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Meßeinrichtung für Verschisbungen Die Erfindung betrifft Präzisionsmeßgeräte,
insbesondere Einrichtungen zum Messen linearer Verschiebungen eines be -weglichen
Objektes.
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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.
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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.
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Obwohl diese Einrichtungen recht zuverlässig und einfach doch sind,
ist bei ihnen der Meßfehler nicht unter 0,5 mm gewähr -leistet.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der Einsatz eines ZweiSrequenzlasers gewährleistet eine Erhöhung
der Meßgenauigkeit dank der Beseitigung der Drift der Differenzfrequenz.
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Die Ausnutzung von Strahlungen, deren Frequenzunterschied der unterhalb
von I MHz bleibt,vereinfacht die Schaltung elektro -nischen Meßapparatur'insbesondere
die des Phasendifferenz -messers.
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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.
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Es kann auch ein Linienlaser mit Innenspiegeln einge -setzt werden,
auf dessen aktives Medium ein axiales Magnet -feld einwirkt.
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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.
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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.
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Die Einrichtung enthalt zwei Photomischer.Der eine von ihnen weist
eine konstante optische Armlänge auf, die durch Spiegel 3 und 4 gebildet wird.
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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.
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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.
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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.
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Die Einrichtung enthält weiter Verstärker 11 und 12 und einen Phasendifferenzmesser
13 fur die Ausgangssignale der Photoempfänger.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.