Оптико-электронный преобразователь угла поворота в электрический сигнал

Оптико-электронный преобразователь угла поворота в электрический сигнал

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ УГЛА ПОВОГОТА В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИгаАЛ, содержащий излучатель, оптически соединенный через последовательно расположенные объектив, поляризатор, модулятор фа15 ЕООЮЭЯАЯ f С. .,; .. ш, -,;j,i с tai с: п t,y. .-л зы с входом фотоприемника, четвертьволновую пластину и анализатор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения преобразователя, в него введеныпьезогенератор, амплитудно-фазовый детектор, оптический фазосдвигатель и генератор напряжения, выход которого соединен с первым входом амппитудно-фазового детектора и входом пьезогенератора, жестко закрепленного на грани модулятора фазы, расположенной параллельно оптической оси, выход фотоприемника соединен с вторым входом амплитудно-фазового детектора, а оптический фазосдвигатель и анализатор расположены между модулятором фазы и фотоприемником . 2. Преобразователь по п. 1, о т л и ч а- (Л ю щ и и с я тем, что модулятор фазы выполнен в виде стеклянного параллелепипеда. г .9 хО 11 П СО со со со

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

3(51) G 08 С 9/06; G 01 N .21/21

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ВФЕООЮЭНАЛ аарюфаз ав.в аайюйаз!... 3

Ф Ъ

° М

° «а

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3372382/18-24 (22) 30.12.8 1 (46) 23.04.83. Бюл. йй 15 (72) Э. Д. Панков, И. Т. Титаренко, А.В. Спивак и И. М. Пасько (71) Ленинградский ордена Трудового Красного Знамени. институт точной механики и оптики (53) 681.325 (088.8) (56) 1. Патент США N 3450477, кл, 356 — 114, опублик. 1969.

2. Патент США N .3560094, кл. 356 — 117, опублик. 1971 (прототип) . (54) (57) ОПТИКΠ— ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРЕОБРА—

ЗОВАТЕЛЬ УГЛА ПОВОРОТА В ЭЛЕКТРИЧЕС—

КИЙ СИГНАЛ, содержащий излучатель, оптически соединенный через последовательно располо. женные объектив, поляризатор, модулятор фаЛ0„„ .1О!3999 зы с входом фотоприемника, четвертьволновую пластину и анализатор, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения преобразователя,. в него введены пьезогенератор, амплитудно-фазовый детектор, оптический фазосдвигатель и генератор напряжения, выход которого соединен с первым входом амплитудно-фазового детектора и входом пьезогенератора, жестко закрепленного на грани модулятора фазы, расположенной параллельно оптической оси, выход фотоприемника соединен с вторым входом амплитудно-фазового детектора, а оптический фазосдвигатель и анализатор расположены между модулятором фазы и фотоприемником. 3

2. Преобразователь по п. 1, о т л и ч аю иЗ и и о и там, зто модуиитор фазы вы- (/) полнен в виде стеклянного параллелепипеда.

1013999

50

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, в частности к устройст вам, обеспечивающим индикацию углов поворота контролируемого объекта относительно базового вокруг оси скручивания (линии, соединяющей два объекта), и может применяться в .станкостроении и геодезии, Известен оптико-электронный преобразователь угла поворота в электрический сигнал, содержащий излучатель, поляризатор, модулятор Фарадея, соединенный с генератором напряжения, анализатор, фотоприемник, регистрирующий блок (1).

Недостатком устройства является. то, что при изменениях параметров питания и температуры, а также наличии остаточных натяжений в оптически активном веществе модулятора ось симметрии "раскачки" изменяет свое положение. Это ведет к дрейфу нуля, т.е. к понижению точности. В модуляторах Фарадея получить амплитуду раскачки плоскости поляризации более 1 — 1,5 практически невозможно. А так как сигнал поворота пропорционален амплитуде раскачки, то практически невозможно получить высокую чувствительность, а следовательно, и точность. Не. обходимость исключения больших натяжений в. серде шике модулятора усложняет технологию изготовления, а необходимость использования больших токов в катушке модулятора усложняет конструкцию.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является оптико-электронный преобразователь угла поворота в электрический сигнап, содержащий излучатель, светоделитель, фотоприемник, поляризатор с анализатором, между которыми установлены четверьволновая пластина и пластина 1/8 длины волны, оптические оси пластин, направлены под углом Х11- к плоскости поляризации поляризатора и два модулятора фазы в виде яче ек Поккельса. Выход фотоприемника соединен через фильтр с цифровым счетчиком временного интервала. В этом устройстве измерение угла поворота анализатора осуществляется измерением сдвига фазы сигнала, сформированного оптической схемой относительно фазы напряжения модуляции на ячейке Поккельса.

При этом величина сдвига фазы соответствует половине величины углового поворота анализатора. Сдвиг фазы между напряжением измеряется цифровым счетчиком временного интервала (2) .

Недостатком устройства является то, что положение оптических осей ячеек Поккельса не является равномерным по всему полю и постоянным во времени. Например, в ячейках Поккельса под действием электрического поля модулятора происходит нагрев кристал5

35 лов. Вьщеление тепла происходит во всем объеме кристалла, а охлаждение лишь на по верхности. Это приводит к температурным градиентам и возникновению неоднородных по сечению кристалла деформаций, которые приводят к повороту оптических осей (причем в разных зонах по-разному), что приводит к дополнительному сдвигу фазы и, следовательно, дополнительной погрешности.

Точность измерения ухудшается также из-за дрейфа фазы напряжения сигнала в результате нестабильности фазового сдвига фотоприемника и фильтра.

Кроме того, для ячеек Поккельса требуется высоковольтное питание (10 — 20 кВ). Электрооптические кристаллы, применяемые в этих ячейках (модуляторах), технологически сложны, в особенности с размерами более 9 10 мм.

Кристапль| с такими размерами наиболее часто требуются дпя использования в реальных приборах.

Поступающий на фотоприемник сигнал содержит,. кроме информационной составляющей также побочные составляющие сигнала, для исключения которых требуются дополнительные фильтры, Все это усложняет конструкцию и технологию изготовления устройства.

Целью изобретения. является повышение точности и упрощение преобразователя.

Поставленная цель достигается тем, что в оптико- электронный преобразователь угла поворота в электрический сигнал, содержащий излучатель, оптически соединенный через последовательно расположенные объектив, поля- ризатор, модулятор фазы с входом фотоприемника, четвертьволновую пластину и анализатор, введены пьезогенератор, амплитудно-фазофазовый детектор,. оптический фазосдвигатель и генератор напряжения, выход которого соединен с первым входом амплитудно-фазового детектора и входом пьезогенератора, жестко закрепленного на грани модулятора фазы, расположенной параллельно оптической оси, выход фотоприемника соединен с вторым входом амплитудно-фазового детектора, а оптический фазосдвигатель и анализатор расположены между модулятором фазы и фотоприемником.

При этом модулятор фазы выполнен в виде стеклянного параллелепипеда.

На фиг. 1 изображена структурная схема преобразователя; на фиг. 2 — положение оптических осей и плоскостей поляризации элементов преобразователя.

Преобразователь содержит излучатель 1, обьектив 2, поляризатор 3, четвертьволновую пластину 4, модулятор 5 фазы, выполненный в виде стеклянного параллелепипеда, пьезогенератор 6, генератор 7 напряжеНия, оптичес3 1013999 ф кии фаэосдвигатель 8, анализатор 9, объек- ным состоянием поляризации, разными знакатив 10 фотон иемник, фотоприемник 11, амплитудно-фазо- ми и фазами. При суммировании этих волн . вый детектор 12. образуется излуяение, состоящее из двух частей

На фиг. 2 обозначено: 13 — положение плос- с равными амплитудами со строго взаимно кости поляризации поляризатора, 14 — положе- 5 перпендикулярными направлениями плоскостей ние оптической оси четвертьволновой пласти- поляризации (вдоль Оптической оси фаэосдви.ны, 15 ° положение оптической оси модуля- гателя 8 и перпендикулярно ей). Фазы светотора фазы, 16 — положение оптической оси вых волн этих составляющих непрерывно измеоптического фазосдвигателя, 17 — положение няются друг относительно друга (с частотой плоскости поляризации анализатора. 10 звуковых колебаний) . Если оптическая ocr, Оптическая ось четвертьволновой пластины фазосдвигателя строго расположена под уг4 расположена под утлом 1r:/4 к плоскости лом N! 4 к плоскости поляризации анализатора поляризации поляризатора 3. Оптическая ось 9, то через него проходят две части излучемодулятора 5 фазы (ось резонатора) располо- ния (проекции двух частей излучения, вышеджена под утлом /4 к оптической оси оп- 15 ших из фазосдвигателя 8) одинаковые по . тического фазосдвигателя 8 и параллельно . амплитуде. Суммарный световой ноток не мо плоскости поляризации анализатора 9. Оптичес дулирован и на выходе фотоприемника сигкая ось фазосдвигателя 8 расположена под уг нал отсутствует. При повороте анализатора 9 лом /4 к плоскости поляризации анализа- относительно оптического фазосдвигателя 8 / тора 9 и оси модулятора 5 фазы. Пьезогене- yg на угол с „одна иэ составляющих больше ратор 6 жестко соединен (например, прикле- и на выходе фотоприемника возникает электриен) с гранью стеклянного параллелейипеда па- ческий сигнал поворота, амплитуда которого раллельной оптической оси и преобразовывает пропорциональна величине угла поворота, а электрическую энергию в звуковые волны. фаза определяется знаком угла.

Разме ь азмеры параллелепипеда (вдоль направления эч При изменении знака угла фаза сигнала мераспространения звука)-выполняются кратны- няется на 180 по отношению к фазе сигнами половине длины волны звука, создавае- ла, поступающего с модулятора. Сигнал повомого пьезогенератором 6. В этом случае рота поступает на оцин из входов амплитудобразуется резонатор колебаний, работающий:, но-фазового детектора 12.. на частоте собственного механического резо- В известном преобразователе сдвиг фазы нанса. Оптический фазосдвигатель 8 вьпюл- . сигнала, возникающий в оптическом тракте нен с фазовым сдвигом более.100 Я. (эле- l . в связи с возникновением неоднородных по мент, вызывающий разницу фаз между вол- сечению кристалла деформаций при нагреве нами, вышедшими из него, равную более . ячейки Поккельса и в связи с нестабильностью

50 длин волн). Такие элементы изготовля- фазового сдвига в фотоприемнике и фильтре, ЗЗ

t ются из анизотропных материалов в виде приводит к прямой ошибке измерения углопластин, вь1резанных параллельно оптической, вого поворота. В предлагаемом преобразоваоси. Фазовый сдвиг обеспечивается толщиной теле влияние нестабильности фазы сигнала на пластины, например для кварца пластина с точность сигнала практически отсутствует, так фазовым сдвигом более 100 F должна как нестабильность фазы не вызывает измене40 быть более 5 мм. ния знака выходного сигнала, т.е. не приводит .

Световой поток от излучателя 1, пройдя к дрейфу нуля, а только может незначительно объектив 2, поляризатор 3, поляризуется в уменьшить уровень сигнала.

I направлении плоскости поляризации поляризатора 3. Четвертьволновая пластина 4 преобразу- .Точность предлагаемого преобразователя оггет линейно поляризационное излучение в цир- ределяется только уровнем шумов фотоприкулярно поляризованное. После модулятора емника, а конструкция.и технология его изго5 фазы излучение содержит две составляющие товления упрощается, так как отпадает необс взаимно ортогональными направлениями ходимость использования в модуляторе фазы плоскости поляризации (вдоль оптической высококачественных электрооптических крис"ъ оси и перпендикулярно еи). Фаза светового таллов, вместо которых использовано стекло, излучения одной иэ составляющих изменяется и не требуется высокого напряжения для пило отношению к другой с частотой изменения тания модулятора 5 фазы, что также упрощафаэы модулятора. В связи с тем, что излуче- ет преобразователь. ние является смесью электромагнитных волн с Технико-зкономический эффект от испэльразной длиной волны, на выходе оптического ээ зования изобретения обусловлен его техиичесфазосдвигателя 8 образуется смесь волн с раз- кими особенностями.

1013999

Фиа Г

Составитель Б. Барбараш, Техред М.Костик Корректор М, Шарощи

Редактор А. Шишкина

Филиал ППП Патент", r, Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 3022/60 Тираж 616 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий.

113035, Москва, Ж вЂ” 95, Раушская наб.; д, 4/5