SU1024707A1

SU1024707A1 - Device for measuring angular displacements

Info

Publication number: SU1024707A1
Application number: SU823402354A
Authority: SU
Inventors: Иван Данилович Бондаренко; Евгений Петрович Колик
Original assignee: Белорусский Ордена Трудового Красного Знамени Государственный Университет Им.В.И.Ленина
Priority date: 1982-02-22
Filing date: 1982-02-22
Publication date: 1983-06-23

Abstract

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащее источник излучени и оптически св занные светоделитель, объектив и уголковый отражатель, скрепл емый с контролируемым объектом и выполненный с двум двугранными углами, имеющими отступлени от 90, с нанесенным на его переднюю грань частично отражающим покрытием, установленные по ходу излучени от отражател два позиционно-чувствительных фотоприемника , один из которых смещен относительно оптической оси устройства, и измеритель, входы которого соединены с выходами фотоприемников, о тличающёес тем, что, с -целью измерени также и линейных перемещений , оно снабжено дополнительным уголковым отражателем, выполненным в виде пр моугольного триэдра, устанавливаемого на объекте соосно с ос новным уголковым отражателем, перед его передней гранью, и трем дополi нительными фотоприемниками, установ (Л ленными в фокальной плоскости объектива , каждый из дополнительных фотоприемников оптически св зан с основным отражателем и электрически с измерителем.V В гA DEVICE FOR MEASURING ANGULAR DISPLACEMENTS containing a radiation source and an optically coupled beam splitter, a lens and a corner reflector attached to the object to be monitored and made with two dihedral angles deviating from 90, with a partially reflective coating applied to its front face, mounted along the way radiation from the reflector are two position-sensitive photodetectors, one of which is offset relative to the optical axis of the device, and a meter, whose inputs are connected to the photodiode outputs For the purpose of measuring linear movements as well, it is equipped with an additional angular reflector made in the form of a rectangular trihedron mounted on the object coaxially with the main angular reflector, in front of its front face, and three additional photodetectors , installed (Lensed in the focal plane of the lens, each of the additional photodetectors is optically coupled to the main reflector and electrically to the meter. V g

Description

Изобретение относитс к измерительной технике и может использовать с дл измерени углов поворота и пространственного положени объекта в машино- и приборостроении, Известно устройство дл измерени угловых перемещений, содержащее на одном объекте источник излучени , объектив и два пазиционно-чувствительных фотоприемника, а на Другом объекте - уголковый отражатель с час тично отражающей фронтальной гранью CQ. Недостатком этого устройства вл етс невозможность определени всек степеней свободы контролируемого объекта, т.е. оно не позвол ет измер ть угловые отклонени относительно оптической оси (углы скручивани ) и линейные смещени В1доль нее Наиболее близким по технической сущности к изобретению вл етс устройство дл измерени угловых перемещений , содержащее источник излучени и оптически св занные светоделитель , объектив и уголковый,отражатель , скрепл емый с контролируемым объектом и выполненный с двум двугранными углами, имеющими отступлени от и с нанесенным на его переднюю грань частично отражающим покрытием, установленные по ходу излучени от отражател два позиционно-чувствительных фотоприемника (ПЧФП), один из которых смещен отно сительно оптической оси устройства, и измеритель, входы которого соедине ны с выходами фотоприемников 2j , Недостатком известного устройств вл етс невозможность определени также и линейных перемещений контро лируемого объекта. Цель изобретени - измерение также и линейных перемещений. Указанна цель достигаетс тем, что устройство дл измерени угловых перемещений снабжено дополнительным уголковым отражателем, выполненным в виде пр моугольного триэдра, устанавливаемого на объекте соосно с основным уголковым отражателем, перед его передней гранью, и трем дополнительными фотоприемникэми, установленными в фокальной плоскости объектмва , каждый из дополнительных фотоприемников оптически св зан с основным отражателем и электрически с измерителем. На чертеже представлена схема предлагаемого устройства. Устройство содержит источник 1 излучени и последовательно расположенные по ходу излучени светоделитель 2, объектив 3, уголковые отражатели г и 5 установленные соосно и скрепл емые с контролируемым объектом (не показан), позиционно-чувствительные фотоприемники $, 7 И фотоприемники 8-10, установленные в фокальной плоскости объектива, каждый из которых оптически св зан с одним из направлений излуч:ени , отраженного от уголковых отражателей, и измеритель 11. Уголковый отражатель А выполнен в виде пр моугольного триэдра, а уголковый отражатель 5 выполнен с двум двугранными углами, имеющими отступлени от 90®, например углы между отражающими гран ми A(JB-AOC и АОС-ВОС имеют одинаковую величину отступлени от пр мого угла. На входной грани уголкового отражател 5 нанесено частично отражающее покрытие и ее апертура больше входной апертуры уголкового отражател k. Устройство работает следующим образом .. Излучение от источника Т, пройд светоделитель 2 и объектив 3 выходит из него коллимированным пучком в направлении уголковых отражатехтей и 5 которые жестко скреплены с контролируемым объектом (не показан),; Излучение отражаетс от уголковых отражателей и 5 и направл етс в объектив 3, в фокальной плоскости которого установлены фотоприемники 6-10, по информации с которых с помощью измерител 11 определ ютс угловые развороты и линейные смещени контролируемого объекта. Уголковый отражатель 5 позвол ет сформировать несколько световых пучков за счет дефектности изготовлени двух пр мых углов при отражении от него коллимированного излучени . Отражатель 5 формирует четыре отраженных пучка, распростран ющихс попарно симметрично относительно оптической оси устройства в плоскост х XOZ и YOZ, Эти пучки при соответствующем выборе отклонений двугранных углов от 90 отражател 5 возвращаютс в объектив 3, формиру в его фокальной плоскости четыре автоколлимационных изображени Т2-15. Изображени 12 и 13The invention relates to measurement technology and can be used to measure the angles of rotation and the spatial position of an object in mechanical engineering and instrumentation. A device for measuring angular displacements is known, which contains a radiation source, a lens and two pass-sensitive photodetectors on one object, and corner reflector with a partially reflecting front face CQ. A disadvantage of this device is the impossibility of determining all the degrees of freedom of the controlled object, i.e. it does not allow measuring the angular deviations relative to the optical axis (twisting angles) and linear displacements B1 to it. The closest in technical essence to the invention is a device for measuring angular displacements containing a radiation source and an optically coupled beam splitter, lens and angular, reflector, fastened with a controlled object and made with two dihedral angles, having departures from and with a partially reflecting coating applied on its front face, installed along the course of the radiation and reflector from two position-sensitive photodetector (PCHFP), one of which is offset with respect to the optical axis of the device and meter having inputs connected to the outputs of photodetectors us 2j, disadvantage of the known devices is the inability to determine the linear displacement and also cont liruemogo object. The purpose of the invention is to measure also linear displacements. This goal is achieved by the fact that the device for measuring angular movements is equipped with an additional angular reflector, made in the form of a rectangular trihedron mounted on the object coaxially with the main angular reflector, in front of its front face, and three additional photodetectors installed in the focus plane of the object, each of additional photodetectors are optically coupled to the main reflector and electrically with the meter. The drawing shows a diagram of the proposed device. The device contains a radiation source 1 and successively located along the radiation beam splitter 2, lens 3, corner reflectors r and 5 installed coaxially and fastened with a controlled object (not shown), position-sensitive photodetectors $, 7 AND photodetectors 8-10 installed in lens focal plane, each of which is optically coupled to one of the radiation directions: reflected from the corner reflectors, and the meter 11. The corner reflector A is made in the form of a rectangular trihedron, and the corner reflector Spruce 5 is made with two dihedral angles with deviations from 90®, for example, the angles between the reflecting faces A (JB-AOC and AOC-BOC have the same amount of deviation from the right angle. At the entrance face of the corner reflector 5 there is a partially reflective coating and the aperture is larger than the entrance aperture of the corner reflector k. The device works as follows .. The radiation from the source T, the beam splitter 2 passes and the lens 3 emerges from it with a collimated beam in the direction of the corner reflectors and 5 which are rigidly fastened to the control your object (not shown); The radiation is reflected from the corner reflectors and 5 and is directed to the objective 3, in the focal plane of which the photodetectors 6-10 are installed, according to information from which, using the meter 11, the angular reversals and linear displacements of the object being monitored are determined. The corner reflector 5 allows several light beams to be formed due to the defectiveness of manufacturing two right angles when reflecting collimated radiation from it. Reflector 5 forms four reflected beams propagating in pairs symmetrically with respect to the optical axis of the device in the XOZ and YOZ planes. These beams, with an appropriate choice of deviations of dihedral angles from 90 reflector 5, return to objective 3, forming four autocollimation images T2-15 in its focal plane . Images 12 and 13

смещены относительно оптической оси объектива вдоль оси ОХ, а изображени И и 15 - вдоль оси OY на одинаковые угловые, рассто ни в, соответствии с величиной отклонени двугранных углов отражател 5 от пр мого угла. Координаты изображений 12-15 не завис т от малых поворотрв отражател 5 относительно коллимационных осей ОХ и OY, а измен ютс только при поворотах отражател 5 относительно оси визировани OZ (автокрллимационные изсйражени синхронно поворачиваютс в фокальной плоскости относительно оптической Оси объектива ) Фиксиру смещение одного из изоора)кений например иас1бражени 12, вдоль оси ОХ с помощью ПЧФП 7, соединенного с измерителем 11 и имеющегоare displaced relative to the optical axis of the lens along the axis OX, and images And 15 are aligned along the axis OY by the same angular, distance, in accordance with the deflection of the dihedral angles of the reflector 5 from the right angle. The coordinates of the images 12-15 do not depend on the small rotations of the reflector 5 relative to the collimation axes OX and OY, but change only when the reflector 5 rotates about the axis of sight OZ (autocorrelation work synchronously rotated in the focal plane relative to the optical axis of the lens) Fixer offset one of the isoors a) Kenya, for example, of intrusion 12, along the axis OX using PFFP 7, connected to meter 11 and having

нулевую линию чувствительности, совпадающую с ортогональной осью 01, определ ют величину угла поворота объекта относительно оси визировани , т.е. УГОЛ The zero line of sensitivity, which coincides with the orthogonal axis 01, determines the value of the angle of rotation of the object relative to the axis of sight, i.e. ANGLE

Отраженные пучки {заспростран ютс попарно симметрично под углом к оптической оси устройства при смещении отражател 5 вдоль коллимационных осей ОХ и OY, симметричные пучки по разному экранируютс оправой объектива 3. Например, при смещении отражател вдоль положительного направлени оси OY ртраженный пучок 12 будет больше экранироватьс оправой объектива 3 а пучок 12 - меньше. 8 соответствии со смещени ми пучков мен етс и ркость отвечающих им автоколлимацирнных изс ражений. При этом разности ркостей изображений 12, 13 и Н, 15 будут пропорцириальны смещени м I и m отражате|1 5 вдоль осей ОХ и OY, Эти изображени регистрируютс соответствующими фо топриемниками 7f 10 и 8, 9 (ПЧФП 7 в .этом случае ра ботает как обычный фотоприемник, т.е. его выходные сигналы суммируютс ), а разности сигналов на их выходах ,определ ютс измерителем 11. Reflected beams {propagate in pairs symmetrically at an angle to the optical axis of the device when the reflector 5 is displaced along the OX and OY collimation axes, symmetric beams are differently shielded by the lens 3 rim. For example, when the reflector is displaced along the positive direction of the OY axis, the beam 12 will be more screened by the rim Lens 3 and beam 12 - less. In accordance with the displacement of the beams, the brightness of the corresponding autocollimation fractions also changes. At the same time, the differences in the brightness of the images 12, 13 and H, 15 will be proportional to the displacements I and m reflecting | 1 5 along the axes OX and OY. These images are recorded by the corresponding photodetectors 7f 10 and 8, 9 (PFPP 7 in this case works as a normal photodetector, i.e., its output signals are summed), and the differences of the signals at their outputs are determined by a meter 11.

Углы коллимации б и Qj ° P®fl® л ютс при помощи ПЧФП 6 обычным способом по смещению автоколлимационного изображени 16, сформированного в фокальнрй плоскРсти в результате отражени световых лучей от час-. тично отражающей фронтальной грани отражател 5, как от плоского зеркала . ,The angles of collimation b and Qj ° P®fl® are captured using PCP 6 in the usual way by shifting the autocollimation image 16 formed in the focal plane as a result of the reflection of light rays from the particles. a reflective front face of the reflector 5, as from a flat mirror. ,

Дл определени смещени объекта вдоль оси визировани формируетс дополнительный отраженный пучрк за счет отражени световых лучей от боковых граней отражател . Отраженные лучи направл ют в объектив 3 и формируют в его фокальной плоскости неподвижное автоколлимационкое изображение 17, расположенное на оптической оси устройства. Так как .площадь рабочей апертуры отражател Л практически не зависит от малых углов поворота отражат ел k относительно координатных осей и она меньше площади светрвой апертуры объектива 3, то ркость изображени 17 остаетс неизменной при поворотах и смещени х объекта относительно осей ОХ, OY и QZ. При изменении рассто ни между рбъективом З.и отражателем k за счет расходимости отраженных пучков 12-15 относительно направлени падающего пучка ркость соответствующих им звтрколлимационных изображений будет . мен тьс , при увеличении дальнрсти уменьшаетс , а при уменьшении - увеличиваетс . Разность суммы ркостей симметрймных изображений 12, 13 или I. 15 и изображени 17 служит меррй смещени объекта вдоль оси OZ. Сумма и разность ркостей изображений определ етс по выходным сигналам фотоприемников 7, 10 или 8, 9 и 6 (ПЧФП 6 в этом случае работает как обычкый фотоприемник) при помощи измерительного устррйства 1.1, Сумма ркостей беретс потому, что ркость каждого из изображений 12-15 зависит от смещений объекта вдоль осей ОХ и OY, в то врем как их сумма остаетс неизменной дл данного рассто ни между объектами вследствие симметрии оптической схемы устройства.To determine the displacement of the object along the axis of sight, an additional reflected beam is formed due to the reflection of light rays from the side faces of the reflector. The reflected rays are directed to the objective 3 and in its focal plane form a stationary autocollimation image 17 located on the optical axis of the device. Since the working aperture area L of the reflector practically does not depend on small angles of rotation, reflects k relative to the coordinate axes and is smaller than the area of the light aperture of objective 3, the image brightness 17 remains unchanged when the object turns and displaces relative to the axes OX, OY and QZ. When the distance between the lens Z. and the reflector k is changed due to the divergence of the reflected beams 12-15 relative to the direction of the incident beam, the brightness of the corresponding color images will be. vary, decreases with increasing distance, and increases with decreasing. The difference in the sum of the rhythms of the symmetrical images 12, 13 or I. 15 and the image 17 serves as a measure of the displacement of the object along the axis OZ. The sum and difference of image intensities is determined by the output signals of photodetectors 7, 10 or 8, 9, and 6 (PFPP 6 in this case works as a normal photodetector) using measuring device 1.1. The sum of capacities is taken because the brightness of each of the images is 12-15 depends on the object displacements along the axes OX and OY, while their sum remains unchanged for a given distance between objects due to the symmetry of the optical scheme of the device.

Дл исключени вли ни на результаты измерений случайных флуктуации ркостей отраженных пучков в измерителе 11 предусмотрена операци дег лени разностей информационных сигналов на соответствующие им суммы сигналов .In order to eliminate the effect on the measurement results of random fluctuations of the rises of the reflected beams, in the meter 11 there is provided an operation of defining the differences of the information signals by the corresponding sums of the signals.

Разделение автоколлимационных . изображений 16 и 17, регистрируемых ПЧ(|1П 6, осуществл ют при помощи пол ризаторов или светофильтров, или поочередно включающихс диафрагм, устанавливаемых перед отражател ми t и 5 (не показаны).Autocollimation separation. images 16 and 17 recorded by the IF (| 1П 6, carried out using polarizers or light filters, or alternately switching diaphragms installed in front of the reflectors t and 5 (not shown).

Предложенное устройство позвол ет рпредел ть независимо друг от другаThe proposed device allows the distribution independently of one another.

5102i7074 , 5102i7074,

все шесть степеней свободы контро- линии визировани одновременно по лируемого объекта или производить трем угловым и линейным коорди-, выставление объектов относительно натам.all six degrees of freedom of the reference line of sight at the same time as a molded object or to produce three angular and linear coordinates, setting objects relative to natam.

Claims

DEVICE FOR MEASURING ANGULAR MOVEMENTS, containing a radiation source and optically coupled beam splitter, lens and angle. a reflector, fastened with a counter front face with a partially reflective coating, two position-sensitive photodetectors installed along the radiation from the reflector, one of which is offset from the optical axis of the device, and a meter whose inputs are connected to the outputs of the photodetectors, which that, for the purpose of measuring linear displacements as well, it is equipped with an additional angular reflector made in the form of a rectangular trihedron mounted on the object coaxially with the main angular reflection the body, in front of its front face, and three additional photodetectors installed in the focal plane of the lens, each of the additional photo

I m

1 1024 707 ’2