RU1837159C

RU1837159C - Angle sensor

Info

Publication number: RU1837159C
Application number: SU914921080A
Authority: RU
Inventors: Андрей Анатольевич Винокуров
Original assignee: Военный Инженерный Краснознаменный Институт Им.А.Ф.Можайского
Priority date: 1991-03-25
Filing date: 1991-03-25
Publication date: 1993-08-30

Abstract

Изобретение относитс к области изме- ггельной техники и может быть использовано дл измерени угла поворота объекта. Цель изобретени - повышение точности измерени угла. Датчик содержит установ нный на оси оптически прозрачный диск переменными поперечным сечением, включенный о состав пассивного резонатора двухчастотного лазера с трехзеркальным резонатором интерферометра с гетероди- нированием частот, оптически св занный с лазером фотодетектор, выход которого через усилитель СВЧ подключен к входу цифрового частотомера. При повороте объекта вместе с ним поворачиваетс оптически прозрачный диск переменного поперечного сечени . При этом мен етс толщина диска вдоль оптической оси интерферометра с ге- теродинированием частот, часто вызывает изменение частоты излучени , генерируемого пассивным резонатором, и разностной частоты излучений, генерируемых активным и пассивным резонаторами. Разностна частота в виде биений излучени фиксируетс фотодетектором. 1 ил,The invention relates to the field of measuring technology and can be used to measure the angle of rotation of an object. The purpose of the invention is to improve the accuracy of angle measurement. The sensor contains an optically transparent disk mounted on the axis with variable cross-section, included on the composition of the passive cavity of a two-frequency laser with a three-mirror cavity of the interferometer with heterodyning frequencies, a photodetector optically coupled to the laser, the output of which is connected to the input of a digital frequency meter through a microwave amplifier. When the object is rotated, an optically transparent disk of variable cross section rotates with it. In this case, the thickness of the disk varies along the optical axis of the heterodyne interferometer, often causing a change in the frequency of the radiation generated by the passive resonator and the difference frequency of the radiation generated by the active and passive resonators. The difference frequency in the form of beats of radiation is detected by a photodetector. 1 silt

Description

| Изобретение относитс к области измерительной техники, в частности к измерите- лрм угла поворота объекта.| The invention relates to the field of measurement technology, in particular to measuring the angle of rotation of an object.

I Цель изобретени - повышение точно- с|и.I The purpose of the invention is to increase accuracy with | and.

Сущность изобретени заключаетс в следующем. При повороте объекта вместе с ним поворачиваетс оптически прозрачный диск переменного поперечного сечени , включенный в состав пассивного резонато- рилазера с трехзеркальным оптическим резонатором интерферометра с гвтеродинированием частот. При этом ме- ниетс толщина диска вдоль оптической оси интерферометра с гетеродинированием частот , что вызывает изменение частоты излучени , генерируемого пассивным резонатором, и разностной частоты изЛуче- ний. генерируемых активным и пассивнымThe invention is as follows. When an object is rotated, an optically transparent disk of variable cross section, which is included in the passive resonator with a three-mirror optical resonator of the interferometer with frequency synchronization, rotates with it. In this case, the disk thickness varies along the optical axis of the interferometer with heterodyning frequencies, which causes a change in the frequency of the radiation generated by the passive resonator and the difference frequency of the radiation. generated by active and passive

резонаторами, котора фиксируетс фотодетектором в виде биений излучени ,resonators, which is fixed by a photodetector in the form of beats of radiation,

На чертеже показана функциональна схема датчика угла.The drawing shows a functional diagram of the angle sensor.

Датчик угла содержит жестко установленный на оси 1 объекта оптически прозрачный диск 2 с переменным поперечным сечением, лазер 3 с трехзеркальным резонатором , состо щий из активного элемента 4 и зеркал 5, 6 и 7 резонатора,активный резонатор образован зеркалами 6 и 7, пассивный - 5 и 7, в состав пассивного резонатора включен оптически прозрачный диск 2, лазер 3 оптически св зан с фотодетектором 8, выход которого через усилитель СВЧ 9 подключен на вход цифрового частотомера 10.The angle sensor contains an optically transparent disk 2 with a variable cross-section, rigidly mounted on the axis 1 of the object, a laser 3 with a three-mirror resonator, consisting of an active element 4 and resonator mirrors 5, 6 and 7, an active resonator formed by mirrors 6 and 7, passive - 5 and 7, an optically transparent disk 2 is included in the composition of the passive resonator, the laser 3 is optically coupled to a photodetector 8, the output of which through the microwave amplifier 9 is connected to the input of a digital frequency meter 10.

Датчик угла работает следующим образом . При повороте контролируемого объекта вокруг оси 1 вместе с ним поворачиваетс The angle sensor operates as follows. When the controlled object is rotated around axis 1, it rotates with it

00 GO vj00 GO vj

СПJoint venture

юYu

оптически прозрачный диск с переменным поперечным сечением. При этом измен етс толщина оптически прозрачного диска 2 вдоль оси лазера 3,что вызывает изменение оптической длины пассивного резонатора лазера, образованного зеркалами 5 и 7, так как показатель преломлени оптически прозрачного диска 2, включенного в состав пассивного резонатора лазера 3, отличен от показател преломлени среды резонатора, а геометрическа длина пассивного резонатора (рассто ние между зеркалами 5 и 7) посто нна. Оптической длиной пути луча называетс произведение его геометрической длины на коэффициент преломлени среды. Оптическа длина активного резонатора, образованного зеркалами б и 7, будет всегда посто нна. Оптическа длина резонатора лазера определ ет частоту генерируемого излучени , поэтому в трех- зеркальном резонаторе предложенного датчика угла будет генерироватьс излучение , двухчастотное излучение одной частоты (опорной) в активном резонаторе, излучение другой частоты (измерительной) - в пассивном резонаторе лазера. Поскольку оптическа длина пассивного резонатора лазера пропорциональна толщине оптически прозрачного диска 2 с переменным поперечным сечением, а значит и углу поворота объекта, то изменение частоты измерительного излучени (генерируемого в пассивном резонаторе), будет пропорционально изменению измер емого угла поворота а).optically transparent disk with a variable cross section. In this case, the thickness of the optically transparent disk 2 along the axis of the laser 3 changes, which causes a change in the optical length of the passive laser cavity formed by mirrors 5 and 7, since the refractive index of the optically transparent disk 2 included in the passive cavity of the laser 3 is different from the refractive index resonator medium, and the geometrical length of the passive resonator (the distance between mirrors 5 and 7) is constant. The optical path length of a beam is the product of its geometric length and the refractive index of the medium. The optical length of the active cavity formed by mirrors b and 7 will always be constant. The optical length of the laser cavity determines the frequency of the generated radiation, therefore, radiation will be generated in the three-mirror cavity of the proposed angle sensor, two-frequency radiation of one frequency (reference) in the active cavity, and radiation of a different frequency (measurement) in the passive laser cavity. Since the optical length of the passive resonator of the laser is proportional to the thickness of the optically transparent disk 2 with a variable cross section, and hence the angle of rotation of the object, the change in the frequency of the measuring radiation (generated in the passive resonator) will be proportional to the change in the measured angle of rotation a).

Так как частота опорного излучени (генерируемого в активном резонаторе) посто нна , то изменение разностной частоты двух рабочих частот лазера будет равно изменению частоты измерительного излучени , а, значит, пропорционально измер емому углу поворота а . Разностна частота двух рабочих частот фиксируетс в виде биений излучени фотодетектором 8. Каждому биению излучени на фотодетекторе 8 соответствует электрический импульс на его выходе. Последовательность электрических импульсов с выхода фотодетектора 8 через усилитель 9 СВЧ (сверхвысокой частоты) поступает на цифровой частотомер 10, на1 выходе которого формируетс код, равный разностной частоте двухчастотного лазера, изменение которой пропорционально изменению угла поворота объекта.Since the frequency of the reference radiation (generated in the active cavity) is constant, a change in the difference frequency of the two working frequencies of the laser will be equal to a change in the frequency of the measuring radiation, and, therefore, is proportional to the measured angle of rotation a. The difference frequency of the two operating frequencies is fixed in the form of beats of radiation by the photodetector 8. Each beat of the radiation on the photodetector 8 corresponds to an electric pulse at its output. The sequence of electrical pulses from the output of the photodetector 8 through the microwave amplifier 9 (superhigh frequency) is fed to a digital frequency meter 10, at the output of which a code is generated equal to the difference frequency of the two-frequency laser, the change of which is proportional to the change in the angle of rotation of the object.

После полного оборота оптически прозрачного диска 2 происходит скачок изменени его толщины, а, значит, скачок разностной частоты двухчастотного лазера. Суммиру эти скачки, можно создать грубый канал измерени угла поворота а. Дл этого достаточно на выходе цифрового частото- мера 10 установить микропроцессор, суммирующий скачки при нарастании или вычитающий при снижении разностной частоты лазера непосредственно перед скачком и перевод щий отдельные отрезки изменени разностной частоты между последовательными скачками в непрерывный р д изменени измер емого угла поворота. Точность измерени оптической длиныAfter a complete revolution of the optically transparent disk 2, a jump in the change in its thickness occurs, and, therefore, a jump in the difference frequency of the two-frequency laser. Summing up these jumps, you can create a rough channel for measuring the angle of rotation a. For this, it is enough to install a microprocessor at the output of digital frequency 10, which sums up the jumps during the rise or subtracts when the differential frequency of the laser decreases immediately before the jump and translates the individual segments of the difference in frequency difference between successive jumps into a continuous series of changes in the measured rotation angle. Optical Length Accuracy

резонатора интерферометра с генеродини- рованием частот с трехзеркзльным резонатором составл ет м ( А), что превышает точность прототипа. Однако и это не предел дл интерферометров с гетеродинированием частот. Известен интерферометр с гетеродинированием частоты, чувствительность которого ограничиваетс The resonator of a frequency-interferometer with a three-mirror resonator is m (A), which exceeds the accuracy of the prototype. However, this is not the limit for interferometers with heterodyning frequencies. Known interferometer with heterodyning frequency, the sensitivity of which is limited

-,-18-,-eighteen

мm

фотонными шумами и составл ет 10photon noise and is 10

(ют8Я).(yu8Ya).

Достижение высокой точности требует от интерферометра с гетеродинированием частот высокой стабильности геометрической длины резонаторов, что достигаетс использованием системы термостабилизации и креплений зеркал повышенной точности , а также высокоточной обработки оптически прозрачного диска 2 с переменным поперечным сечением,Achieving high accuracy requires an interferometer with heterodyne frequencies of high stability of the geometric length of the resonators, which is achieved using a thermal stabilization system and mounts of mirrors of increased accuracy, as well as high-precision processing of an optically transparent disk 2 with a variable cross section,

Использование датчика угла позволитUsing an angle sensor will allow

повысить точность измерени угла поворота объекта за счет выполнени преобразовател угла поворота в виде оптически прозрачного диска переменного поперечного сечени , а датчика выходного сигнала - вto increase the accuracy of measuring the angle of rotation of the object by making the Converter of the angle of rotation in the form of an optically transparent disk of variable cross-section, and the sensor of the output signal in

виде интерферометра с гетеродинированием частот, в состав пассивного резонатора лазера которого включен оптически прозрачный диск.in the form of an interferometer with frequency heterodyning, the composition of the passive laser cavity of which includes an optically transparent disk.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и FORMULA AND SECTION

Датчик угла, содержащий преобразователь угла поворота в виде оптически прозрачного диска с переменным поперечным сечением, св зываемого с объектом, датчик выходного сигнала и регистрирующий блок,An angle sensor comprising a rotation angle converter in the form of an optically transparent disk with a variable cross section associated with an object, an output signal sensor and a recording unit,

отличающийс тем, что, с целью повышени точности, датчик выходного сигнала выполнен в виде лазерного интерферометра с гетеродинированием частот, в пассивный резонатор лазера которогоcharacterized in that, in order to improve accuracy, the output signal sensor is made in the form of a laser interferometer with frequency heterodyning, into the passive laser cavity of which

включен оптически прозрачный диск преобразовател угла.An optically transparent angle converter disc is included.