DE2057459A1 - Messeinrichtung fuer Verschiebungen - Google Patents

Messeinrichtung fuer Verschiebungen

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DE2057459A1
DE2057459A1 DE19702057459 DE2057459A DE2057459A1 DE 2057459 A1 DE2057459 A1 DE 2057459A1 DE 19702057459 DE19702057459 DE 19702057459 DE 2057459 A DE2057459 A DE 2057459A DE 2057459 A1 DE2057459 A1 DE 2057459A1
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DE
Germany
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radiation
laser
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frequency
photoreceivers
Prior art date
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Pending
Application number
DE19702057459
Other languages
English (en)
Inventor
Skrozky Sergei Georgijewitsch
Proswetow Wladimir Kusmitsch
Chromych Alexan Michailowitsch
Demidenkow Jurij Wasiljewitsch
Rybakow Boris Wasjiliewitsch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CHROMYCH ALEXANDR MICHAILOWITS
DEMIDENKOW JURIJ WASILJEWITSCH
PROSWETOW WLADIMIR KUSMITSCH
RYBAKOW BORIS WASJILIEWITSCH
SKROZKY SERGEI GEORGIJEWITSCH
Original Assignee
CHROMYCH ALEXANDR MICHAILOWITS
DEMIDENKOW JURIJ WASILJEWITSCH
PROSWETOW WLADIMIR KUSMITSCH
RYBAKOW BORIS WASJILIEWITSCH
SKROZKY SERGEI GEORGIJEWITSCH
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Filing date
Publication date
Application filed by CHROMYCH ALEXANDR MICHAILOWITS, DEMIDENKOW JURIJ WASILJEWITSCH, PROSWETOW WLADIMIR KUSMITSCH, RYBAKOW BORIS WASJILIEWITSCH, SKROZKY SERGEI GEORGIJEWITSCH filed Critical CHROMYCH ALEXANDR MICHAILOWITS
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02Interferometers
    • G01B9/02055Reduction or prevention of errors; Testing; Calibration
    • G01B9/0207Error reduction by correction of the measurement signal based on independently determined error sources, e.g. using a reference interferometer
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02Interferometers
    • G01B9/02001Interferometers characterised by controlling or generating intrinsic radiation properties
    • G01B9/02002Interferometers characterised by controlling or generating intrinsic radiation properties using two or more frequencies
    • G01B9/02003Interferometers characterised by controlling or generating intrinsic radiation properties using two or more frequencies using beat frequencies
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/58Turn-sensitive devices without moving masses
    • G01C19/64Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
    • G01C19/66Ring laser gyrometers
    • G01C19/68Lock-in prevention

Description

  • Meßeinrichtung für Verschisbungen Die Erfindung betrifft Präzisionsmeßgeräte, insbesondere Einrichtungen zum Messen linearer Verschiebungen eines be -weglichen Objektes.
  • Eine bekannte Einrichtung zum Messen der linearon Verschiebung eines bweglichen Objektes enthalt einen stabilisierten kon -tinuierlich strahlenden Laser, üblicherweise einen G/aslasaser, en und ein Interferometer, zum Beispiel nach Michelson, dessen einer Reflektor am beweglichen Objekt angeordnet ist.
  • Die Laserstrahlung trifft auf das Interferometer, @@an dessen Ausgang ein sich bei Änderung der Lage des beweglichen Objektes veranderndes Interferenzbild ontsteht. Mach der Xnde -rung dieses Bildes bestimmt man die Große der Verschiebung des beweglichen Objektes.
  • Obwohl diese Einrichtungen recht zuverlässig und einfach doch sind, ist bei ihnen der Meßfehler nicht unter 0,5 mm gewähr -leistet.
  • Es ist ebenfalls eine Einrichtung bekannt,die zwei gleiche Laser und zwei Interferometer enthält,deren ein eine konstante (Zweiglänge) optische Armlänge aufweist - derartige Interferometer werden in der Regel Bezugsinterferometer genannt - während das andere in einem der Arme das bewegliche Objekt enthalt,dessen Ver -schiebung gemessen wird.Am Ausgang eines jeden der Interfero -meter ist ein Photoempfanger angeordnet.Die beiden Photoempfänger sind an ein gerät zur Registrierung des Phasenunter -schiedes ihrer Ausgangssignale angeschlossen.Dieser Phasenunterschied ist proportional der Verschiebung des Ob -jektes,an dem der Reflektor dem Meßinterferometers angeordnet ist.Die Frequenz eines der Laser wird über eine Ruckkopplungs -schleife derart nachgestimmt,daß die Frequenzdifferenz der Strahlung der Laser im vorgegebenen Frequenzbereich konstant gehalten wird5 DerDiese Einrichtung kann jedoch hohe und stabile Meßgenauigkeit wegen der Drift der Differenzfrequenz der zwei Laser sichern,die im besten Falle einige Megahertz pro Minute beträgt.Darüber hinaus sind derartige Lin -richtungen umfangreich und finden bis jetzt nur bei Tabor -forschungen Verwendung.
  • Zweck. der vorliegenden Erfindung ist es,auf der Grund -lage einer kohärenten Lichtquelle eine einfache,zuverlässige Einrichtung zum Messen linearer Verschiebungen eines beweg -lichen Objektes zu schaffen,die eine Meßgenauigkeit von mindestens 10 -2 tim gewährleistet.
  • Zur Erreichung des Ziels ist die Rufgabe gestellt, eine solche Quelle kohärenter Strahlung auszunutzen,bei der die Frequemzdrift der Strahlung die Meßgenauigkeit der Verschie -bunc praktisch nicht beeinflußt.
  • einer Die Aufgabe wird dadurch gelöst,daß bei Einrichtung zum Messen linearer Verschiebung en eines beweglichen Objektes, die eine Quelle kohärenter Strahlung,zwei Photoempfänger und einen. Phasendif erenzmesser am Ausgang der Photoempfänger enthalt,als quelle koharenter Strahlung erfindungsgemäß ein Laser zur Anwendung kommt,der in Richtung von Photempfänger und Objekt zwei Wellen ausstrahlt,deren Frequenzdifferenz im Radiofrequenzbereich,zur Erzielung von besseren Ergebnissen in einem Bereich von unter 1 MHz,liegt.
  • Der Einsatz eines ZweiSrequenzlasers gewährleistet eine Erhöhung der Meßgenauigkeit dank der Beseitigung der Drift der Differenzfrequenz.
  • Die Ausnutzung von Strahlungen, deren Frequenzunterschied der unterhalb von I MHz bleibt,vereinfacht die Schaltung elektro -nischen Meßapparatur'insbesondere die des Phasendifferenz -messers.
  • Als solch einer Laser kann ein Ringlaser verwendet werden, bei dem die Frequenzdiiferenz zwischen den Gegenwellen mit Hilfe eines der bekannten Verfahren,vorzugsweise mittels eines nichtreziproken Elementes unter Benutzung des Faraday -Effekts,erzeugt wird.
  • Es kann auch ein Linienlaser mit Innenspiegeln einge -setzt werden, auf dessen aktives Medium ein axiales Magnet -feld einwirkt.
  • Die Erfindung 8011 nachstehend anhand von Ausführungs -beispielen der Einrichtung sowie beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden,in denen zeigen: Dig. 1 die BlockscliUtung der Einrichtung zum Messen von linearem Verschiebungen mit einem Ringlaser,gemäß der Erfin -dung; Fig. 2 die Prinzipschaltung der Einricktung zum Messen von linearen Verschiebungen mit einem Linienlaser gemäß der Erfindung.
  • Bei der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung wird als Quelle zweier Licht@ellen mit verschiedenen Frequenzem ein Ringlaser 1 Eingesetzt.Die Frequenzdifferenz der Gegenwelien kann mit hilfe eines beliebigen bekannten Verfahrens ausee -bildet werden,nur daß sie im Radiofrequenzbereich liegen nuß, am besten in einem Frequenzbereich unterhalb von 1 MHz,denn eine weitere Erhöhung der Frequenzdifferenz hat eine Komplizierung der Elektronik zur Folge.In der beschriebenen Einrichtung wird ein Laser mit einem nichtreziproken Element 2 unter Benutzung des Farad@y - Effekts (s. beispielsweise J,Killpatrick,JEEE Spectrum, October 1967) eingesetzt.
  • Die Einrichtung enthalt zwei Photomischer.Der eine von ihnen weist eine konstante optische Armlänge auf, die durch Spiegel 3 und 4 gebildet wird.
  • Bei den anderen durch die Spiegel 5, 6, 7 und 8 gebildeten Photomischer ist einer der Spiegel,nämlich der Spiegel 8,am A beweglichen Objekt angeordnet.Infolgedessen andert sich dessen optische Armlänge bei der Bewegung dieses Objektes A.Die Spiegel 4, 6 und 7 sind halbdurchsichtig ausgeführt,während der Spiegel 8 die Laserstrahlung total reflektiert.Anstatt des Spiegels 8 kann die Oberflache des Objektes selbst ver -wendet werden.
  • Am Ausgang der Photomischer sind die Photoempfänger 9 und 10 mit den Signalverstärkern 11 bzw. 12 angeord -net,die an den Hhasendifferenzmesser 13 der Ausgangssignale dieser Photoempfänger angeschlossen sind.
  • Die Einrichtung arbeitet wie folgt.Zwei Wellen mit ve -schiedenen Frequenzen,deren Differenz proportional der Starke des auf das nichtreziproke Element 2 einwirkenden Magnet -feldes ist, werden in dem durch die Spiegel 3 und 4 gebildeten Photomischer vermischt.Das Signal der Differenzfrequenz wird am Photoempfänger 9 abgetrennt,durch den Verstärker 11 vSr -starkt und gelangt auch den Messer 13.Auf denselben Messer trifft Rher den Verstärker 12 ein Signal vom Photoempfänger 100 Die Frequenz dieses Signale ist dieser des Signale vom Photo@@pfänger 9 gleich,während die Ph sendifferenz der Sig -nale von den Ausgängen der Photoempf"anger 9 und 10 durch das Verhaltnis der. optischen Strahlenwege in den beiden Mischern bestimmt wird.Bei dar Bewegung des Spiegela @ andert sich die optische Weglänge für einen der Strahlen und folglich die Phase des am Photempfänger 10 abgetrennten Signals,was durch den Messer 13 als eine Änderung der Phasendi£ferenz der Signale von den Photoempfängern registriert wird. Bei der Verschiebung des Objektes um 1 /2,wobei @ die Wellenlänge des durch den Laser ausstrahlenden Lichtes bedeutet,ändert sich die Phasendifferenz der Signale von den Photoempfängern 9 und 10 um 2 @ Als Quelle zweier Wellen mit verschiedenen Frequenzen dient bei der Einrichtung nach Fig. 2 der Laser 14 mit Innen -spiegeln 15 und 16 , auf dessen aktives Medium ein axiales Magnetfeld (Zesman - Laser) einwirkt.Seitens des Spiegels 15 liegen ein Polaroid 17 und ein Photoempfänge 18.Seitens des Spiegels 16 liegen eine Viertelwellen - Phasenplatte 19, ein Wollaston - Prism@ 20,einen Photomischer bildende Spiegel 21, 22, 23 und 24.Der Spiegel 24 ist am beweglichen Objekt angeordnet,dessen Verschiebung gemessen wird.Am Ausgang dieses Photomischers sind ein Polaroid 25 und ein Photoempfänger 26 angeordnet.
  • Die Einrichtung enthält weiter Verstärker 11 und 12 und einen Phasendifferenzmesser 13 fur die Ausgangssignale der Photoempfänger.
  • per Laser 14 erzeugt bei der Einwirkung eines asialen Magnetfeldes auf das aktive Medium zwei rechts bzw. links zirkular polarisierte Wellen,deren Frequenz sich um einen der Starke des Magnetfeldes proportitnalen Wert unterscheiden.
  • Räumlich fallen diese zwei Wellen zusammen.Das Polaroid 17 setzt sie in zwei lineare und in einer Richtung polarisierte Wellen um.Dadurch erscheint am Photosmpfänger 18 ein Signal mit der Differenzfrequenz.Durch den Verstärker 11 verstärkt, gelangt dieses Signal auf den Messer 13.
  • Die Viertel - Phasenplatte 19 setzt die Laserstrahlung in zwei lineardund perpendikular polarisierte Wellen um.Das Wollaston - Prisma 20 trennt diese zwei Wellen räumlich,die daim in einem durch die Spiegel 21, 22, 23, 24 gebildeten Photomischer vermischt werden. Die Arbeitsweise eines derartigen Photomischers ist oben beschrieben.
  • Das dem Photoempfänger 26 vorgeschaltete Polarbid 25 sitzt zwei orthogonal polariaierte Wellen in gleich polari -sierte Wellen um.Am Photoempfänger 26 erscheint ein Differenz -frequenzsignal,das über den Verstärker 12 auf den Phasendetek -tor 13 gelangt,der die Phasendifferenz der Signale von den Empfangern 17 und 26 registriert.
  • Die Anwendung der vorliegenden Erfindung gestattet es, dir Meßgenauigkeit linearer Verschiebungen wesentlich (bis auf die Größenordnung von 20 -2 bis 10-3 µm) bei hoher Zuverlässigkeit und Storsicherheit zu steigern.

Claims (3)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    der 1. Einrichtung zum Messen linearen Verschiebung eines beweglichen Objektes,die eine Quelle kohärenter Strahlung, zwei Photoempf"anger,auf einen von denen die Eigenstrahlung der Quelle und auf den anderen sowohl die Eigenstrahlung als auch die durch das bewegliche Objekt reflektierte Strahlung eintreffen, und einen Phasendifferenzmesser der Ausgangssignale der Photoempfänger enthalt,nach dessen Anzeigen der Wert der lineares Verschiebung des Objektes bestimmt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,daß als Quelle koharenter Strah -lung ein zwei Wellen ausstrahlender Lascr (1 oder 14) zum Einsatz kommt,deren Frequenzdifferenz im Radiofrequenzbereich liegt.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t ,daß @@@@@@@ ein Ringlaser (1) zum Einsatz gelangt,bei dem die Frequenzdifferenz zwischen den Gdgensellen mit Hilfe eines der bekannten Verfahren,vorzugs -Weise mittels eines nichtreziproken Elementes (2) unter Be -nutzung deb Faraday - Effekts ausgebildet wird.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -.
    K e n n z e i c h n e t ,daß @@@@ ein Linienlaser (14) mit Innenspiegeln zum Einsatz gelangt,auf dessen aktives Medium ein axiales Magnetfeld einwirkt.
    L e e r s e i t e
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5243187A (en) * 1989-07-01 1993-09-07 Teldix Gmbh High resolution absolute encoder for position measurement

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5243187A (en) * 1989-07-01 1993-09-07 Teldix Gmbh High resolution absolute encoder for position measurement

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