Устройство для измерения угловых перемещений объекта

Устройство для измерения угловых перемещений объекта

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для точных измерений углового перемещения объекта. Цель изобретения - расширение диапазона измерения углового перемещения объекта путем модуляции частоты акустооптического модулятора и фильтрации соответствующих электрических сигналов. Дифрагированные на акустооптическом модуляторе 2 пучки и пучок нулевого порядка при прохождении плоскопараллельной пластинки 3 испытывают различные набеги фазы в зависимости от угла поворота плоскопараллельной пластинки. Дифракционная решетка 4 совмещает указанные пучки на фотоприемнике 5, на выходе которого фаза сигнала будет пропорциональна углу поворота плоскопараллельной пластинки 3. Фазометры 7 и 10 осуществляют соответственно грубое и точное измерение угла. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)4 С 01 В 21 00!

" ЯФя / (I

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (2 1) 43.13992/24-28 (22) 06.10.87 (46) 15.05.89. Бюл. N - 18 (72) P.Ã. Дохикян, В.Н. Деев и А.А. Титов (53) 531.7.717 (088.8) (55 Авторское свидетельство СССР

Ф 853378, кл. С 01 В 9/00, 1979. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТА (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть испольI зовано для точных измерений углового перемещения объекта. Цель изобретения — расширение диапазона измерения углового перемещения объекта пу„„Я0„„1479831 - А 1 тем модуляции частоты акустооптического мбдулятора и фильтрации соответствующих электрических сигналов. Дифрагированные на акустооптическом модуляторе 2 пучки и пучок нулевого порядка при прохождении плоскопараллельной пластинки 3 испытывают различные набеги фазы в зависимости от угла поворота плоскопараллельной пластинки. Дифракционная решетка 4 совмещает указанные пучки на фотоприемнике 5, на выходе которого фаза сигнала будет пропорциональна углу поворота плоскопараллельной пластинки 3. Фазометры 7 и 10 осуществляют соответственно грубое и точное измерение угла. 1 ил.

1479831

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для точных измерений углового положения объекта в широком диапазо5 не изменения углов.

Цель изобретения — расширение диапазона измерения углового перемещения объекта путем модуляции частоты аку тооптического модулятора и 10 фильтрации соответствующих электрических сигналов, На чертеже приведена функциональная схема устройства.

Устройство содержит последователь- 15 но соединенные лазер 1, акустооптический модулятор 2, плоскопараллельную пластинку 3, связываемую с объек, том, дифракционную решетку 4, фотоприемник 5, фильтр б, фазометр 7, 20 выход фотоприемника 5 через фильтр 8 и смеситель 9 соединены с фазометром 10, первые входы фазометров 7 и 10 связаны с выходом генератора 11 низкой частоты, выход генератора 12 высокой частоты подключен к вторым входам смесителя 9 и модулятора 13, выход которого соединен с входом акустического модулятора 2.

1 30

Устройство работает следующим образом.

Пучок света лазера 1 падает на акустооптический модулятор 2, Дифрагированный на акустооптическом мо r дуляторе 2 пучок и пучок нулевого порядка поступают на плоскопараллельную пластинку (ППП) 3, угол поворота которой необходимо измерить. Пусть

8 — угол дифракции света на модуляторе 2, когда на него подается одна частота. Если ППП 3 перпендикулярна оптической оси, то угол падения пучка на пластинку т= 6 . Если ППП 3 поворачивается на угол Ы, то угол падения т,= 6+ a . .Аналогично угол 45 падения пучка нулевого порядка на пластинку т = . Оба пучка при прохождении ППП 3 в зависимости от угла поворота а приобретают различные ,фазовые набеги, 50

Углы преломления пучков первого и нулевого порядков

sin(6 + с )

Я 1П ) „=

silly

sin т и где n — показатель преломления ППП, Фазовые набеги при прохождении

ППП

2uL п 27(L n

3 сзБ В (2)

L" n

2Г?. п 2Г

Ц>—

Лсоз 1I< Л

Б1П 7

Разлагая эти выражения в ряд Тейлора, получают

2йЬ и

l 1-cos2 (О+с() 1

1 + (3) т

1-cos2d )

1 +

I п2

2п?, и где Л вЂ” длина волны света;

L — толщина ППП.

Дифрагированный пучок проходит через дифракционную решетку 4 и попадает на фотоприемник 5, а пучок нулевого порядка дифрагирует на дифракционной 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 сигнал

U = (1+m cosa„t) . cosu>t = cos

m m

+ 2 cos (ы +ын) + — соя(а,- юц), (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 модуляторе

В -=

7„ (5) rpe V — скорость звука в модуляторе 2;

f — частота сигнала.

Полагая, что модулятор 2 осуществляет неглубокую фазовую модуляцию, 1479831

4 жет быть отфильтрована установкой после фотоприемника 5 конденсатора): можно получить следующее выражение, для напряжения на выходе фотоприемника 5 (постоянная составляющая моO(I2 гд = д» „(/gi exp((i гг+ t»xeie»,)e y exp(it»»t + гг + г»»ггг»г 1+

-a(2 ш

p (i (t»» t») t + tt, + (ггг» гп В ) )» д — exp b (t»e t»») г + г(» + kxe te p» ) I (/

+ + < + (sin 82 sin 8,)+ д)ш соя((ЫВ н) +, Чг

+ — (sin 9 — sine,))+ Um3cos ((ц в-((н) + Ч (1+ (я п 64

ka

ka

-sin e„)1+ Um4cos(2e„t + g4 Чэ+ (sin Э4 sip8 )j+ Ит соя(Ин t

Чэ- Ч4 Д, + + (я1п Вэ я1-и (i4))p (6)

2 2

1 где а — апертура фотоприемнйка 5;

I — интенсивность света на модуо ляторе 2;

S — чувствительность фотоприемФ(( ника; — дифракционная эффективность модулятора 2; — дифракционная эффективность

P дифракционной решетки 4;

Um „з,Um в Um> э

Um<, Um < — амплитуды частотных сос тавляющих сигналов на выходе фотоприемника;

i -с оя 2с(+. — — — -) п2

1-соя2(6 +сд) (.

+ п2

2И. ( (p = — — -(1

2Я.п à — 1

2" L ï 1 1-соя2(8э+а() 1 л Е n"

2((? и г 1-соя2(61+о() 1

4 r1+ 1 )11

Л в

V3B

У

A 3Â

Э,= (fü f„); в= — - (— )

Л

4»д в н 1

3В

2)(К =

d — шаг дифракционной решетки 4.

55

U = Um)t + q — q +

+ — (sin 63- "и,)1. (7)

Иэ выражения (6) видно, что на выходе фотоприемника 5 присутствуют сигналы нескольких частот ° С помощью фильтра 8 вьщеляется сигнал

Этот сигнал подается на смеситель

9, после которого получают сигнал

ka

20 Ug Um„cos (M > t+ (г(э Ч,+ -2- (s in e -s in 8 )г( (8)

С помощью фильтра 6 выделяется сигнал

А+ ч, U = Um cos(v„t + +

25 В. э " 2

ka(sin Вэ- я п64(1

» 3 (9)

Для компенсации постоянных фазовых сдвигов (sin Ээ- sin 8,);

ka(sin Э э — я1п Э4)

4 на выходах фильтров 6 и 8 могут быть установлены фазовращатели (на чертеже не показаны).

35 Поэтому можно считать, что фазометр

7 измеряет фазовый сдвиг — —, а 4з 4 фаэометр 10 — фазовый сдвиг (р — ц, Учитывая (6) и полагая, что углы диф40 ракции света малы, получают

Мз- 4 4 4Й. н sin2d» . (10)

2 пЧзв н

21)). додэ (г = (f в+ f„) я1п2Ы. (11) пЧ36

Поскольку f в э f „, то крутизна изменения фазы в выражении (11) значительно больше, чем в выражении (10).

Поэтому фаэометром 7 можно осуществлять грубое измерение угла 1 в широких пределах, а фазометром 1О— точное. Откалибровав фазометры, задавая известные углы а можно сформировать два канала измерения — точный и грубьп . Причем диапазон измерения по грубому каналу значительно вьппе, чем у прототипа. Действительно, используя отношение (10) для из выражения:

Ц п э 1п (ц t прот )

79831 6 а4 10 Гц, что вполне достижимо для современных акустооптических модуляторов. Таким образом, в устройст5 ве сформированы два канала измеренияточный и грубый, расширен диапазон преобразования при сохранении точности на уровне прототипа, а также упрощена оптическая схема устройст10 ва, так как в ней отсутствуют отражатели.

14 (12) fsine

Л частота генератора высокой частоты; апертура фотоприемника; угол между пучками, отраженными от отражателей в плоскости фатоприемника; длина волны света; амплитуда напряжения, где

tn получают

Формула изобретения

Устройство для измерения угловых перемещений объекта, содержащее оптически связанные лазер, акустооптический модулятор, плоскопараллельную пластинку, связываемую с обь2р ектом, дифракционную решетку и фотоприемник, первый фаэометр, выход которого является первым выходом устройства, и генератор высокой частоты, отличающееся тем, 25 что с целью расширения диапазона измерений углового перемещения объекта оно снабжено первым фильтром, 3 вход которого соединен с выходом фотоприемника, а выход — с входом пер30 вого фазометра, последовательно соединенными вторым фильтром, вход которого соединен с выходом фотоприемника, смесителем и вторым фазометром, выход которого является вторым

35 ВыхОДОм устРойстВа моДулЯтоРОм Bbl ход которого соединен с акустооптическим модулятором, генератором низкой частоты, выход которого соединен с входами первого и второго фазомет4р ров и модулятора, а выход генератора Высокой частоты соединен с входами модулятора и смесителя.

4Ын л

nV38 а и эоЕр

5 про

Положим, что в качестве материала модулятора выбран молибдат свинца с n = 2, V = 4 -10 мм/с, f = 10 Гц, L 3 мм, Л = 0 63 10 мм, а = 2 мм.

Получают

4 5.10 Чзо6Г -5

У прот

Следовательно, по сравнению с прототипом диапазон измерений угла значительно расширен. Причем регулировку и перестройку диапазона измерения можно производить выбором частоты f„, Фазометр 10 осуществляет точное измерение угла °

Крутизна измерения фазы в прототипе (12) и в предлагаемом устройстве (11): isa прот (13) 2 tiL (f в+ н ) 6

9 Зоо

Приравнивая укаэанные выражения с учетом приведенных данных f z

Составитель Ю. Садыков

Техред М.Ходанич

Корректор Т, Бугренкова

Редактор Л. Пчолинская

Заказ 2534/41 Тираж 684 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул. Гагарина,101