Устройство для измерения угловых отклонений
Полезная модель относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использована в устройствах прецизионного измерения угловых отклонений. Содержит источник некогерентного излучения 8, выпуклое цилиндрическое зеркало 10 (11), нить подвеса 12, шкалу отсчета 5 отраженного луча света 3 (4), собирающую линзу 6, установленную между источником некогерентного излучения 8 и поверхностью выпуклого цилиндрического зеркала 10 (11), подвешенного на нити подвеса 12 с эксцентриситетом, фокусное расстояние собирающей линзы 6 равно расстоянию до поверхности выпуклого цилиндрического зеркала, что обеспечивает повышение достоверности измерения углового отклонения.
Полезная модель относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использована в устройствах прецизионного измерения угловых отклонений.
Известно устройство измерения угловых и линейных координат объекта, содержащее источник света, световой поток которого поступает через светоделитель на вход матричного фотоприемника непосредственно и на вход маркерного выпуклого зеркала через объектив [1]. Маркерное выпуклое зеркало соединено с измеряемым объектом и отраженный луч света от маркерного выпуклого зеркала попадает обратно через объектив и светоделитель на вход матричного фотоприемника. Информационные сигналы с выхода матричного фотоприемника подаются на вход ЭВМ для компьютерной обработки прямого и обратного изображений маркера. В результате вычислительных и логических операций в ЭВМ предлагаются угловые и линейные координаты измеряемого объекта.
Недостаток известного устройства состоит в том, что точность измерения угловых и линейных отклонений прямо пропорционально зависит от разрешающей способности матричного фотоприемника и вычислительных возможностей ЭВМ. Повышение точности измерений ведет к нежелательному усложнению и удорожанию матричного фотоприемника и ЭВМ.
Наиболее близким к предлагаемому известным техническим решением в качестве прототипа является устройство для измерения угловых отклонений, содержащее источник некогерентного излучения, выпуклое цилиндрическое зеркало, нить подвеса и шкалу отсчета отраженного луча света, источник некогерентного излучения направлен на поверхность выпуклого цилиндрического зеркала, отраженный луч от поверхности которого направлен на шкалу отсчета [2]. За счет выпуклой поверхности цилиндрического зеркала обеспечивается высокая чувствительность при измерении угла отклонения нити подвеса цилиндрического зеркала. Использование некогерентного источника излучения, в отличие от когерентного (лазерного), упрощает конструкцию измерителя углового отклонения.
Недостатком прототипа является не совсем высокая достоверность измерения углового отклонения нити подвеса выпуклого цилиндрического зеркала по причине «размытости» отраженного луча от выпуклой зеркальной поверхности на шкале отсчета и наличия мультипликативной погрешности измерения, значение которой заранее определить не представляется возможным, так как эта мультипликативная погрешность всецело зависит от измеряемого угла отклонения, точное (истинное) значение которого при измерении неизвестно.
Целью полезной модели является повышение достоверности измерения углового отклонения нити подвеса выпуклого цилиндрического зеркала за счет фокусировки источника некогерентного излучения и задания условий обеспечения линейного участка измерения угла отклонения подбором эксцентриситета подвеса подвижного выпуклого цилиндрического зеркала.
Сущность полезной модели состоит в том, что, кроме известных и общих отличительных признаков, а именно: источника некогерентного излучения, выпуклого цилиндрического зеркала, нити подвеса и шкалы отсчета отраженного луча света, источник некогерентного излучения направлен на поверхность выпуклого цилиндрического зеркала, отраженный луч от поверхности которого направлен на шкалу отсчета, предлагаемое устройство для измерения угловых отклонений дополнительно содержит собирающую линзу, установленную между источником некогерентного излучения и поверхностью выпуклого цилиндрического зеркала, подвешенного на нити подвеса с эксцентриситетом, фокусное расстояние собирающей линзы равно расстоянию до поверхности выпуклого цилиндрического зеркала, измеряемый угол отклонения определяется с помощью выражения:
где R - эксцентриситет подвески выпуклого цилиндрического зеркала;
- угол отклонения нити подвеса выпуклого цилиндрического зеркала;
L - радиус кривизны шкалы отсчета;
- угол, дополняющий до значения 
/2 падение луча на поверхность выпуклого цилиндрического зеркала;
- угол между радиусами цилиндрического зеркала в точках падения луча на его поверхность в исходном положении и после отклонения на угол , при этом диапазон измерения угла отклонения 
выбирают исходя из условия
Новизна полезной модели заключается в том, что предлагаемое устройство для измерения угловых отклонений дополнительно содержит собирающую линзу, установленную между источником некогерентного излучения и поверхностью выпуклого цилиндрического зеркала, подвешенного на нити подвеса с эксцентриситетом, фокусное расстояние собирающей линзы равно расстоянию до поверхности выпуклого цилиндрического зеркала, измеряемый угол отклонения определяется с помощью выражения (1), при этом диапазон измерения угла отклонения т выбирают исходя из условия (2), что обеспечивает повышение достоверности измерения углового отклонения нити подвеса выпуклого цилиндрического зеркала.
Функциональная схема предлагаемого устройства для измерения угловых отклонений изображена на чертеже, где обозначено:
1 - точка подвеса нити выпуклого цилиндрического зеркала;
2 - измеряемый угол отклонения нити подвеса выпуклого цилиндрического зеркала;
3 - отраженный луч от выпуклого цилиндрического зеркала после его отклонения;
4 - отраженный луч от выпуклого цилиндрического зеркала до его отклонения;
5 - шкала с отчетными делениями (шкала отсчета);
6 - собирающая выпуклая линза;
7 - считываемый со шкалы отсчета измеряемый угол отклонения нити подвеса;
8 - источник некогерентного излучения;
9 - продольная ось сфокусированного некогерентного излучения;
10 - отражающая поверхность выпуклого цилиндрического зеркала в его поперечном сечении в исходном (не отклоненном) положении;
11 - отражающая поверхность выпуклого цилиндрического зеркала в его поперечном сечении в отклоненном положении;
12 - нить подвеса.
В исходном положении к точке 1 подвеса присоединена нить подвеса, которая отклонена на измеряемый угол отклонения 2. Отраженные лучи 3 и 4 от выпуклого цилиндрического зеркала после и до его отклонения соответственно высвечивают деления шкалы отсчета 5. Выпуклая линза 6 выполняет функцию собирающего оптического элемента. Считываемый со шкалы отсчета 5 измеряемый угол отклонения 2 нити подвеса имеет значение 7. Некогерентный источник излучения 8 после фокусировки выпуклой линзой 6 распространяется вдоль продольной оси 9 сфокусированного некогерентного излучения на отражающие поверхности не отклоненного 10 и отклоненного 11 цилиндрического зеркала, который подвешен к неподвижной точке 1 с помощью нити подвеса 12 с эксцентриситетом.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
При угловом отклонении 2 нити подвеса 12 от исходного (вертикального) положения отраженный луч 3 переместится относительно отраженного луча 4 за счет известного в прототипе выпуклого зеркала 10 (11) на больший угол 7, что свидетельствует о высокой чувствительности измерителя угловых отклонений. Возможная нежелательная размытость отраженного от выпуклого зеркала луча устраняется в предлагаемом устройстве за счет фокусировки некогерентного (с широким амплитудным и фазовым частотным спектром) светового излучения от источника 8 с помощью собирающей линзы 6. Фокусное расстояние собирающей линзы 6 совпадает с расстоянием между линзой 6 и отражающей поверхностью выпуклого зеркала 10 (11), что позволяет уменьшить размытость луча 3 и повысить достоверность отсчета результата углового измерения по шкале отсчетов 5.
Подбирая эксцентриситет подвеса выпуклого зеркала и выполняя условие (2) можно существенно расширить линейный режим измерения углового отклонения 2 нити подвеса 12 и исключить мультипликативную погрешность измерения. Мультипликативная погрешность углового измерения растет по мере увеличения этого углового измерения.
Промышленная осуществимость предлагаемой полезной модели обосновывается тем, что в ней используются известные в аналоге и прототипе узлы и элементы по своему прямому функциональному назначению. В организации-заявителе изготовлен действующий макет устройства в 2011 году.
Положительный эффект от использования полезной модели заключается в том, что повышается не менее чем на 20
30% достоверность измерения углового отклонения нити подвеса выпуклого цилиндрического зеркала за счет фокусировки источника некогерентного излучения 8 собирающей линзой 6 и задания условий обеспечения линейного участка измерения угла отклонения подбором эксцентриситета подвеса подвижного выпуклого цилиндрического зеркала 10.
Источники информации:
1. Патент RU 2366893, Устройство измерения угловых и линейных координат объекта, МПК G01B 11/26, приоритет: 19.02.2008 г., автор: Вензель В.И., патентообладатель: ФГУП НИИКИ ОЭП, (аналог).
2. Электрические измерения, учебн. под ред. А.В.Фремке и Е.М.Душина, Л.: Энергия, 1980 г., с.102, 163, 164, (прототип).
Устройство для измерения угловых отклонений, содержащее источник некогерентного излучения, выпуклое цилиндрическое зеркало, нить подвеса и шкалу отсчета отраженного луча света, источник некогерентного излучения направлен на поверхность выпуклого цилиндрического зеркала, отраженный луч от поверхности которого направлен на шкалу отсчета, отличающееся тем, что дополнительно содержит собирающую линзу, установленную между источником некогерентного излучения и поверхностью выпуклого цилиндрического зеркала, подвешенного на нити подвеса с эксцентриситетом, фокусное расстояние собирающей линзы равно расстоянию до поверхности выпуклого цилиндрического зеркала, измеряемый угол отклонения определяется с помощью выражения
где R - эксцентриситет подвески выпуклого цилиндрического зеркала;
- угол отклонения нити подвеса выпуклого цилиндрического зеркала;
L - радиус кривизны шкалы отсчета;
- угол, дополняющий до значения /2 падение луча на поверхность выпуклого цилиндрического зеркала;
- угол между радиусами цилиндрического зеркала в точках падения луча на его поверхность в исходном положении и после отклонения на угол , при этом диапазон измерения угла отклонения выбирают исходя из условия
