RU2335736C2 - Reflex photoelectric angular displacement control system - Google Patents
Reflex photoelectric angular displacement control system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2335736C2 RU2335736C2 RU2006119602/28A RU2006119602A RU2335736C2 RU 2335736 C2 RU2335736 C2 RU 2335736C2 RU 2006119602/28 A RU2006119602/28 A RU 2006119602/28A RU 2006119602 A RU2006119602 A RU 2006119602A RU 2335736 C2 RU2335736 C2 RU 2335736C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- photodetectors
- reflector
- rays
- displacements
- computing unit
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, регистрирующей аппаратуре электрических и неэлектрических величин и может быть использовано в оптических системах крутильных маятников различных типов, крутильных весах, в том числе и прецизионных (см., например: Постников B.C., Аммер С.А., Беляев A.M. Внутреннее трение, модуль сдвига и прочность медных нитевидных кристаллов // Физика металлов и металловедение. Том 19, вып.2, 1965, с.268-273).The invention relates to instrumentation, recording equipment of electrical and non-electrical quantities and can be used in optical systems of torsion pendulums of various types, torsion scales, including precision (see, for example: Postnikov BC, Ammer S.A., Belyaev AM Internal Friction, Shear Modulus, and Strength of Copper Whiskers // Physics of Metals and Metallurgy, Volume 19, Issue 2, 1965, pp. 268-273).
Изобретение также может быть использовано в гальванометрах различных типов при регистрации электрических и неэлектрических величин для повышения вибрационной устойчивости приборов.The invention can also be used in various types of galvanometers when registering electrical and non-electrical quantities to increase the vibration stability of devices.
Известно оптическое измерительное устройство, входящее в состав крутильных весов (Лабораторный практикум по физике // Под редакцией А.С.Ахматова. - М.: Высшая шк., 1980, 360 с. Рисунок 27 на странице 53), содержащее крутильную проволоку, зеркальце, закрепленное на крутильной проволоке, источник света, линейную одномерную шкалу. Величину угла закручивания крутильной проволоки в данном устройстве определяют по поступательным смещениям светового « зайчика» на шкале. Световой «зайчик» образуют отражением луча света (источника света) от зеркальца (Лабораторный практикум по физике // Под редакцией А.С.Ахматова. - М.: Высшая шк., 1980, 360 с. См. стр.54, второй и третий абзацы).Known optical measuring device, which is part of a torsion balance (Laboratory workshop on physics // Edited by A.S. Akhmatova. - M .: Higher school., 1980, 360 S. Figure 27 on page 53), containing a torsion wire, a mirror mounted on a twisting wire, light source, linear one-dimensional scale. The value of the twist angle of the twist wire in this device is determined by the translational displacements of the light "bunny" on the scale. The light "bunny" is formed by the reflection of a ray of light (light source) from a mirror (Laboratory practical work in physics // Edited by A.S. Akhmatov. - M.: Higher school., 1980, 360 pp. See p. 54, second and third paragraphs).
Однако указанное оптическое измерительное устройство обладает тем недостатком, что к смещениям «зайчика» на шкале прибора могут приводить не только угловые смещения (повороты) крутильной проволоки, но и поступательные смещения проволоки вместе с зеркальцем в горизонтальной плоскости. Фактически, в данном устройстве невозможно разделить угловые и поступательные смещения зеркальца на проволоке. Это приводит к увеличению ошибок измерения угла поворота. Также данное устройство слабо защищено от вибрационных помех. Авторы указывают единственный метод борьбы с вибропомехами: «...проволока должна быть слегка натянута...». Авторы отмечают, что «Этим в достаточной степени избегают колебаний крутильного тела из стороны в сторону», косвенно указывая на наличие проблем в борьбе с вибропомехами в данном устройстве (Лабораторный практикум по физике // Под редакцией А.С.Ахматова - М.: Высшая шк., 1980, 360 с. См. стр.53). Слабая защищенность от вибропомех приводит к ограничениям в применениях данного устройства.However, the indicated optical measuring device has the disadvantage that not only angular displacements (rotations) of the twisting wire, but also translational displacements of the wire together with the mirror in the horizontal plane can lead to displacements of the “bunny” on the scale of the device. In fact, in this device it is impossible to separate the angular and translational displacements of the mirror on the wire. This leads to an increase in errors in measuring the angle of rotation. Also, this device is poorly protected from vibration interference. The authors indicate the only method of combating vibration interference: "... the wire should be slightly stretched ...". The authors note that “This sufficiently avoids the torsional body oscillations from side to side”, indirectly indicating the presence of problems in the fight against vibration interference in this device (Laboratory Workshop on Physics // Edited by A.S. Akhmatov - M .: Higher school, 1980, 360 pp. See p. 53). Weak immunity to vibration interference leads to limitations in the use of this device.
Известно оптическое отсчетное устройство, входящее в состав распространенного измерительного механизма электроизмерительных приборов(Аналоговые электроизмерительные приборы // Е.Г.Бишард, Е.А.Киселева, Г.П.Лебедев и др. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1991, 415 с. Рисунки: 4.4 (в) на стр.67; 4.6 (г) на стр.72), содержащее источник света, оптическую систему, формирующую луч света большой длины, зеркальце, закрепленное на тонкой бронзовой ленте (с подвижной частью), механическую шкалу. Величину угла закручивания тонкой бронзовой ленты(с подвижной частью) в данном устройстве определяют по поступательным смещениям светового «пятна с индексом» на шкале прибора. По показаниям на шкале прибора определяют измеряемую электрическую величину. Шкала прибора может быть проградуирована непосредственно в соответствующих единицах измерения электрической величины.Known optical reading device, which is part of a common measuring mechanism of electrical measuring instruments (Analog electrical measuring instruments // E.G. Bishard, E.A. Kiseleva, G.P. Lebedev and others - 2nd ed. Revised and add. - M .: Higher school, 1991, 415 pp. Figures: 4.4 (c) on page 67; 4.6 (d) on page 72) containing a light source, an optical system that forms a long beam of light, a mirror, fixed on a thin bronze ribbon (with a moving part), a mechanical scale. The value of the twist angle of a thin bronze ribbon (with a moving part) in this device is determined by the translational displacements of the light "spot with index" on the scale of the device. According to the readings on the scale of the device determine the measured electrical quantity. The scale of the device can be calibrated directly in the appropriate units of measurement of electrical quantities.
Однако указанное оптическое отсчетное устройство имеет тот недостаток, что к смещениям светового пятна на шкале прибора могут привести не только угловые смещения (повороты) тонкой бронзовой ленты (с подвижной частью), но и поступательные смещения тонкой бронзовой ленты (с подвижной частью) в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Фактически, в данном устройстве невозможно разделить угловые и поступательные смещения зеркальца, закрепленного на тонкой бронзовой ленте. Это приводит к увеличению ошибок измерения и, следовательно, к снижению точности измерения соответствующей электрической величины.However, the indicated optical reading device has the disadvantage that not only the angular displacements (rotations) of the thin bronze tape (with the moving part), but also the translational displacements of the thin bronze tape (with the moving part) in the horizontal and vertical planes. In fact, in this device it is impossible to separate the angular and translational displacements of a mirror mounted on a thin bronze ribbon. This leads to an increase in measurement errors and, consequently, to a decrease in the measurement accuracy of the corresponding electrical quantity.
Также данное устройство слабо защищено от вибрационных помех. В литературе, описывающей аналогичные измерительные механизмы (Основы метрологии и электрические измерения // Под ред. Е.М.Душина. - 6-е изд. перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат, 1987, - 480 с. См. стр.122, рис.5-13), указывают наиболее простой способ защиты от «механических сотрясений»: установки прибора «на капитальную стену». Это ограничивает возможности применения данного устройства.Also, this device is poorly protected from vibration interference. In the literature describing similar measuring mechanisms (Fundamentals of Metrology and Electrical Measurements // Edited by E.M. Dushin. - 6th ed. Revised and enlarged. - L .: Energoatomizdat, 1987, - 480 p. See page .122, Fig. 5-13), indicate the easiest way to protect against "mechanical shocks": installing the device "on a solid wall". This limits the applicability of this device.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению является оптическое отсчетное устройство (прототип) вибрационно-устойчивой системы П.Долля (Мейер Э., Мердер К. Зеркальные гальванометры и приборы со световым указателем. - М. и Л.: Госэнергоиздат, 1959, 568 с. См. стр.497, рис.59-5), содержащее источник света, две отдельные рамки (подвижная часть), каждая со своим зеркалом, регистрирующую ленту. Вся система погружена в жидкость так, что угол между зеркалами остается постоянным. Для компенсации вращательных ускорений вокруг оси вращения системы используется свойство луча света при последовательном отражении от двух зеркал не изменять направление луча «после поворота их как единой системы на некоторый угол». Регистрацию процесса производят одновременно двумя системами, идентичными по своим механическим, электрическим и оптическим свойствам. По П.Доллю используют системы в двух вариантах: 1) ток пропускают только через одну систему, в то время как вторую используют лишь как компенсационную; 2) ток протекает по обеим системам и отклоняет их в противоположных направлениях.The closest in technical essence to the claimed technical solution is an optical reading device (prototype) of a vibration-stable P.Doll system (Meyer E., Merder K. Mirror galvanometers and devices with a light indicator. - M. and L .: Gosenergoizdat, 1959, 568 p. See p. 497, Fig. 59-5), containing the light source, two separate frames (moving part), each with its own mirror, recording the tape. The entire system is immersed in liquid so that the angle between the mirrors remains constant. To compensate for the rotational accelerations around the axis of rotation of the system, the property of the light ray is used in sequential reflection from two mirrors not to change the direction of the ray "after turning them as a single system by a certain angle." The process is recorded simultaneously by two systems that are identical in their mechanical, electrical and optical properties. According to P.Doll, systems are used in two versions: 1) current is passed through only one system, while the second is used only as compensation; 2) current flows through both systems and deflects them in opposite directions.
Однако указанное оптическое отсчетное устройство имеет тот недостаток, что к смещениям светового луча на регистрирующей ленте приводят как угловые смещения (повороты) рамки, так и поступательные смещения. Более того, так как зеркал два, на двух разных подвесах и рамках, то величина смещения будет зависеть от неконтролируемого смещения каждого зеркала как в первом варианте, так и во втором варианте. Фактически, в данном устройстве невозможно разделить угловые и поступательные смещения зеркал. Это приводит к увеличению ошибок измерения угла поворота рамки и, как следствие, к снижению точности измерения соответствующей электрической величины.However, this optical reading device has the disadvantage that both angular displacements (rotations) of the frame and translational displacements lead to displacements of the light beam on the recording tape. Moreover, since there are two mirrors, on two different suspensions and frames, the amount of displacement will depend on the uncontrolled displacement of each mirror in both the first version and the second version. In fact, in this device it is impossible to separate the angular and translational displacements of the mirrors. This leads to an increase in errors in measuring the angle of rotation of the frame and, as a consequence, to a decrease in the accuracy of measurement of the corresponding electrical quantity.
Использование жидкости частично повышает виброустойчивость системы, но одновременно приводит к увеличению массы и момента инерции подвижной части, как для одной рамки, так и для другой. Это также приводит к увеличению ошибок измерения.The use of fluid partially increases the vibration resistance of the system, but at the same time leads to an increase in the mass and moment of inertia of the moving part, both for one frame and for another. This also leads to an increase in measurement errors.
Использование двух систем одновременно П.Доллем приводит к тому, что вибрации оказывают влияние как на одну, так и на другую систему, уменьшая виброзащищенность прибора. Это ограничивает возможности применения данного прибора.The use of two systems at the same time by P. Dollem leads to the fact that vibrations affect both one and the other system, reducing the vibration resistance of the device. This limits the applicability of this device.
Технический результат изобретения: повышение точности контроля угловых смещений, повышение виброустойчивости системы, расширение возможностей применения предлагаемого устройства.The technical result of the invention: improving the accuracy of control of angular displacements, increasing the vibration resistance of the system, expanding the application of the proposed device.
Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемое устройство содержит два источника света, отражатель, закрепленный на крутильном подвесе, индикатор, причем отражатель выполнен в виде зеркальной пластины с двумя противоположными отражающими поверхностями и ориентирован по отношению к лучам света так, что лучи лежат в плоскости, перпендикулярной к оси вращения крутильного подвеса, а в двухканальную электрическую цепь каждой отражающей поверхности дополнительно включены два фотоприемника, два усилителя и согласующий вычислительный блок.The specified technical result is achieved by the fact that the proposed device contains two light sources, a reflector mounted on a torsion suspension, an indicator, and the reflector is made in the form of a mirror plate with two opposite reflective surfaces and is oriented with respect to the light rays so that the rays lie in a plane, perpendicular to the axis of rotation of the torsion suspension, and two photodetectors, two amplifiers and a matching one are additionally included in the two-channel electrical circuit of each reflective surface calculation block.
По сравнению с наиболее близким аналогичным решением (прототип) заявляемое техническое решение имеет следующие отличительные признаки:Compared with the closest similar solution (prototype), the claimed technical solution has the following distinctive features:
- отражатель выполнен в виде зеркальной пластины с двумя противоположными отражающими поверхностями;- the reflector is made in the form of a mirror plate with two opposite reflective surfaces;
- отражатель ориентирован по отношению к лучам света так, что лучи лежат в плоскости, перпендикулярной к оси вращения крутильного подвеса;- the reflector is oriented with respect to the rays of light so that the rays lie in a plane perpendicular to the axis of rotation of the torsion suspension;
- в двухканальную электрическую цепь каждой отражающей поверхности дополнительно включены два фотоприемника, два усилителя и согласующий вычислительный блок.- two photodetectors, two amplifiers and a matching computing unit are additionally included in the two-channel electrical circuit of each reflective surface.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».Therefore, the claimed technical solution meets the requirement of "novelty."
Использование в предлагаемом устройстве отражателя в виде зеркальной пластины с двумя противоположными отражающими поверхностями, на которые падают лучи света, двух фотоприемников, двух усилителей и согласующего вычислительного блока, формирующего разностный электрический сигнал, пропорциональный величине углового смещения системы, позволяет разделить поступательные и угловые смещения отражателя (следовательно, и всей связанной с ним системы), контролировать собственно угловые смещения системы и, в конечном итоге, повысить точность измерения угловых смещений, повысить виброустойчивость всей системы, расширить возможности применения устройства.Using the reflector in the proposed device in the form of a mirror plate with two opposite reflecting surfaces onto which light beams fall, two photodetectors, two amplifiers and a matching computing unit that generates a difference electric signal proportional to the angular displacement of the system, allows you to separate the translational and angular displacements of the reflector ( consequently, of the entire system associated with it), to control the actual angular displacements of the system and, ultimately, to increase the accuracy l measuring angular displacements, increase the vibration resistance of the entire system, expand the capabilities of the device.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».Therefore, the claimed technical solution meets the requirement of "positive effect".
В заявленном техническом решении форма отражателя, его ориентация относительно падающих лучей света, формирование по отраженным лучам с помощью двух фотоприемников, двух усилителей двух фотосигналов и получение в согласующем вычислительном блоке напряжения, пропорционального разности двух фотосигналов, приводит к неожиданному эффекту - окончательное напряжение, подаваемое на индикатор, пропорционально только углу поворота зеркального отражателя вместе с системой. Достигается разделение (раздельное влияние) поступательных и угловых смещений отражателя. Таким образом, исключается влияние на показания прибора поступательных смещений отражателя.In the claimed technical solution, the shape of the reflector, its orientation with respect to the incident light rays, the formation of the reflected rays using two photodetectors, two amplifiers of two photo signals and the receipt in the matching computing unit of a voltage proportional to the difference of the two photo signals leads to an unexpected effect - the final voltage applied to indicator proportional only to the angle of rotation of the mirror reflector together with the system. A separation (separate effect) of translational and angular displacements of the reflector is achieved. Thus, the influence of translational displacements of the reflector on the readings of the device is excluded.
Анализ существующих технических решений показал, что перечисленные признаки отсутствуют в этих решениях.Analysis of existing technical solutions showed that the listed features are absent in these solutions.
Следовательно, перечисленные отличительные признаки обеспечивают соответствие заявляемого технического решения требованию «существенные отличия».Therefore, the listed distinguishing features ensure compliance of the claimed technical solution to the requirement of "significant differences".
На фиг.1 показано зеркальное фотоэлектрическое устройство контроля угловых смещений; фиг.2 иллюстрирует смещение отраженных лучей света на фотоприемных плоскостях Фп1 и Фп2 при поступательных смещениях отражателя в горизонтальной плоскости вдоль оси ОХ; фиг.3 иллюстрирует смещение отраженных лучей света на фотоприемных плоскостях Фп1 и Фп2 при поступательных смещениях отражателя в горизонтальной плоскости вдоль оси OY; фиг.4 иллюстрирует характер смещения отраженных лучей света на фотоприемных плоскостях Фп1 и Фп2 при угловых поворотах отражателя вокруг вертикальной оси, проходящей через точку О.Figure 1 shows a mirror photoelectric device for controlling angular displacements; figure 2 illustrates the offset of the reflected light rays on the photodetector planes FP1 and FP2 with translational displacements of the reflector in the horizontal plane along the axis OX; figure 3 illustrates the offset of the reflected light rays on the photodetector planes FP1 and FP2 at translational displacements of the reflector in the horizontal plane along the axis OY; figure 4 illustrates the nature of the displacement of the reflected light rays on the photodetector planes FP1 and FP2 with angular rotation of the reflector around a vertical axis passing through point O.
Зеркальное фотоэлектрическое устройство контроля угловых смещений, изображенное на фиг.1, содержит отражатель 1, два источника света Ис1 и Ис2, два фотоприемника (например, однокоординатных) 2 и 3, два усилителя 4, согласующий вычислительный блок 5, индикатор 6.The mirror photoelectric device for controlling angular displacements shown in Fig. 1 contains a
Зеркальный отражатель 1 представляет скрепленные две противоположные отражающие зеркальные плоскости З1 и З2. Зеркальный отражатель 1 закреплен на крутильной нити 7, к которой прикладывается крутящий момент сил М. Крутильная нить 7 может быть проволочного типа (металлическая проволочка) в крутильном маятнике, может быть объектом исследования, например нитевидным кристаллом, может быть подвесом с рамкой в магнитном поле гальванометра или любой аналогичной системой, испытывающей угловые смещения (повороты). Источник света Ис1 располагается так, чтобы луч света от него падал на отражающую поверхность З1 и, отразившись, попадал на фотоприемник 2. Источник света Ис2 располагается так, чтобы луч света от него падал на отражающую поверхность З2 и, отразившись, попадал на фотоприемник 3. Луч1 и луч2, линии фотоприемников лежат в одной плоскости XOY (обычно, горизонтальная плоскость), перпендикулярной крутильной нити 7. Фотоприемные плоскости фотоприемников 2 и 3 параллельны друг другу и ориентированы вдоль одной оси OY, как показано на фиг.1.The
Назначение согласующего вычислительного блока 5 - вырабатывать разностный электрический сигнал ΔU по введенным в него с фотоприемников 2 и 3 усиленным сигналам U1 и U2.The purpose of the matching computing unit 5 is to generate a differential electric signal ΔU from the amplified signals U 1 and U 2 introduced into it from photodetectors 2 and 3.
Назначение индикатора 6 - регистрировать величины, пропорциональные углу поворота системы, связанной с крутильной нитью 7. В качестве индикатора могут использоваться: электроизмерительные приборы, осциллограф, шлейфовый осциллограф, самописец и т.д.The purpose of indicator 6 is to register values proportional to the angle of rotation of the system associated with the
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
Луч 1 от источника света Ис1 направляют в плоскости XOY (обычно, горизонтальная плоскость) на отражающую поверхность З1 отражателя 1. Отраженный луч 1 затем попадает на фотоприемную плоскость фотоприемника 2. Одновременно луч 2 от источника света Ис2 направляют в плоскости XOY (обычно, горизонтальная плоскость) на отражающую поверхность З2 отражателя 1. Отраженный луч 2 затем попадает на фотоприемную плоскость фотоприемника 3. В отсутствие движения отражателя 1 электрические сигналы с фотоприемников равны нулю. При движении отражателя 1 при угловых или поступательных смещениях нити 7 отраженные лучи смещаются соответственно на фотоприемных плоскостях фотоприемников 2 и 3. Фотоприемники вырабатывают напряжения U1 (выражение (1)) и U2 (выражение (2)) соответственно, которые подаются на усилители 4. Усиленные сигналы U'1 и U'2 подаются на согласующий вычислительный блок 5, в котором формируется сигнал ΔU, пропорциональный разности напряжений U1 и U2 (выражения (3) и (4)). Напряжение ΔU подается на индикатор 6, в котором и регистрируется величина углового смещения системы, связанной с нитью 7, или любая другая величина, связанная с углом поворота нити 7. Индикатор 6 может быть проградуирован непосредственно в единицах измеряемой величины.
В предлагаемом устройстве для достижения объявленного технического результата используются, в первую очередь, особые свойства поведения двух отраженных лучей от зеркальной пластины с двумя противоположными отражающими поверхностями: при поступательных смещениях зеркальной пластины в горизонтальной плоскости отраженные лучи, первый и второй, на фотоприемных плоскостях испытывают смещения одинакового знака (одинаковых направлений) и одинаковой величины; при угловых смещениях (поворотах) той же зеркальной пластины вокруг вертикальной оси отраженные лучи на фотоприемных плоскостях испытывают смещения разного знака (разных направлений).In the proposed device to achieve the declared technical result, first of all, special properties of the behavior of two reflected rays from a mirror plate with two opposite reflecting surfaces are used: when translational displacements of the mirror plate in the horizontal plane, the reflected rays, the first and second, on the photodetector planes experience the same displacements sign (same directions) and the same size; at angular displacements (rotations) of the same mirror plate around the vertical axis, the reflected rays on photodetector planes experience displacements of different signs (different directions).
Поэтому при вычитании фотосигналов от отраженных лучей с фотоприемников разностный сигнал пропорционален только величине углового смещения зеркальной пластины, а следовательно, и угловым смещениям всей крутильной системы или системы подвеса, например, вместе с рамкой.Therefore, when subtracting photosignals from reflected rays from photodetectors, the difference signal is proportional only to the magnitude of the angular displacement of the mirror plate, and therefore to the angular displacements of the entire torsion system or suspension system, for example, together with the frame.
На фиг.2 представлен один из возможных случаев смещения лучей, когда луч 1 от источника света Ис1 и луч 2 от источника света Ис2 идут навстречу друг другу по одной прямой, а углы падения на зеркальную пластину Зп (отражатель 1 из фиг.1) лучей равны 45°. Луч 1 отражается от зеркальной поверхности З1 зеркальной пластины Зп и распространяется вдоль оси ОХ горизонтальной плоскости. Отраженный луч 1 падает на фотоприемную плоскость Фп1 (фотоприемник 2 из фиг.1) и может перемещаться вдоль оси OY горизонтальной плоскости. Луч 2 отражается от противоположной зеркальной поверхности 32 зеркальной пластины Зп и распространяется против оси ОХ в той же горизонтальной плоскости. Отраженный луч 2 падает на фотоприемную плоскость Фп2 (фотоприемник 3 из фиг.1) и может перемещаться вдоль оси OY горизонтальной плоскости.Figure 2 presents one of the possible cases of displacement of the rays, when the
Линия подвеса вертикальна, проходит через точку О и перпендикулярна к плоскости рисунка (горизонтальная плоскость) фиг.2.The suspension line is vertical, passes through point O and is perpendicular to the plane of the picture (horizontal plane) of FIG. 2.
При поступательных смещениях зеркальной пластины Зп вдоль или против оси ОХ в горизонтальной плоскости при вибрациях зеркальная пластина занимает новые положения, характеризуемые точками О' или О''. Величина смещения ΔХ, а луч 1 и луч 2 при этом смещаются вдоль оси OY на одинаковую величину (пунктирные линии на фиг.2) и фотоприемники вырабатывают одинаковые, как по величине, так и по знаку напряжения Uх1 и Ux2, пропорциональные величине смещения ΔХ. На фиг.2 величина смещения лучей вдоль оси OY представлена (проградуирована) непосредственно в единицах вырабатываемого напряжения.With translational displacements of the mirror plate Zn along or against the axis OX in the horizontal plane during vibrations, the mirror plate occupies new positions, characterized by points O 'or O''. The bias value ΔX, and
На фиг.3, аналогично фиг.2, представлен случай смещений отраженных лучей (луч 1 и луч 2) на фотоприемных плоскостях Фп1 и Фп2 вдоль оси OY при поступательных смещениях зеркальной пластины Зп в горизонтальной плоскости вдоль другой оси - оси OY.Figure 3, similarly to figure 2, presents the case of displacements of the reflected rays (
Линия подвеса вертикальна, проходит через точку О и перпендикулярна к плоскости рисунка (горизонтальная плоскость) фиг.3.The suspension line is vertical, passes through point O and is perpendicular to the plane of the picture (horizontal plane) of FIG. 3.
При поступательных смещениях зеркальной пластины Зп вдоль или против оси OY в горизонтальной плоскости при вибрациях зеркальная пластина занимает новые положения, характеризуемые точками О' или О". Величина смещения ΔY, a луч 1 или луч 2 при этом смещаются вдоль оси OY на одинаковую величину (пунктирные линии на фиг.3) и фотоприемники вырабатывают одинаковые как по величине, так и по знаку напряжения Uу1 и Uу2, пропорциональные смещению ΔY. На фиг.2 величина смещения лучей вдоль оси OY представлена (проградуирована) непосредственно в единицах вырабатываемого напряжения.With translational displacements of the mirror plate Zn along or against the OY axis in the horizontal plane during vibrations, the mirror plate occupies new positions characterized by points O 'or O. The displacement ΔY, while
Любые произвольные поступательные смещения зеркальной пластины Зп при вибрациях в горизонтальной плоскости можно представить (разложить) как сумму двух независимых поступательных смещений вдоль осей ОХ и OY. Поэтому фотоприемники соответствующих фотоприемных плоскостей Фп1 и Фп2 будут вырабатывать напряжения, равные сумме напряжений, пропорциональных смещениям зеркальной пластины вдоль осей ОХ и OY, т.е. ΔХ и ΔY. Эти напряжения, как видно из фиг.2 и фиг.3, одинаковы по величине и имеют одинаковые знаки.Any arbitrary translational displacements of the mirror plate Zn during vibrations in the horizontal plane can be represented (expanded) as the sum of two independent translational displacements along the axes OX and OY. Therefore, the photodetectors of the corresponding photodetector planes Фп1 and Фп2 will generate voltages equal to the sum of the voltages proportional to the displacements of the mirror plate along the OX and OY axes, i.e. ΔX and ΔY. These voltages, as can be seen from figure 2 and figure 3, are the same in magnitude and have the same signs.
На фиг.4 представлен случай смещения отраженных лучей 1 и 2 от отражающих плоскостей З1 и З2 зеркальной пластины Зп только при поворотах (угловых смещениях) всей системы вокруг вертикальной оси (линии подвеса), проходящей через точку О и перпендикулярную к плоскости рисунка (горизонтальная плоскость) фиг.4. При поворотах всей системы на угол α зеркальная пластина Зп поворачивается на угол α (толстый штриховой отрезок на фиг.4), а отраженные лучи (пунктирные линии на фиг.4) в соответствии с общеизвестными законами геометрической оптики поворачиваются в горизонтальной плоскости на угол 2α. Как видно из фиг.4, отраженные луч 1, луч 2 смещаются вдоль фотоприемных плоскостей Фп1 и Фп2 на одинаковую величину, но это смещения разного знака. Поэтому фотоприемники в этом случае вырабатывают одинаковые по величине (модулю) напряжения Uα1 и Uα2, но разного знака. На фиг.4 величина смещения лучей вдоль оси OY представлена (проградуирована) непосредственно в единицах вырабатываемого напряжения.Figure 4 presents the case of the displacement of the reflected
В предложенном устройстве по величине угла поворота α, вызванного именно угловыми смещениями всей системы, может быть измерена любая величина, связанная с углом поворота α. В крутильных весах, крутильных маятниках это может быть, например, момент сил кручения, величина внутреннего трения. В гальванометрах это могут быть электрические величины (сила тока, напряжение), вызывающие повороты рамки, например, на подвесе в магнитном поле.In the proposed device, according to the value of the angle of rotation α, caused precisely by the angular displacements of the entire system, any value associated with the angle of rotation α can be measured. In torsion scales, torsion pendulums it can be, for example, the moment of torsion forces, the magnitude of internal friction. In galvanometers, these can be electrical quantities (current, voltage), causing the frame to rotate, for example, on a suspension in a magnetic field.
Из фиг.4 следует, что напряжения Uα1 и Uα2 пропорциональны величине (tg2α)·l. При малых углах поворота, что обычно и наблюдается, напряжения Uα1 и Uα2 пропорциональны величине (2α)·l (где l - расстояние от оси отражателя до фотоприемной плоскости прибора, так называемое "оптическое плечо луча").From figure 4 it follows that the stresses U α1 and U α2 are proportional to the value (tg2α) · l. At small rotation angles, as is usually observed, the voltages U α1 and U α2 are proportional to (2α) · l (where l is the distance from the reflector axis to the photodetector plane of the device, the so-called "optical beam arm").
Обобщая результаты описания фиг.2, фиг.3, фиг.4, можно сделать вывод, что при необходимых поворотах всей системы в величину напряжения с фотоприемников, помимо этого, дают вклад поступательные вибросмещения, которые имеют случайный характер. Результирующие напряжения с фотоприемников 2 и 3 (см. фиг.1) имеют видSummarizing the results of the description of FIG. 2, FIG. 3, FIG. 4, it can be concluded that, with the necessary rotations of the entire system, the translational vibration displacements, which are random in nature, contribute to the voltage value from the photodetectors. The resulting voltage from the photodetectors 2 and 3 (see figure 1) have the form
где U1 - напряжение с выхода фотоприемника 2 (см. фиг.1).where U 1 is the voltage from the output of the photodetector 2 (see figure 1).
где U2 - напряжение с выхода фотоприемника 3 (см. фиг.1).where U 2 is the voltage from the output of the photodetector 3 (see figure 1).
Как видно из рисунков фиг.2 и фиг.3, Ux1=Ux2; Uу1=Uу2. Как видно из рисунка фиг.4, |Uα1|=|Uα2|, т.е. равны по модулю, но имеют разные знаки, т.е. Uα1=-Uα2.As can be seen from the figures of figure 2 and figure 3, U x1 = U x2 ; U y1 = U y2 . As can be seen from the figure of FIG. 4, | U α1 | = | U α2 |, i.e. are equal in absolute value but have different signs, i.e. U α1 = -U α2 .
Если подать напряжения U1 и U2 на вычислительный блок, в котором производится только вычитание двух сигналов (такие блоки, электрические схемы общеизвестны), то на выходе такого блока возникает результирующее напряжение ΔU, равноеIf voltages U 1 and U 2 are applied to a computing unit in which only two signals are subtracted (such blocks, electrical circuits are well known), then the resulting voltage ΔU equal to
Величина ΔU равна (пропорциональна): ΔU~2·(tg2α)·l.The value of ΔU is equal to (proportional): ΔU ~ 2 · (tg2α) · l.
При малых углах поворота всей системы: .At small rotation angles of the entire system: .
Это напряжение и регистрируется индикатором 6 (см. фиг.1), позволяя определить как угол поворота всей системы, так и любую необходимую величину, связанную с углом поворота всей системы.This voltage is recorded by indicator 6 (see figure 1), allowing you to determine both the angle of rotation of the entire system, and any necessary value associated with the angle of rotation of the entire system.
Аналитические выражения (1)-(4) подчеркивают, что в предлагаемом устройстве производится, с одной стороны, разделение поступательных и угловых смещений, а, с другой стороны, выделяются только угловые смещения всей системы, например, на подвесе.Analytical expressions (1) - (4) emphasize that in the proposed device, on the one hand, the translational and angular displacements are separated, and, on the other hand, only the angular displacements of the entire system are distinguished, for example, on a suspension.
Таким образом, в данном устройстве исключается влияние вибропомех, связанных со случайными поступательными смещениями отражателя (как и всей системы) в горизонтальной плоскости. Это повышает виброустойчивость всей системы, точность измерения величины углового смещения.Thus, in this device, the influence of vibration disturbances associated with random translational displacements of the reflector (as well as the entire system) in the horizontal plane is eliminated. This increases the vibration resistance of the entire system, the accuracy of measuring the magnitude of the angular displacement.
Разделение поступательных и угловых смещений предоставляет еще одну возможность контроля за вибросмещениями.Separation of translational and angular displacements provides another opportunity to control vibration displacements.
Если необходимо выделить именно поступательные смещения отражателя, то это можно произвести, суммируя сигналы с фотоприемников 2 и 3 (см. фиг.1). Как следует из выражений (1) и (2), при суммировании напряжений U1 и U2 результирующее напряжение пропорционально сумме смещений системы вдоль осей ОХ и OY горизонтальной плоскости. В этом случае исключается влияние угловых смещений и, так называемых, вращательных ускорений вокруг оси системы.If it is necessary to isolate precisely the translational displacements of the reflector, then this can be done by summing the signals from photodetectors 2 and 3 (see Fig. 1). As follows from expressions (1) and (2), when summing the stresses U 1 and U 2, the resulting voltage is proportional to the sum of the displacements of the system along the OX and OY axes of the horizontal plane. In this case, the influence of angular displacements and so-called rotational accelerations around the axis of the system is excluded.
На фиг.2, фиг.3, фиг.4 зеркальная пластина Зп имеет нулевую толщину, т.е. зеркальные отражающие поверхности З1 и З2 прилегают друг к другу с противоположных сторон. Однако отражатель может иметь конечную толщину, отличную от нуля. Эта величина толщины может быть учтена на фотоприемных плоскостях Фп1 и Фп2 сдвигом начала отсчета на соответствующую толщине величину. Расчетные соотношения (1)-(4) останутся неизменными.In Fig. 2, Fig. 3, Fig. 4, the mirror plate Zn has a zero thickness, i.e. mirror reflective surfaces Z1 and Z2 are adjacent to each other from opposite sides. However, the reflector may have a finite thickness other than zero. This thickness value can be taken into account on the photodetector planes Фп1 and Фп2 by shifting the reference point by a value corresponding to the thickness. The calculated relations (1) - (4) will remain unchanged.
Углы падения лучей могут отличаться от 45° и даже быть разными для луча 1 и луча 2, так как эффект разделения поступательных и угловых смещений отражателя в предложенном устройстве обусловлен, в первую очередь, тем, что отраженные лучи смещаются в одинаковом направлении при поступательных смещениях системы, а при угловых смещениях (поворотах) смещаются в противоположных направлениях. В этом случае расчетные соотношения несколько усложнятся, но схема расчета, основанная на законах геометрической оптики, останется той же и, в конечном итоге, в устройстве выделяют угловые смещения отражателя по разности двух сигналов с фотоприемников или выделяют поступательные смещения отражателя по сумме двух сигналов с фотоприемников.The angles of incidence of the rays can differ from 45 ° and even be different for
В данном устройстве могут быть также использованы общеизвестные оптические системы, увеличивающие оптическое плечо (длину) отраженного луча. Как видно из выражения (4), в предложенном устройстве, фактически, оптическое плечо увеличивается в 2 раза, что повышает точность измерения величины углового смещения.Well-known optical systems that increase the optical arm (length) of the reflected beam can also be used in this device. As can be seen from expression (4), in the proposed device, in fact, the optical arm increases by 2 times, which increases the accuracy of measuring the magnitude of the angular displacement.
Применение в предложенном устройстве отражателя в виде зеркальной пластины с двумя противоположными отражающими поверхностями, его ориентация относительно падающих лучей света, использование двух фотоприемников, двух усилителей, согласующего вычислительного блока, формирующего разностный электрический сигнал, пропорциональный величине углового смещения системы, позволяет, во-первых, разделить угловые и поступательные смещения системы на нити, а во-вторых, - контролировать собственно угловые смещения системы. Поэтому данное устройство позволяет достигнуть объявленного технического результата: повысить точность контроля угловых смещений, повысить виброустойчивость устройства и, следовательно, расширить возможности его применения.The use of a reflector in the proposed device in the form of a mirror plate with two opposite reflecting surfaces, its orientation with respect to incident light beams, the use of two photodetectors, two amplifiers, a matching computing unit that generates a difference electric signal proportional to the angular displacement of the system, allows, firstly, to separate the angular and translational displacements of the system into threads, and secondly, to control the actual angular displacements of the system. Therefore, this device allows to achieve the declared technical result: to increase the accuracy of control of angular displacements, to increase the vibration resistance of the device and, therefore, to expand the possibilities of its application.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006119602/28A RU2335736C2 (en) | 2006-06-05 | 2006-06-05 | Reflex photoelectric angular displacement control system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006119602/28A RU2335736C2 (en) | 2006-06-05 | 2006-06-05 | Reflex photoelectric angular displacement control system |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2006119602A RU2006119602A (en) | 2007-12-27 |
RU2335736C2 true RU2335736C2 (en) | 2008-10-10 |
Family
ID=39018328
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006119602/28A RU2335736C2 (en) | 2006-06-05 | 2006-06-05 | Reflex photoelectric angular displacement control system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2335736C2 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4152588A (en) * | 1977-10-28 | 1979-05-01 | Hughes Aircraft Company | Infrared scanning and display system having a noncontacting angle encoder |
US4423496A (en) * | 1980-10-13 | 1983-12-27 | U.S. Philips Corporation | Apparatus for reading and/or writing an optically readable information structure |
SU1737398A1 (en) * | 1990-06-18 | 1992-05-30 | Ленинградский Институт Точной Механики И Оптики | Scanning mirror angular position meter |
US5223710A (en) * | 1992-03-06 | 1993-06-29 | Digital Equipment Corporation | Optical angular position sensing system for use with a galvanometer |
US5451775A (en) * | 1992-05-29 | 1995-09-19 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Apparatus for detecting galvonmeter mirror movement of optical disc tracking servo system |
RU2153647C2 (en) * | 1998-01-09 | 2000-07-27 | Государственный научно-исследовательский испытательный лазерный центр РФ "Радуга" | Device for check of linear sizes by triangulation method |
-
2006
- 2006-06-05 RU RU2006119602/28A patent/RU2335736C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4152588A (en) * | 1977-10-28 | 1979-05-01 | Hughes Aircraft Company | Infrared scanning and display system having a noncontacting angle encoder |
US4423496A (en) * | 1980-10-13 | 1983-12-27 | U.S. Philips Corporation | Apparatus for reading and/or writing an optically readable information structure |
SU1737398A1 (en) * | 1990-06-18 | 1992-05-30 | Ленинградский Институт Точной Механики И Оптики | Scanning mirror angular position meter |
US5223710A (en) * | 1992-03-06 | 1993-06-29 | Digital Equipment Corporation | Optical angular position sensing system for use with a galvanometer |
US5451775A (en) * | 1992-05-29 | 1995-09-19 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Apparatus for detecting galvonmeter mirror movement of optical disc tracking servo system |
RU2153647C2 (en) * | 1998-01-09 | 2000-07-27 | Государственный научно-исследовательский испытательный лазерный центр РФ "Радуга" | Device for check of linear sizes by triangulation method |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2006119602A (en) | 2007-12-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7222534B2 (en) | Optical accelerometer, optical inclinometer and seismic sensor system using such accelerometer and inclinometer | |
JP4992078B2 (en) | Inclination angle measuring device, machine tool equipped with the same, and inclination angle calibration method for machine tool | |
EP0082524A2 (en) | Geophysical exploration system | |
CN111721235B (en) | Photoelectric edge detection system and detection method thereof | |
JPH05215764A (en) | Optical accelerometer and optical angular accelerometer | |
ITMI940475A1 (en) | ANALOGUE PROBE | |
RU2253138C1 (en) | Gravimeter | |
US2232177A (en) | Optical system | |
RU2335736C2 (en) | Reflex photoelectric angular displacement control system | |
CN109870120A (en) | High-sensitivity monitoring system for micro angular displacement of rotating body based on laser polarization measurement | |
US3073168A (en) | Accelerometer | |
JP2017037028A (en) | Measurement device | |
JP2018066629A (en) | Load cell | |
Yan | High resolution force measurement system for Lorentz force velocimetry | |
JP2017032453A (en) | Attitude angle measuring method and attitude angle measuring apparatus using diffraction grating | |
RU2137097C1 (en) | Optical three-coordinate device to test vibration displacements | |
Ge et al. | Two-dimensional real-time photoelectric autocollimator with double high sensitivity | |
SU1099302A1 (en) | Gravimeter | |
US1960891A (en) | Measuring instrument | |
RU2190199C1 (en) | Force vector pickup | |
JPS59154316A (en) | Oblique angle detector | |
RU2302008C2 (en) | Mode of definition of the angular coordinates of the measuring axle of an accelerometer | |
Nyamweru et al. | Analysis of Systematic Error of Autocollimating Null Indicator and the Ways to Eliminate It | |
JPH1047944A (en) | Position detector | |
JPH1019566A (en) | Optical inclinometer |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090606 |