RU2381441C2 - Способ измерения углового перемещения объекта и устройство для его осуществления - Google Patents
Способ измерения углового перемещения объекта и устройство для его осуществления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2381441C2 RU2381441C2 RU2008100998/28A RU2008100998A RU2381441C2 RU 2381441 C2 RU2381441 C2 RU 2381441C2 RU 2008100998/28 A RU2008100998/28 A RU 2008100998/28A RU 2008100998 A RU2008100998 A RU 2008100998A RU 2381441 C2 RU2381441 C2 RU 2381441C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- angular displacement
- filter
- transmission
- measuring
- reflecting element
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения угловых перемещений, и может быть использовано для измерения угловых перемещений бесконтактным методом. Сущность способа измерения заключается в том, что преобразуют угловое перемещение подвижного объекта в изменение взаимного перекрытия спектров пропускания элементов оптической системы при их освещении источником света, а изменение степени перекрытия спектров пропускания преобразуется фотоприемником в соответствующее изменение электрического сигнала. При этом оптическая система состоит из последовательно расположенных неподвижного пропускающего и подвижного отражающего узкополосных фильтров, последний из которых жестко соединен с подвижным объектом. Оптический сигнал, прошедший пропускающий и отражающий фильтры регистрируется фотоприемником. Устройство для измерения углового перемещения объекта содержит источник света, неподвижный пропускающий и подвижный отражающий фильтры, и регистрирующий блок, состоящий из двух фотоприемников, связанных с усилителями сигналов фотоприемников. Также регистрирующий блок включает в себя дифференциальный и суммирующий усилители, входы которых подключены к выходам усилителей сигналов фотоприемников, причем на следящий вход суммирующего усилителя подается опорное напряжение, а выход суммирующего усилителя подключен к источнику света. Выход дифференциального усилителя является выходом устройства измерения. Технический результат - уменьшение чувствительности результата измерения углового перемещения подвижного объекта к загрязнению и деградации характеристик оптических элементов. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения перемещений, и может быть использовано в различных областях, в том числе для измерения угловых перемещений бесконтактным методом.
Известен способ (заявка RU 2001102541/28) измерения перемещения, заключающийся в том, что источник излучения оптически связан с коллиматором и светоделителем, уголковый отражатель и плоскопараллельные зеркала расположены на оптической скамье под углом 90° друг к другу и закреплены на пьезокерамических цилиндрах, далее оптический сигнал обрабатывается фотоприемником и попадает в блок регистрации. Недостатком данного способа является то, что информация о перемещении содержится в амплитуде отраженного сигнала, поэтому изменение параметров оптической системы приводит к снижению точности измерения вследствие чувствительности результата измерения углового перемещения подвижного объекта к деградации характеристик оптических элементов, загрязнению, температурным и другим изменениям.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ (RU 2258903 С2, G01B 11/04) измерения перемещения, заключающийся в том, что с объектом связывают отражающий элемент с экспоненциальным изменением коэффициента отражения в направлении перемещения объекта, направляют на элемент пучок излучения, растянутого в линию, перпендикулярную направлению перемещения, измеряют амплитуду отраженного сигнала в различные моменты времени и по логарифму отношения измеренных амплитуд определяют величину перемещения объекта.
Недостатком данного способа является то, что информация содержится в амплитуде отраженного сигнала, поэтому изменение параметров оптической системы приводит к снижению точности измерения вследствие чувствительности результата измерения углового перемещения подвижного объекта к деградации характеристик оптических элементов, загрязнению, температурным и другим изменениям.
В основу изобретения поставлена задача уменьшения чувствительности результата измерения углового перемещения подвижного объекта к деградации характеристик оптических элементов, загрязнению, температурным и другим изменениям.
Известно устройство для измерения перемещения объекта, содержащее отражающий элемент, связанный с объектом, источник излучения и регистрирующий блок, среднее значение оптической плотности отражающего элемента в направлении движения объекта изменяется по формуле К=К0·е-α·x, а на пути освещающего пучка установлен формирователь пучка в виде прямой линии постоянной толщины, например, цилиндрическая линза.
Недостатком данного устройства является то, что информация содержится в амплитуде отраженного сигнала, поэтому изменение параметров оптической системы приводит к снижению точности измерения вследствие чувствительности результата измерения углового перемещения подвижного объекта к деградации характеристик оптических элементов, загрязнению, температурным и другим изменениям.
В основу изобретения поставлена задача уменьшения чувствительности результата измерения углового перемещения подвижного объекта к деградации характеристик оптических элементов, загрязнению, температурным и другим изменениям.
Данная задача решается за счет того, что в способе измерения углового перемещения объекта, заключающемся в том, что с объектом связывают отражающий элемент, закрепленный на оси вращения объекта, направляют на отражающий элемент поток излучения, принимают отраженное излучение, согласно изобретению отражающий элемент выполняют в виде отражающего фильтра, установленного под углом к оси вращения объекта, а после отражающего фильтра размещают неподвижный пропускающий фильтр, причем спектр пропускания неподвижного пропускающего и спектр отражения отражающего фильтров частично перекрываются, при этом изменение степени перекрытия спектров неподвижного пропускающего и отражающего фильтров определяется изменением угла поворота отражающего фильтра, закрепленного на объекте, относительно неподвижного пропускающего фильтра, что изменяет величину потока излучения, прошедшего через неподвижный и подвижный фильтры, который зависит от угла перемещения объекта, при этом по величине прошедшего потока излучения судят об угловом перемещении объекта.
Данный способ может быть реализован с помощью устройства измерения перемещения объекта, построенного по одноканальной схеме прямого преобразования и по дифференциальной схеме. Преимущество применения дифференциальных схем обусловлено тем, что они обладают более высокими метрологическими характеристиками по сравнению со схемами прямого преобразования из-за отсутствия смещения и дрейфа «нуля» и более линейной позиционной характеристикой.
Данный способ реализуется с помощью устройства для измерения углового перемещения объекта, содержащего отражающий элемент, связанный с подвижным объектом, источник света, регистрирующий блок, принимающий отраженное излучение, согласно изобретению регистрирующий блок выполнен в виде двух фотоприемников, дифференциального и суммирующего усилителей, причем входы дифференциального усилителя подключены к фотоприемникам, а на один из входов суммирующего усилителя подается суммарный сигнал фотоприемников с сумматора, при этом в устройство введен неподвижный узкополосный пропускающий фильтр, расположенный после отражающего элемента, а отражающий элемент выполнен в виде отражающего фильтра, установленного под углом к оси вращения подвижного объекта, причем на второй вход суммирующего усилителя подается опорное напряжение, а выход суммирующего усилителя подключен к источнику света, причем световой поток от источника излучения вводится в волоконно-оптическую линию связи для попадания в область установки отражающего фильтра и неподвижного узкополосного пропускающего фильтра, при этом выход дифференциального усилителя является выходом устройства измерения.
Данная задача решается за счет того, что в способе измерения углового перемещения объекта согласно изобретению с подвижным объектом связывают отражающий элемент, направляют на отражающий элемент пучок излучения, принимают отраженное излучение регистрирующим блоком, при этом отражающий элемент выполняют в виде отражающего фильтра, установленного под углом к оси вращения подвижного объекта, а после отражающего фильтра размещают неподвижный узкополосный пропускающий фильтр, при этом спектр пропускания неподвижного пропускающего и спектр отражения отражающего фильтров частично перекрывают друг друга, при этом изменение степени перекрытия спектров неподвижного пропускающего и отраженного фильтров определяется изменением угла поворота отражающего фильтра, закрепленного на объекте, относительно неподвижного пропускающего фильтра.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства для измерения углового перемещения объекта.
На фиг. 2 представлено расположение спектральных характеристик подвижного и неподвижного фильтров.
На фиг. 3 представлена зависимость выходного сигнала от углового перемещения объекта.
Устройство для измерения углового перемещения объекта содержит оптический 1 и регистрирующий 2 блоки.
Оптический блок 1 (фиг.1) состоит из последовательно расположенных неподвижного пропускающего фильтра (НПФ) 3 и подвижного отражающего фильтра (ПОФ) 4. Оптический блок 1 оптически связан с фотопреобразователями 5, 6 регистрирующего блока 2, состоящими из фотоприемников 7, 8 и усилителей 9, 10 соответственно. Кроме того, регистрирующий блок 2 состоит из дифференциального 11 и суммирующего 12 усилителей, причем входы дифференциального усилителя 11 подключены к выходам усилителей 9, 10 фотопреобразователей 5 и 6, а на суммирующие входы суммирующего усилителя 12 подаются сигналы усилителей сигналов 9, 10 фотопреобразователей 5, 6. На следящий вход суммирующего усилителя 12 подается опорный сигнал Uоп. Выход суммирующего усилителя 12 подключен к источнику излучения 13 (светоизлучающий диод). Выход дифференциального усилителя 11 является выходом устройства измерения. Источник излучения 13 оптически связан с оптическим блоком 1, например, через волоконно-оптическую линию связи 14.
При угловом перемещении ПОФ 4, связанного с объектом, относительно НПФ 3 изменяется степень перекрытия их спектральных характеристик и, соответственно, выходные сигналы фотопреобразователей 5, 6 (фиг.2). Расположив элементы оптического блока так, что в исходном положении их спектральные характеристики частично перекрываются, можно вывести «рабочую точку» на линейный участок позиционной характеристики (фиг.3). Диапазон линейности позиционной характеристики определяется полосами пропускания НПФ 3 и ПОФ 4 и углом поворота объекта.
Устройство работает следующим образом. Поток излучения от источника излучения (светоизлучающего диода) 13, например, через волоконно-оптическую линию связи 14 подается на ПОФ 4 симметрично относительно оси вращения ПОФ 4, жестко связанного с объектом. Поток излучения источника излучения 13, отражаясь от ПОФ 4, разбивается на две части, проходит через НПФ 3 и подается на фотоприемники 7, 8 фотопреобразователей 5, 6.
В дальнейшем совокупность фотоприемника, подключенного к усилителю сигнала, будем называть фотопреобразователем.
Сигналы с выхода усилителей сигналов 9, 10 фотоприемников 7, 8 подаются на входы дифференциального 11 и суммирующего 12 усилителей. Обозначим:
k - коэффициент пропорциональности;
- спектральная характеристика ПОФ 4, отражающего часть потока излучения на фотоприемник 7 фотопреобразователя 5;
- спектральная характеристика ПОУФ 4, отражающего часть потока излучения на фотоприемник 8 фотопреобразователя 6;
- спектральная характеристика НПф 3, пропускающего часть потока излучения на фотоприемник 7 фотопреобразователя 5;
- спектральная характеристика НПФ 3, пропускающего часть потока излучения на фотоприемник 8 фотопреобразователя 6;
λ1, λ2, λ3 - центральные частоты спектральных характеристик источника излучения 13 и ПОФ 4 и НПФ 3 соответственно;
A1 - отражение в максимуме спектральной характеристики ПОФ 4;
А2 - пропускание в максимуме спектральной характеристики НПФ 3;
φ0 - угол начальной установки ПОФ 4, соответствующий частичному перекрытию спектральных характеристик ПОФ и НПФ (фиг. 2);
Kf, KR, КT - коэффициенты, определяющие полуширину спектральных характеристик источника излучения, ПОФ и НПФ соответственно.
Дифференциальный усилитель 11 формирует выходной сигнал устройства для измерения углового перемещения объекта. Его выходной сигнал можно представить в виде:
Y=[Jϕ1·K1-Jϕ2·K1]·K2,
где
Gφ(λ) - спектральная характеристика чувствительности фотоприемника;
α1, α2 - коэффициенты, учитывающие пропускания оптических элементов и оптической среды;
K1 - коэффициент усиления усилителей сигналов 9, 10 фотопреобразователей 5,6;
К2 - коэффициент усиления дифференциального усилителя 11.
Суммирующий усилитель 12 образует следящую обратную связь для компенсации влияния характеристик оптических элементов, на которые действуют дестабилизирующие факторы.
С учетом следящей обратной связи ток питания источника излучения 13 может быть представлен следующим образом:
где
B(t) - опорный сигнал Uоп, подаваемый на следящий вход суммирующего усилителя 12;
К3 - коэффициент усиления суммирующего усилителя 12;
К4 - коэффициент передачи суммирующего элемента суммирующего усилителя 12.
После очевидных преобразований при К3→∞ получим зависимость выходного сигнала устройства измерения углового перемещения объекта от угла его поворота:
где d=К0·(λ-λ0·cos(ϕ0))2;
d1=К0(λ-λ0·cos(ϕ0±Δϕ))2;
a=Kf+KR+КT;
К0 - коэффициент, определяющий полуширину спектральных характеристик ПОФ и НПФ;
λ0 - центральная частота спектральных характеристик элементов оптического блока.
С учетом (1), получим выражение для чувствительности устройства измерения углового перемещения объекта к изменению пропускания оптических элементов по каждому из 2-х каналов:
А в прототипе соответствующее выражение для чувствительности устройства к изменению пропускания оптических элементов будет иметь вид:
Например, при ширине полосы пропускания ПОФ 4 и НПФ 3 40 нм, угле установки источника излучения φ0=8° и изменении амплитуды оптического сигнала, происходящим, например, вследствие деградации оптических характеристик или загрязнения, в 5%, получим, что чувствительность предлагаемого устройства к изменению свойств оптической системы более чем на 40 дБ ниже, чем у прототипа.
Claims (2)
1. Устройство для измерения углового перемещения объекта, содержащее отражающий элемент, связанный с подвижным объектом, источник света, регистрирующий блок, принимающий отраженное излучение, отличающееся тем, что регистрирующий блок выполнен в виде двух фотоприемников, дифференциального и суммирующего усилителей, причем входы дифференциального усилителя подключены к фотоприемникам, а на один из входов суммирующего усилителя подается суммарный сигнал фотоприемников с сумматора, при этом в устройство введен неподвижный узкополосный пропускающий фильтр, расположенный после отражающего элемента, а отражающий элемент выполнен в виде отражающего фильтра, установленного под углом к оси вращения подвижного объекта, причем на второй вход суммирующего усилителя подается опорное напряжение, а выход суммирующего усилителя подключен к источнику света, причем световой поток от источника излучения вводится в волоконно-оптическую линию связи для попадания в область установки отражающего фильтра и неподвижного узкополосного пропускающего фильтра, при этом выход дифференциального усилителя является выходом устройства измерения.
2. Способ измерения углового перемещения объекта при помощи устройства по п.1, заключающийся в том, что с подвижным объектом связывают отражающий элемент, направляют на отражающий элемент пучок излучения, принимают отраженное излучение регистрирующим блоком, при этом отражающий элемент выполняют в виде отражающего фильтра, установленного под углом к оси вращения подвижного объекта, а после отражающего фильтра размещают неподвижный узкополосный пропускающий фильтр, при этом спектр пропускания неподвижного пропускающего и спектр отражения отражающего фильтров частично перекрывают друг друга, при этом изменение степени перекрытия спектров неподвижного пропускающего и отраженного фильтров определяется изменением угла поворота отражающего фильтра, закрепленного на объекте, относительно неподвижного пропускающего фильтра.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008100998/28A RU2381441C2 (ru) | 2008-01-09 | 2008-01-09 | Способ измерения углового перемещения объекта и устройство для его осуществления |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008100998/28A RU2381441C2 (ru) | 2008-01-09 | 2008-01-09 | Способ измерения углового перемещения объекта и устройство для его осуществления |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2008100998A RU2008100998A (ru) | 2009-07-20 |
RU2381441C2 true RU2381441C2 (ru) | 2010-02-10 |
Family
ID=41046747
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2008100998/28A RU2381441C2 (ru) | 2008-01-09 | 2008-01-09 | Способ измерения углового перемещения объекта и устройство для его осуществления |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2381441C2 (ru) |
-
2008
- 2008-01-09 RU RU2008100998/28A patent/RU2381441C2/ru not_active IP Right Cessation
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2008100998A (ru) | 2009-07-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN102564317B (zh) | 一种基于光纤复合干涉的高精度远程绝对位移测量系统 | |
CN100439859C (zh) | 利用光纤光栅的光纤干涉型在线微位移测量系统 | |
CN102261985B (zh) | 光学系统波像差标定装置及该装置测试误差的标定方法 | |
CN105004273B (zh) | 一种激光干涉位移测量系统 | |
CN102564318B (zh) | 一种基于光纤复合干涉的高精度绝对位移测量系统 | |
CN104215176B (zh) | 高精度光学间隔测量装置和测量方法 | |
JPH0231113A (ja) | 干渉計センサ及び干渉計装置における該センサの使用 | |
US7738112B2 (en) | Displacement detection apparatus, polarization beam splitter, and diffraction grating | |
CN105674902A (zh) | 光学镜组镜面间隙测量装置和测量方法 | |
US7515275B2 (en) | Optical apparatus and method for distance measuring | |
CN104296676A (zh) | 基于低频差声光移频器移相的外差点衍射干涉仪 | |
CN105333815A (zh) | 一种基于光谱色散线扫描的超横向分辨率表面三维在线干涉测量系统 | |
CN103322933A (zh) | 非接触式光学镜面间隔测量装置 | |
CN108132026B (zh) | 半导体中红外可见光双波长透射式干涉测试装置 | |
CN104634370B (zh) | 一种基于激光器的传感器 | |
CN103439294A (zh) | 角度调制与波长调制spr共用系统 | |
CN105300290B (zh) | 一种基于波数分辨的低相干干涉绝对距离测量系统 | |
EP2718666A1 (en) | Coupled multi-wavelength confocal systems for distance measurements | |
RU2381441C2 (ru) | Способ измерения углового перемещения объекта и устройство для его осуществления | |
CN106597467A (zh) | 一种基于hom干涉原理的测距仪 | |
CN101825435A (zh) | 一种全光纤位移测量方法及装置 | |
KR101870989B1 (ko) | 광학계 및 이를 구비한 간섭계 | |
CA2552465C (en) | Optical apparatus and method for distance measuring | |
RU2141621C1 (ru) | Интерферометрическое устройство для измерения физических параметров прозрачных слоев (варианты) | |
CN220556313U (zh) | 一种基于光栅干涉式测量的纳米位移台校准装置 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100110 |