DE1773289B1

DE1773289B1 - Digital length measuring arrangement with laser interferometer

Info

Publication number: DE1773289B1
Application number: DE19681773289
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Ebbe Rohloff
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1968-04-26
Filing date: 1968-04-26
Publication date: 1970-12-03

Description

Zur genauen Längen- bzw. Wegmessung, beispielsweise zur periodischen Messung des Abstandes eines bewegbaren Maschinenteils einer Arbeitsmaschine von einem Bezugspunkt, werden seit einiger Zeit Laserinterferometer benutzt. Die von dem lichtempfindlichen Empfänger des Interferometers aufgenommenen Impulse werden dabei, gegebenenfalls nach Verstärkung, einem Zähler eingegeben, dessen Stand jeweils nach Beendigung einer Meßperiode ein Maß für eine Abstandsänderung des bewegbaren Maschinenteils gegenüber dem Bezugspunkt ist. For precise length or path measurement, for example for periodic measurements Measurement of the distance of a movable machine part of a work machine from a reference point, laser interferometers have been used for some time. The from the light-sensitive receiver of the interferometer recorded pulses in the process, if necessary after amplification, entered a counter, its status in each case after the end of a measuring period a measure of a change in distance of the movable Machine part is opposite to the reference point.

Bei der Durchführung von Meßreihen mittels eines solchen Laserinterferometers ist erkannt worden, daß Änderungen des Brechungsindex der Luft in der Meßstrecke während einer Meßreihe das Meßergebnis verfälschen können. Um dem entgegenzuwirken, ist es bekannt, vor Beginn der Messung die Größe des Brechungsindex der Luft in der Meßstrecke durch Meßeinrichtungen festzustellen, welche die Brechzahl in Abhängigkeit vom Luftdruck, der Lufttemperatur und der Luftfeuchte ermitteln. Die Meßeinrichtung für den Brechungsindex gibt dann in das Impulszählwerk eine entsprechende Korrekturgröße ein, die allerdings bei etwa während der Meßperiode eintretender Anderung von Luftdruck, Temperatur und Feuchte nicht mehr berichtigt wird. Somit führen Anderungen des Brechungsindex während der Meßperiode unter Umständen zu falschen Ergebnissen. When carrying out series of measurements by means of such a laser interferometer it has been recognized that changes in the refractive index of the air in the measuring section can falsify the measurement result during a series of measurements. To counteract this, it is known, before starting the measurement, the size of the refractive index of the air in determine the measuring section by measuring devices, which the refractive index as a function determine the air pressure, the air temperature and the air humidity. The measuring device for the refractive index there is then a corresponding correction variable in the pulse counter a, which, however, occurs in the event of a change in air pressure approximately during the measurement period, Temperature and humidity are no longer corrected. Thus, changes in the index of refraction lead may lead to incorrect results during the measurement period.

Die Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, eine Einrichtung zu schaffen, welche auch diesen Fehler zu korrigieren vermag und somit bei Änderungen des Brechungsindex der Luft während der Meßperiode wirksam ist und laufend oder zu beliebigen Zeitpunkten der Meßperiode das Meßergebnis entsprechend den Brechzahländerungen berichtigt. The invention is concerned with the object of providing a device which is also able to correct this error and thus with changes in the refractive index the air is effective during the measurement period and continuously or at any time corrects the measurement result according to the changes in the refractive index during the measurement period.

Demgemäß besteht die Erfindung bei einer Einrichtung zur Korrektur der Meßergebnisse in Abhängigkeit vom Brechungsindex der Luft in der Wegstrecke einer digitalen Längenmeßanordnung mit Laserinterferometer, wobei die vom lichtempfindlichen Empfänger des Interferometers während der Meßperiode aufgenommenen Impulse einem Zähler eingegeben werden, dessen Stand jeweils nach Beendigung einer Meßperiode ein Maß für eine Abstandsänderung des bewegten Teils der Meßanordnung gegenüber dem Bezugspunkt ist, darin, daß der Zählerstand des die wegabhängigen Impulse aufnehmenden Zählers durch Zusatzimpulse eines Impulsgenerators korrigiert wird, dessen Impulsfolgefrequenz in Abhängigkeit von Brechzahländerungen der Luft während der Meßperiode veränderbar ist. Accordingly, the invention resides in an apparatus for correction the measurement results depending on the refractive index of the air in the path a digital length measuring system with laser interferometer, the photosensitive Receiver of the interferometer recorded pulses during the measurement period Counters are entered, the status of each after the end of a measuring period a measure of a change in distance between the moving part of the measuring arrangement the reference point is that the count of the receiving the path-dependent pulses Counter is corrected by additional pulses from a pulse generator whose pulse repetition frequency changeable depending on changes in the refractive index of the air during the measurement period is.

Die während der Meßperiode dem lichtelektrischen Empfangs organ des Interferometers entnehmbaren Zählimpulse werden einem Zweirichtungszähler zugeführt, dem bei einer Brechzahländerung um I n vom Generator eine der Größe 4K-ln entsprechende Korrekturimpulsanzahl eingegeben wird, wobei der korrigierte Zählstandswert des Zählers in einem statischen Multiplikator mit einem dem Generator entnehmbaren, der Größe 42° entsprechenden, Zahlenwert multipliziert wird und das gebildete Produkt über ein Register eine Anzeigevorrichtung bzw. ein Stellglied beeinflußt. The organ of the photoelectric receiving during the measurement period Counting pulses that can be taken from interferometers are fed to a bidirectional counter, with a change in the refractive index by I n from the generator, one corresponding to the size 4K-ln Number of correction pulses is entered, whereby the corrected count value of the Counter in a static multiplier with one that can be taken from the generator, the numerical value corresponding to the size 42 ° is multiplied and the product formed influenced via a register a display device or an actuator.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird der Vorteil erzielt, daß in das die wegabhängigen Impulse aufnehmende Impulszählwerk laufend oder zu beliebigen Zeitpunkten während der Meßperiode Korrekturimpulse eingegeben werden können, deren Impulsfolgefrequenz von der jeweiligen Größe des Brechungsindex der Luft abhängt, so daß von der interferometrischen Längenmeßanordnung dauernd ein richtiges Meßergebnis geliefert wird. The measures according to the invention have the advantage that into the pulse counter that receives the path-dependent pulses or to any Correction pulses can be entered during the measuring period, whose Pulse repetition frequency depends on the respective size of the refractive index of the air, so that the interferometric length measuring system always gives a correct measurement result is delivered.

Weitere Einzelheiten der Erfindung seien nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Further details of the invention are given below with reference to Embodiments explained in more detail.

Die F i g. 1 veranschaulicht in schematischer Darstellung eine bekannte Längenmeßanordnung mit Laserinterferometer, in der die Lichtquelle (Laser) mit L bezeichnet ist. Im Abstand an von der Lichtquelle L ist der halbdurchlässige geneigte Spiegel S1, im Abstand b vom Spiegel S1 der feststehende Spiegel S2 und im Abstand d (Meßstrecke) vom Spiegel S1 der am bewegbarem Meßobjekt befestigte Spiegel S2 angeordnet. Im Abstand b + c vom Spiegel S2 ist das lichtelektrische Empfangsorgan, nämlich der Detektor D, angeordnet, welcher Lichtschwankungen in elektrische Strom- bzw. Spannungsschwankungen umzusetzen in der Lage ist. Die dem Detektor D entnehmbaren Impulse werden dem Zweirichtungszähler Z eingegeben, welcher dieAnzeigevorrichtung A beeinflußt. The F i g. 1 illustrates in a schematic representation a known one Length measuring arrangement with laser interferometer, in which the light source (laser) with L is designated. At a distance on from the light source L, the semi-transparent one is inclined Mirror S1, the fixed mirror S2 at a distance b from mirror S1 and at a distance d (measurement section) from mirror S1 to mirror S2 attached to the movable measurement object arranged. At a distance b + c from mirror S2 is the photoelectric receiving organ, namely the detector D, which converts light fluctuations into electrical current or is able to implement voltage fluctuations. The detectors D can be removed Pulses are input to the bidirectional counter Z, which is the display device A affects.

Der Licht- (Laser-) -strahl wird in zwei Teilstrahlen aufgespalten, von denen der eine den Weg a Jr 2b + c, (1) der andere den Weg a + 2d + c (2) bzw. a + 4d + c (3) durchläuft, wenn der Strahl den Weg zwischen dem halbdurchlässigen Spiegel S1 und dem Spiegel S3 viermal durchsetzt. The light (laser) beam is split into two partial beams, of which one takes the path a Jr 2b + c, (1) the other the path a + 2d + c (2) or a + 4d + c (3) traverses when the beam makes the way between the semi-transparent Mirror S1 and the mirror S3 interspersed four times.

Wegen des frei wählbaren Nullpunktes (Bezugspunktes) zu Beginn der Messung ist es zweckmäßig, die Strecke d = x + D (4) zu setzen. Dabei soll x die Koordinate des Meßobjektes, bezogen auf den frei gewählten Nullpunkt, sein. Because of the freely selectable zero point (reference point) at the beginning of the Measurement, it is useful to set the distance d = x + D (4). Here x should be the The coordinate of the measuring object in relation to the freely selected zero point.

Der Gangunterschied N beider Strahlen beträgt nach (1) und (3) 4d - 2d 4D - 2b + 4x N = # n = # n. (5) 4) Hierbei ist 20 die Lichtwellenlänge im Vakuum und n der Brechungsindex der Luft in der Meßstrecke d. According to (1) and (3), the path difference N of both beams is 4d - 2d 4D - 2b + 4x N = # n = # n. (5) 4) Here, 20 is the wavelength of light in a vacuum and n is the refractive index of the air in the measuring section d.

Anderungen im Gangunterschied ergeben Intensitätsschwankungen, die vom Detektor D in Impulse umgesetzt und nach Vorwärts- und Rückwärtsbewegung des Meßobjektes unterschieden werden. Die Frequenz der Intensitätsschwankungen beträgt: dN 4 dN d(nx) + 4D-2b dn (6) f = dt = #0 # dt + #0 # dt # Die Anzahl Z der während einer Zeit t eintreffenden Impulse beträgt demnach ffdt=z=$[nx]jE+ A i- [n] A (7) und hängt vom Anfangswert nA, dem Endwert nE des Brechungsindex n, dem zurückgelegten Weg #x und den Konstanten D, b und #0 ab, Aus der Gleichung (7) errechnet sich die Wegdifferenz zu: Z4;{o K K # nE - nA (8) 4 n, nk (x, ist der Ort des Meßpunktes beim Anfang der Messung, x, der Ort des Meßpunktes beim Ende der Messung).Changes in the path difference result in fluctuations in intensity, which are converted into pulses by the detector D and differentiated according to the forward and backward movement of the test object. The frequency of the intensity fluctuations is: dN 4 dN d (nx) + 4D-2b dn (6) f = dt = # 0 # dt + # 0 # dt # The number Z of pulses arriving during a time t is therefore ffdt = z = $ [nx] jE + A i- [n] A (7) and depends on the initial value nA, the final value nE of the refractive index n, the distance covered #x and the constants D, b and # 0, from equation (7 ) the path difference is calculated as: Z4; {o KK # nE - nA (8) 4 n, nk (x, is the location of the measuring point at the beginning of the measurement, x, the location of the measuring point at the end of the measurement).

Bei während der Meßzeit auftretenden Änderungen des Brechungsindex n genügt also eine Summation der Zählimpulse und deren Multiplikation mit einem konstanten etwa zu Beginn der Messung ermittelten Faktor ## nicht, sondern das Ergebnis muß korrigiert werden. Die Korrekturgröße K = 4xA + 4D - 2b 4 wird mit nE - nA nE multipliziert. Da die relativen Änderungen der Grä#e n sich in der Größenordnung von 10-5 bewegen, braucht die Konstante K bei einer gewünschten Me#genauigkeit von 1 µ nur auf einige Zentimeter genau bekannt zu sein. Bei den im folgenden angegebenen Korrekturschaltungen wird der Einfluß des Korrekturgliedes berücksichtigt. In the event of changes in the refractive index occurring during the measurement period n it is sufficient to add the counting pulses and multiply them by one constant factor ## determined at the beginning of the measurement, but the result must be corrected. The correction variable K = 4xA + 4D - 2b 4 becomes nE - nA nE multiplied. Since the relative changes in the sizes are in the order of magnitude move from 10-5, the constant K needs with a desired measuring accuracy of 1 µ to be known only to a few centimeters. For those specified below Correction circuits, the influence of the correction element is taken into account.

Wie die Fig.2 veranschaulicht, werden die in einem Zeitintervall (Meßperiode) auftretenden Zählimpulse 1Z einem Vor- und Rückwärtszähler Z zugeführt. Dieser Zähler erhält gleichzeitig aus dem Generator Gn, welcher Brechzahländerungen in entsprechende Impulsfolgen umsetzt, bei Änderungen der Brechzahl um In eine Anzahl von Zählimpulsen, -4K In welche der Größe entsprechen, so daß der #0 Zwischenstand des Zählers die Grä#e 4K (nE - nA) Z -#0 abbildet. Dieser Zählerstand wird periodisch in einem statischen Multiplikator M mit dem Faktor #0 4n multipliziert, welcher ebenfalls dem Generator Gn entnommen wird. Das gebildete Produkt wird in das Register R eingegeben, von wo es der Anzeigevorrichtung A und/oder dem Stellglied ST zugeführt werden kann. Die Produktbildung im Multiplikator M muß häufig erfolgen. damit das Register R ein zeitgetreues Abbild des Zählerstandes ergibt. Die Korrektur auf den jeweils geltenden Brechungsindex jedoch kann beliebig vorgenommen werden, und zwar selbsttätig oder gelegentlich von Hand. Ist die Korrektur durchgeführt, so wird das Register R auf den richtigen Wert gebracht, da nach der Gleichung (8) das Ergebnis nur vom Anfangs- und Endwert (flA, nE) und nicht von dem zeitlichen Verlauf des Brechungsindex n abhängt. As Fig.2 illustrates, the in a time interval (Measuring period) occurring counting pulses 1Z fed to an up and down counter Z. This counter receives at the same time from the generator Gn, which refractive index changes converts it into corresponding pulse trains, when the refractive index changes by In a number of counting pulses, -4K in which correspond to the size, so that the # 0 intermediate reading of the counter maps the size 4K (nE - nA) Z - # 0. This count becomes periodic multiplied in a static multiplier M by the factor # 0 4n, which is also taken from the generator Gn. The formed product is in the register R entered, from where it is fed to the display device A and / or the actuator ST can be. The product formation in the multiplier M must take place frequently. So that Register R gives a true-to-time image of the counter reading. The correction to the however, the respectively applicable refractive index can be made as desired, namely automatically or occasionally by hand. Once the correction has been made, the register R brought to the correct value, since according to equation (8) the result only from the start and end value (flA, nE) and not from that time course of the refractive index n depends.

Das Register R enthält also den Wert #0 Z - 4K (nE - nA) xE - xA = # (9) 4nE #0 Diese Aussage entspricht der Aussage in Gleichung (8).The register R therefore contains the value # 0 Z - 4K (nE - nA) xE - xA = # (9) 4nE # 0 This statement corresponds to the statement in equation (8).

Andere Umformungen der Gleichung (8) führen zu den in den Fig.3 und 4 veranschaulichten Schaltungen. Other transformations of equation (8) lead to those shown in FIGS. 3 and 4 illustrated circuits.

Nach der Fig. 3 werden die Impulse dz einem Frequenzteiler FT zugeführt, an dessen Ausgang eine Impulsfolge f n° entsteht, sofern seinem zweiten Eingang der Zahlenwert der Größe ## aus dem Generator Gn eingegeben wird. Die Ausgangsimpulsfolge des Frequenzteilers FT wird im Zähler Z aufsummiert. Der Zähler erhält gleichzeitig aus dem Generator Gn Impulse der Größe #### Wie im vorher betrachteten Ausführungsbeispiel nach Fig.2 wird der Zählerstand im statischen Multiplikator M mit der Größe ## aus dem Generator Gn multipliziert, und das Produkt wird dem Register R eingegeben. Der Stand des Registers R läßt sich beschreiben durch Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 werden die Zählimpulse #Z im Zähler Z aufsummiert und im statischen Multiplikator M mit 4in multipliziert. Das Produkt gelangt in das Register R, welchem zusätzlich - K#n die Grä#e aus dem Generator Gn zugefügt n wird. Der Registerstand entspricht dann #0 # Z K (nE - nA) xE - xA = # (11) 4nE nE Die Schaltungsanordnungen nach den F i g. 2 bis 4 bedürfen wegen des erforderlichen statischen Multiplizierers eines gewissen Aufwands; sie erlauben aber eine Korrektur auf den jeweils gültigen Brechungsindex zu beliebigen Zeitpunkten und liefern ein richtiges Ergebnis. Der Aufwand würde sinken, wenn die Bewegungen von mehr als einer Koordinate ausgewertet werden sollen, da der statische Multiplikator (M) dann gemeinsam benutzt werden kann und nur einmal vorhanden zu sein braucht.According to FIG. 3, the pulses dz are fed to a frequency divider FT, at the output of which a pulse train fn ° is produced, provided that the numerical value of the variable ## from the generator Gn is input to its second input. The output pulse sequence of the frequency divider FT is added up in the counter Z. At the same time, the counter receives pulses of the size #### from the generator Gn. As in the previously considered embodiment according to FIG . The status of the register R can be described by In the exemplary embodiment according to FIG. 4, the counting pulses #Z are added up in the counter Z and multiplied by 4in in the static multiplier M. The product arrives in the register R, to which additionally - K # n the sizes from the generator Gn are added. The register status then corresponds to # 0 # ZK (nE - nA) xE - xA = # (11) 4nE nE The circuit arrangements according to FIGS. 2 to 4 require a certain amount of effort because of the static multiplier required; however, they allow a correction to the respectively valid refractive index at any point in time and provide a correct result. The effort would be reduced if the movements of more than one coordinate are to be evaluated, since the static multiplier (M) can then be used jointly and only needs to be present once.

Die Schaltungsanordnungen nach den F i g. 5 und 6 erlauben es, Brechzahländerungen während der Meßperiode bis auf einen kleinen Restfehler zu berücksichtigen; sie sind dafür aber aufwandsärmer. The circuit arrangements according to FIGS. 5 and 6 allow changes in the refractive index to take into account except for a small residual error during the measurement period; she but are less expensive.

Die Gleichung (8) läßt sich nach T a y I o r entwickeln, derart, daß sich nach Zwischenrechnungen ergibt: XE - XA = (xE0 - XA) #0 #Z #n + - (xE0 - xA + K) # # (12) 4n0 n0 Dabei beschreibt der Index 0 den Zustand zu einer Zeit to, während # Z bzw. n die nach der Zeit t0 während der Zeitspanne d t eingetretenen Anderungen der Zählimpulse bzw. des Brechungsindex sind. Equation (8) can be expanded according to T a y I o r in such a way that that after interim calculations it results: XE - XA = (xE0 - XA) # 0 #Z #n + - (xE0 - xA + K) # # (12) 4n0 n0 The index 0 describes the status at a time to, during # Z or n that after time t0 during the period d t are changes that have occurred in the counting pulses or the refractive index.

Nach der F i g. 5 werden die Zählimpulse X Z im Frequenzteiler FT mit der Größe Mo aus dem 411 Generator Gn multipliziert und das Produkt zu dem im Zähler Z schon vorhandenen Zählerstand (XE0 -?cA) addiert. In einem Addierglied D wird die Korrektiergrö#e K addiert und die Summe in einem Multi-#n plizierglied Mmit der Grö#e aus dem Generator Gn n multipliziert. Das Produkt am Ausgang des Multipliziergliedes M wird jeweils dann und nur dann über das Gatter G in den Zähler Z eingezählt, wenn eine Änderung des Brechungsindex um den Betrag n im Generator Gn festgestellt wird. Gleichzeitig wird der Frequenzteiler FT auf den neuen Wert von n eingestellt. Die Korrektur von beliebigen n kann z. B. manuell zu beliebigen Zeiten erfolgen. According to FIG. 5 the counting pulses X Z in the frequency divider FT multiplied by the quantity Mo from the 411 generator Gn and the product of the im Counter Z already existing counter reading (XE0 -? CA) added. In an adder D, the correction variable K is added and the sum in a multiplier M multiplied by the size from the generator Gn n. The product at the output of the Multiplier M is then and only then via the gate G in the counter Z counted if there is a change in the refractive index by the amount n in the generator Gn is established. At the same time the frequency divider FT is set to the new value set by n. The correction of any n can e.g. B. manually to any Times take place.

Nach der F i-g. 6 erfolgt die Korrektur regelmäßig dann, sobald n einen konstanten Wert überschreitet. According to the F i-g. 6 the correction takes place regularly as soon as n exceeds a constant value.

Dadurch kann das Multiplizierglied entfallen. Uber das Gatter G wird lediglich bei Erreichen der Grenze von dn eine Anzahl von Korrekturimpulsen durchgelassen, welche den Zählerstand richtigstellen. Diese Schaltungsanordnung eignet sich zur automatischen Erfassung der Korrekturgrößen.This means that the multiplier can be omitted. About the gate G is only when the limit of dn is reached a number of correction pulses are allowed through, which correct the counter reading. This circuit arrangement is suitable for automatic acquisition of the correction values.

Claims

Claims: 1. Device for correcting the measurement results depending on the refractive index of the air in the path of a digital length measuring system with laser interferometer, with the light-sensitive receiver of the interferometer pulses recorded during the measurement period are entered into a counter whose After the end of a measurement period, there was a measure of a change in distance of the moving part of the measuring arrangement with respect to the reference point, characterized in that that the count of the distance-dependent pulses receiving counter (Z) through Additional pulses of a pulse generator (Gn) is corrected whose pulse repetition frequency changeable depending on changes in the refractive index of the air during the measurement period is.

2. Device according to claim 1, characterized in that the during the measuring period to the photoelectric receiving element (detector D) of the interferometer removable counting pulses are fed to a bidirectional counter (Z), which at a change in the refractive index by l n from the -4 K #n generator (Gn) is one of the size # 0 The correct number of correction pulses is entered, with the corrected count value of the counter (Z) in a static multiplier (M) with one of the generator (Gn) The numerical value corresponding to the # 0 size is multiplied multi-4n and the formed Product via a register (R) a display device (A) or an actuator (ST) influenced.

3. Device according to claim 1, characterized in that the during the measuring period to the photoelectric receiving organ (detector D) of the interferometer removable counting pulses via an additional numerical value of the size # 0 of the generator (Gn) controlled frequency 4nA divider (FT) fed to a bidirectional counter (Z) to which with a change in the refractive index - K # n from the generator (Gn) one of the size A speaking number of correction impulses is entered, whereby the corrected count value of the counter (Z) in a static multiplier (M) with one of the generator (Gn) inferred numerical value corresponding to size nii4 is multiplied and that Product via a register (R) a display device (A) or an actuator (ST) influenced.

4. Device according to claim 1, characterized in that the during the measuring period to the photoelectric receiving element (detector D) of the interferometer removable counting pulses are fed to a bidirectional counter (Z) whose Count value in a static multiplier (M) with a generator (Gn) from the number 411 corresponding to the size ## multiplied and that formed product via a register (R), the status of which by the -Kln generator (Gn) removable size 11 is changeable, a display device (A) or a Actuator (ST) influenced.

5. Device according to claim 1, characterized in that the during the measuring period to the photoelectric receiving element (detector D) of the interferometer removable counting pulses via one of the numerical value of size 4n of the generator (Gn) controlled frequency divider (FT) are fed to a bidirectional counter (Z), its output via a summing element (D), in which a constant (K) is added is influenced by a static multiplier (M) on which the factor from the Generator (Gn) is pending n and its product output is the one input of a gate occupied, which is controlled via its second input of generator (G ") and on the output side, the product formed is entered into the counter (Z), which is controlled via a register (R) influences the display device (A) or an actuator (ST).

6. Device according to claim 1, characterized in that the during the measuring period to the photoelectric receiving element (detector D) of the interferometer removable counting pulses via one of the numerical value of the size 47t of the generator (Gn) controlled frequency divider (FT) are fed to a bidirectional counter (Z), its output via a summing element (D), in which a constant (K) is added is occupied, the one entrance of a gate, at the second entrance the size In from the generator (G ") is pending and the output of the generated sum is sent to the counter (Z), which via a register (R) a display device (A) or an actuator (ST) is connected downstream.