при П р и м е р. Известны, фазометры,1 работающие на одной частоте и позвоЬх=-) к амплитуде дополнительного2 ляющие измерять фазовый сдвиг с точсигнала Р, определяют угол поворота. ностью д, =0,2 , При выборе диХарактеркым для этого способа являет- афрагмы 1=0,1 мм; угла 8 = 1 9ося то, что при повороте одного бло- (ш=сс 8=50), фокусного расстоянияка относительно другого на угол М, 40 й =175 мм прибор позволяет измерятьразность фаз изменяется на большую перемещение:величину, т.е. проксходит "редуциро- -1-0,0000035ванне фазы". 2 сСд /Действительно, если рассогласова- что соответствует 0,04ние между блоками равно нулю (об=0 45 Возможно измерять Фазу, если опори, следовательно, Ах=О), то на вход ный сигнал по фазе совпадает с дополФазометра поступает только дополни- . нительным сигналом. В этом случаетельный сигнал при отсутствии рассогласования раэК К РсояЮ=РКо К я 1 п(ЯЕ+90), ность фаз равна нулю.по50 Устройство для осуществления спогде К - коэффициент преобразоваП соба (фиг. 2) работает следующим обния фотоприемника;разом.К - коэффициент усиления усиВ этом устройстве плоскость 31лителя.поляризации поляризатора 21 распоФаэа этого сигнала по отношению 5 ложена под углом 45 к оптическойок опорному равна 90 . Это значение оси 32 модулятора 22 фазы. Оптичес-,фазы принимается за нулевое. При по- кая ось 33 четвертьволнового элевороте одного блока относительно дру- мента 23 расположена под небольшим38 6мированный с помощью четвертьволнового элемента 23 модулированный дополнительный световой сигнал, сдвинутый по фазе относительно основного на 90 . Остальные операции выполняютося аналогично операциям в устройстве, изображенном на фиг. 1.Коэффициент редукции подбирается углом.Вышеизложенное подтверждается следующим,Поток излучения после анализатора определяется выражением где Ч - световой поток на выходе объектива; 1 1 0 О затора; 1 0 0 0 0 соя(90, 2, 2 о) +язеп(90, 2, 206) 0 матрица поворота системы координат по часовой и против часовой стрелки; соя (90, 2 , 2 сб) О 0 0 О+яхп(90, 2, 2 оЬ)0 0 1 0 0 0 0 1 0 0- матрица действия четверть 0 0 соя(90,ие) я 3.п(90",ы) 0 О язп(90,а) соя 90 дс) волнового элемента и моду лятора; 0 0- матрица поляризатора,0 О 0 О У,Отсюда 9 =(1-соя 2 мяп 2 сояы 2 45 -я 3.пЪ я .па)После усилителя 28 переменного тока сигнал становится равнымП=-К К (яп 2 сояЮ+яп 2 Ыядпц) в .У.п 2 0фаза суммарного сигнала определяется аналогично предыдущему из выраженияя 1 п 2 Усоя 2 М ся 2 м+ Щ) - с1д - йя 3.п 2 М ф " яп 2 55 формула изобретения Способ измерения углов поворота, основанный на формировании в основном оптическом тракте мсдулированного светового сигнала с амплитудой, пропорциональной углу поворота, в фазе или противофазе с опорным сигналом,. о т л и ч а ю щ и й с я тем, чт, с целью повышения точности и быстродействия измерения углов, .дополнительно формируют независящий от угла поворота оптический модулированный сигнал, сдвинутый по фазе относительно основного сигнала на угол 90 , с амплитудой меньше половины амплитуды 5 1310 б углом у к оптической оси 32 модулятора фазы и параллельны (при отсутствии рассогласования) плоскости 34 поляризации анализатора 25.Световой поток, выйдя из излучателя 19 коллиматора 18, пройдя объектйв 20 и поляризатор 21, поляризуется в направлении плоскости 31 поляризации. После модулятора 22 фазы излучение содержит две составляющие Ю со взаимно ортогональными направлениями плоскости поляризации (вдоль оптической оси и перпендикулярной ей), равными амплитудами и в противофазе друг к другу. 15Четвертьволновой элемент 23 (являющийся оптическим Фазосдвигающим элементом) сдвигает фазу излучения на 90 . После анализатора в оптичесОком тракте присутствует модулирован ный основной световой сигнал, пропорциональный углу скручивания, и сфорКоэффициент редукции равен ш=1- -т -- и при малом углеш 31,Ып 2- линейно поляризованный свет на выходе поляри7 1310638 8максимально возможного основного сиг- предварительно принятому отношениюнала, определяют относительно опорно- амплитуды максимально возможного ос.го сигнала фазу суммарного модулиро- новного и дополнительного сигналовванного сигнала, по разности фаз и определяют угол поворота. угу ггг Составитель Е.Глазкова Редактор Л.Повхан Техред А.Кравчук Корректор Г,Решетниказ изводственно-полиграфическое предпрИятие, г.ужгород, ул.Проектная,879/36 Тираж ВНИИПИ Госуд по делам 113035, Мос678 Подписноерственного комитета СССРзобретеиий и открытийа, Ж, Раушская наб., д