Устройство для измерения угловых перемещений объекта

(50 4 С 01 В 21/О ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИПРИ ГКНТ СССР ь. ЕОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ЕРЕ 17) ся к измериобретенияерений, повыние функциоем определеИзобретение относи ой технике. Цель и рение диапазона източности и расшир ых возможностей пу ел сш ние льн(21) (22) (46) (71) тельн (72) (я) (56) йф 823 4279801/24-280707,8730.09.89. Бюл. У 36Всесоюзный заочный машиностроиый институтА,А.Титов531.7.717 (088.8)Авторское свидетельство СССР850, кл. С О 1 В 11/00, 1981.УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЬЕЦЕНИЙ ОБЪЕКТА 2ния наряду с величиной перемещения направления поворота объекта и его нулевого положения, Перед началом измерений зеркало 4, установлено на объекте, находится в нулевом положении, которое фиксируется фотоприемником 6. При угловом перемещении объекта зеркало отклоняется на угол +о от нулевого положения. Отклонение + с измеряется первой группой из и световодов, отклонения -с,- второй группой из и световодов. Каждая из групп световодов соединена с фотоприемником 8 и расположена симметрично относительно 2 п + 1 светово да, связанного с фотоприемником 6.2 ил.3 151159Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений углов поворота объектове5Цель изобретения - расширение диапазона измерений, повышение точностиизмерений и расширение функциональных возможностей путем определениянаряду с величиной перемещения и на- Оправления поворота объекта и его рулевого положения.На фиг.1 представлена функциональная схема устройства; на фиг.2 - диаграммы измерения угла поворота объекта, закон изменения углов поворотаобъекта ( , О , Ю - напряженияна шинах),Устройство содержит лазер 1, выход которого через линзы 2, зеркало 203 оптически соединен с зеркалом 4,установленным на объекте, зеркало 3механически соединено с двигателем5; фотоприемники 6-8; 2 п + 1 светодиодов 9, где и - число разрядовмладшей ступени преобразования, свето-диоды 9 разбиты на две группы по исветодиодов в каждой группе, зеркало 4 оптически соединено с торцами всехсветоводов 9, 2 п световодов 9 соеди- ЗОнены с входом фотоприемника 8, (2 п ++ 1)-й световод соединен с входомФотоприемника 6, 1-й световод второйгруппы световодов расщеплен на двасветовода и соединен с входами фото- З 5приемников 7 и 8; триггер 10, первыйвход которого через компаратор 11 соединен с выходом Фотоприемника 7, выходы Фотоприемников 6 и 8 соединены. с входами компараторов 12 и 13, выход компаратора 13 через ключ 14,счетчик-регистр 15, импульсов, вычислитель 16 соединен с индикатором17, выход компаратора 13 соединен спервым входом реверсивного счетчика 4518 импульсов, второй вход которогосоединен с входом элемента НЕ 19,выход которого соединен с вторымвходом ключа 14, входы реверсивногосчетчика 18 через биполярный цифроаналоговый преобразователь 20, ключ21 соединены с входом двигателя 5,первый вход триггера 22 соединен свыходом компаратора 12, вторым входомтриггера 10, а выход триггера 22 соединен с вторым входом ключа 21 и вхо-.дом элемента 19 НЕ, выход триггера10 соединен с вторым входом индикатора 17, третий вход реверсивного 6 4счетчика 18 соединен с выходом ком" паратора 12; счетчик-регистр 15 содержит счетчик 23 импульсов и регистр 24, второй вход счетчика 23 соединен с шиной 25 "Сброс", выходы счетчика 23 через регистр 24 соединены с выходами счетчика-регистра 15, первый вход регистра 24 соединен с шиной 26 "Передача кода", второй вход регистра 24 соединен с выходом компаратора 12, второй вход триггера 22 соединен с шиной 27 "Установка нуля", второй вход вычислителя 16 соединен с выходом компаратора 12, а третий вход - с шиной 25.Устройство работает следующим образом.Луч лазера 1 фокусируется с помощью линз 2 на один из торцов световодов 9. В начальном состоянии зеркало 4, установленное на объекте, находится в нулевом положении, С помощью юстировки зеркала 3 вручную с помощью механических приспособлений (не пока-. заны) луч направляется на нулевой световод 9, соединенный с Фотоприемни ком 6, который определяет нулевое сос тояние устройства. Сигнал с фотоприемника 6 поступает на компаратор 12, который Формирует пороговый уровень, с помощью которого обнуляются триггеры 10, 22, реверсиынй счетчик 18, регистр 24, вычислитель 16, а на индикаторе 17 появляется цифра "нуль", соответствующая нулевому положению устройства. Ключ 21 закрыт и напряжение на двигатель 5 не подается. При этом подается также импульс по шине 25 "Сброс" на счетчик 23, который устанавливает в нулевое положение. Зеркало 4 может отклоняться на угол одное от нулевого положения. Это отклонение происходит. дискретно с шагомю 6, (Фиг.2), причем. этот шагможет несколько меняться от одного отклонения к другому, что обусловлено свойствами объекта. Устройство измеряет общий угол поворота 4 Ы, объекта. Световоды 9 разбиты на две группы по и световодов в каждой. Одна группа световодов измеряет углы отклонения + Коб, а другая -с,в. Если обозначить 6 М шаг между световодами 9, то ширина одной группы световодов будет равна;10 15 бы где К - расстояние от зеркала 4 долинейки световодов 9;( - угловая апертура линейкисветоводов 9;Поскольку угол отклонения лучазеркалом 4 равен.ю -- 2 йсб, гдеЕссБ - угол поворота объекта, то Х ="К 2 с оьВыбираем 1 ) Х таким образом, что 1р В с" сь, маис ф (3) Где Ь с с ама ксималь но Возможныйугловой поворот объектаза один шаг.Это необходимо, чтобы при отклонении объекта на угол 6 с,Б,ма,луч находился на световодах 9. При первом отклонении от нулевого положения на уголЫс луч света находится на линейке световодов 9. Система замеряетугол. Затем с помощью зеркала 3 луц устанавливается в нулевое положение на линейке 9. При следующем отклонении объекта на угол Ьсс, луц опять перемещается по линейке световодов 9. Система замеряет суммарный угол за два шага. И опять с помощью зеркала 3 луц возвращен в нулевое положение на линейке световодов 9. Описанный процесс повторяется, пока не будет измерен весь угол поворота объекта.Рассмотрим теперь подробнее работу устройства. При перемещении луча по линейке световодов 9 на выходе фотоприемника 8 формиоуется периодический сигнал, который компаратором 13 превращается в периодическую последовательность импульсов. Ключ 14 при этом открыт, так как на его вход от элемента НЕ 19 подан разрешающий сигнал, поскольку триггер 22 находится в обнуленном состоянии. Счетчик 23 и реверсивный счетчик 18 подсчитывает количество импульсов, соответствующее углу поворота АЫ сБ , Однако, когда с выхода счетчика 23 будет пере дан и считан с регистра 24 только тогда, когда будет подан импульс на шину 26 "Передача кода". Этот импульс подается на шину 26 после того, как объект повернется на угол Ы, (Фиг.2, напряжение Б).При подаче сигнала по шине 26 код из счетчика 23 зано сится в регистр 24 и передается в вычислитель 16. Количество импульсов, подсчитанных счетчиком 23 при поворо" . те объекта на угол ь Ыс, равно: 20 25 30 35 40 45 50 55 п 1 =сд 2 ЬсСКос(4)Иэ выражения (4) видно, что зависимость числа импульсов от угла поворота нелинейная. Чтобы эту нелинейность устранить, введен вычислитель 16, который производит вычисление угла по формуле1 шЬХсь = - агсгВ -- . (5)2 КВычислитель начинает работать при подаче сигнала по шине 26, После вычислителя 16 код, соответствующий углу поворота объекта, поступает на индикатор 17, у которого на световом табло высвечивается результат преобразова ния.Для того, чтобы измерить следующее отклонение объекта на угол йс система должна быть возвращена в нулевое положение, Для этого на триггер 22 по шине "Установка в нуль" подается импульс (фиг.2, 0 т ). Триггер 22 срабатывает и через элемент НЕ 19 выключает ключ 14 и включает ключ 21, При этом доступ импульсов на сцет. чик 23 прекращается, а сигналом с триггера 22 реверсивный сцетчик 18 переводится в режим вычитания. Через биполярный ЦАП 20 и открытый ключ 21 напряжение поступает на двигатель 5, который поворачивает зеркало 3 так, цто луч двигается по линейке световодов к нулевому положению, При этом импульсы от компаратора 13 поступают на реверсивный счетчик 18, который работает в режиме вычитания. В результате напряжение на выходе биполярного ЦАП 20 уменьшается и при достижении лучом нулевого положения на линейке световодов 9 напряжение ста" новится равным нулю и двигатель ос" танавливается. При этом срабатывает компаратор 12 и сбрасывает в нуль триггер 22, реверсивный счетчик 18, регистр 24 и вычислитель 16, а на индикаторе 17 будет зафиксировано нулевое положение объекта. При этом ключ 21 размыкается и отключает двигатель 5 от системы, а ключ 14 через элемент НЕ 19 включается. Если объект 4 поворацивается в другую сторону от нулевого положения, то при прохождении лучом первого световода от нулевого положения появляется импульсный сигнал на выходе Фотоприемника 7 и через компаратор 11 срабатывает триггер 10 . знака, зажигает на индикаторе 17 лам 1511596почку, Это свидетельствует об отклонении объекта в: другом направлении.Аналогично происходит подсчет им 5 пульсов счетчиком 23, При возвращении системы в нуль зеркало 3 нужно поворачивать в другую сторону. Для этого на триггер 22 подается импульс "Установка в нуль", который включает ключ 21. Поскольку при этом триггер 10 находится в сработанном состоянии, то он переключает биполярный ЦАП 20 так, чтобы напряжение на его выходе изменилось на противоположное, что приводит к. вращению двигателя в противоположную сторону и возвращению системы к нулю аналогичным образом. При дальнейшем отклонении объекта импульсы от компаратора 13 через открытый ключ 11 поступают на счетчик 23, где они складываются с ранее записанным кодом так, что при отклонении объекта на угол Ы, на индикаторе 17 фиксируется данный угол. Рос ле окончания процесса измерения всего угла на счетчике 23 подается сигнал "Сброс" (фиг.2, 0).Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает расши. рение диапазона измерения углов .в ре зультате введения системы, возвращающего луч после каждого отклонения объекта в нулевое положение, при этом З линейка световодов 9 имеет ограниченное количество световодов по сравнению с линейкой, которую нужно было бы изготовить на весь диапазон измерения угла. Кроме того, повышается 40 точность измерения. В настоящее время точность расположения волоконных световодов достигает порядка 100 на 1 мм, т.е. шаг Ь Х = 10 мкм. Если расположить линейку на расстоянии К = 0,5 м, то разрешение по углуравно1 Х и Ьсб = = 21 мвн -2 К У 50 при этом по сравнению с прототипом повышает точность измерения и за счет введения вычислителя 16, что позволяет устранить нелинейность преобразования. функциональные возможности55 расширяются за счет того, что устройство позволяет определить направление поворота объекта и его нулевое положение. формула изобретенияУстройство для измерения угловых перемещений объекта, содержащее источник когерентного монохроматического излучения, последовательно расположенные по ходу излучения объектив, первое зеркало, второе зеркало, свя зываемое с объектом, и первый фото- приемник, блок обработки сигнала, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, расширения диапазона измерений и функциональных возможностей путем определения наряду с величиной перемещения направления поворота объекта и его нулевого расположения, оно снабжено приводом, связанным с первым зеркалом, вторым и третьим фотоприемниками, оптически связанными с вторым зеркалом, 2 п + 1 световодами, расположенными в ряд двумя симметричными относительно (2 л + 1)-го световода группами по и световодов в каждой группе,(2 п + 1) -й световод связан с входом первого фотоприемника, с входом второго фотоприемника связаны каждый из 2 п световодов двух групп, с входом третьего фотоприемника связан ближайший к (2 + 1)-му световоду световод одной из групп, блок обработки сигнала выполнен в виде первого и второго триггров, первого, второго и третьего компараторов, последовательно соединенных первого ключа, счетчика с регистром, блока вычислений, индикатора, цифроаналогового преобразователя и второго ключа, логического элемента НЕ и реверсивного счетчика, входы первого, второго и третьего компараторов соединены соответственно с выходами первого, второго и третьего фотоприемников, первый вход первого триггера соединен с выходом третьего компаратора, второй вход - с выходом первого компаратора и с первым входом второго триггера, а выход - с входом цифроаналогового преобразователя, выход первого компаратора соединен с входом реверсивного счетчика, с вторыми входами счетчика и блока вычислений, выход второго компаратора соединен с входом первого ключа и с первым входом реверсивного счетчика, с вторым входом которого соединен вход логического элемента НЕ, выход второго триггера и второй вход второго ключа, выход которого связан с входом привода, выход логического1511596 5 Составитель О.НесовТехред М.дкдыкт Корректор С.Черни Редактор К.Крупкина Подписное 5891/44 Тираж 683И Государственного комитета по изобретения113035, Москва, Ж, Раушскаям е еЗакаВНИИ ГКНТ СССР и открытиям праб., д 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина,101 элемента И соединен с вторым входом первого ключа, вход сброса счетчика соединен с шиной "Сброс", вход регистра счетчика и третий вход блока вычислений соединены с шиной передача кода", а установочный вход второго триггера соединен с шиной "Ус,тановка нуля".