Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

Факультет оптико-информационных систем и технологий

Кафедра оптико-электронных приборов и систем

ОТЧЕТ О НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЕ

Тема: Исследование принципов построения поляризационных оптико-электронных систем для определения и контроля взаимного углового положения разнесенных в пространстве объектов.

Студент: Иванчин Андрей Викторович

Группа: 2311

Руководитель: к.т.н, доцент, Рыжова В. А.

Санкт-Петербург - 2014



Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

Кафедра ОЭПиС

Группа 2311

УТВЕРЖДАЮ

Зав. кафедрой В.В. Коротаев

« » 20__ г.



ЗАДАНИЕ НА НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКУЮ РАБОТУ

Студенту: Иванчину Андрею Викторовичу

Научный руководитель: Рыжова В.А., НИУ ИТМО, зам. доцент

(Фамилия, И., О., место работы, должность)

1. Тема работы: Исследование принципов построения поляризационных оптико-электронных систем для определения и контроля взаимного углового положения разнесенных в пространстве объектов.

2. Срок сдачи студентом законченной работы: 15 мая 2014 г.

3. Содержание работы:

Изучить существующие технические решения для задачи измерения угла скручивания с использованием поляризационного метода. На основе результатов информационного, в том числе, патентного поиска выполнить сравнительный анализ схем поляризационных угломеров по основным метрологическим характеристикам; составить их классификацию в зависимотси от признаков, определяющих метод модуляции излучения и положение модулятора в оптической схеме прибора. Обосновать выбор и описать структкрную схему оптико-электронной системы контроля взаимной угловой ориентации объектов относительно соединяющей их линии (оси скручивания)

4. Исходные данные:

Материалы, посвященные аппаратной и программной реализации методов поляризационных угловых измерений, публикуемые в открытой печати и электронных источниках (монографии, научные и научно-технические журналы, материалы специализированных интернет-сайтов, научно-технических отчетов и патентов).

5. Содержание отчета:

Введение. Актуальность применения поляризационных методов измерения для решения прикладных задач.

1. Особенности построения схем поляризационных приборов для измерения взаимного углового положения объектов

2. Классификация рассмотренных схем поляризационных приборов

3. Сравнение метрологических характеристик рассмотренных схем приборов

4. Выбор и обоснование структурной схемы поляризационного прибора для измерения угла скручивания.

Заключение. Выводы по проведенному исследованию.

6. Перечень графического материала:

Структурная схема оптико-электронной системы контроля взаимной угловой ориентации объектов.

7. Исходные библиографические источники:

1. Коротаев В.В. Правила оформления документации. Конспект лекций. Методические указания к выпускным квалификационным работам, курсовым проектам, учебно-исследовательским работам студентов и научно-исследовательским работам магистрантов. - СПБ.: НИУ ИТМО 2011. [Электронный ресурс]: Библеотека методических пособий каф. ОЭПиС, 2011.

2. Панков Э.Д., Коротаев В.В. Поляризационные угломеры. М.: Недра, 1992.-240 с.

3. Ищенко Е.Ф., Соколов А.Л. Поляризационная оптика: учебное пособие для вузов. - М.: Издательство МЭИ, 2005. - 336 с.: ил.

4. Якушенков Ю.Г. Основы оптико-электронного приборостроения: учебник. - 2-е изд., перераб. и доп. / Ю.Г. Якушенков. - М.: Логос, 2013. - 376 с.: ил.(Новая университетская библиотека).

5. Высокоточные угловые измерения. Аникст Д.А., Меськин И.В., Константинович К.М. и др. под редакцией Якушенкова Ю.Г., М.: Машиностроение, 1987г.



8. Основные этапы работы и сроки их выполнения:

№№ пп.	Наименование этапов работы	Срок выполнения этапов работы
1.	Изучение схем поляризационных угломеров	2.03.14
2.	Составление классификации поляризационных угломеров	15.03.14
3.	Изучение метрологических характеристик	3.04.14
4.	Компоновка полученных знаний, написание отчета	14.05.14

9. Дата выдачи задания: «15» февраля 2014 г.



ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ПРИМЕРЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВОЙ ОРИЕНТАЦИИ ОБЪЕКТОВ С ПОМОЩЬЮ ПУ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

1.1 КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ УГЛОМЕРОВ

ГЛАВА 2. ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ УГЛОМЕРЫ С МОДУЛЯЦИЕЙ ПУТЕМ КОЛЕБАНИЯ АЗИМУТА ЛИНЕЙНО ПОЛЯРИЗОВАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

2.1 ПОЛЯРИМЕТР С МАГНИТООПТИЧЕСКИМ МОДУЛЯТОРОМ

2.2 ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРИБОР ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ВРАЩАТЕЛЬНЫМ ДВИЖЕНИЕМ ОБЪЕКТА

ГЛАВА 3. ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ УГЛОМЕРЫ С МОДУЛЯЦИЕЙ ПУТЕМ КОЛЕБАНИЯ РАЗНОСТИ ФАЗ МЕЖДУ СОСТАВЛЯЮЩИМИ ИЗЛУЧЕНИЯ

ГЛАВА 4. ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ УГЛОМЕРЫ С МОДУЛЯЦИЕЙ ПУТЕМ ВРАЩЕНИЯ АЗИМУТА ПОЛЯРИЗОВАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

4.1 АВТОКОЛЛИМАЦИОННЫЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ УГЛОМЕРЫ

ГЛАВА 5. УГЛОМЕРЫ С МОДУЛЯЦИЕЙ ПОТОКА ИЗЛУЧЕНИЯ СИСТЕМЫ ИСТОЧНИКОВ ИЛИ МОДУЛЯЦИЕЙ СИГНАЛОВ, СНИМАЕМЫХ С СИСТЕМЫ ФОТОПРИЕМНИКОВ

5.1 ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ УГЛОМЕР

ГЛАВА 6. ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ УГЛОМЕРЫ С СЕКТОРНЫМИ АНАЛИЗАТОРАМИ ПОЛОЖЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ

ГЛАВА 7. ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ УГЛОМЕРЫ С ПЛАСТИНКАМИ САВАРА

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ



ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время угловые измерения ведутся во многих областях науки и техники: в машиностроении и приборостроении -- для контроля геометрических параметров изделий и их пространственного положения, для точного позиционирования рабочих органов измерительной аппаратуры и станков; в навигации и ориентации -- для определения положения ориентируемого объекта относительно выбранной системы координат или какого-либо ориентира; в строительстве -- при контроле отдельных элементов и сооружений в целом; в астрономии и геодезии -- при определении координат небесных или наземных объектов и т. п. Сфера использования методов и средств угловых измерений постоянно расширяется.

Важной тенденцией развития методов и средств измерений является также стремление к их автоматизации, повышению оперативности и надежности получаемой измерительной информации. В связи с этим возникают требования к простоте конструкции, надежности в эксплуатации, высокой точности в достаточно большом диапазоне измеряемых или контролируемых угловых величин, возможности унифицировать отдельные узлы и даже конструкции в целом, высокой метрологической достоверности получаемых результатов, возможности автоматизации измерений, увеличения быстродействия, повышения срока службы [4].

В данной научно-исследовательской работе передо мной стоит задача привести общие принципы строения схем ПУ для измерения взаимного углового положения объектов, привести их краткую классификацию, сравнить метрологические характеристики и обосновать выбор той или иной структурной схемы ПУ.



ГЛАВА 1. ПРИМЕРЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВОЙ ОРИЕНТАЦИИ ОБЪЕКТОВ С ПОМОЩЬЮ ПУ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ

В качестве конкретных примеров определения пространственной угловой ориентации объектов с помощью поляризационных угломеров (ПУ) могут быть названы следующие:

1. Измерение угловых деформаций с целью изучения свойств и контроля состояния конструкции или материала.

2. Измерение угловых деформаций основания, на котором установлен ряд измерительных приборов, или определение взаимного разворота этих приборов с целью введения поправок в величины, ими измеряемые.

3. Измерение деформаций корпусов крупногабаритных приборов с целью уменьшения или компенсации погрешности измерений.

4. Измерение поворотов объекта относительно трех ортогональных осей для компенсации его поворота относительно исходного положения или для выставления объекта в необходимое угловое положение.

Рисунок 1 Коллиматорная (а) и автоколлимационная (б) схемы построения угломеров

Оптико-электронные ПУ содержат блоки(или группы блоков) I и II, установленные на объектах, взаимное угловое положение которых измеряется(рис.1). Свяжем систему координат XYZ с неподвижным объектом, а X'Y'Z' с подвижным, которая в исходном положении совпадает с сиcтемой координат XYZ. Ось Z' в исходном положении совпадающая с линией, соединяющей объекты, называется осью скручивания, а оси X' и Y' называются коллимационными осями, а углы поворота относительно указанных осей, соответственно, углом скручивания и коллимационными углами. Автоколлимационный ПУ реализуется в тех случаях, когда на контролируемом объекте невозможна установка излучателей или приемников, так как невозможно наличие электрических связей с контролируемым объектом, а на нем возможна только установка отражателей [1][4].

1.1 КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ УГЛОМЕРОВ

По методам модуляции ПУ можно разделить на следующие группы:

-- ПУ с модуляцией путем колебания азимута линейно поляризованного излучения;

-- ПУ с модуляцией путем колебания разности фаз между составляющими излучения;

-- ПУ с модуляцией путем вращения азимута поляризованного излучения;

-- ПУ с модуляцией потока излучения системы источников или модуляцией сигналов, снимаемых с системы фотоприемников;

Наиболее широко ПУ используются для измерения угла скручивания. Вместе с тем имеется ряд схем ПУ для измерения коллимационных углов и схем трехкоординатных ПУ. Измерение коллимационных углов осуществляется с помощью преобразователей, которые преобразуют изменение ориентации падающего пучка в изменение состояния поляризации, которое регистрируется последующей системой.

По виду преобразователей ПУ для измерения коллимационных углов можно разделить на три группы:

-- ПУ с секторными анализаторами положения изображения;

-- ПУ с двухклиновыми анализаторами положения изображения, содержащими два клина из право- и левовращающего кварца;

-- ПУ с пластинками Савара [1].

Рассмотрим некоторые из них.



ГЛАВА 2. ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ УГЛОМЕРЫ С МОДУЛЯЦИЕЙ ПУТЕМ КОЛЕБАНИЯ АЗИМУТА ЛИНЕЙНО ПОЛЯРИЗОВАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Такая модуляция может быть осуществлена путем использования магнитооптических модуляторов, либо путем применения поляризаторов, совершающих колебания относительно оптической оси ПУ.

Магнитооптические модуляторы, выполненные на широко используемых материалах, таких как стекла марок «тяжелый флинт» позволяют осуществлять модуляцию азимута излучения с амплитудой не более единиц градусов.

2.1 ПОЛЯРИМЕТР С МАГНИТООПТИЧЕСКИМ МОДУЛЯТОРОМ

Простейшая схема поляриметра с магнитооптическим модулятором описана в пат. США № 3157727 (рис.2). Оси пропускания поляризатора 3 и анализатора 5 в исходном положении установлены взаимно перпендикулярно. Модулятор 4 осуществляет раскачку плоскости поляризации излучения с частотой щ. При наличии между коллиматором I и приемником II оптически активного вещества или при появлении скручивания между ними, плоскость поляризации луча, падающего на приемник II, поворачивается на угол ц. При малых величинах ц амплитуда первой гармоники сигнала, снимаемого с фотоприемника, пропорциональна углу ц, а фаза определяется направлением поворота. Избирательный усилитель 7 выделяет первую гармонику сигнала с частотой щ, поступающую на амплитудно-фазовый детектор 8. В качестве опорного сигнала для амплитудно-фазового детектора используется сигнал с генератора 9, питающего модулятор.



Рисунок 2 Схема поляриметра с магнитооптическим модулятором: I -- коллиматор; II -- приемник; / -- источник излучения; 2 -- объектив; 3 -- поляризатор (а3 = 0); 4 - модулятор; 5 - анализатор (а5 = 90°); б - фотоприемник; 7 - избирательный усилитель; 8 - амплитудно-фазовый детектор; 9 -генератор.

Известная схема поляриметра с отражателем в пат. США №3230820 (рис.3) представляет интерес в связи с тем, что позволяет создать на его базе такое устройство для измерения угла скручивания, у которого на одном из объектов расположен коллиматор -- приемник I, а на другом -- только КЭ II, содержащий поляризатор 6 и зеркало 7. Еще одной особенностью этой схемы является то, что сигнал с выхода амплитудно-фазового детектора 9 подается через усилитель II на модулятор 3 и используется для компенсации угла скручивания ц. Недостатком данной схемы является то, что при двухкратном прохождении светом поляризатора 6 велики потери, энергий, кроме того, использование автоколлимационной схемы также увеличивает потери энергии, что в конечном счете приводит к увеличению шумовой погрешности ПУ [1]. поляризационный прибор метрологический механизм



Рисунок 3 Схема поляриметра с отражателем:

I -- коллиматор-приемник; II -- КЭ; 1 -- источник излучения; 2 -- объектив; 3 -- модулятор; 4 -- анализатор (а4 = 0); 5 -- фотоприемник; 6 -- поляризатор (a6 = 90°); 7 -- зеркало; 8 -- избирательный усилитель; 9 -- амплитудно-фазовый детектор; 10 -- генератор; II -- усилитель.

2.2 ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРИБОР ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ВРАЩАТЕЛЬНЫМ ДВИЖЕНИЕМ ОБЪЕКТА

Трехкоординатный оптико-электронный прибор для управления вращательным движением объекта пат. США № 3427108(см. рис. 4) содержит коллиматор-приемник I, КЭ--II и схему обработки информации. Источник излучения 1 с помощью конденсора 2 освещает диафрагму 3. Далее получение с помощью зеркала 4 направляется на объектив 5 и поляризатор-анализатор 6, в качестве которого используется призма Рошона. Призма Рошона направляет вдоль оптической оси устройства только излучение с азимутом поляризации, равным нулю. Лучи, поляризованные перпендикулярно, распространяются далее под углом к оптической оси. Рабочий пучок проходит магнитооптический модулятор 7 и направляется на КЭ--II. Ось пропускания поляризатора 8 ориентирована в исходном положении с азимутом, равным 90°. После прохождения поляризатора 8 и отражения от зеркала 9 пучок еще раз в обратном ходе проходит поляризатор 8, модулятор 7, призму Рошона 6. После призмы Рошона 6 вдоль оптической оси распространяется только излучение с азимутом 90°. Этот пучок попадает на четырехугольную усеченную пирамиду 10 с зеркальными боковыми гранями. Пучки лучей, поляризованных перпендикулярно, т.е. с азимутом, равным нулю, смещаются с оптической оси и на пирамиду 10 не попадают. Излучение, прошедшее сквозь пирамиду 10, регистрируется фотоприемником 11. Избирательный усилитель 12 усиливает первую гармонику сигнала, амплитуда которой пропорциональна углу поворота ц, а фаза определяется направлением поворота. Далее этот сигнал подается на амплитудно-фазовый детектор 13, на второй вход которого подается опорный сигнал с генератора 14, питающего модулятор.

При поворотах КЭ II относительно коллимационных осей изображение диафрагмы 3 перемещается по зеркальным боковым граням пирамиды 10. При поворотах КЭ относительно оси, перпендикулярной плоскости рисунка, излучение попадает на фотоприемники 15 и 16. Сигнал с фотоприемников подается на вычитающее устройство 17 и далее на фильтр 18, выделяющий составляющую сигнала с частотой 2щ. Далее амплитуда и фаза этой составляющей сигнала, характеризующие соответственно величину и направление поворота, определяются амплитудно-фазовым детектором 19, опорный сигнал для которого формируется из сигнала генератора 14 умножителем частоты 20 [1].

Рисунок 4 Оптико-электронный прибор для управления вращательным движением объекта: I -- коллиматор-приемник; II -- КЭ; 1 -- источник излучения; 2 -- конденсор; 3 -- диафрагма; 4 -- зеркало; 5 -- объектив; б -- призма Рошона; 7 -- модулятор; 8 -- поляризатор (a8 = 90° + ц); 9 -- зеркало; 10 -- пирамида; 11 -- фотоприемник; 12 -- избирательный усилитель; 13 -- амплитудно-фазовый детектор; 14 -- генератор; 15, 16-- фотоприемник; 17 -- вычитающее устройство; 18 -- избирательный усилитель; 19 -- амплитудно-фазовый детектор; 20 -- умножитель частоты.



ГЛАВА 3. ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ УГЛОМЕРЫ С МОДУЛЯЦИЕЙ ПУТЕМ КОЛЕБАНИЯ РАЗНОСТИ ФАЗ МЕЖДУ СОСТАВЛЯЮЩИМИ ИЗЛУЧЕНИЯ

Такая модуляция фаз может быть осуществлена модуляторами, основанными на электрооптических эффектах: линейном (Поккельса) или квадратичном (Керра), а также на магнитооптическом эффекте Коттона -- Мутона или на эффекте фотоупругости (акусто-оптический эффект).

Наиболее широкое применение получили модуляторы, Основанные на линейном электрооптическом эффекте, так как эти модуляторы позволяют получить наибольшую амплитуду модуляции при относительно небольшом весе и габаритах модулятора. Этот ПУ мы и рассмотрим [2].

Поляриметр с электрооптическим модулятором (см. рис. 5) может быть использован для измерения угла скручивания, однако при таком применении схемы компоновка оптической системы представляется неудачной. При коллимационных поворотах приемника изменяется ориентация большого количества элементов оптической системы относительно пучка лучей коллиматора. На рис. 6 представлена схема ПУ, которая отличается тем, что фазовая пластинка и модулятор расположены в коллиматорной части ПУ. Кроме того, блок обработки информации в этой схеме осуществляет измерение угла ц по величине амплитуды сигнала, тогда как в поляриметре использовалась компенсационная схема.



Рисунок 5 Схема поляриметра с электрооптическим модулятором; I -- коллиматор; II -- приемник; 1-- источник излучения; 2 -- объектив; 3 -- поляризатор (а3 =0°); 4 -- исполнительный двигатель; 5 -- четвертьволновая пластинка (a5= 0°); 6 --модулятор Поккельса (а6 = 45°); 7 -- анализатор a7 = 0°); 8 -- фотоприемник; 9 -- избирательный усилитель; 10 -- генератор

Рисунок 6 ПУ с электрооптическим модулятором:

I -- коллиматор; II -- приемник; 1 -- источник излучения; 2 -- объектив; 3 -- поляризатор (a3 = 45°); 4 -- четвертьволновая пластинка (а4 = 0°); 5 -- модулятор (a5=0°);6 -- анализатор (a6= 0°); 7 -- фотоприемник; 8 -- селективный усилитель; 9 -- амплитудно-фазовый детектор; 10 -- генератор.



ГЛАВА 4. ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ УГЛОМЕРЫ С МОДУЛЯЦИЕЙ ПУТЕМ ВРАЩЕНИЯ АЗИМУТА ПОЛЯРИЗОВАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Модуляция путем вращения плоскости поляризации излучения может быть осуществлена вращающимися поляризаторами, либо путем использования эффектов Зеемана или Штарка.

Модуляторы в виде вращающихся поляризаторов могут быть выполнены с достаточно большим световым диаметром. Однако работа этих модуляторов сопровождается вибрациями, частота модуляции мала, и как правило, попадает в область сильного влияния 1/f -- шумов фотоприемника и системы обработки информации.

Модуляция излучения источника с использованием эффекта Зеемана позволяет исключить движущиеся элементы и вибрации, однако для обеспечения стабильности частоты такой модуляции требуется создание мощного и стабильного магнитного поля и стабильного источника излучения. Для модуляции излучения на основе эффекта Штарка требуется сильное электростатическое поле. Сообщений о ПУ с такими модуляторами обнаружить не удалось [1].

Рисунок 6 Схема устройства для измерения угла скручивания с модуляцией на основе эффекта Зеемана:

I -- излучатель, II -- приемник; 1 -- лазер; 2 -- блок питания; 3,5 -- анализаторы; 4,6, -- фотоприемники; 7 -- фазовый детектор.

4.1 АВТОКОЛЛИМАЦИОННЫЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ УГЛОМЕРЫ

Известны схемы автоколлимационных ПУ (см. рис. 4), у которых на контролируемом объекте располагаются только КЭ, что позволяет исключить другие виды связи между объектами, кроме оптической. Однако схемы этих устройств сложны, что сказывается на габаритных и метрологических параметрах ПУ.

Возможны два варианта построения КЭ автоколлимационных ПУ для измерения угла скручивания. КЭ могут содержать поляризатор (или анализатор), как в схеме на рис. 3 или четвертьволновую пластинку. При повороте КЭ с четвертьволновой пластинкой на угол ц плоскость поляризации отраженного излучения поворачивается на угол 2ц, что определяет лучшие метрологические параметры таких ПУ. Также существуют ПУ для контроля двух и более объектов. Компоновка таких ПУ не сильно отличается от компоновки ПУ для контроля одного объекта [4].



ГЛАВА 5. УГЛОМЕРЫ С МОДУЛЯЦИЕЙ ПОТОКА ИЗЛУЧЕНИЯ СИСТЕМЫ ИСТОЧНИКОВ ИЛИ МОДУЛЯЦИЕЙ СИГНАЛОВ, СНИМАЕМЫХ С СИСТЕМЫ ФОТОПРИЕМНИКОВ

Модуляция мощности излучения источников может быть осуществлена как непосредственно в источнике излучения (внутренняя), так и на пути излучения от источников к приемнику (внешняя). Наиболее удобной для построения оптической системы является внутренняя модуляция мощности излучения источника, особенно модуляция излучения светодиодов и лазеров.

Типичным для данной группы ПУ является кодировщик положения вала, описанный в патенте США № 3604811 (рис. 7). Излучение источников 1, 2, 3 модулируется синусоидально, например, током питания от блока 9, с разностями фаз между переменными составляющими, равными 120°. Оси пропускания поляризаторов 4, 5, 6 установлены под углом 60° друг к другу. При этом фаза переменной составляющей потока излучения, падающего на фотоприемник, равна 2ц, где ц -- азимут оси пропускания анализатора 7. Фазометр 10 измеряет разность фаз между сигналами с выхода фотоприемника 8 и опорным сигналом, например, из цепи питания одного из источников. Сигнал на выходе фазометра определяется величиной угла ц.

Достоинством ПУ является то, что фаза сигнала принципиально не зависит от пропускания оптического тракта, чувствительности фотоприемника, коэффициента усиления усилителя. Поэтому влияние указанных факторов на погрешность ПУ может быть существенно ослаблено. Кроме того, в этом ПУ отсутствуют подвижные элементы. Недостатками схемы являются сложность оптической системы коллиматора, содержащего большое число идентичных каналов и необходимость строгого согласования амплитуд и фаз модуляции мощности излучения трех источников.



Рис. 7 Схема кодировщика положения вала: I -- коллиматор; II -- приемник; 1,2,3 -- источники излучения; 4,5,6 -- поляризаторы; 7 -- анализатор; 8 --фотоприемник; 9 -- генератор; 10 -- фазометр

Особое место в рассматриваемой группе устройств занимают устройства с двумя источниками излучения или двумя фотоприемниками, так как в этом случае сигнал имеет не фазовую, а амплитудно-фазовую модуляцию [1].

5.1 ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ УГЛОМЕР

Особое место в рассматриваемой группе устройств занимают устройства с двумя источниками излучения или двумя фотоприемниками, так как в этом случае сигнал имеет не фазовую, а амплитудно-фазовую модуляцию.

Дифференциальный ПУ обладает рядом преимуществ по сравнению с рассмотренными ранее. В этом ПУ отсутствуют электрооптические или магнитооптические модуляторы: которые накладывают существенные ограничения на оптическую систему ПУ и требуют применения источников относительно высокого напряжения или большого тока. Отсутствуют подвижные механические элементы, в частности, модуляторы. Схема проста и надежна, так как содержит относительно небольшое количество элементов. Потери энергии излучения в оптической системе этого ПУ невелики, поэтому возможно применение относительно маломощных источников излучения при сохранении малой величины шумовой составляющей погрешности ПУ. Рассмотрим схему дифференциального ПУ с двумя источниками излучения.

Рис. 8 Схема дифференциального ПУ: I -- коллиматор; II -- приемник; 1,2 -- источники излучения; 3,4 -- объективы; 5, 6 - поляризаторы; 7 - анализатор; 8 - объектив; 9 - фотоприемник; 10 - блок питания источников; 11 - амплитудно-фазовый детектор.



ГЛАВА 6. ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ УГЛОМЕРЫ С СЕКТОРНЫМИ АНАЛИЗАТОРАМИ ПОЛОЖЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ

В ПУ указанного типа для измерения коллимационных углов k и ш используется перемещение светового пятна по анализаторам или модуляторам, которые являются анализаторами положения изображения. Существуют как однокоординатные, так и двухкоординатные ПУ.

Рассмотрим двухкоординатный поляризационный автоколлиматор (пат. США № 3316799) (рис. 9). Объектив 6 строит автоколлимационное изображение диафрагмы 2 на анализаторе 7. При поворотах зеркала 18 относительно коллимационных осей X и У изображение диафрагмы перемещается по анализатору и происходит изменение потоков излучения, прошедших через отдельные квадранты. Сигнал на входе фотоприемника содержит две составляющие, сдвинутые по фазе на 90°. Амплитуда одной из составляющих пропорциональна углу k, а другой -- углу ш . Амплитуды этих составляющих детектируются блоками 16 и 17. Опорные напряжения формируются в двух параллельных каналах, включающих источники излучения 10, 11, анализаторы 12, 13 и фотоприемники 14, 15. Оси пропускания анализаторов 12,13 составляют угол 45°.

Специфическими источниками погрешности измерения в таком ПУ являются следующие факторы: погрешность формы диафрагмы, неравномерность освещенности в изображении диафрагмы, погрешность взаимной ориентации осей пропускания поляризационных элементов и нестабильность мощности излучения источника.



Рис. 9 Схема двухкоординатного поляризационного автоколлиматора с квадратным анализатором: I -- автоколлиматор; II -- КЭ; 1 -- источник излучения; 2 -- диафрагма; 3 -- поляризатор-модулятор; 4 -- двигатель; 5 -- светоделитель; 6 -- обьектив; 7 -- квадрантный анализатор; 8 -- конденсор; 9 -- фотоприемник; 10, 11 -- источники излучения; 12, 13 -- анализаторы; 14, 15 -- фотоприемники; 16,17 -- амплитудно-фазовый детектор; 18 -- зеркало



ГЛАВА 7. ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ УГЛОМЕРЫ С ПЛАСТИНКАМИ САВАРА

В ряде схем ПУ, предложенных Дживерсом (пат. США № 3773421 и № 3981587) в качестве элемента, чувствительного к поворотам относительно коллимационных осей, используются пластинки Савара. При этом используется эффект изменения фаз между составляющими поля излучения, прошедшего пластинку, при ее поворотах относительно чувствительной оси. Достоинством пластинок Савара является то, что они чувствительны непосредственно к изменению ориентации излучения.

Трехкоординатный ПУ (рис. 10) содержит ряд дополнительных элементов, в частности, дополнительную пластинку Савара 14 и призму Волластона 15, которые установлены с азимутами осей, отличающимися от азимутов пластинки 7 и призмы Волластона 8 на 45°. Дополнительный канал позволяет измерять поворот приемника относительно оси, составляющей угол 45° с осью X. Для определения взаимного положения объектов относительно ортогональных осей X, У, Z необходимо выполнить дополнительные вычисления. Отметим, что введение светоделителя 16 приводит к искажению состояния поляризации излучения и возникновению дополнительной составляющей погрешности измерения [2].

Рисунок 10 - Схема трехкоординатного ПУ с пластинками Савара: I -- коллиматор, II -- приемник; 1 -- источник излучения; 2 -- объектив; 3 -- поляризатор (аз = 45°); 4 -- четвертьволновая пластинка (a4 = 0°); 5 -- электрооптический модулятор; 6 -- генератор; 7 -- пластинка Савара (a7 = --45°); 8 -- призма Волластона (а8 = 0, a'8 = 90°); 9 и 10 -- фотоприемники; 11 -- вычитающее устройство; 12 и 13 -- амплитудно-фазовые детекторы; 14 -- пластинка Савара (a14=0°); 15 -- призма Волластона (a15 = 45°, a'15 = -45°); 16 -- светоделитель; 17 и 18 -- фотоприемники; 19 -- вычитающее устройство; 20 -- амплитудно-фазовый детектор.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения данной работы мне удалось понять основные принципы построения ПУ. Мне удалось установить, что выбор того или иного ПУ зависит от поставленной задачи и области его применения. Некоторые из устройств, имеющие более точные измерения, с наименьшими погрешностями, имеют габаритные размеры, что становится невозможным его использование на практике. Принцип действия обусловлен не только конструктивными параметрами(несколько источников излучения, несколько фотоприемников, светоделительные пластины и.т.д), но и типом модуляции и демодуляции сигнала. Схемы трехкоординатного, двухкоординатного или однокоординатного также различаются в зависимости от выбранных углов исследуемого объекта.

В итоге можно сказать что построение и расчет метрологических характеристик сводится к уменьшению разных типов погрешностей. Чем более функционален ПУ, тем он более сложен в построении и расчете, и тем самым имеет большее количество погрешностей. Следовательно, выбор того или иного ПУ зависит от конкретных условий эксплуатации.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Панков Э.Д., Коротаев В.В. Поляризационные угломеры. М.: Недра, 1992.-240 с.

2. Ищенко Е.Ф., Соколов А.Л. Поляризационная оптика: учебное пособие для вузов. - М.: Издательство МЭИ, 2005. - 336 с.: ил.

3. Якушенков Ю.Г. Основы оптико-электронного приборостроения: учебник. - 2-е изд., перераб. и доп. / Ю.Г. Якушенков. - М.: Логос, 2013. - 376 с.: ил.(Новая университетская библиотека)

4. Высокоточные угловые измерения. Аникст Д.А., Меськин И.В., Константинович К.М. и др. под редакцией Якушенкова Ю.Г., М.: Машиностроение, 1987г.



СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

КЭ - контрольный элемент

ПУ- поляризационный угломер

Размещено на Allbest.ru

...