RU2467285C1 - Device for twist angle measurement - Google Patents
Device for twist angle measurement Download PDFInfo
- Publication number
- RU2467285C1 RU2467285C1 RU2011126209/28A RU2011126209A RU2467285C1 RU 2467285 C1 RU2467285 C1 RU 2467285C1 RU 2011126209/28 A RU2011126209/28 A RU 2011126209/28A RU 2011126209 A RU2011126209 A RU 2011126209A RU 2467285 C1 RU2467285 C1 RU 2467285C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- shaper
- photodetector
- lens
- optical axis
- radiator
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области измерительной техники, к измерительным устройствам, характеризующимся оптическими средствами измерений, и может быть использовано для решения широкого круга технических задач, таких как юстировка оптико-электронных систем, сборка крупногабаритных конструкций, определение параметров жесткости валов, дистанционное измерение и дистанционная передача значения угла скручивания и др.The invention relates to the field of measuring equipment, to measuring devices characterized by optical measuring instruments, and can be used to solve a wide range of technical problems, such as aligning optoelectronic systems, assembling large-sized structures, determining the parameters of shaft rigidity, remote measurement and remote transmission of values twisting angle, etc.
Известно автоколлимационное устройство для передачи горизонтального направления с одного горизонта на другой [Пат. RU, №2204116, МПК G01C 15/00, приор. 14.06.2001 г.], состоящее из расположенных на оптической оси, совпадающей с осью вращения объекта, источника излучения, формирователя марки в виде матрицы круглых окон (МКО), светоделительной призмы, разделяющей осветительный и измерительный каналы, объектива, отражателя в виде призмы АР-90, расположенного на объекте, и ПЗС-матрицы, при этом марка и ПЗС-матрица установлены в фокальной плоскости объектива, а ПЗС-матрица связана с блоком обработки информации.Known auto-collimation device for transmitting horizontal direction from one horizon to another [US Pat. RU, No. 2204116, IPC G01C 15/00, prior. 06/14/2001], consisting of located on the optical axis, coinciding with the axis of rotation of the object, the radiation source, the shaper brand in the form of a matrix of round windows (MCO), a beam splitting prism separating the lighting and measuring channels, a lens, a reflector in the form of a prism AR -90, located on the object, and the CCD matrix, while the brand and the CCD matrix are installed in the focal plane of the lens, and the CCD matrix is connected to the information processing unit.
Источник излучения подсвечивает марку в виде МКО, излучение проходит светоделительную призму, затем параллельный пучок света после прохождения объектива попадает на установленный на объекте отражатель в виде призмы АР-90, отражается от него, проходит в обратном ходе объектив, светоделительную призму и попадает на ПЗС-матрицу. На ПЗС-матрице появляется изображение МКО, поворот которой вокруг оптической оси равен удвоенному углу поворота отражателя. Поворот изображения МКО приводит к повороту изображения марки относительно координат ПЗС-матрицы. По смещению изображения МКО в блоке обработки информации рассчитывают угол скручивания. Алгоритм расчета угла скручивания по смещению изображения марки известен.The radiation source illuminates the mark in the form of an MCO, the radiation passes through a beam-splitting prism, then a parallel light beam after passing through the lens enters the reflector installed in the object in the form of a prism AR-90, is reflected from it, the lens passes in the reverse direction, the beam-splitting prism and hits the CCD matrix. An MCO image appears on the CCD matrix, the rotation of which around the optical axis is equal to twice the angle of rotation of the reflector. The rotation of the MCO image leads to the rotation of the brand image relative to the coordinates of the CCD matrix. The torsion angle is calculated from the displacement of the MCO image in the information processing unit. The algorithm for calculating the twist angle by the displacement of the brand image is known.
Автоколлиматор позволяет вести измерения при существенных продольных смещениях отражателя вдоль оптической оси (изменения расстояния от фотоприемного устройства до объекта) без перефокусировки объектива и с постоянной погрешностью измерений (без учета влияния возмущений в воздушном тракте).The autocollimator allows measurements at significant longitudinal displacements of the reflector along the optical axis (changes in the distance from the photodetector to the object) without refocusing the lens and with a constant measurement error (without taking into account the influence of disturbances in the air duct).
Однако такое устройство имеет сложную конструкцию и включает высококачественный длиннофокусный объектив с большим полем зрения, высококачественную светоделительную призму-куб и высококачественную призму АР-90.However, such a device has a complex design and includes a high-quality telephoto lens with a large field of view, a high-quality beam-splitting prism-cube, and a high-quality prism AP-90.
Известно выбранное нами в качестве прототипа устройство для измерения угла скручивания [Пат. RU №2152591, МПК G01C 15/00, приор. 09.06.1999 г.], состоящее из размещенных на объекте источника излучения и марки в виде матрицы круглых окон (МКО) и расположенного соосно с маркой фотоприемного устройства, состоящего из объектива и установленной за ним ПЗС-матрицы, причем ПЗС-матрица установлена так, что изображение марки спроецировано на ПЗС-матрице, при этом оптическая ось системы совпадает с осью скручивания.Known we have chosen as a prototype device for measuring the angle of twisting [Pat. RU No. 2152591, IPC G01C 15/00, prior. 06/09/1999], consisting of a radiation source and a mark in the form of a matrix of round windows (MCO) located on the object and located coaxially with the mark of the photodetector, consisting of a lens and a CCD matrix installed behind it, and the CCD is installed as that the image of the brand is projected on a CCD matrix, while the optical axis of the system coincides with the axis of twisting.
Марку в виде матрицы круглых окон (МКО) проецируют объективом в плоскость ПЗС-матрицы. В блоке обработки информации определяют координаты центров изображения окон, координаты центров изображения окон приводят к центру изображения матрицы круглых окон. При развороте МКО вокруг оси происходит разворот изображения на тот же угол, который можно определить по изменению координат окон.A stamp in the form of a matrix of round windows (MCO) is projected by the lens into the plane of the CCD matrix. In the information processing unit, the coordinates of the centers of the image of the windows are determined, the coordinates of the centers of the image of the windows lead to the center of the image of the matrix of round windows. When the MCO is rotated around the axis, the image is rotated by the same angle, which can be determined by changing the coordinates of the windows.
Недостатком устройства является переменная погрешность измерения угла скручивания при применении объектива фотоприемного устройства с постоянным фокусным расстоянием. В случае увеличения расстояния от фотоприемного устройства до объекта погрешность измерения увеличивается пропорционально увеличению расстояния, так как погрешность измерений зависит от диаметра изображения матрицы окон на ПЗС-матрице, т.е. от масштаба изображения. Другим недостатком является сложность устройства из-за наличия системы фокусировки объектива при изменении расстояния до объекта. Объектив при перефокусировке не должен изменять аберрационные характеристики и положение оптической оси в пространстве.The disadvantage of this device is the variable error of measurement of the angle of twist when using the lens of a photodetector with a constant focal length. In the case of increasing the distance from the photodetector to the object, the measurement error increases in proportion to the increase in the distance, since the measurement error depends on the diameter of the image of the matrix of windows on the CCD matrix, i.e. from image scale. Another disadvantage is the complexity of the device due to the presence of a lens focusing system when changing the distance to the object. When refocusing, the lens should not change the aberration characteristics and the position of the optical axis in space.
Нами предложено высокоточное устройство для измерения с постоянной погрешностью угла скручивания, работающее при изменении расстояния до объекта в больших пределах и не требующее перестройки (фокусировки, изменения масштаба). Устройство просто в изготовлении и содержит стандартные унифицированные узлы.We have proposed a high-precision device for measuring with a constant error in the torsion angle, which works when the distance to the object changes within large limits and does not require adjustment (focusing, zooming). The device is easy to manufacture and contains standard unified nodes.
Такой технический результат достигнут нами, когда в устройстве для измерения угла скручивания, включающем размещенный на объекте излучатель, установленный на оптической оси устройства, совпадающей с осью вращения объекта, матричный фотоприемник и связанный с ним вычислительный блок, новым является то, что на объекте по ходу луча излучателя дополнительно установлен формирователь марки, формирующий марку в виде линейной интерференционной структуры высокого контраста, локализованной в пространстве между формирователем и фотоприемником и лежащей в плоскости, перпендикулярной оптической оси, а излучатель выполнен в виде когерентного источника излучения.We achieved such a technical result when, in a device for measuring the angle of torsion, including an emitter placed on an object, mounted on the optical axis of the device coinciding with the axis of rotation of the object, the photodetector array and the associated computing unit, it is new that the object along the way of the emitter’s beam, a brand shaper is additionally installed, forming a brand in the form of a linear interference structure of high contrast localized in the space between the shaper and the photodetector and lying in a plane perpendicular to the optical axis, and the emitter is designed as a coherent radiation source.
Подходы к решению задачи формирования марки в виде линейной интерференционной структуры высокого контраста с заданными свойствами известны.Approaches to solving the problem of brand formation in the form of a linear interference structure of high contrast with desired properties are known.
На фиг.1 приведена принципиальная схема измерителя угла скручивания, где: размещенные на вращающемся вокруг оптической оси объекте когерентный источник 1 излучения и формирователь 2 линейной интерференционной структуры, матричный фотоприемник 3, вычислительный блок 4.Figure 1 shows a schematic diagram of a torsion angle meter, where: a coherent radiation source 1 and a
На фиг.2 приведена иллюстрация примера конкретного выполнения устройства, где: размещенные на объекте, вращающемся вокруг оптической оси, источник 1 когерентного излучения и формирователь 2 линейной интерференционной структуры, матричный фотоприемник 3, вычислительный блок 4, одномодовое оптоволокно 5, разветвитель 6, объектив 7. Объектив 7, разветвитель 6 и одномодовое оптоволокно 5 образуют формирователь 2 линейной интерференционной структуры.Figure 2 shows an example of a specific embodiment of the device, where: placed on an object rotating around the optical axis, a coherent radiation source 1 and a linear interference structure former 2, a
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
Излучение когерентного источника 1 вводят в формирователь 2 линейной интерференционной структуры, на выходе которого в перпендикулярных оси плоскостях создаются интерференционные полосы, которые изображаются на матричном фотоприемнике 3.The radiation of the coherent source 1 is introduced into the
Формирователем 2 линейной интерференционной структуры (марки) служит устройство, на выходе которого интерферируют два плоских волновых фронта, наклоненных друг относительно друга на определенный угол, от которого зависит частота интерференционных полос. При пространственной и временной когерентности источника излучения интерференционная структура высокого контраста будет существовать на любой дистанции в зоне пересечения апертур интерферирующих фронтов.
Как было сказано выше, подходы к решению задачи формирования марки в виде линейной интерференционной структуры высокого контраста с заданными свойствами известны и могут быть выполнены, например, при помощи волоконных, голограммных, поляризационных и других оптических элементов.As mentioned above, approaches to solving the problem of brand formation in the form of a linear interference structure of high contrast with desired properties are known and can be performed, for example, using fiber, hologram, polarization and other optical elements.
Принципиальным является то, что изображение интерференционных полос на матричном фотоприемнике 3 при переменном расстоянии до объекта получается без применения фокусирующего объектива. Это исключает дополнительную погрешность измерений, связанную с аберрациями и дисторсией объектива с большим полем зрения, определяемым форматом матрицы, а также наклоном оптической оси при его перефокусировке. Диапазон рабочих расстояний до объекта зависит от диаметра формирователя и частоты интерференционных полос, формата приемника и может быть рассчитан для выбранных параметров системы.It is fundamental that the image of interference fringes on the
Благодаря тому, что формирователь размещен на объекте и меняет свое положение вместе с ним, угол поворота изображения полос будет соответствовать углу поворота объекта с установленным на нем блоком формирования линейной интерференционной структуры. В вычислительном блоке 4 происходит расчет угла поворота изображения интерференционных полос относительно координат матричного фотоприемника 3. Алгоритм расчета угла поворота (скручивания) известен.Due to the fact that the shaper is placed on the object and changes its position with it, the angle of rotation of the image of the stripes will correspond to the angle of rotation of the object with the linear interference structure forming unit installed on it. In the
Пример конкретного исполненияConcrete example
По схеме, приведенной на фиг.1, создан макет устройства для измерения угла скручивания (фиг.2). Из соображений минимизации когерентных шумов в качестве формирователя интерференционной структуры выбрана схема с волоконным источником света, дающим практически идеальный сферический фронт. В качестве когерентного источника света был выбран полупроводниковый лазер (λ=0,635 мкм) с волоконным выводом, в качестве фотоприемника - цифровая ПЗС-матрица формата 1280×1024 элементов с размером элемента 5 мкм. В качестве вычислительного блока 4 используют компьютер типа Пентиум-4.According to the scheme shown in figure 1, created a mock device for measuring the angle of twisting (figure 2). For reasons of minimizing coherent noise, a circuit with a fiber light source giving an almost perfect spherical front was chosen as a shaper of the interference structure. A semiconductor laser (λ = 0.635 μm) with a fiber output was chosen as a coherent light source, and a digital CCD matrix of 1280 × 1024 elements with an element size of 5 μm was used as a photodetector. As a
Излучение полупроводникового лазера 1 с одномодовым световодом на выходе делится на два канала при помощи разветвителя 6. Торцы выходных одномодовых световодов 5 являются точечными источниками, которые расположены в фокальной плоскости объектива 7 на определенном расстоянии друг от друга. Разветвитель 6, одномодовые световоды 5 и объектив 7 образуют формирователь линейной интерференционной структуры в сечении, перпендикулярном оси объектива. Каждый точечный источник (торец световодов 5), помещенный в фокальную плоскость объектива 7, дает на выходе плоский волновой фронт. Частота интерференционной структуры, получаемой при интерференции двух плоских волновых фронтов, вышедших из объектива под углом друг к другу, зависит от расстояния между точечными источниками (торцами световодов) и фокусного расстояния объектива, и в данном случае составляет 3.1 мм-1 (угол 7 угл. мин).The radiation of a semiconductor laser 1 with a single-mode optical fiber at the output is divided into two channels using a splitter 6. The ends of the output single-mode optical fibers 5 are point sources that are located in the focal plane of the lens 7 at a certain distance from each other. The splitter 6, the single-mode optical fibers 5 and the lens 7 form a shaper of the linear interference structure in a section perpendicular to the axis of the lens. Each point source (end of optical fibers 5), placed in the focal plane of the lens 7, gives a flat wave front at the output. The frequency of the interference structure obtained by the interference of two plane wave fronts that come out of the lens at an angle to each other depends on the distance between the point sources (fiber ends) and the focal length of the lens, and in this case is 3.1 mm -1 (angle 7 angles. min).
Интерференционная структура локализована во всех плоскостях между объективом 7 и фотоприемником 3 в зоне пересечения плоских волновых фронтов. Зона пересечения фронтов определяет максимальную дистанцию работы устройства. В данном случае при световом диаметре объектива, равном 30 мм, максимальная дистанция составляет порядка 4 м (с запасом по поперечному смещению матричного фотоприемника).The interference structure is localized in all planes between the lens 7 and the
Начальный угол ориентации изображения интерференционных полос на ПЗС-матрице устанавливается близким к нулю градусов относительно столбцов матрицы.The initial orientation angle of the image of interference fringes on the CCD matrix is set to close to zero degrees relative to the columns of the matrix.
Лазеры с оптоволоконным выводом и разветвители являются серийно выпускаемыми изделиями. Требования к объективу 7 формирователя значительно ниже, чем к объективу фотоприемного устройства прототипа. Объектив формирователя, например, по сравнению с объективом прототипа, имеет значительно меньшее линейное поле зрения (0,25 мм и 10 мм), меньшее фокусное расстояние (100 мм и 500 мм при дистанции 4 м), у него отсутствуют требования к наличию фокусировочной подвижки.Fiber optic lasers and splitters are commercially available products. The requirements for the lens 7 of the shaper are significantly lower than for the lens of the photodetector device of the prototype. The shaper lens, for example, in comparison with the prototype lens, has a significantly smaller linear field of view (0.25 mm and 10 mm), a smaller focal length (100 mm and 500 mm at a distance of 4 m), it does not have requirements for the presence of focusing movement .
Задачу изменения масштаба изображения при переменном расстоянии до объекта для сохранения постоянной погрешности измерений в устройствах, таких как прототип, можно было бы решить, применяя высококачественный объектив с переменным фокусным расстоянием. Однако к нему существуют высокие технические требования. Объектив должен иметь большое поле зрения, определяемое используемой матрицей, маленькие аберрации, малую дисторсию, сохранение маленьких аберраций и дисторсии при перефокусировке и изменении фокусного расстояния, сохранение направления оптической оси при перефокусировке и изменении фокусного расстояния. Стоимость такого объектива несоизмеримо выше суммарной стоимости остальных элементов устройства.The task of zooming at a variable distance to the object to maintain a constant measurement error in devices such as a prototype could be solved using a high-quality lens with a variable focal length. However, there are high technical requirements for it. The lens should have a large field of view, determined by the matrix used, small aberrations, small distortion, preservation of small aberrations and distortions when refocusing and changing the focal length, preserving the direction of the optical axis when refocusing and changing the focal length. The cost of such a lens is incommensurably higher than the total cost of the remaining elements of the device.
Диапазон измерений устройства составил ±6 угл. град, погрешность измерения угла скручивания в лабораторных условиях составила 4 угл. сек при изменении дистанции до объекта от 0,1 м до 4 м.The measuring range of the device was ± 6 angles. hail, the error in measuring the angle of twist in laboratory conditions was 4 angles. sec when changing the distance to the object from 0.1 m to 4 m.
В настоящее время ведется конструкторская проработка системы. Предполагается использование предложенного технического решения в системе дистанционной передачи угловой координаты.Currently, the design study of the system is underway. It is supposed to use the proposed technical solution in the system of remote transmission of angular coordinates.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011126209/28A RU2467285C1 (en) | 2011-06-24 | 2011-06-24 | Device for twist angle measurement |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011126209/28A RU2467285C1 (en) | 2011-06-24 | 2011-06-24 | Device for twist angle measurement |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2467285C1 true RU2467285C1 (en) | 2012-11-20 |
Family
ID=47323308
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011126209/28A RU2467285C1 (en) | 2011-06-24 | 2011-06-24 | Device for twist angle measurement |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2467285C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2663297C1 (en) * | 2017-08-03 | 2018-08-03 | Акционерное общество "ЛОМО" | Twist angle measuring system |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3955083A (en) * | 1973-11-27 | 1976-05-04 | Hawker Siddeley Dynamics Limited | Interferometric device for encoding shaft angles |
SU1019235A1 (en) * | 1977-06-26 | 1983-05-23 | Центральный Ордена "Знак Почета" Научно-Исследовательский Институт Геодезии,Аэросъемки И Картографии Им.Ф.И.Красовского | Twisting angle measuring device |
RU2075727C1 (en) * | 1993-05-24 | 1997-03-20 | Московский институт инженеров геодезии, аэрофотосъемки и картографии | Method of measurement of angles of turn of several objects and device for its implementation |
RU2152591C1 (en) * | 1999-06-09 | 2000-07-10 | Государственный специализированный проектный институт | Device transmitting horizontal direction from one horizon to another |
RU2384812C1 (en) * | 2008-12-15 | 2010-03-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский институт комплексных испытаний оптико-электронных приборов и систем (ФГУП НИИКИ ОЭП) | Autocollimator for measuring angle of torque |
-
2011
- 2011-06-24 RU RU2011126209/28A patent/RU2467285C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3955083A (en) * | 1973-11-27 | 1976-05-04 | Hawker Siddeley Dynamics Limited | Interferometric device for encoding shaft angles |
SU1019235A1 (en) * | 1977-06-26 | 1983-05-23 | Центральный Ордена "Знак Почета" Научно-Исследовательский Институт Геодезии,Аэросъемки И Картографии Им.Ф.И.Красовского | Twisting angle measuring device |
RU2075727C1 (en) * | 1993-05-24 | 1997-03-20 | Московский институт инженеров геодезии, аэрофотосъемки и картографии | Method of measurement of angles of turn of several objects and device for its implementation |
RU2152591C1 (en) * | 1999-06-09 | 2000-07-10 | Государственный специализированный проектный институт | Device transmitting horizontal direction from one horizon to another |
RU2384812C1 (en) * | 2008-12-15 | 2010-03-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский институт комплексных испытаний оптико-электронных приборов и систем (ФГУП НИИКИ ОЭП) | Autocollimator for measuring angle of torque |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2663297C1 (en) * | 2017-08-03 | 2018-08-03 | Акционерное общество "ЛОМО" | Twist angle measuring system |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN1304879C (en) | Bidimension photoelectric self collimating device based on optical length multiplication compensation method and its measuring method | |
CN105424322A (en) | Self-calibration optical axis parallelism detector and detection method | |
CN106323199B (en) | The big working distance autocollimation of combination zeroing laser and method | |
CN203216702U (en) | Focal length measuring device for long focal length optical system | |
CN105300348B (en) | A kind of laser ranging system | |
CN104748720A (en) | Space angle measuring device and space angle measuring method | |
CN201983921U (en) | Measurement device of focal length and wave front distortion of lens | |
CN106225727B (en) | The big working distance autocollimation of array zeroing laser and method | |
CN106017364B (en) | A kind of big working distance autocollimation of high-precision laser and method | |
CN106323198B (en) | A kind of high-precision, wide scope and big working distance laser auto-collimation apparatus and method | |
CN102721529A (en) | High-reflectivity scanning and measuring multi-wavelength integrated method of large-aperture reflection optical element | |
RU2467285C1 (en) | Device for twist angle measurement | |
CN106017362B (en) | A kind of big working distance autocollimation of portable high dynamic precision and method | |
RU162917U1 (en) | TWO-MIRROR OPTICAL SYSTEM ADJUSTMENT DEVICE | |
CN106017441A (en) | Portable high-precision laser long-working distance auto-collimation apparatus and method thereof | |
CN106017363B (en) | A kind of big working distance autocollimation of high dynamic precision and method | |
CN106052659B (en) | A kind of big working distance autocollimation of portable laser and method | |
CN106052598B (en) | A kind of big working distance autocollimation of high frequency sound and method | |
RU2663297C1 (en) | Twist angle measuring system | |
CN109737886B (en) | Array photoelectric system for measuring deformation of reflecting surface connecting point of main antenna of radio telescope | |
CN106052549B (en) | The big working distance autocollimation of combination zeroing high dynamic precision and method | |
CN106225731B (en) | The big working distance autocollimation of combination zeroing high-precision laser and method | |
CN106052597B (en) | A kind of portable high frequency rings big working distance autocollimation and method | |
CN104950421A (en) | Automatic focusing system | |
CN106017440B (en) | The big working distance autocollimation of portable combined zeroing high frequency sound and method |