RU2461798C1 - Device for angle measurement - Google Patents
Device for angle measurement Download PDFInfo
- Publication number
- RU2461798C1 RU2461798C1 RU2011103773/28A RU2011103773A RU2461798C1 RU 2461798 C1 RU2461798 C1 RU 2461798C1 RU 2011103773/28 A RU2011103773/28 A RU 2011103773/28A RU 2011103773 A RU2011103773 A RU 2011103773A RU 2461798 C1 RU2461798 C1 RU 2461798C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- prism
- signal
- angle
- recorder
- analyzer
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к фотоэлектрическим измерительным устройствам для измерения углов, угловых координат и угловых перемещений, основанных на применении поляризационной оптики.The invention relates to photoelectric measuring devices for measuring angles, angular coordinates and angular displacements based on the use of polarizing optics.
Известны устройства, обеспечивающие измерения угловых величин, построенные на использовании геометрической и поляризационной оптики, где точность измерений зависит от точности изготовления масок, нанесенных на оптические элементы, от расположения оптических элементов (дифракционные погрешности), или на точность влияет нелинейность характеристик интенсивности проходящего света, что ограничивает диапазон измерения углов, при заданной точности [1, 2].Known devices that provide measurements of angular quantities based on the use of geometric and polarization optics, where the accuracy of the measurements depends on the accuracy of the manufacture of masks deposited on the optical elements, on the location of the optical elements (diffraction errors), or the non-linearity of the transmitted light intensity characteristics affects the accuracy, which limits the range of measurement of angles, with a given accuracy [1, 2].
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является устройство для измерения углов скручивания [3]. Устройство состоит из линейного поляризационного канала в виде излучателя с естественной поляризацией и оптически связанной с ним призмы-поляризатора, призмы-анализатора, обладающими возможностью поворота относительно оптической оси, с механическим щупом, вставленным в обойму подшипника вращения, и регистратора плоскости поляризации.The closest technical solution to the proposed invention is a device for measuring torsion angles [3]. The device consists of a linear polarization channel in the form of a naturally polarized emitter and a prism-polarizer optically coupled to it, an analyzer prism that can be rotated about the optical axis, with a mechanical probe inserted into the rotation bearing race, and a polarization plane recorder.
Недостатками вышеприведенного устройства являются отсутствие статической нулевой привязки к регистратору и невозможность производить измерения в динамике.The disadvantages of the above device are the lack of a static zero reference to the registrar and the inability to make measurements in dynamics.
Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение эксплуатационных возможностей устройства для измерения угла, увеличение диапазона и точности измерений угловых величин.The main task to which the invention is directed is to expand the operational capabilities of the device for measuring angle, increasing the range and accuracy of measuring angular values.
Для решения поставленной задачи предлагается устройство для измерения угла, которое, как и прототип, содержит линейный поляризационный канал в виде излучателя монохроматического излучения, призмы-поляризатора, призмы-анализатора и регистратора.To solve this problem, a device for measuring the angle is proposed, which, like the prototype, contains a linear polarization channel in the form of a monochromatic radiation emitter, a polarization prism, an analyzer prism, and a recorder.
В отличие от прототипа в устройство дополнительно введена электромеханическая следящая система, выполненная в виде индукционного датчика угла, двигателя отработки и электронного блока управления, при этом призма-анализатор жестко закреплена на роторе индукционного датчика угла под углом к нулевому положению индукционного датчика угла.Unlike the prototype, an electromechanical servo system is additionally introduced into the device, made in the form of an induction angle sensor, a mining engine and an electronic control unit, while the prism analyzer is rigidly fixed to the rotor of the induction angle sensor at an angle to the zero position of the induction angle sensor.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что устройство для измерения угла имеет фиксированное нулевое положение, связанное с нулевым положением индукционного датчика угла, и диапазон измеряемых углов от 0 до 360°, при этом во всем диапазоне измеряемых углов от 0 до 360°, поляризационный канал работает в линейной зоне.The essence of the invention lies in the fact that the device for measuring the angle has a fixed zero position associated with the zero position of the induction angle sensor, and the range of measured angles from 0 to 360 °, while in the entire range of measured angles from 0 to 360 °, the polarization channel works in a linear zone.
Для повышения точности измерений устройство имеет две системы отсчета: грубую, в виде сигнала индукционного датчика угла и точную, в виде сигнала регистратора поляризационного канала.To improve the accuracy of measurements, the device has two reference systems: rough, in the form of a signal from an induction angle sensor and accurate, in the form of a signal from a polarization channel recorder.
Амплитудно-фазовое детектирование сигнала регистратора поляризационного канала осуществляется благодаря искусственному сбитию «нуля» устройства, в виде дополнительного разворота призмы-анализатора на небольшой угол относительно ротора индукционного датчика угла и компенсации этого разворота дополнительным электрическим сигналом, введенным в противофазе на сложение к основному сигналу регистратора.The amplitude-phase detection of the signal of the registrar of the polarization channel is carried out due to the artificial knocking down of the device’s “zero”, in the form of an additional turn of the analyzer prism by a small angle relative to the rotor of the induction angle sensor and compensation of this turn by an additional electric signal, introduced in antiphase to the addition to the main signal of the recorder.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что при любых взаимных поворотах объектов А и Б (см. фиг.1 и 2) появилась возможность измерять абсолютный взаимный угол поворота между ними в зоне линейной зависимости, т.е. без потери точности измерения.The essence of the invention lies in the fact that for any mutual rotations of objects A and B (see Figs. 1 and 2), it is possible to measure the absolute mutual angle of rotation between them in the zone of linear dependence, i.e. without loss of measurement accuracy.
Предлагаемое изобретение проиллюстрировано чертежами, где на фиг.1 и фиг.2 представлена оптико-кинематическая схема устройства; на фиг.3 - электрическая функциональная схема устройства; на фиг.4 - чертежи масок, нанесенных на оптические элементы, для определения положения устройства относительно «ложного нуля»; на фиг.5 - графики сигналов регистратора измерения угла при различных режимах работы устройства.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 and figure 2 presents the optical-kinematic diagram of the device; figure 3 is an electrical functional diagram of a device; figure 4 - drawings of masks deposited on the optical elements to determine the position of the device relative to the "false zero"; figure 5 - graphs of the signals of the registrar measuring angle at various modes of operation of the device.
Устройство для измерения угла состоит из излучателя монохроматического излучения 1, лазерного типа, красного светового спектра, с естественной поляризацией, излучателя-теста 2, фиолетового светового спектра (обычного светодиода), плоскопараллельной пластины с маской 3, светоделительной пластины 4, фотоприемника обратной связи по яркости 5, призмы-поляризатора 6, призмы-анализатора 7, индукционного датчика угла 8, подшипника 9, двигателя отработки 10 и регистратора 11.The angle measuring device consists of a
Устройство измерения угла содержит электронные блоки и устройства для обработки сигналов и управления, изображенные на электрической функциональной схеме, представленной на фиг.3: блок коммутации 12 для включения излучателя-теста 2, устройство автоматической регулировки усиления (АРУ) 13 для поддержания стабильности излучения по яркости излучателя монохроматического излучения 1, предусилитель-фильтр 14 для фильтрации сигнала фотоприемника обратной связи по яркости 5, датчик температуры 15, устанавливаемый на корпус регистратора 11 для компенсации температурного дрейфа нуля и коэффициента передачи регистратора 11; блок управления 16, содержащий предусилитель-фильтр для фильтрации и усиления сигнала регистратора 11, 12-ти-разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для оцифровки сигнала регистратора 11; аналого-фазовый детектор (АФД); однокристальную ЭВМ для обработки: сигналов с регистратора 11, индукционного датчика угла 8 и датчика температуры 15; управления: двигателем отработки 10, блоком коммутации 12 и блоком индикации 17, выдающей информацию об измеренном угле в визуальной форме; вторичный аналого-цифровой преобразователь угла для преобразования сигнала с индукционного датчика угла 8; универсальный контроллер моментного двигателя для управления двигателем отработки 10. Электронный блок управления 16 также содержит внешний интерфейс для подключения к компьютерной сети, с целью внешнего обслуживания и передачи данных. Электронный блок управления 16 выдает визуальную информацию на блок индикации 17.The angle measuring device contains electronic units and devices for signal processing and control, depicted in the electrical functional diagram shown in figure 3: the switching unit 12 to turn on the emitter-
Работа устройства осуществляется следующим образом.The operation of the device is as follows.
После подачи электропитания на устройство и включения лазерного диода, световой пучок от излучателя монохроматического излучения 1 проходит через светоделительную пластину 4, попадает на верхнюю грань призмы-поляризатора 6 и поступает на поверхность фотоприемника обратной связи по яркости 5. Призма-поляризатор 6, излучатель монохроматического излучения 1 и излучатель-тест 2, фотоприемник обратной связи по яркости 5, плоскопараллельная пластина с маской 3 и светоделительная пластина 4 жестко связаны с корпусом объекта А. Пройдя через призму-поляризатор 6, плоскополяризованный световой пучок попадает на призму-анализатор 7 и далее на регистратор 11. С фотоприемника обратной связи по яркости 5, имеющего узкополосную чувствительность в красном световом спектре, сигнал, пропорциональный яркости излучателя монохроматического излучения 1, попадает на предусилитель-фильтр 14 и, далее, на устройство АРУ 13, которое регулирует ток излучателя монохроматического излучения 1, стабилизируя яркость его излучения. Предусилитель-фильтр 14 не только усиливает сигнал обратной связи, но и фильтрует его от высокочастотных составляющих, связанных с шумами фотоприемника обратной связи по яркости 5. Ротор двигателя отработки 10 жестко связан с ротором индукционного датчика угла 8 внутренней обоймой подшипника 9 и призмой-анализатором 7. Внешняя обойма подшипника 9, статор двигателя отработки 10, статор индукционного датчика угла 8 и регистратора 11 жестко связаны с корпусом объекта Б. В рабочем режиме с регистратора 11 сигнал, зависящий от яркости плоскополяризованного света и угла взаимного разворота призмы-поляризатора 6 и призмы-анализатора 7 (по закону Малюса [4]), поступает в электронный блок управления 16, который выдает сигнал управления на двигатель отработки 10. Двигатель отработки 10 начинает разворачиваться, при этом разворот ротора двигателя отработки 10, ротора индукционного датчика угла 8 и призмы-анализатора 7 относительно корпуса объекта Б производится до «нулевого» перекрестного положения призмы-поляризатора 6 и призмы-анализатора 7, т.е. до минимального значения сигнала с регистратора 11. При этом с индукционного датчика угла 8 снимается сигнал, пропорциональный углу разворота его ротора относительно статора, т.е. углу разворота объекта А относительно объекта Б (грубый отсчет устройства). Этот сигнал поступает в блок управления 16, где оцифровывается и складывается с оцифрованным остаточным сигналом регистратора 11 (точный отсчет устройства), который формируется как сумма статической и динамической ошибок электромеханической следящей системы: «Регистратор 11 - блок управления 16 - двигатель отработки 10»; затем сигнал выдается на блок индикации 17 потребителю в виде цифрового значения угла. Далее электромеханическая следящая система «Регистратор 11 - электронный блок управления 16 - двигатель отработки 10» постоянно отслеживает положение призмы-поляризатора 6 и призмы-анализатора 7 в пределах точного отсчета, не допуская их большого рассогласования, с выдачей мгновенного значения угла между объектами А и Б.After applying power to the device and turning on the laser diode, the light beam from the
В начале работы устройства, для исключения захвата им «ложного нуля» производится настройка - выставка нулевого положения устройства. Для этого используется оптический канал излучателя-теста 2. На нижней поверхности (основание) призмы-анализатора 7 нанесено специальное покрытие, слой которого является прозрачным для красного света и непрозрачным для фиолетового. Такое же покрытие наносится и на плоскопараллельную пластину с маской 3. Покрытие наносится так, чтобы оно закрывало чуть больше половины светового диаметра пучка, попадающего на эти элементы, как изображено на фиг.4, где: а) - условный вид маски на плоскопараллельной пластине с маской 3 со стороны излучателя-теста 2; б) - условный вид маски на основании призмы-анализатора 7 со стороны излучателя-теста 2; в) - условный вид на поверхности регистратора 11 со стороны излучателя-теста 2 при взаимном развороте призмы-поляризатора 6 и призмы-анализатора 7 на 180°; г) - условный вид на регистраторе 11 со стороны излучателя-теста 2 при взаимном развороте призмы-поляризатора 6 и призмы-анализатора 7 на 0°.At the beginning of the operation of the device, in order to exclude the capture of “false zero” by it, a setting is made - an exhibition of the device's zero position. For this, the optical channel of the
Расположение масок на плоскопараллельной пластине с маской 3 и призме-анализаторе 7относительно оптического канала, связывающего объект А и объект Б, таково, что только при положении устройства в истинном нуле свет от излучателя-теста 2 на регистратор 11 не попадает. При подаче электропитания с электронного блока управления 16 выдается сигнал на блок коммутации 12 и происходит включение излучателя-теста 2. Световой пучок излучателя-теста 2 через плоскопараллельную пластину с маской 3 попадает на светоделительную пластину 4 и, отражаясь от нее, направляется в основной поляризационный канал через призму-поляризатор 6 и призму-анализатор 7 на регистратор 11. При этом свет от излучателя монохроматического излучения 1 также поступает на регистратор 11. Одновременно с блока управления 16 выдается сигнал на двигатель отработки 10, пропорциональный номинальной скорости вращения двигателя. Фаза сигнала выбирается таким образом, чтобы вращение призмы-анализатора 7 со стороны призмы-поляризатора 6 наблюдалось по часовой стрелке. Эта фаза считается отрицательной.The location of the masks on a plane-parallel plate with a
В каком бы положении при начале работы не находилось устройство, без прохождения «ложного нуля» устройство работу в обычном режиме не начинает. Двигатель отработки 10 разворачивает призму-анализатор 7 до тех пор, пока блок управления 16 не примет сигнал с регистратора 11 о прохождении «ложного нуля». Графики сигналов, принимаемых электронным блоком управления 16 с регистратора 11, изображены на фиг.5, где представлены условные графики сигналов с регистратора 11 и блока управления 16:In whatever position the device was at the beginning of operation, without passing the “false zero” the device does not start working in normal mode. The
UФП - напряжение сигнала с регистратора 11;U FP - voltage signal from the
φП-А - угол между призмой-поляризатором 6 и призмой-анализатором 7;φ P-A is the angle between the prism-
Ů - производная напряжения сигнала регистратора 11;Ů is the derivative of the voltage of the signal of the
φК - угол поворота призмы-поляризатора 6 и призмы-анализатора 7 для пучка красного спектра;φ K is the angle of rotation of the prism-
φФ - угол поворота призмы-поляризатора 6 и призмы-анализатора 7 для пучка фиолетового спектра;φ Ф - angle of rotation of the prism-
- напряжение сигнала компенсации. - voltage compensation signal.
Величина сигнала с регистратора 11 в «ложном нуле» превышает величину сигнала в истинном нуле.The value of the signal from the
После прохождения «ложного нуля» с блока управления 16 в блок коммутации 12 выдается сигнал на отключение излучателя-теста 2, а двигатель отработки 10 продолжает разворачивать призму-анализатор 7 в том же направлении, до переключения устройства в рабочий режим, при этом регистратор 11 принимает световой поток уже только от излучателя монохроматического излучения 1, фаза сигнала управления двигателем отработки 10 остается прежней.After passing “false zero” from the control unit 16 to the switching unit 12, a signal is issued to turn off the
Для обеспечения работы устройства в рабочем режиме электронный блок управления 16 выдает управляющий сигнал на двигатель отработки 10 соответствующей амплитуды и фазы. Значение амплитуды и фазы выходного сигнала электронного блока управления 16 формируется АФД в составе электронного блока управления 16.To ensure the operation of the device in operating mode, the electronic control unit 16 provides a control signal to the
Работа АФД происходит следующим образом: изначально, при установке призмы-анализатора 7 на ротор индукционного датчика угла 8, нулевое (скрещенное) положение призмы-анализатора 7 относительно призмы-поляризатора 6 развернуто относительно нулевого положения индукционного датчика угла 8 (ротор-статор), на некоторый начальный угол φ0, и в этом положении они жестко скреплены (ротор индукционного датчика угла 8 - призма-анализатор 7). Величина угла φ0 выбирается из условия , где φ∂мах - максимальная динамическая ошибка электромеханической следящей системы: «регистратор 11 - электронный блок управления 16 - двигатель отработки 10»;The AFD operates as follows: initially, when the
φсмах - максимальная статическая ошибка той же системы;φ smah - the maximum static error of the same system;
φлфмах - максимальный угол поворота между призмами анализатора 7 и поляризатора 6, при котором сигнал с регистратора 11 находится в линейной зоне.φ lfmah - the maximum angle of rotation between the prisms of the
При включении рабочего режима после прохождения «ложного нуля» в блоке управления 16 к сигналу, идущему от регистратора 11 в цепи управления: «регистратор 11 - предусилитель-фильтр - АЦП - АФД», программно добавляется сигнал в противофазе, по амплитуде соответствующий углу φ0. Происходит это в тот момент, когда до нулевого согласованного положения призмы-анализатора 7 и призмы-поляризатора 6 (по амплитуде сигнала с регистратора 11) остается угол φ<φ0, при этом сигнал φ0 выдается в отрицательной фазе, а сигнал с регистратора 11 по фазе считается положительным (см. фиг.5). После этого электромеханическая следящая система начинает полноценно отслеживать амплитуду и фазу сигнала регистратора 11 и устройство вступает в рабочий режим.When the operating mode is switched on after passing “false zero” in the control unit 16 to the signal coming from the
Для компенсации температурного влияния на работу устройства на корпусе регистратора 11 жестко крепится датчик температуры 15, сигнал с которого поступает на блок управления 16. По амплитуде этого сигнала в программном режиме корректируется коэффициент передачи и нулевой дрейф сигнала регистратора 11 при изменении температурных условий.To compensate for the temperature effect on the operation of the device, a temperature sensor 15 is rigidly fixed to the
Основным преимуществом заявленного изобретения является возможность получения информации о взаимном положении двух объектов А и Б относительно измерительной оси в реальном режиме времени без ограничения величины измеряемого угла, что расширяет эксплуатационные возможности устройства для использования в различных приборах и системах.The main advantage of the claimed invention is the ability to obtain information about the relative position of two objects A and B relative to the measuring axis in real time without limiting the magnitude of the measured angle, which extends the operational capabilities of the device for use in various devices and systems.
Источники информацииInformation sources
1. Российская Федерация, патент №2116618, МПК G01B 11/26, опубл. 27.07.1998.1. Russian Federation patent No. 2116618, IPC G01B 11/26, publ. 07/27/1998.
2. Япония патент №JP5223552 (А), МПК: G01B 11/26, опубл. 31.08.1993.2. Japan patent No. JP5223552 (A), IPC:
3. Российская Федерация, патент №2073198, МПК G01B 11/26, опубл. 10.02.1997 - прототип.3. Russian Federation, patent No. 2073198,
4. А.А.Детлаф, Б.М.Яворский. Курс физики Т.3 М.: Высшая школа, 1979, с.151-154.4. A.A. Detlaf, B.M. Yavorsky. Physics course T.3 M .: Higher school, 1979, p. 151-154.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011103773/28A RU2461798C1 (en) | 2011-02-02 | 2011-02-02 | Device for angle measurement |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011103773/28A RU2461798C1 (en) | 2011-02-02 | 2011-02-02 | Device for angle measurement |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2011103773A RU2011103773A (en) | 2012-08-10 |
RU2461798C1 true RU2461798C1 (en) | 2012-09-20 |
Family
ID=46849314
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011103773/28A RU2461798C1 (en) | 2011-02-02 | 2011-02-02 | Device for angle measurement |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2461798C1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU572647A1 (en) * | 1975-04-18 | 1977-09-15 | Предприятие П/Я А-7866 | Angular-position senasor |
RU2073198C1 (en) * | 1993-03-10 | 1997-02-10 | Самарский государственный аэрокосмический университет | Device for measurement of angle of twist |
JP3122687B2 (en) * | 1992-02-18 | 2001-01-09 | オリンパス光学工業株式会社 | Angle detector |
-
2011
- 2011-02-02 RU RU2011103773/28A patent/RU2461798C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU572647A1 (en) * | 1975-04-18 | 1977-09-15 | Предприятие П/Я А-7866 | Angular-position senasor |
JP3122687B2 (en) * | 1992-02-18 | 2001-01-09 | オリンパス光学工業株式会社 | Angle detector |
RU2073198C1 (en) * | 1993-03-10 | 1997-02-10 | Самарский государственный аэрокосмический университет | Device for measurement of angle of twist |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2011103773A (en) | 2012-08-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10895477B2 (en) | Sine-cosine optical frequency encoder devices based on optical polarization properties | |
US8958075B2 (en) | Swing-style and high signal-to-noise ratio demodulation devices and corresponding demodulation method for the measurement of low coherence interference displacement | |
JP5140451B2 (en) | Birefringence measuring method, apparatus and program | |
CN106338333A (en) | High-robustness homodyne laser vibration measurer based on wave plate yawing and four-step adjustment method thereof | |
CN105758625B (en) | A kind of device and method for the linear polarization sensitivity measuring remote sensing instrument | |
WO2019212354A1 (en) | Apparatus and method for determining presence of a gas | |
WO2013082247A1 (en) | Interferometer, system, and method of use | |
RU107348U1 (en) | ANGLE MEASUREMENT DEVICE | |
RU2461798C1 (en) | Device for angle measurement | |
CN205607626U (en) | Measure device of remote sensing instrument's linear polarization sensitivity | |
RU126851U1 (en) | POLARIZATION LIDAR FOR ATMOSPHERIC PROBING | |
RU166564U1 (en) | POLARIZATION LIDAR | |
US20140185056A1 (en) | Fiber optic sensor for position sensing | |
RU173330U1 (en) | POLARIZATION LIDAR | |
US20180356546A1 (en) | Method of measurement and apparatus for measurement of amplitude ratio of two first harmonics of the signal obtained from sagnac system | |
KR20080112770A (en) | Optical signal processor in fiber-optic current transducer for electric equipments | |
US5349183A (en) | Diffraction grating rotary speed sensor having a circumferentially variable pitch diffraction grating | |
Gao et al. | Robust CCD photoelectric autocollimator for outdoor use | |
US5552889A (en) | Method for the polarimetric evaluation of a polarization-modulated light signal | |
CN113176032B (en) | Pressure measurement device and method based on orthogonal phase rapid demodulation and intensity compensation | |
CN1238692C (en) | Optical non-contact type narrow angle measuring device | |
JP5260261B2 (en) | Polarization separation interferometer and polarization separation interferometer type length measuring device | |
Meteleva | The Scanistor Information-Measuring System for Monitoring Optical Characteristics of Substances | |
Zibo et al. | Design and verification of 2π space all-sky polarization observation system | |
Thummawut et al. | The progress of the primary calibration system by sine approximation method in NIMT |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190203 |