RU2075727C1

RU2075727C1 - Method of measurement of angles of turn of several objects and device for its implementation

Info

Publication number: RU2075727C1
Application number: RU93026347A
Authority: RU
Inventors: А.А. Арефьев; А.А. Иванов; А.Б. Шерешев
Original assignee: Московский институт инженеров геодезии, аэрофотосъемки и картографии
Priority date: 1993-05-24
Filing date: 1993-05-24
Publication date: 1997-03-20

Abstract

FIELD: geodetic and geophysical operations. SUBSTANCE: several interferometers are installed along range line. Each of them is anchored on tested object and is provided with unmaladjusted reflector oriented in certain way. Interferometer is fabricated in the form of plane-parallel plate. Reflector is manufactured in the form of reflecting mirror with outer coat. EFFECT: facilitated manufacture, improved functional stability. 2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение предназначено для измерения взаимных угловых разворотов нескольких контролируемых объектов, расположенных вдоль створа, задаваемого лазерным пучком, и может быть использовано при проведении геофизических экспериментов, геодезических работах при монтаже и эксплуатации технологического оборудования и т. д. The invention is intended for measuring the mutual angular turns of several controlled objects located along the alignment specified by the laser beam, and can be used in geophysical experiments, geodetic works during the installation and operation of technological equipment, etc.

Известно интерференционное устройство, предназначенное для измерения углов поворота контролируемого объекта (Авт. св. СССР N 983449, кл. G 01 B 9/02, опубл. в БИ N 47, 1982). Недостатками указанного устройства является сложность юстировки взаимного положения зеркал интерферометра, частичное попадание отраженного света в резонатор лазера, что приводит к флуктуациям параметров лазерного излучения, а также невозможность одновременного контроля углового положения нескольких объектов. Known interference device designed to measure the rotation angles of a controlled object (Aut. St. USSR N 983449, CL G 01 B 9/02, publ. In BI N 47, 1982). The disadvantages of this device are the difficulty of adjusting the relative position of the mirrors of the interferometer, the partial penetration of reflected light into the laser cavity, which leads to fluctuations in the parameters of the laser radiation, as well as the inability to simultaneously control the angular position of several objects.

Наиболее близким техническим решением является способ измерения углов поворота нескольких объектов /Авт. св. СССР N 1763891, кл. G 01 C 1/00, 1992), в котором вращают направленный луч, регистрируют последовательно отраженные от объектов лучи и вычисляют измеренные углы с помощью датчика угла поворота. The closest technical solution is a method of measuring the rotation angles of several objects / Auth. St. USSR N 1763891, class G 01 C 1/00, 1992), in which the directional beam is rotated, the rays sequentially reflected from the objects are recorded and the measured angles are calculated using the rotation angle sensor.

Устройство для реализации данного способа содержит также привод для поворота источника излучения, фотоприемник, блок модуляции частоты, счетно-решающий блок. Недостатками данного способа и устройства являются сложность, а также невозможность одновременного контроля углового положения нескольких объектов. A device for implementing this method also contains a drive for rotating the radiation source, a photodetector, a frequency modulation unit, a counting unit. The disadvantages of this method and device are the complexity and the inability to simultaneously control the angular position of several objects.

Задачей изобретения является повышение точности измерений за счет увеличения диапазона измеряемых углов, расширение функциональных возможностей за счет одновременного измерения угловых поворотов нескольких объектов, а также упрощение конструкции и юстировки устройства. The objective of the invention is to increase the accuracy of measurements by increasing the range of measured angles, expanding functionality by simultaneously measuring the angular rotations of several objects, as well as simplifying the design and alignment of the device.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения углов поворота нескольких объектов, заключающемся в том, что световой пучок последовательно направляют на каждый контролируемый объект, регистрируют световой пучок после отражения от каждого контролируемого объекта и вычисляют угол поворота каждого из контролируемых объектов, направляют лазерный пучок последовательно на несколько установленных вдоль створа лазерного пучка проходных интерферометров, каждый из которых установлен на контролируемом объекте и выполнен в виде плоскопараллельной пластины, без изменения углового направления пучка, в каждом интерферометре осуществляют два отражения лазерного пучка с линейным смещением, формируют пространственно разнесенные интерференционные картины в плоскости регистрации, в которых регистрируют смещение интерференционных полос, а угол поворота каждого из контролируемых объектов вычисляют по формуле
α = λ/d′A (M+m), где
A = 2(n²- sin²θ)^1/2/sin 2θ,

λ длина волны лазерного излучения;
0<m<1
d и n толщина и показатель преломления плоскопараллельной пластины интерферoметра;
М и m соответственно целое и дробное число пробежавших интерференционных полос в плоскости регистрации.The technical result is achieved by the fact that in the method of measuring the rotation angles of several objects, which consists in the fact that the light beam is sequentially directed to each controlled object, the light beam is recorded after reflection from each controlled object and the rotation angle of each of the controlled objects is calculated, the laser beam is sent sequentially several pass-through interferometers installed along the alignment of the laser beam, each of which is mounted on a controlled object and is made in of a plane-parallel plate, without changing the angular direction of the beam, two reflections of the laser beam with linear displacement are carried out in each interferometer, spatially separated interference patterns are formed in the registration plane, in which the displacement of interference fringes is recorded, and the rotation angle of each of the controlled objects is calculated by the formula
α = λ / d′A (M + m), where
A = 2 (n ² - sin ² θ) ^1/2 / sin 2θ,

λ wavelength of laser radiation;
0 <m <1
d and n are the thickness and refractive index of the plane-parallel plate of the interferometer;
M and m, respectively, the integer and fractional number of run-through interference bands in the registration plane.

Технический результат в устройстве измерения углов поворота нескольких объектов, содержащем источник света, фотоприемное устройство, установленное в плоскости регистрации, и блок обработки информации, достигается тем, что оно дополнительно содержит формирующую оптическую систему, индикатор угла поворота, несколько проходных идентичных нерасстраиваемых интерферометров, каждый из которых выполнен в виде плоскопараллельной пластины, выполненной с возможностью установки на контролируемом объекте и размещенной в корпусе, в котором дополнительно жестко закреплено зеркало с наружным отражающим покрытием, установленное под фиксированным углом к плоскопараллельной пластине, и несколько фотоприемных устройств, при этом источник света выполнен в виде лазера, интерферометры размещены вдоль створа лазерного пучка, все фотоприемные устройства установлены в плоскости регистрации, а число фотоприемных устройств равно числу интерферометров. The technical result in a device for measuring the rotation angles of several objects containing a light source, a photodetector installed in the registration plane, and an information processing unit is achieved by the fact that it further comprises a forming optical system, an indicator of the rotation angle, several pass-through identical non-detuning interferometers, each of which is made in the form of a plane-parallel plate made with the possibility of installation on a controlled object and placed in a housing in which a mirror with an external reflective coating, mounted at a fixed angle to the plane-parallel plate, and several photodetectors, the light source is made in the form of a laser, the interferometers are placed along the alignment of the laser beam, all photodetectors are installed in the registration plane, and the number of photodetectors is rigidly fixed equal to the number of interferometers.

На фиг. 1 приведена общая схема измерений, на фиг. 2 показан ход лучей в интерферометре, на фиг. 3 приведена зависимость деления одной интерференционной полосы от угла падения света в интерферометр, на фиг. 4 приведена принципиальная схема устройства для измерения углового поворота одного контролируемого объекта, на фиг. 5 показана принципиальная схема устройства для контроля нескольких контролируемых объектов по нескольким угловым координатам. In FIG. 1 shows a general measurement scheme, FIG. 2 shows the path of the rays in the interferometer; FIG. 3 shows the dependence of the division of one interference band on the angle of incidence of light in the interferometer, FIG. 4 is a schematic diagram of a device for measuring the angular rotation of one controlled object; FIG. 5 shows a schematic diagram of a device for controlling several controlled objects by several angular coordinates.

Способ измерений иллюстрируется фиг. 1 и заключается в формировании оптической системой 2 светового пучка, испускаемого лазером 1, направлении его вдоль нескольких контролируемых объектов 8 8ⁿ, находящихся в едином створе. На каждом из контролируемых объектов 8 8ⁿ установлены интерферометры 3 3ⁿ, снабженные отражателями 4 4ⁿ. В каждом из интерферометров 3 3ⁿ происходит частичное деление светового пучка и отражение двух интерферирующих пучков при помощи отражателей 4 4ⁿ в плоскость анализа (ПА). В плоскости анализа установлены фотоприемные устройства 5 5ⁿ, количество которых равно количеству интерферометров 3 3ⁿ. Отражатели 4 4ⁿ ориентированы таким образом, чтобы интерференционные картины попадали на фотоприемные устройства 5 5ⁿ, не накладываясь друг на друга. Фотоприемные устройства 5 5_n регистрируют число пробежавших интерференционных полос при угловых разворотах контролируемых объектов 8 8_n, по которому судят о величине углового поворота каждого из контролируемых объектов 8 8_n.The measurement method is illustrated in FIG. 1 and consists in the formation by the optical system 2 of a light beam emitted by the laser 1, its direction along several controlled objects 8 8 ⁿ located in a single alignment. At each of the controlled objects 8 8 ⁿ , 3 3 ⁿ interferometers are installed, equipped with 4 4 ⁿ reflectors. In each of the 3 3 ⁿ interferometers, a partial division of the light beam and reflection of two interfering beams by means of 4 4 ⁿ reflectors into the analysis plane (PA) occur. In the plane of analysis, photodetectors 5 5 ^{n are} installed, the number of which is equal to the number of 3 3 ⁿ interferometers. Reflectors 4 4 ^{n are} oriented so that interference patterns fall on photodetectors 5 5 ⁿ without overlapping each other. Photodetector devices 5 5 _n record the number of running interference fringes at angular turns of the controlled objects 8 8 _n , which is used to judge the value of the angular rotation of each of the controlled objects 8 8 _n .

В качестве проходного интерферометра (фиг. 2) предлагается использовать плоскопараллельную пластину 3, разделяющую падающий на нее световой пучок лазера 1, сформированный оптической системой 2, на два отраженных пучка, имеющих разность хода и интерферирующих между собой, и третий пучок, который проходит сквозь пластину 3 без изменения первоначального направления. Поля двух отраженных лазерных пучков взаимно перекрываются с некоторым сдвигом, так как между ними существует разность фаз, они формируют интерференционную картину в виде полос равного наклона. As a pass-through interferometer (Fig. 2), it is proposed to use a plane-parallel plate 3, dividing the incident laser beam 1 of the laser, formed by the optical system 2, into two reflected beams having a travel difference and interfering with each other, and a third beam that passes through the plate 3 without changing the original direction. The fields of two reflected laser beams mutually overlap with a certain shift, since there is a phase difference between them, they form an interference pattern in the form of bands of equal slope.

При падении лазерного пучка под углом q на первую поверхность плоскопараллельной стеклянной пластины 3 распределение интенсивности света в интерференционной картины описывается известной косинусной функцией

где n показатель преломления пластины,
d толщина пластины,
l длина волны лазерного излучения,
r угол преломления света в пластине 3.When a laser beam is incident at an angle q on the first surface of a plane-parallel glass plate 3, the distribution of light intensity in the interference pattern is described by the well-known cosine function

where n is the refractive index of the plate,
d plate thickness
l wavelength of laser radiation,
r the angle of refraction of light in the plate 3.

Исходя из условия максимумов интерференционной картины с учетом закона Снеллиуса, можно записать

При повороте пластины 3 на угол α (фиг. 2) интерференционные полосы будут перемещаться в поле интерференции. Скорость перемещения полос зависит от скорости поворота пластины 3 и ширины интерференционных полос. Ширина полос зависит от радиуса кривизны волнового фронта, падающего на пластину 3. Необходимую ширину полос можно получить при перефокусировке оптической системы 2.Based on the condition of the maxima of the interference picture, taking into account Snell's law, we can write

When the plate 3 is rotated through an angle α (Fig. 2), the interference fringes will move in the interference field. The speed of movement of the bands depends on the speed of rotation of the plate 3 and the width of the interference fringes. The width of the bands depends on the radius of curvature of the wave front incident on the plate 3. The necessary bandwidth can be obtained by refocusing the optical system 2.

Исходя из условия, что угол наклона пластины меньше первоначального угла падения света на пластину a<θ, можно определить угол v поворота пластины, соответствующий смещению одной интерференционной полосы

.Based on the condition that the angle of inclination of the plate is less than the initial angle of incidence of light on the plate a <θ, we can determine the angle v of rotation of the plate corresponding to the displacement of one interference strip

.

Анализируя полученное выражение, можно найти оптимальное значение угла падения света θ на поверхность пластины 3, при котором угол поворота пластины v, соответствующий смещению одной интерференционной полосы, будет минимальным

Таким образом, величина минимального угла Φ_min, соответствующего смещению одной интерференционной полосы, зависит только от выбора материала пластины 3. Для большинства оптических стекол с показателями преломления n 1,41 1,89 оптимальные углы падения лежат в диапазоне θ_опт.= 50^°÷ 47,3^°..Analyzing the expression obtained, we can find the optimal value of the angle of incidence of light θ on the surface of the plate 3, at which the angle of rotation of the plate v, corresponding to the displacement of one interference strip, will be minimal

Thus, the minimum angle Φ _min corresponding to the displacement of one interference fringe depends only on the choice of plate material 3. For most optical glasses with a refractive index of n 1.41 1.89, the optimal incidence angles lie in the range of θ _opt. = 50 ^° ÷ 47.3 ^° ..

На фиг. 3 представлена зависимость изменения функции Φ от различных углов падения пучка q на пластину 8, выполненную из кварцевого стекла с n 1,457, толщиной 20 мм при длине волны излучения l 0,6328 мкм. Здесь наблюдается минимальное значение v_min= 16,2 угл. с. при угле падения θ = 49,5^° и величина Φ увеличивается при изменении углов q. Однако существует зона углов падения θ_опт.≈ 20^° (фиг. 3), в которой изменение значений Φ составляет менее 1 угл. с. Подобные зоны оптимальных углов можно установить для любых оптических прозрачных материалов.In FIG. Figure 3 shows the dependence of the change in the function Φ on different angles of incidence of the beam q onto a plate 8 made of quartz glass with n 1.457, a thickness of 20 mm, and a radiation wavelength l 0.6328 μm. Here, the minimum value v _min = 16.2 angles is observed. from. at an angle of incidence θ = 49.5 ^° and the value of Φ increases with a change in the angles q. However, there is a zone of angles of incidence θ _opt. ≈ 20 ^° (Fig. 3), in which the change in Φ is less than 1 angle. from. Similar zones of optimal angles can be set for any transparent optical materials.

Внутри зоны оптимальных углов q_опт. угол α наклона пластины может быть определен в виде

A линейный коэффициент,

равный, например, для

.Inside the zone of optimal angles q _opt. the angle of inclination of the plate can be defined as

A linear coefficient

equal for example to

.

Таким образом, измерение углов α поворота пластины 3 сводится к простому подсчету целых M и дробных m частей сместившихся интерференционных полос. Thus, the measurement of the rotation angles α of the plate 3 is reduced to a simple calculation of the integer M and fractional m parts of the shifted interference fringes.

На фиг. 4 приведена принципиальная схема устройства, реализующего данный метод, предназначенного для измерения углового поворота одного контролируемого объекта. Устройство состоит из последовательно расположенных лазера 1, формирующей оптической системы 2, проходного интерферометра 3, выполненного в виде плоскопараллельной пластины, плоского зеркала 4, закрепленного под фиксированным углом к интерферометру. Интерферометр 3 и зеркало 4 4 установлены на контролируемом объекте, способном поворачиваться вокруг оси, перпендикулярной плоскости чертежа. In FIG. 4 shows a schematic diagram of a device that implements this method, designed to measure the angular rotation of one controlled object. The device consists of a sequentially located laser 1, forming an optical system 2, a pass-through interferometer 3, made in the form of a plane-parallel plate, a flat mirror 4, mounted at a fixed angle to the interferometer. Interferometer 3 and mirror 4 4 are mounted on a controlled object that can rotate around an axis perpendicular to the plane of the drawing.

После прохождения интерферометра 3 и отражения от зеркала 4 два перекрывающихся световых пучка направляются в плоскость анализа ПА, где формируют интерференционную картину (фиг. 4а), состоящую из полос равного наклона. В плоскости анализа установлено фотоприемное устройство 5 (например, двухплощадочный фотодиод или ПЗС-линейка), преобразующее световые сигналы в электрические. Фотоприемное устройство 5 соединено с электронным блоком обработки информации 6, включающим в себя счетчик целого и дробного числа пробежавших интерференционных полос, вычислитель угла поворота контролируемого объекта и преобразователь сигнала в цифровой код. Сигналы с электронного блока обработки информации направляются на цифровой индикатор 7. After passing through the interferometer 3 and reflection from the mirror 4, two overlapping light beams are sent to the PA analysis plane, where they form an interference pattern (Fig. 4a), consisting of bands of equal inclination. In the plane of analysis, a photodetector 5 is installed (for example, a two-site photo diode or a CCD array), which converts light signals into electric ones. The photodetector 5 is connected to an electronic information processing unit 6, which includes a counter of integer and fractional number of running interference fringes, a calculator of the angle of rotation of the controlled object, and a signal to digital code converter. Signals from the electronic information processing unit are sent to digital indicator 7.

При повороте контролируемого объекта изменяется угол падения света на пластину 3, вследствие чего изменяется разность хода интерферирующих световых пучков, что приводит к перемещению интерференционных полос в плоскости анализа. По количеству переместившихся полос и по направлению их перемещения судят о величине и знаке угла поворота контролируемого объекта. When the controlled object is rotated, the angle of incidence of light on the plate 3 changes, as a result of which the difference in the course of interfering light beams changes, which leads to the movement of interference fringes in the plane of analysis. The quantity and sign of the angle of rotation of the controlled object is judged by the number of moving bands and in the direction of their movement.

Конструкция отражателя, состоящего из плоскопараллельной пластины 3 и плоского зеркала, жестко закрепленных в едином корпусе, обеспечивает постоянство пространственного положения анализируемой интерференционной картины (фиг. 4а) в плоскости анализа. The design of the reflector, consisting of a plane-parallel plate 3 and a plane mirror, rigidly fixed in a single housing, provides a constant spatial position of the analyzed interference pattern (Fig. 4A) in the plane of analysis.

Использование в устройстве проходного интерферометра 3 позволяет использовать световой пучок, прошедший сквозь интерферометр 3 без изменения углового направления для измерений углов поворотов нескольких объектов, расположенных вдоль контролируемого створа. Принципиальная схема контроля нескольких объектов представлена на фиг. 5. Для проведения одновременных измерений углов поворота n-го числа объектов на каждый из них устанавливается 3-3ⁿ интерферометров с 4-4ⁿ отражателями, причем отражатели ориентируются таким образом, чтобы интерференционные картины в плоскости анализа не накладывались друг на друга, а попадали каждая на свое фотоприемное устройство 5-5ⁿ. Как видно из чертежа, возможна установка двух интерференционных отражателей, расположенных ортогонально друг к другу на одном объекте для контроля угловых поворотов одновременно по двум угловым координатам.The use of a pass-through interferometer 3 in the device allows the use of a light beam passing through the interferometer 3 without changing the angular direction for measuring the rotation angles of several objects located along the controlled alignment. A schematic diagram of the control of several objects is presented in FIG. 5. For simultaneous measurements of the rotation angles of the nth number of objects, 3-3 ⁿ interferometers with 4-4 ⁿ reflectors are installed on each of them, and the reflectors are oriented so that interference patterns in the analysis plane do not overlap, but fall each on its own photodetector 5-5 ⁿ . As can be seen from the drawing, it is possible to install two interference reflectors located orthogonally to each other on the same object to control angular rotations simultaneously along two angular coordinates.

Повышение контраста интерференционной картины может быть достигнуто за счет введения в световой пучок поляризатора перед фотоприемным устройством 5 или нанесением светоделительных покрытий на переднюю и заднюю поверхности пластины 3. An increase in the contrast of the interference pattern can be achieved by introducing a polarizer into the light beam in front of the photodetector 5 or by applying beam splitting coatings to the front and rear surfaces of the plate 3.

Повышение чувствительности измерений может быть достигнуто за счет использования электронных схем, способных оценивать малые дробные доли интерференционных полос (например, l/50, λ/100/500), увеличением толщины пластины или использованием пластины, изготовленной из материала с малым показателем преломления (например, две тонкие параллельные стеклянные пластинки с воздушным промежутком). An increase in the measurement sensitivity can be achieved through the use of electronic circuits capable of estimating small fractional fractions of interference fringes (for example, l / 50, λ / 100/500), increasing the thickness of the plate, or using a plate made of a material with a low refractive index (for example, two thin parallel glass plates with an air gap).

Изобретение позволяет: расширить функциональные возможности интерференционных углоизмерителей за счет одновременного измерения угловых поворотов нескольких объектов, расположенных вдоль контролируемого створа, задаваемого лазерным пучком; повысить точность измерений за счет увеличения диапазона измеренных углов; упростить процесс вычисления угловых рассогласований за счет использования линейного диапазона интерферометра, определяемого зоной оптимальных углов падения светового пучка на поверхность плоскопараллельной пластины; значительно упростить конструкцию углоизмерительного интерферометра; свести до минимума процесс юстировки интерферометра за счет оригинальной конструкции нерасстраиваемого интерференционного отражателя. The invention allows: to expand the functionality of interference angle meters by simultaneously measuring the angular rotations of several objects located along a controlled alignment defined by a laser beam; improve measurement accuracy by increasing the range of measured angles; to simplify the process of calculating angular mismatches by using the linear range of the interferometer, determined by the zone of optimal angles of incidence of the light beam on the surface of a plane-parallel plate; significantly simplify the design of angle measuring interferometer; minimize the alignment process of the interferometer due to the original design of the non-detuning interference reflector.

Проведенные экспериментальные исследования с интерференционными отражателями, имеющими пластины толщиной 16,6 мм, при использовании фоторегистрирующих устройств, оценивающих 1/20 интерференционной полосы, показали, что среднеквадратическая погрешность одновременного измерения угловых поворотов четырех контролируемых объектов составила менее 1 угл. с в диапазоне измеряемых углов 18,8^o.The experimental studies with interference reflectors having plates 16.6 mm thick using photo-recording devices evaluating 1/20 of the interference strip showed that the mean square error of the simultaneous measurement of the angular rotations of four controlled objects was less than 1 angle. with in the range of measured angles of 18.8 ^o .

Claims

1. The method of measuring the rotation angles of several objects, which consists in the fact that the light beam is sequentially directed to each controlled object, register the light beam after reflection from each controlled object and calculate the angle of rotation of each of the controlled objects, characterized in that the laser beam is sequentially directed to several interferometers, installed along the alignment of the laser beam, each of which is mounted on a controlled object and is made in the form of plane-parallel plates, without changing the angular direction of the beam, in each interferometer carry out two reflections of the laser beam with linear displacement, form spatially separated interference patterns in the registration plane, in which the displacement of the interference fringes is recorded, and the rotation angle of each of the controlled objects is calculated by the formula
α = λ / d A (M + m),
where A = 2 (n ² - sin ² θ) ^1/2 / sin 2θ;

M ±, ± 2;
0 <m <1;
λ wavelength of laser radiation;
d and n are the thickness and refractive index of the plane-parallel plate of the interferometer;
M and m, respectively, the integer and fractional number of run-through interference bands in the registration plane.

2. A device for measuring the rotation angles of several objects, containing a light source, a photodetector installed in the registration plane, and an information processing unit, characterized in that it further comprises a forming optical system, a rotation angle indicator, several pass-through identical non-detunable interferometers, each of which made in the form of a plane-parallel plate made with the possibility of installation on a controlled object and placed in a housing in which it is additionally rigidly sealed A mirror with an external reflective coating, mounted at a fixed angle to a plane-parallel plate, and several photodetectors, a light source made in the form of a laser, interferometers placed along the laser beam alignment, all photodetectors installed in the registration plane, the number of photodetectors equal to the number of interferometers .