оптическое устройство для измерения малых перемещений

Формула изобретения

Оптическое устройство для измерения малых перемещений объекта, содержащее источник когерентного света, зеркальную систему, образующую двугранный угол меньше 180 град. , расположенную так, что ребро этого угла проходит через оптическую ось устройства, и блок регистрации, отличающееся тем, что зеркальная система жестко закреплена на объекте с возможностью перемещения с последним, а источник света установлен с возможностью изменения угла наклона в пределах угла, вертикального для двугранного угла зеркальной системы, исключая граничные значения угла.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной техники, а более конкретно к области оптического прибороостроения, и может быть использовано, в частности, для бесконтактного, безынерционного измерения малых линейных и угловых перемещений, например при исследовании микросмещений в трибоконтакте резьбовой пары.

Известно устройство для измерения малых перемещений объекта, содержащее отражатель, установленный на объекте, источник когерентного излучения, регистратор положения отраженного от отражателя светового пучка, по которому судят о величине перемещения объекта. Данное устройство используется при реализации способа измерения малых перемещений, защищенного патентом Японии N 51-17062, G 01 B 11/02, 1976 г.

Недостатком известного устройства является то, что оно не позволяет определить малые перемещения с высокой точностью.

Известно устройство, защищенное авт. св. СССР N 847017, G 01 B 11/00, публ. 1981 г., которое содержит отражатель, связанный с объектом, источник когерентного света, расположенный под углом к отражателю, регистрирующий блок, на который падает отраженный от отражателя световой луч. На объекте установлено не менее двух отражателей, каждый из которых выполнен в виде микроскопических кристаллов минерала, напыленных на тонкий слой клея, наносимого на исследуемую точку объекта. Устройство позволяет измерять перемещения различных точек объекта, перемещения которых не идентичны. Однако наличие микрокристаллов на отражаемой поверхности приводит к расфокусированию отраженного луча, что снижает точность измерений и исключает возможность применения устройства при измерении микроперемещений. Кроме того, сложна тарировка данного устройства.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для измерения механических величин, защищенное авт.св. СССР N 1146548, G 01 B 11/00, публ. 1985 г.

Устройство содержит последовательно расположенные осветитель, первичный преобразователь с установленным на нем отражателем, зеркальную систему, установленную неподвижно и выполненную в виде зеркал, образующих двугранные углы, и шкалу. Два зеркала зеркальной системы составляют двугранный угол меньше 180 градусов, а третье зеркало с одним из двух первых составляет двугранный угол больше 180 градусов, ребро этого угла проходит через оптическую ось устройства.

Недостатком известного устройства является, то, что оно, обеспечивая регистрацию поворотов поверхности, на которой установлен отражатель в виде плоского зеркала, не позволяет зафиксировать плоские перемещения, т.к. никакого смещения луча при перемещении плоского зеркала в горизонтальной или вертикальной плоскости не произойдет. Это ограничивает область использования устройства и не позволяет применять его для измерения перемещений объекта в плоскости и для измерения перемещений объекта, совершающего сложные перемещения, например одновременно плоское и вращательное.

Заявляемым устройством решается задача расширения области использования устройства для измерения плоских перемещений и перемещений сложного вида, имеющих одновременно плоскую и вращательную составляющие.

Поставленная задача решается за счет того, что в оптическом устройстве для измерения малых перемещений объекта, содержащем источник света, зеркальную систему, образующую двугранный угол меньше 180 градусов, расположенную так, что ребро этого угла проходит через оптическую ось устройства, и блок регистрации, согласно изобретению зеркальная система жестко закреплена на объекте с возможностью перемещения с последним, а источник света установлен с возможностью изменения угла наклона в пределах угла, вертикального для двугранного угла зеркальной системы, исключая граничные значения угла.

Возможность решения поставленной задачи обусловлена тем, что жестко закрепленная на объекте зеркальная система совершает перемещения, идентичные перемещениям объекта. Расположение ребра зеркальной системы на оптической оси устройства позволяет зафиксировать разницу отражений от различных граней зеркальной системы даже при наличии плоского микроперемещения. Угол падения пучка лучей на зеркало, установленное под углом, изменится, что приведет к изменению угла отражения и, как следствие, к значительному изменению координат лучей, фиксируемых блоком регистрации. Это позволяет увеличить точность измерения перемещений, не потерять часть данных, внесенных одной из составляющих при сложных перемещениях, например линейную составляющую при одновременном вращении и вертикальном перемещении, которое имеет место в трибоконтакте резьбовой пары. При этом ограничения углов наклона источника света обусловлено тем, что при совпадении угла наклона источника света с величиной одного из углов, ограничивающих угол, вертикальный к двугранному углу зеркальной системы, луч начинает скользить по одной из поверхностей зеркальной системы, тогда имеет место наличие работы одного плоского зеркала, установленного под углом. Это приводит к тому, что теряется часть информации о перемещениях в плоскости этого зеркала, которую несут лучи, скользящие по поверхности одного из зеркал и не попадающие в блок регистрации.

Наличие отличительных от прототипа признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию "новизна".

В процессе поиска выявлено техническое решение, защищающее устройство для контроля углов призм (см. авт.св. СССР N 1714347, G 01 B 11/26, публ. 1992 г. ), где луч света от источника направлен на грани призмы, а регистрирующим блоком фиксируются отраженные от граней световые лучи. Однако в известном устройстве отражателями на гранях не выполняется функция регистрации перемещения объекта, измерения величины изменения положения объекта при сравнении различия сигналов с различных граней призмы, а сравнение производится только между сигналами с двух граней на предмет идентификации этих сигналов. При их нетождественности делается вывод о различии углов наклона граней призмы. Сходному отличительному признаку известного устройства, где грани призмы выполняют функцию отражателей, не свойственно проявление свойств, которые присущи этому признаку в заявляемом устройстве, а именно возможность регистрации перемещений. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "изобретательский уровень".

Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1 и 2.

На фиг. 1 показан общий вид устройства.

На фиг. 2 показан ход лучей при совпадении наклона источника света с наклоном поверхности одного из зеркал.

Оптическое устройство для измерения малых перемещений содержит когерентный источник света 1, направляющий пучок лучей на зеркальную систему 2, установленную жестко на объекте 3. Объект 3 совершает перемещения в вертикальной плоскости и одновременно вращение вокруг оси объекта 3, которые реализуются в трибоконтакте резьбовой пары. Зеркальная система 2 выполнена из двух зеркал 4 и 5, образующих двугранный угол меньше 180 градусов. Зеркальная система 2 установлена на плоскости объекта 3 так, что ребро 6 проходит через оптическую ось 7 устройства. Источник света 1 может быть установлен под углом к зеркальной системе 2. Угол наклона источника света изменяется в пределах угла , который является вертикальным по отношению к углу - двугранному углу зеркальной системы. Лучи, отраженные от зеркал 4 и 5, попадают в систему регистрации, которая представляет электрическую систему считывания, обработки и записи светового потока, поступающего от зеркальной системы, содержит объективы 8 и 9, чувствительные фотоприемники 10 и 11 и блок обработки сигналов 12, который производит сравнение сигнала с первичного измерения и сигнала после перемещения объекта.

Устройство работает следующим образом. Источник света 1 направляет когерентный пучок лучей на зеркальную систему 2, установленную на поверхности объекта 3, которая формирует широкий пучок параллельных лучей, падающих на поверхность зеркальной системы 2, часть лучей попадает на поверхность 4, а часть - на поверхность 5. Пучок лучей попадает на ребро 6 зеркальной системы и делится на два пучка, отклоняющихся в противоположные стороны. Отраженные параллельные пучки попадают в объективы 8 и 9 соответственно, регистрируются фотоприемниками 10 и 11 и обрабатываются блоком обработки 12. При повороте или перемещении объекта 3 происходит соответственное перемещение и зеркал 4 и 5, жестко закрепленных на поверхности объекта 3. При перемещении зеркал изменяет свое положение и ребро 6 и изменяется количественно пучок лучей от объективов 8 и 9, который будет попадать на фотоприемники 10 и 11 соответственно. Непропорциональность пучков, попавших на объективы, регистрируется блоком обработки при сравнении сигналов с фотоприемников 10 и 11 при различных измерениях до перемещения и после.

При совпадении угла наклона источника света с плоскостью одной из сторон угла , когда источник света занимает положение 1" (см. фиг. 2), при этом угол является вертикальным по отношению к углу - углу, образованному зеркалами 4 и 5 зеркальной системы 2, часть лучей будет скользить по поверхности зеркала 4 и не будет зарегистрирована блоком регистрации. Аналогичная ситуация будет наблюдаться при совпадении угла наклона луча света с другой стороной угла (положение источника света 1"" на фиг. 2), когда часть лучей не будет отражена от поверхности зеркала 5, а проскользит по ней и не будет учтена в блоке регистрации.

Устройство позволяет при простой тарировке и настройке измерять величину сверхмалых линейных (10^-8 м) и угловых (10^-3 угловой секунды) перемещений, например микроперемещение в трибоконтакте резьбового соединения при исследовании явления самоотвинчивания.