RU2642975C2 - Device for measuring instant angular movements of swinging platform - Google Patents

Device for measuring instant angular movements of swinging platform Download PDF

Info

Publication number
RU2642975C2
RU2642975C2 RU2016105622A RU2016105622A RU2642975C2 RU 2642975 C2 RU2642975 C2 RU 2642975C2 RU 2016105622 A RU2016105622 A RU 2016105622A RU 2016105622 A RU2016105622 A RU 2016105622A RU 2642975 C2 RU2642975 C2 RU 2642975C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
angle
platform
photodetector
measuring
rays
Prior art date
Application number
RU2016105622A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2016105622A (en
Inventor
Юрий Леонидович Аванесов
Александр Евгеньевич Ангервакс
Константин Сергеевич Гороховский
Валерий Анатольевич Грановский
Дмитрий Геннадиевич Грязин
Михаил Дмитриевич Кудрявцев
Никита Константинович Кулаченков
Александр Иосифович Рыскин
Александр Сергеевич Щеулин
Original Assignee
Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" filed Critical Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор"
Priority to RU2016105622A priority Critical patent/RU2642975C2/en
Publication of RU2016105622A publication Critical patent/RU2016105622A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2642975C2 publication Critical patent/RU2642975C2/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/26Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/36Devices characterised by the use of optical means, e.g. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01P3/366Devices characterised by the use of optical means, e.g. using infrared, visible, or ultraviolet light by using diffraction of light

Landscapes

  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Navigation (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: device for measuring instant angular movements of the swinging platform consists of a measured instant flat angle sensor and a fixed reading device. The angle sensor is designed as a multivalued holographic angle measures, each forming stable flat fan of diffracted beams under the influence of external optical radiation with known angles between the beams. The reading device is made on the basis of CCD-rulers, equipped with a time scale and connected to an external computer.
EFFECT: increased measurement accuracy.
3 tbl, 2 dwg

Description

Предлагаемое устройство относится к области измерительной техники.The proposed device relates to the field of measurement technology.

Для испытаний высокоточных инерциальных приборов широко применяются качающиеся платформы, которые, в свою очередь, подлежат аттестации. Большинство методик аттестации таких платформ, из-за принципов работы используемых датчиков угла, основаны на измерении угла поворота вала платформы. Однако, в связи с необходимостью установки испытуемого прибора в любой части платформы и не абсолютной жесткостью платформы, возникает задача измерений угла поворота качающейся платформы в точке расположения прибора.For testing high-precision inertial devices, swinging platforms are widely used, which, in turn, are subject to certification. Most of the certification procedures for such platforms, due to the operating principles of the angle sensors used, are based on measuring the angle of rotation of the platform shaft. However, due to the need to install the device under test in any part of the platform and not to the absolute rigidity of the platform, the problem arises of measuring the angle of rotation of the swinging platform at the location of the device.

Известны многочисленные прецизионные оптические датчики угла, так называемые энкодеры, использующие кодовое и растровое преобразования.Numerous precision optical angle sensors are known, the so-called encoders using code and raster transforms.

Примерами подобных устройств являются:Examples of such devices are:

1) оптические угловые энкодеры (Renishaw pic, Великобритания, характеристики приведены на вэб-сайте http://www.renishaw.ru);1) optical angular encoders (Renishaw pic, UK, specifications are given on the website http://www.renishaw.ru);

2) датчики для измерения угловых перемещений (DR. JOHANNES Heidenhain GmbH, Германия, характеристики приведены на вэб-сайте http://www.heidenhain.ru);2) sensors for measuring angular displacements (DR. JOHANNES Heidenhain GmbH, Germany, the characteristics are given on the website http://www.heidenhain.ru);

3) угловые преобразователи перемещений и угловые датчики положения (ОАО «СКБ ИС», Россия, характеристики приведены на вэб-сайте http://www.skbis.ru);3) angular displacement transducers and angular position sensors (OJSC SKB IS, Russia, characteristics are given on the website http://www.skbis.ru);

4) устройство для измерения плоского угла (Ю.Е. Дукаревич, М.Ю. Дукаревич, Ю.М. Иванов. Способ измерения плоского угла и устройство для его реализации // Патент РФ №2451903);4) a device for measuring a flat angle (Yu.E. Dukarevich, M.Yu. Dukarevich, Yu.M. Ivanov. A method of measuring a flat angle and a device for its implementation // RF Patent No. 2451903);

5) измеритель угла (А.Н. Королев, А.Я. Лукин, Г.С. Полищук, Измеритель угла // Патент на полезную модель РФ №109847);5) angle meter (A.N. Korolev, A.Ya. Lukin, G.S. Polishchuk, Angle meter // Utility Model Patent of the Russian Federation No. 109847);

6) устройство для воспроизведения угловой скорости (В.А. Грановский, М.Д. Кудрявцев, А.И. Рыскин, А.С. Щеулин. Устройство для воспроизведения угловой скорости (мера угловой скорости) // Патент РФ №2429490);6) a device for reproducing angular velocity (V. A. Granovsky, M. D. Kudryavtsev, A. I. Ryskin, A. S. Shcheulin. Device for reproducing angular velocity (measure of angular velocity) // RF Patent No. 2429490);

7) измеритель угловых скоростей и ускорений (Л.С. Привер. Оптико-электронный измеритель угловых скоростей и ускорений // Патент РФ №94042213).7) measuring angular velocities and accelerations (LS Priver. Optoelectronic measuring angular velocities and accelerations // RF Patent No. 94042213).

Измерение угла в известных устройствах происходит следующим образом:Angle measurement in known devices is as follows:

1) в энкодерах производства «Renishaw plc» и «DR. JOHANNES Heidenhain GmbH» определение угла происходит путем фотоэлектрического сканирования шкалы, которая представляет собой длинный штриховой код, или с помощью применения сверхбыстрой миниатюрной цифровой камеры, выполняющей снимки шкалы;1) in encoders produced by Renishaw plc and DR. JOHANNES Heidenhain GmbH »the determination of the angle occurs by photoelectric scanning of the scale, which is a long bar code, or by using an ultrafast miniature digital camera that takes pictures of the scale;

2) в энкодерах производства ОАО «СКБ ИС» определение угла основано на регистрации доли потока оптического излучения, прошедшего через сопряжение регулярного растра шкалы и растров окон анализатора, как координатной-периодической функции взаимного углового положения указанных растров;2) in the encoders produced by SKB IS, the definition of the angle is based on recording the fraction of the optical radiation flux that passed through the conjugation of a regular raster of the scale and raster of the analyzer windows as a coordinate-periodic function of the mutual angular position of the specified rasters;

3) в устройстве для измерения плоского угла (патент РФ №2451903) и измерителе угла (патент РФ №109847) плоский угол измеряется путем кодирования измерительного диапазона прибора с помощью оптической марки, устанавливаемой на роторе объекта, и формирования в плоскости регистрирующей ПЗС-матрицы изображений сигнальных меток, возникающих при прохождении света через кодовые отверстия марки;3) in a device for measuring a flat angle (RF patent No. 2451903) and an angle meter (RF patent No. 109847), a flat angle is measured by encoding the measuring range of the device using an optical mark mounted on the rotor of the object and forming a recording CCD image matrix in the plane signal labels that occur when light passes through the code holes of the brand;

4) в устройстве для воспроизведения угловой скорости (патент РФ №2429490) измерение мгновенного угла поворота стола осуществляется по круговой шкале, при формировании которой использовались углы между лучами веера.4) in the device for reproducing angular velocity (RF patent No. 2429490), the measurement of the instantaneous angle of rotation of the table is carried out on a dial, the formation of which used the angles between the rays of the fan.

Основными недостатками этих приборов являются:The main disadvantages of these devices are:

- ограниченные точности измерений из-за влияния люфтов и вибраций;- limited measurement accuracy due to the influence of backlash and vibration;

- невозможность измерений угла в произвольной части платформы.- the impossibility of measuring the angle in an arbitrary part of the platform.

Наиболее близким по технической сущности и принятым за прототип устройством является устройство для измерения плоского угла (Патент РФ №2451903).The closest in technical essence and adopted for the prototype device is a device for measuring a flat angle (RF Patent No. 2451903).

Прибор-прототип состоит из контрольного элемента, жестко закрепляемого на контролируемом объекте, измерительного блока и устройства обработки информации. Контрольный элемент содержит светодиод, точечную диафрагму, конденсатор и сигнальную маску, расположенную в фокальной плоскости объектива. Измерительный блок содержит объектив и приемную ПЗС-матрицу, сигнал с которой по высокоскоростному порту USB-2.0 поступает на устройство обработки информации - персональный компьютер (ПК). ПК производит необходимые вычислительные операции и формирует цифровой код измеряемого угла разворота контрольного элемента относительно измерительного блока. Контрольный элемент и измерительный блок устанавливаются соосно один по отношению к другому.The prototype device consists of a control element, rigidly fixed to a controlled object, a measuring unit and an information processing device. The control element contains an LED, a pinhole, a capacitor and a signal mask located in the focal plane of the lens. The measuring unit contains a lens and a receiving CCD matrix, the signal from which is transmitted via a high-speed USB-2.0 port to an information processing device - a personal computer (PC). The PC performs the necessary computational operations and generates a digital code of the measured angle of rotation of the control element relative to the measuring unit. The control element and the measuring unit are mounted coaxially with respect to one another.

Прибор-прототип работает следующим образом.The prototype device works as follows.

Светодиод, точечная диафрагма и конденсатор формируют равномерный параллельный световой поток, который освещает сигнальную маску. Объектив контрольного элемента коллимирует сигнальный световой поток, прошедший через сигнальные щели маски, и направляет его на измерительный блок. Приемный объектив строит в своей фокальной плоскости изображение сигнальной маски, которое попадает на ПЗС-матрицу, установленную в плоскости изображения. С помощью ПЗС-матрицы оптическое изображение преобразуется в цифровой видеосигнал и поступает на ПК. В ПК с помощью специальных алгоритмов обработки информации производится вычисление угла поворота контрольного элемента относительно измерительного блока.An LED, a pinhole, and a capacitor form a uniform parallel light stream that illuminates the signal mask. The lens of the control element collimates the signal light flux passing through the signal slots of the mask and directs it to the measuring unit. The receiving lens builds in its focal plane an image of the signal mask, which falls on the CCD matrix installed in the image plane. Using the CCD, the optical image is converted into a digital video signal and is sent to a PC. In the PC using special information processing algorithms, the angle of rotation of the control element relative to the measuring unit is calculated.

Существенным признаком прототипа является наличие двухотсчетной схемы кодирования измерительного диапазона прибора. Канал грубого отсчета представлен в виде одной сигнальной щели, расположенной в центральной зоне маски, а канал точного отсчета - в виде N сигнальных щелей (N>>1), расположенных в периферийной зоне маски.An essential feature of the prototype is the presence of a dual-count coding scheme for the measuring range of the device. The coarse channel is represented as a single signal slit located in the central zone of the mask, and the exact channel is represented as N signal slots (N >> 1) located in the peripheral zone of the mask.

Погрешность измерений оценивается авторами аналитически (причем упрощенно), а не определяется путем сравнения с эталоном. При этом целый ряд факторов, влияющих на точность измерений, в частности шумы квантования и дискретизации, параметры оптики, определяющие качество изображения контрольного элемента, остаются не учтенными.The measurement error is estimated by the authors analytically (and more simply), and is not determined by comparison with the standard. At the same time, a number of factors affecting the accuracy of measurements, in particular, quantization and sampling noise, optics parameters that determine the image quality of a control element, are not taken into account.

Недостатками устройства-прототипа являются:The disadvantages of the prototype device are:

- качество системы «источник света - маска» существенно зависит от характеристик источника и стабильности этих характеристик в отношении температуры и напряжения питания, а также от стабильности взаимного пространственного положения источника света и маски, обусловленного материалами, из которых изготовлена контрольная часть;- the quality of the “light source - mask” system substantially depends on the characteristics of the source and the stability of these characteristics with respect to temperature and supply voltage, as well as on the stability of the mutual spatial position of the light source and the mask due to the materials from which the control part is made;

- необходимость крепления устройства вблизи оси платформы (вследствие ограниченности размеров измерительного блока), что не позволяет измерять углы в произвольной части платформы.- the need to mount the device near the axis of the platform (due to the limited size of the measuring unit), which does not allow to measure angles in an arbitrary part of the platform.

Задача, которая решается предлагаемым изобретением, заключается в повышении точности и расширении функциональных возможностей устройства, а именно возможности его закрепления вне оси объекта и, следовательно, возможности наблюдения деформации платформы.The problem that is solved by the invention is to improve the accuracy and expand the functionality of the device, namely the possibility of fixing it outside the axis of the object and, therefore, the ability to observe the deformation of the platform.

Технический результат: повышение точности измерения. Задача решается путем использования в составе предлагаемого устройства:Technical result: improved measurement accuracy. The problem is solved by using the composition of the proposed device:

а) датчика - совокупности многозначных голографических мер плоского угла - голографических призм (далее - ГП) (Грановский В.А., Кудрявцев М.Д., Рыскин А.И., Щеулин А.С. Многозначная голографическая мера плоского угла // Патент РФ №2332638);a) a sensor - a set of multi-valued holographic measures of a flat angle - holographic prisms (hereinafter - GP) (Granovsky V.A., Kudryavtsev M.D., Ryskin A.I., Shcheulin A.S. Multivalued holographic measure of a flat angle // Patent RF No. 2332638);

б) отсчетного устройства - фотоприемника.b) reading device - photodetector.

Основой ГП служит кристалл с записанной в него системой наложенных голограмм, которые возбуждаются лучом референтного лазера и индуцируют веер дифрагированных лучей. Углы между дифрагированными лучами обладают стабильностью системы голограмм (Патент РФ №2332638), достаточной для обеспечения требуемого уровня точности предлагаемого устройства. Дифрагированные лучи могут быть расположены в плоскости с равномерным или неравномерным угловым шагом. По сути, они являются аналогами нормалей к боковым граням кварцевой призмы. В функциональном аспекте ГП рассматривается как подвижный многолучевой (многоотсчетный) оптический указатель специального вида, углы между лучами которого стабильны не хуже, чем углы между нормалями кварцевой призмы.The GP is based on a crystal with a system of superimposed holograms recorded in it, which are excited by a reference laser beam and induce a fan of diffracted rays. The angles between the diffracted beams have the stability of a hologram system (RF Patent No. 2332638), sufficient to provide the required level of accuracy of the proposed device. The diffracted rays can be located in a plane with uniform or uneven angular pitch. In fact, they are analogues of the normals to the side faces of a quartz prism. In the functional aspect, a GP is considered as a movable multipath (multi-reference) optical indicator of a special type, the angles between the rays of which are no worse than the angles between the normals of a quartz prism.

Датчик состоит из нескольких ГП, закрепленных на общем основании так, чтобы плоскости вееров были параллельны. Датчик устанавливают на платформе, ориентируя плоскости вееров указанных лучей перпендикулярно оси вращения. При повороте платформы лучи вееров перемещаются по фотоприемнику, который позволяет регистрировать это перемещение.The sensor consists of several GPs mounted on a common base so that the planes of the fans are parallel. The sensor is mounted on the platform, orienting the planes of the fans of these rays perpendicular to the axis of rotation. When the platform rotates, the rays of the fans move along the photodetector, which allows you to register this movement.

Ввиду сравнительно небольших массогабаритных характеристик датчик может крепиться с помощью струбцин и магнитов в любой части платформы, при условии, что плоскости вееров перпендикулярны оси вращения.Due to the relatively small overall dimensions, the sensor can be mounted with clamps and magnets in any part of the platform, provided that the planes of the fans are perpendicular to the axis of rotation.

Фотоприемник неподвижен относительно оси вращения и выполняет функцию носителя шкалы, при формировании которой используются значения углов, хранимых ГП.The photodetector is stationary relative to the axis of rotation and performs the function of a scale carrier, the formation of which uses the values of the angles stored by the GP.

Таким образом, ГП выполняет две функции: носителя эталонных углов и датчика мгновенного угла поворота платформы.Thus, the GP performs two functions: the carrier of the reference angles and the sensor of the instantaneous angle of rotation of the platform.

Фотоприемник состоит из рядов последовательно расположенных ПЗС-линеек, размещенных на неподвижном основании, причем количество рядов не превышает числа ГП. В процессе измерений фотоприемник располагается параллельно оси вращения и, следовательно, перпендикулярно плоскостям вееров так, чтобы лучи вееров попадали в чувствительные зоны ПЗС-линеек. Для регистрации и визуального отображения реализованного угла поворота платформы служит персональный внешний компьютер (ПК), опрашивающий элементы фотоприемника. Также внешний ПК выполняет функцию обработки первичных сигналов указанных элементов - определение координатам центров зон засветки, формирование шкалы времени и ряд сервисных функций: настройку элементов фотоприемника и отображение их активности, функции запуска и остановки передачи первичных данных, выставление времени записи первичных данных в автоматическом режиме. Формирование шкалы времени происходит с помощью системных часов ПК, в отличие, например, от подхода, изложенного в патенте (RU 94042213), в котором шкала времени задается оптопарой и щелями в сканирующем диске. Все сервисные функции осуществляются путем задания необходимой команды в специальном программном обеспечении и передачи соответствующего сигнала на микропроцессор фотоприемника. Указанные сервисные функции не влияют на выполнение функций обработки сигналов и в конечном итоге на точность измерений.The photodetector consists of rows of successive CCD arrays placed on a fixed base, and the number of rows does not exceed the number of GPs. During measurements, the photodetector is parallel to the axis of rotation and, therefore, perpendicular to the planes of the fans so that the rays of the fans fall into the sensitive areas of the CCD arrays. For registration and visual display of the realized angle of rotation of the platform, a personal external computer (PC) is used to interrogate the photodetector elements. Also, the external PC performs the function of processing the primary signals of these elements - determining the coordinates of the centers of the exposure zones, forming a time scale and a number of service functions: setting up photodetector elements and displaying their activity, starting and stopping the transmission of primary data, setting the time for recording primary data in automatic mode. The formation of the time scale occurs using the PC system clock, in contrast, for example, to the approach described in the patent (RU 94042213), in which the time scale is set by an optocoupler and slots in the scanning disk. All service functions are carried out by setting the necessary command in special software and transmitting the corresponding signal to the microprocessor of the photodetector. The specified service functions do not affect the performance of the signal processing functions and, ultimately, the measurement accuracy.

Следует подчеркнуть два важных обстоятельства. Во-первых, устройство реализует потенциально самый точный из методов измерений - метод сравнения с мерой. Во-вторых, в силу многозначности использованной угловой меры, имеет место избыточность в измерениях углов указанным способом.Two important circumstances should be emphasized. Firstly, the device implements potentially the most accurate of the measurement methods - the method of comparison with the measure. Secondly, due to the ambiguity of the angle measure used, there is redundancy in the measurements of the angles in the indicated way.

Возможность крепления датчика в разных частях платформы и неподвижность регистратора дают возможность по множеству зарегистрированных данных, относящихся к одному и тому же угловому положению платформы, и при разных локализациях датчика на платформе следить за деформацией платформы. Условием наблюдения деформации является превышение линейным параметром деформации погрешности датчика угла, установленного в оси платформы, и люфта оси платформы.The ability to mount the sensor in different parts of the platform and the immobility of the recorder make it possible for a variety of recorded data related to the same angular position of the platform, and with different locations of the sensor on the platform to monitor the deformation of the platform. A condition for observing the deformation is that the linear parameter of the deformation exceeds the error of the angle sensor installed in the platform axis and the backlash of the platform axis.

Таким образом, предлагаемое устройство содержит два основных компонента: 1) закрепляемый на объекте датчик измеряемого мгновенного плоского угла; 2) отсчетное устройство, устанавливаемое неподвижно на общей с объектом опоре (фундаменте) и позволяющее регистрировать перемещение лучей веера.Thus, the proposed device contains two main components: 1) fixed to the object sensor measured instantaneous flat angle; 2) a reading device mounted motionless on a support (foundation) common with the object and allowing to register the movement of the rays of the fan.

Имеется три существенных отличия предлагаемого устройства от прототипа:There are three significant differences of the proposed device from the prototype:

1) предлагаемому устройству не нужен доступ к оси вращения платформы, что расширяет перечень поворотных платформ, в частности стендов качки, для аттестации которых может использоваться предлагаемое устройство;1) the proposed device does not need access to the axis of rotation of the platform, which expands the list of turntables, in particular pitching stands, for certification of which the proposed device can be used;

2) устройство имеет возможность самоконтроля путем проведения внутренней калибровки;2) the device has the ability to self-control by conducting internal calibration;

3) в связи с возможностью расположения предлагаемого устройства в разных частях платформы, с его помощью можно наблюдать деформации платформы при вращении.3) due to the possibility of the location of the proposed device in different parts of the platform, it can be used to observe the deformation of the platform during rotation.

Исходя из изложенного выше, заявленная совокупность признаков позволяет получить устройство для измерений мгновенных угловых перемещений качающейся платформы, состоящее из совокупности многозначных мер плоского угла и отсчетного устройства на основе ПЗС-линеек, отличающееся расширенными функциональными возможностями, а также возможностью его внутренней калибровки в процессе эксплуатации без использования дополнительных средств.Based on the foregoing, the claimed combination of features allows to obtain a device for measuring instantaneous angular displacements of a swinging platform, consisting of a set of multi-valued measures of a flat angle and a reading device based on CCD-arrays, characterized by advanced functionality, as well as the possibility of its internal calibration during operation without use of additional funds.

Сущность изобретения поясняется представленными фигурами 1 и 2, где приведена обобщенная структура устройства и введены следующие обозначения:The invention is illustrated by the presented figures 1 and 2, which shows a generalized structure of the device and the following notation:

фиг. 1 - принципиальная схема расположения составных частей устройства: 1 - референтный лазер; 2 - референтный луч; 3 - кристалл с системой наложенных голограмм; 4 - поворотная платформа; 5 - веер дифрагированных лучей; 6 - фотоприемник; 7 - внешний ПК;FIG. 1 - a schematic diagram of the location of the components of the device: 1 - reference laser; 2 - reference beam; 3 - a crystal with a system of superimposed holograms; 4 - rotary platform; 5 - a fan of diffracted rays; 6 - photodetector; 7 - external PC;

фиг. 2 - схема фотоприемника с засвеченными на нем дифрагированными лучами: 6 - фотоприемник; 8 - ПЗС-линейка; 9 - чувствительная зона ПЗС-линейки; 10 - зоны засветки дифрагированными лучами.FIG. 2 - scheme of a photodetector with diffracted rays illuminated on it: 6 - photodetector; 8 - CCD line; 9 - sensitive area of the CCD line; 10 - zones of illumination by diffracted rays.

Лазер 1 с лучом 2 и кристаллом 3 образуют ГП.Laser 1 with beam 2 and crystal 3 form a GP.

Фотоприемник 6, подключенный к внешнему ПК 7, образует отсчетное устройство.The photodetector 6, connected to an external PC 7, forms a reading device.

Устройство работает следующим образом. При повороте платформы 4 веер дифрагированных лучей 5 перемещается по фотоприемнику 6, с помощью которого фиксируется положение каждого луча, а именно номер пикселя на той или иной ПЗС-линейке 8. Фотоприемник 6 фиксирует дифрагированные лучи 5 в любом положении поворотной платформы 4. При повороте платформы 4 каждый из дифрагированных лучей 5 поворачивается на один и тоже угол, но на фотоприемнике 6 дифрагированные лучи 5 при этом перемещаются на разные расстояния. Знание расстояний, на которые перемещаются дифрагированные лучи 5, и углов между этими лучами позволяет установить соотношение "угол-растояние". Таким образом участок линейной шкалы между соседними лучами калибруется в угловых единицах и, как следствие, при следующем повороте платформы 4 лучи 5 будут перемещаться по откалиброванной угловой шкале.The device operates as follows. When the platform 4 is rotated, the fan of diffracted rays 5 moves along the photodetector 6, with the help of which the position of each beam is fixed, namely, the pixel number on one or another CCD line 8. The photodetector 6 captures the diffracted rays 5 in any position of the turntable 4. When the platform is rotated 4, each of the diffracted beams 5 rotates at the same angle, but at the photodetector 6, the diffracted beams 5 are moved at different distances. Knowing the distances over which the diffracted rays 5 move and the angles between these rays allows you to set the angle-distance relation. Thus, the portion of the linear scale between adjacent beams is calibrated in angular units and, as a result, the next time you turn the platform 4, the rays 5 will move along the calibrated angle scale.

Таким образом, определение угла наклона платформы 4 основано на сравнении измеряемого плоского угла с углами между дифрагированными лучами 5. Это сравнение опосредовано указанной выше калибровкой регистратора, с учетом орбитального движения центра веера дифрагированных лучей 5. Расчет координат центра веера дифрагированных лучей 5 производится по координатам центров зон засветки 10 отсчетного устройства (фотоприемника) 6 дифрагированными лучами 5. Для нахождения центра веера 5 необходимо знать, как минимум, координаты трех центров зон засветки 10.Thus, the determination of the angle of inclination of the platform 4 is based on a comparison of the measured flat angle with the angles between the diffracted rays 5. This comparison is mediated by the above-mentioned calibration of the recorder, taking into account the orbital movement of the center of the fan of diffracted rays 5. The coordinates of the center of the fan of diffracted rays 5 are calculated based on the coordinates of the centers illumination zones 10 of the reading device (photodetector) with 6 diffracted beams 5. To find the center of the fan 5, it is necessary to know at least the coordinates of the three centers of the zones 10 branches.

В качестве элементов отсчетного устройства (фотоприемника) 6 используются ПЗС-линейки 8. Каждая ПЗС-линейка 8 имеет свою чувствительную зону 9, которая образует так называемую локальную шкалу. Шкала фотоприемника 6 формируется в результате «сшивки» локальных шкал, которая проводится на этапе калибровки установки.As elements of the reading device (photodetector) 6, CCD arrays 8 are used. Each CCD array 8 has its own sensitive zone 9, which forms the so-called local scale. The scale of the photodetector 6 is formed as a result of "stitching" of the local scales, which is carried out at the stage of calibration of the installation.

Обработку первичных сигналов ПЗС-линеек 8 с целью формирования отсчета (угла поворота) по шкале фотоприемника 6, а также ряд сервисных функций, включая формирование шкалы времени, необходимой для временной привязки фиксируемых мгновенных углов, выполняет внешний ПК 7, на который установлено соответствующее программное обеспечение.The processing of the primary signals of CCD arrays 8 in order to form a reference (angle of rotation) on the scale of the photodetector 6, as well as a number of service functions, including the formation of the time scale necessary for temporal reference of fixed instantaneous angles, is performed by an external PC 7, on which the corresponding software is installed .

Примером конкретной реализации предлагаемого устройства служит установка, состоящая из:An example of a specific implementation of the proposed device is the installation, consisting of:

- двух ГП, формирующих два веера по шесть лучей, параллельных друг другу и перпендикулярных оси вращения стенда;- two GPs forming two fans of six rays parallel to each other and perpendicular to the axis of rotation of the stand;

- двух неподвижных относительно призм маломощных референтных лазеров с источниками питания;- two motionless relatively prisms low-power reference lasers with power sources;

- неподвижного фотоприемника, включающего в себя два параллельных ряда ПЗС-линеек, по десять образцов в каждом ряду;- a stationary photodetector, which includes two parallel rows of CCD arrays, ten samples in each row;

- внешнего ПК со специальным программным обеспечением.- external PC with special software.

Использование двух параллельных рядов ПЗС-линеек обусловлено тем, что соединение ПЗС-линеек вплотную, без зон нечувствительности, не представляется возможным. Для исключения зон нечувствительности ряды ПЗС-линеек сдвинуты относительно друг друга. В связи с наличием двух рядов ПЗС-линеек приходится использовать две ГП.The use of two parallel rows of CCD arrays is due to the fact that the connection of CCD arrays closely, without dead zones, is not possible. To exclude dead zones, the rows of CCD arrays are shifted relative to each other. In connection with the presence of two rows of CCD arrays, two GPs have to be used.

В качестве референтных выбраны газовые лазеры типа ЛГН-226А (ОАО НИИ ГРП «Плазма», Россия, www.plasmalabs.ru) с параметрами согласно табл. 1.As reference ones, gas lasers of the LGN-226A type (JSC NII SRP “Plasma”, Russia, www.plasmalabs.ru) were selected with parameters according to the table. one.

Figure 00000001
Figure 00000001

* - встраиваемый источник питания* - built-in power supply

В качестве ПЗС-линеек используются устройства типа SONY ILX 751 В с параметрами согласно табл. 2. В связи с тем, что ПЗС-линейки имеют зоны нечувствительности, для получения единой непрерывной шкалы фотоприемника линейки в рядах располагают друг относительно друга в шахматном порядке.As CCD rulers, devices of the type SONY ILX 751 V with parameters according to the table are used. 2. Due to the fact that CCD arrays have dead zones, in order to obtain a single continuous scale of the photodetector, the arrays in rows are staggered relative to each other.

Figure 00000002
Figure 00000002

Для регистрации и обработки данных используется ПК с характеристиками согласно табл. 3.For registration and data processing, a PC with characteristics according to the table is used. 3.

Figure 00000003
Figure 00000003

В связи с особенностями устройства и требуемой высокой точностью, калибровка разделена на несколько этапов:Due to the features of the device and the required high accuracy, the calibration is divided into several stages:

1) проверка стабильности устройства в целом;1) checking the stability of the device as a whole;

2) калибровка фотоприемника;2) calibration of the photodetector;

3) калибровка каждой ГП и их сборки в целом;3) calibration of each GP and their assembly as a whole;

4) калибровка устройства в целом.4) calibration of the device as a whole.

На первом этапе проверяется стабильность показаний устройства при возвращении платформы в одно и то же положение. Целью калибровки фотоприемника (второй этап) является формирование шкалы фотоприемника. На третьем этапе происходит измерение с высокой точностью углов между дифрагированными лучами. Целью калибровки устройства в целом (четвертый этап) является составление его градуировочной таблицы.At the first stage, the stability of the device readings is checked when the platform returns to the same position. The purpose of calibrating the photodetector (second stage) is to form the scale of the photodetector. In the third stage, the angles between the diffracted beams are measured with high accuracy. The purpose of calibrating the device as a whole (the fourth stage) is to compile its calibration table.

Погрешность измерений плоского угла с помощью предлагаемого устройства зависит от:The measurement error of a flat angle using the proposed device depends on:

- стабильности размеров пикселей на ПЗС-линейках;- stability of pixel sizes on CCD arrays;

- точности определения координат центров зон засветки;- the accuracy of determining the coordinates of the centers of the exposure zones;

- точности «сшивания» локальных шкал ПЗС-линеек в шкалу фотоприемника;- Accuracy of “stitching” of the local scales of CCD arrays into the scale of the photodetector;

- точности определения углов в веере дифрагированных лучей;- the accuracy of determining angles in the fan of diffracted rays;

- стабильности взаимного расположения фотоприемника и основания платформы;- stability of the relative position of the photodetector and the base of the platform;

- стабильности положения ГП на платформе в процессе измерения;- stability of the position of the GP on the platform during the measurement process;

- точности выставки плоскости веера дифрагированных лучей относительно оси вращения платформы;- the accuracy of the exposure of the plane of the fan of diffracted rays relative to the axis of rotation of the platform;

- точности выставки фотоприемника относительно плоскости веера дифрагированных лучей.- the accuracy of the exposure of the photodetector relative to the plane of the fan of diffracted rays.

Размер пикселя является достаточно стабильной величиной, поэтому его изменение можно считать несущественным для измерений. Точность определения координат центров зон засветки обусловлена свойствами ПЗС-линеек и трактом обработки первичной информации. Точность «сшивки» и определения углов достаточно высока из-за используемого при этом оборудования с погрешностями порядка единиц микрометров и долей угловых секунд.The pixel size is a fairly stable value, so its change can be considered insignificant for measurements. The accuracy of determining the coordinates of the centers of the exposure zones is due to the properties of CCDs and the primary information processing path. The accuracy of “stitching” and determining angles is quite high due to the equipment used with errors of the order of a few micrometers and fractions of arc seconds.

Стабильность взаимного расположения компонентов друг относительно друга определяется угловыми вибрациями основания. Необходимым условием работоспособности устройства является отсутствие угловых вибраций, превышающих 7'.The stability of the relative positions of the components relative to each other is determined by the angular vibrations of the base. A prerequisite for the operability of the device is the absence of angular vibrations exceeding 7 '.

У разработанного образца отсутствует требование по доступности оси качания платформы. Образец имеет возможность самоконтроля путем проведения внутренней калибровки и наблюдения деформации платформы. Данные факты позволяют говорить о достижении заявленного технического результата.The developed sample has no requirement for the availability of the swing axis of the platform. The sample has the ability to self-control by conducting internal calibration and observing the deformation of the platform. These facts allow us to talk about achieving the claimed technical result.

Claims (1)

Устройство для измерений мгновенных угловых перемещений качающейся платформы, состоящее из датчика измеряемого мгновенного плоского угла и неподвижного отсчетного устройства, отличающееся тем, что в качестве датчика служит совокупность многозначных голографических мер угла, формирующих каждая под воздействием внешнего оптического излучения стабильный плоский веер дифрагированных лучей с известными углами между лучами; вееры расположены в параллельных плоскостях и сдвинуты друг относительно друга на заданные углы, а в качестве отсчетного устройства служит фотоприемник на основе ПЗС-линеек, расположенных в виде параллельных рядов, количество которых равняется числу голографических мер; фотоприемник подключен к внешнему персональному компьютеру, который формирует шкалу времени.A device for measuring instantaneous angular displacements of a swinging platform, consisting of a sensor of the measured instantaneous flat angle and a stationary reading device, characterized in that the sensor is a set of multi-valued holographic measures of the angle, each forming a stable flat fan of diffracted rays with known angles under the influence of external optical radiation between the rays; the fans are located in parallel planes and are shifted relative to each other by predetermined angles, and a photodetector based on CCD arrays arranged in parallel rows, the number of which equals the number of holographic measures, serves as a reading device; the photodetector is connected to an external personal computer, which forms a timeline.
RU2016105622A 2016-02-18 2016-02-18 Device for measuring instant angular movements of swinging platform RU2642975C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016105622A RU2642975C2 (en) 2016-02-18 2016-02-18 Device for measuring instant angular movements of swinging platform

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016105622A RU2642975C2 (en) 2016-02-18 2016-02-18 Device for measuring instant angular movements of swinging platform

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2016105622A RU2016105622A (en) 2017-08-23
RU2642975C2 true RU2642975C2 (en) 2018-01-29

Family

ID=59744700

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016105622A RU2642975C2 (en) 2016-02-18 2016-02-18 Device for measuring instant angular movements of swinging platform

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2642975C2 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4227807A (en) * 1978-04-28 1980-10-14 The Boeing Company Holographic angle sensor
US4551017A (en) * 1981-03-02 1985-11-05 General Electric Co. Laser doppler velocimeter for measuring torsional vibration
RU94042213A (en) * 1994-11-14 1996-09-20 Л.С. Привер Optoelectronic meter of angular velocities and accelerations
RU2429490C1 (en) * 2010-04-08 2011-09-20 Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Министерство промышленности и торговли Российской Федерации Device to reproduce angular speed (measure of angular speed) from multidigit holographic measure of flat angle

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4227807A (en) * 1978-04-28 1980-10-14 The Boeing Company Holographic angle sensor
US4551017A (en) * 1981-03-02 1985-11-05 General Electric Co. Laser doppler velocimeter for measuring torsional vibration
RU94042213A (en) * 1994-11-14 1996-09-20 Л.С. Привер Optoelectronic meter of angular velocities and accelerations
RU2429490C1 (en) * 2010-04-08 2011-09-20 Российская Федерация, от имени которой выступает государственный заказчик - Министерство промышленности и торговли Российской Федерации Device to reproduce angular speed (measure of angular speed) from multidigit holographic measure of flat angle

Also Published As

Publication number Publication date
RU2016105622A (en) 2017-08-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6964113B2 (en) Scale-bar artifact and methods of use
CN109579780B (en) Polarization-based light splitting auto-collimation three-dimensional angle measuring device and method
US8913234B2 (en) Measurement of the positions of centres of curvature of optical surfaces of a multi-lens optical system
US8085394B2 (en) Optoelectronic longitudinal measurement method and optoelectronic longitudinal measurement device
JPH1183438A (en) Position calibration method for optical measuring device
TW200842308A (en) One diffraction 6 degree of freedom optoelectronic measurement system
CN1740742A (en) Optical grating photoelectric self-collimator
CN115542300A (en) Pose measurement method and system
CN110082071B (en) Device and method for measuring optical parallel difference of right-angle prism
CN109579782B (en) High-precision large-working-distance auto-collimation three-dimensional angle measuring device and method
KR20100041024A (en) Apparatus for six-degree-of-freedom displacement measurement using a two-dimensional grating
TWI502170B (en) Optical measurement system and method for measuring linear displacement, rotation and rolling angles
KR101854177B1 (en) Processing implement position alignment device for component and method thereof
RU2377498C2 (en) Optical-mechanical angle gauge of rotary type with optical indicator on base of multi-value measure and with photo-electron recorder
RU2642975C2 (en) Device for measuring instant angular movements of swinging platform
CN109579778B (en) Device and method for measuring three-dimensional angle based on dual-wavelength light splitting auto-collimation
CN104034266A (en) Surface microstructure based high-accuracy length detection method
RU2437058C2 (en) Digital two-axis dynamic autocollimator
US20200249330A1 (en) Method and apparatus for determining the accuracy of a distance measuring device
Woschitz et al. System calibration of digital levels–experimental results of systematic effects
Kolosov et al. Comparative evaluation of three modern turning-angle sensors
CN212378715U (en) Angle measuring instrument
JPH01235807A (en) Depth measuring instrument
RU2569072C2 (en) Angle of rotation sensor
JPH09196619A (en) Method and instrument for measuring minute displacement