DE3612221A1

DE3612221A1 - Inkrementaler- stehende- wellen- sensor

Info

Publication number: DE3612221A1
Application number: DE19863612221
Authority: DE
Inventors: Hans Dr.-Ing. DDR 6327 Ilmenau Büchner; Gerd Prof. Dr.sc.techn. DDR 6325 Ilmenau Jäger
Original assignee: SUHL FEINMESSZEUGFAB VEB
Current assignee: JAEGER, GERD, PROF. DR.-ING.HABIL., 98693 ILMENAU,
Priority date: 1985-04-26
Filing date: 1986-04-11
Publication date: 1986-11-06
Also published as: GB2174494A; GB2174494B; FR2592151A1; GB8610078D0; DD236587A1; FR2592151B1

Description

Inkrementaler Stehende-Wellen-Sensor

Die Erfindung kann überall dort angewendet werden, wo die zu messende technisch-physikalische Größe eine Änderung des optischen Weges bewirkt. Das trifft in erster Hinsicht zu für alle diejenigen Meßaufgaben, die unmittelbar auf eine Wegmessung zurückgeführt werden, es bezieht sich aber auch auf solche Meßobjekte, bei denen die Änderung des optischen Weges durch eine Änderung der Brechzahl erzeugt wird.

Es wurde bereits ein Stehende-Wellen-Interferometer zur Messung von optischen Gangunterschieden vorgeschlagen, bei dem zwischen einer monochromatischen Lichtquelle und einem Reflektor eine stehende Welle erzeugt wird. In der stehenden Welle ist ein Abtastetalon angeordnet, das aus zwei ebenen und parallelen Flächen besteht, die senkrecht zur optischen Achse der stehenden Welle orientiert sind und mit teilweise transparenten und fotoelektrisch-aktiven Schichten versehen sind. Diese teilweise transparenten und fotoelektrisch-aktiven Schichten auf den Bndflächen des Abtastetalons wirken als fotoelektrische Empfänger und tasten das Intensitätsprofil der stehenden Welle inkremental ab. Der Abstand zwischen den Endflächen des Etalons muß konstant sein und hat einen der diskreten Werte k . ^ , wobei k eine beliebige ungerade Zahl und 7\ die Wellenlänge der die stehende Welle erzeugenden Strahlung ist. In einem Ausführungsbeispiel der oben genannten Erfindung ist das Abtastetalon als Glasplatte ausgebildet und in einem anderen Ausführungsbeispiel ist es als Luftplatte ausgeführt, wobei der Abstand k . ^zwischen den Endflächen der Luftplatte mit einem Distanzstück aus einem Material mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten, z. B. Inver, eingestellt ist, um Änderungen dieses Abstandes durch Störgrößen, wie z. B. Temperatureinfluß, weitgehend auszuschalten.

Nachteilig ist bei beiden Ausführungsformen des Stehende-Wellen^-Interferometers, daß einer der diskreten Werte k . "Q-technologisch genau hergestellt werden muß. Zweitens kann nie ausgeschlossen werden, daß sich während des Betriebes des Interferometers der Etalonabstand sowohl bei der Ausführung des Abtastetalons als Glasplatte oder als Luftplatte ändert und damit die inkrementale Meßwertgewinnung in frage gestellt ist.

Ziel der Erfindung ist es, die Forderungen bei der Herstellung des Abstandes zwischen den Endflächen des Abtasteta-Ions für ein Stehende-Wellen-Interferometer zu senken und gleichzeitig eine höhffe Sicherheit bei der irikrementalen Meßwertgewinnung zu schaffen. Darüber hinaus zeichnet sich die vorliegende Erfindung gegenüber anderen Interferometern durch ihre kleine, einfache und kompakte Bauweise aus. Dadurch werden der Interferometrie solche Anwendungen zugänglich gemacht, die ihr bisher aufgrund des komplizierten Aufbaus der bekannten Interferometer nicht zugänglich waren. Die fotoelektrische Abtastung der Interferenzstruktur besteht nicht mehr als getrennte Baugruppe neben dem Interferometer, sondern ist^ie funktionell und technologisch in das Interferometer integriert.

A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Inkrementalen Stehende-Wellen-Sensor zu schaffen, bei dem die Notwendigkeit entfällt, daß der Abstand zwischen den Endflächen des Abtastetalons technologisch genau in einem der Bedingung k . W genügenden Maß hergestellt sein muß, indem dieser Abstand veränderlich und beeinflußbar ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Abstand zwischen den Endflächen des Abtastetalons durch ein Material eingestellt ist, dessen geometrische Länge in Richtung der stehenden Welle durch eine elektrische Gleichspannung auf den Wert k · «" eingestellt ist. Dieser Gleichspannung ist zusätzlich eine elektrische Wechselspannung überlagert, die den Abstand zwischen den Endflächen des Abtastetalons zur Kontrolle der inkrementalen 90°-Phasenverschiebung periodisch moduliert.

Das Abtastetalon ist als Luftplatte ausgebildet und besteht aus zwei optisch .'transparenten Glasplatten und der Abstand zwischen den Endflächen des Abtastetalons ist aus einem optisch nicht transparenten piezoelektrischen Material eingestellt. Das Abtastetalon kann aber auch aus einem optisch transparenten piezoelektrischen Material hergestellt sein.

Die inkrementale Meßwertgewinnung in einer stehenden Welle ist unmittelbar mit der inkrementalen Abtastung eines körperlichen Maßstabes vergleichbar, denn das Intensitätsprofil der stehenden Welle verkörpert mit seinen Maxima und Minima eine ebenso räumlich feststehende Gitterteilung wie z.B. die Heil-Dunkelstriche eines inkrementalen Glasmaßstabes.

Bekanntlich setzt die inkrementale Meßwertgewinnung zwei um

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90 phasenverschobene elektrische Signale voraus. Bei der inkrementalen Abtastung einer stehenden Welle wird die Bezugsgröße von 360° durch eine Periode des Intensitätsprofils der stehenden Welle erzeugt, die & beträgt. Deshalb sind die Endflächen des Abtastetalons im Abstand von k . Q anzuordnen, um die zur inkrementalen Meßwertgewinnung erforderliche 90° Phasenlage zu erzeugen.

Die Endflächen des Abtastetalons sind diejenigen Flächen, die mit den teilweise transparenten und fotoelektrisch-aktiven Schichten versehen sind. Im folgenden wird der Abstand zwischen den Endflächen des Abtastetalons auch als Etalonabstand bezeichnet.

Ändert sich der Etalonabstand aus irgendwelchen Gründen, zieht das die änderung der 90°-Phasenlage nach sich, was zu Störungen der inkrementalen Meßwertgewinnung führen kann. Wird aber der Etalonabstand durch ein Material eingestellt, dessen Abmessungen in Richtung dieses Abstandes beeinflußbar und veränderlich ist, kann bei irgendwelchen Änderungen dieses Absitandes durch Regelung der ursprüngliche Abstand jederzeit wieder hergestellt werden. Materialien, deren geometrische Abmessungen beeinflußbar sind, z. B. piezoelektrische Materialien. Legt man an ein solches piezoelektrisches Material eine elektrische Gleichspannung an und verändert deren Wert, dann ändert sich gleichzeitig eine der Abmessungen des Körpers um einen der elektrischen Spannung j. proportionalen Wert,

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Ordnet man ein solches piezoelektrisches Material zwischen den Endflächen des Abtastetalons an, dann kann durch Änderung der am Material anliegende Gleichspannung der Etalonabstand verändert und auf jeden beliebigen Wert eingestellt werden. Im vorliegenden falle wird dieser Abstand vorzugsweise einer der diskreten Yierte k . & sein, der der Grundlänge des piezoelektrischen Materials, d. h. wenn die anliegende elektrische Gleichspannung Null ist, benachbart ist. Damit kann die Grundlänge des piezoelektrischen Materials TO völlig beliebig sein, und es entfällt die !Notwendigkeit, die Abmessung des Distanzstückes zwischen den Endflächen des Abtastetalons auf einen der diskreten Werte k . « genau herstellen zu müssen.

Weiterhin ist es zweckmäßig, der am Etalon anliegenden elektrischen Gleichspannung eine periodische elektrische Wechselspannung zu überlagern und damit den Etalonabstand periodisch zu modulieren. In diesem Falle entfernen und nähern sich die Endflächen des Etalons periodisch mit der Frequenz der am piezoelektrischen Material anleigenden elektrischen Wechselspannung, und es werden in beiden fotoelektrisch-aktiven Schichten des Abtastetalons durch Abtastung des Intensitätsprofils der stehenden Welle zwei phasenverschobene fotoelektrische Wechselspannungen erzeugt. Die Phasenverschiebung zwischen diesen zwei fotoelektrischen Wechselspannungen beträgt genau 90°, wenn der Etalonabstand im ITulldurchgang der mechanischen Schwingung des piezoelektrischen Materials k . « beträgt. Diese Bedingung kann aber mit Hilfe der am piezoelektrischen Material anliegenden elektrischen Gleichspannung eingehalten werden. Im Falle der mit einer Wechselspannung modulierten Abtastetalons ergibt sich der Meßwert aus einer Mittelwertbildung.

D Die Erfindung soll anhand von zwei Ausführungsbeispielen erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen :

Fig. 1 : Abtastetalon als Luftplatte mit moduliertem Distanzstück aus einem optisch nicht transparenten piezoelektrischen Material

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Fig. 2 : Abtastetalon aus einem optisch transparenten piezoelektrischen Material

In Fig. 1 ist das Intensitätsprofil der am Spiegel 3 erzeugten stehenden Welle 1 dargestellt. In der stehenden Welle 1 befindet sich das Abtastetalon 2, das hier als Luftplatte ausgebildet ist und aus den Glasplatten 2.1 und 2.2 besteht, deren Flächen 4 und 5 mit den teilweise transparenten und fotoelektrisch-aktiven Schichten 6 und 7 belegt sind. Zwischen den Glasplatten 2.1 und 2.2 befindet sich das die Luftplatte bildende Distanzstück, das aus einem optisch nicht transparenten piezoelektrischen Material 2.3 besteht. Das piezoelektrische Material 2.3 hat die Elektroden 2.31 und 2.32, an denen die Gleichspannung U_ anliegt. Im dargestellten statischen Fall ist die Gleichspannung U__ so bemessen, daß der Abstand der Endflächen 4,5 des Abtastetalons 2, bezogen auf eine Periode des Intensitätsprofils, 90° beträgt. Wird an die Elektrode 2.31 und 2.32 zusätzlich eine sinusförmige periodisch Wechsel spannung angelegt, dilatiertjund kontrahiert das rohrförmige piezoelektrische Material 2.3 im Takte der Wechselspannung und gleichzeitig ändert sich sinusförmig der Abstand der Endflächen 4 und 5 des Abtastetalons. In diesem Falle werden von den teilweise transparenten und fotoelektricchen aktiven Schichten 6 und 7 ebenfalls sinusförmige elektrische Wechselsignale abgegeben, die bei Einhaltung der oben genannten Voraussetzung eine gegenseitige Phasenverschiebung von 90 haben.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform des Abtastetalons 2 gezeigt, bei der das den Abstand zwischen den Endflächen 4,5 des Abtastetalons herstellende Material 2.3 sowohl optisch transparent als auch piezo elektrisch aktiv ist. Bin solches Material ist z. B. Quarz. In diesem Falle besteht das Abtastetal'on 2 aus einem kompakten Quarzkörper, an den zwei ebene und parallele Flächen 4 und 5 angearbeitet sind, die mit den teilweise transparenten und fotoelektrisch aktiven Schichten 6,7 versehen sind. Zusätzlich befinden sich am Quarzkörper die Elektroden 2.31 und 2.32, an denen die elektrische Gleichspannung und die elektrische Wechselspannung anliegen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen _n^^ ™,

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 intensitätsprofil der stehenden Welle

2 Äbtastetalon

2.1 Glasplatte

2.2 Glasplatte

2.3 Piezoelektrisches Material

2.31 Elektrode

2.32 Elektrode

3 Meßspiegel

4,5 Endflächen des Abtastetalons, die mit einer teilweise transparenten und fotoelektrisch aktiven Schicht versehen ist

6,7 teilweise transparente und fotoelektrisch aktive Schichten, auf den Endflächen 4,5 des Abtastetalons

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Claims

Patentansprüche

1. Inkrementaler Stehende-Wellen-Sensor, bestehend aus monochromatischer Laser-Strahlungsquelle, optisch doppelbrechenden und reflektierenden Bauelementen und einem Abtastetalon, dessen parallele Endflächen mit teilweise transparenten und fotoelektrisch-aktiven Schichten versehen sind, gekennzeichnet dadurch, daß der Abstand zwischen den Endflächen (4, 5) des Abtastetalons (2) durch ein Material (2.3) eingesta.lt ist, dessen geometrische Länge in Richtung der stehenden Welle (1) durch eine elektrische Gleichspannung auf den Wert k . Q eingestellt ist und daß an das Material (2.3) zusätzlich eine elektrische Y/echselspannung angeschlossen ist.

2. Inkrementaler Stehende-Wellen-Sensor nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Abtastetalon (2) als Luftplatte ausgebildet ist und aus zwei optisch transparenten Planplatten (2.1, 2.2.) besteht und der Abstand zwischen den Endflächen (4, 5) des Abtastetalons (2) aus einem optisch nicht transparenten piezoelektrischen Material (2.3) eingestellt ist.

3. Inkrementaler Stehende-Wellen-Sensor nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Abtastetalon (2) aus einem optisch transparenten und piezoelektrischen Material (2.3$ hergestellt ist.