RU1810748C

RU1810748C - Device for measuring linear longitudinal movements of the surface

Info

Publication number: RU1810748C
Application number: SU914937231A
Authority: RU
Inventors: Сергей Константинович Дик; Игорь Владимирович Мархвида; Леонид Викторович Танин; Александр Сергеевич Рубанов
Original assignee: Белорусский научно-исследовательский институт неврологии, нейрохирургии и физиотерапии; Институт физики им.Б.И.Степанова
Priority date: 1991-05-20
Filing date: 1991-05-20
Publication date: 1993-04-23

Abstract

Изобретение относитс к измерительной технике и может найти применение дл измерений смещений в системах с позиционированием режущего, сварочного, маркирующего инструмента, в роботизированных обрабатывающих центрах. Цель изобретени - расширение диапазона измер емых продольных линейных перемещений поверхности и области использовани . Устройство содержит лазер 1, оптически св занный с линзовой системой 2. жестко закрепленной на исследуемой поверхности, диафрагму 3 и вращающийс диффузно-рассеивающий элемент 4. установленный на оптической оси с линзовой системой 2, фотоэлектрический датчик 5 и анализатор 6 спектра. Вращение диффузно-рассеивающего элемента 4 приводит к изменению спекл-пол , образованном рассе нным когерентным излучением. Через полевую диафрагму 3 с помощью фотоэлектрического датчика 5 регистрируют и преобразуют флуктуации интенсивности спекл-пол в электрический сигнал, который поступает на анализатор 6 спектра. Определение линейного продольного перемещени поверхности производ т по изменению амплитуды спектральной гармоники в спектре флуктуаций интенсивности спекл-пол . 2 ил. (Л СThe invention relates to measuring technique and can be used for displacement measurements in systems with positioning of cutting, welding, marking tools, in robotic machining centers. The purpose of the invention is to expand the range of measurable longitudinal linear displacements of the surface and the field of use. The device comprises a laser 1, optically coupled to the lens system 2. rigidly mounted on the test surface, a diaphragm 3 and a rotating diffusely scattering element 4. mounted on the optical axis with the lens system 2, a photoelectric sensor 5 and a spectrum analyzer 6. The rotation of the diffusely scattering element 4 leads to a change in the speckle field formed by scattered coherent radiation. Through the field diaphragm 3 with the help of a photoelectric sensor 5, fluctuations in the speckle-field intensity are recorded and converted into an electrical signal, which is transmitted to the spectrum analyzer 6. The linear longitudinal displacement of the surface is determined by changing the amplitude of the spectral harmonic in the spectrum of fluctuations in the speckle-field intensity. 2 ill. (L C

Description

Изобретение относитс к измерительной технике и может найти применение дл определени линейных продольных перемещений поверхности в робототехнике, машиностроении, других отрасл х промышленности и научных исследовани х,The invention relates to measuring technique and can be used to determine linear longitudinal displacements of a surface in robotics, mechanical engineering, other industries and scientific research,

Цель изобретени - расширение диапазона измер емых линейных продольных перемещений и области использовани .The purpose of the invention is to expand the range of measurable linear longitudinal displacements and the field of use.

Поставленна цель достигаетс тем, что за вл емое устройство дл определени продольных линейных перемещений поверхности , содержащее лазер, линзовую систему , диафрагму и фотоэлектрический датчик отличаетс тем, что .с целью расширени диапазона измер емых перемещений поверхности и области использовани , оно снабжено диффузно-рэссеивающим элементом , установленным на оптической оси с линзовой системой, жестко креп щейс на исследуемой поверхности, с возможностью вращени его вокруг оси, параллельной оптической оси, и анализатором спектра, электрически св занным с фотоэлектрическим датчиком.This object is achieved by the fact that the inventive device for determining longitudinal linear displacements of the surface, comprising a laser, a lens system, a diaphragm and a photoelectric sensor, is characterized in that. In order to expand the range of measured displacements of the surface and the field of use, it is equipped with a diffuse-diffusing element mounted on an optical axis with a lens system, rigidly attached to the surface under study, with the possibility of rotation around an axis parallel to the optical axis, and an analyzer pektra electrically associated with a photoelectric sensor.

На фиг. 1 изображено устройство. Устройство содержит лазер 1, оптически св занный с помощью волоконно-оптического световода 7 с линзовой системой 2, жестко закрепленной на исследуемой поверхности , диафрагму 3 и вращающийс дмффузмо-рассеивающий элемент 4, установленный на оптической оси с линзовой системой 2, фотоэлектрический датчик 5 и анализатор спектра 6.In FIG. 1 shows a device. The device comprises a laser 1, optically coupled by means of a fiber-optic fiber 7 with a lens system 2, rigidly mounted on the test surface, a diaphragm 3 and a rotating DMF-scattering element 4 mounted on the optical axis with a lens system 2, a photoelectric sensor 5 and an analyzer spectrum 6.

Устройство используют следующим образом . Лазерным пучком от лазера 1, с заданной с помощью линзового элемента 2 степенью расходимости, освещают диффуз- но-рассеивающий элемент 4, вращающийс с некоторой скоростью v в направлении, перпендикул рном оси распространени пучка, и наход щийс на строго фиксированном рассто нии от линзового элемента 2.The device is used as follows. The laser beam from laser 1, with the degree of divergence specified using the lens element 2, illuminates the diffusely scattering element 4, rotating at a certain speed v in the direction perpendicular to the beam propagation axis, and located at a strictly fixed distance from the lens element 2.

Дл уменьшени паразитной засветки ФЭУ посторонним излучением (дневным, от лампы накаливани и т.п.) служит светофильтр 8.To reduce the spurious illumination of the PMT by extraneous radiation (daytime, from an incandescent lamp, etc.), a filter 8 is used.

Вращение диффузно-рассеивающёго элемента 4 приводит к изменению спекл-по- л , образованного рассе нном когерентным излучением. Через полевую диафрагму 3 с помощью фотоэлектрического датчика 5 регистрируют и преобразуют флуктуации интенсивности спекл-пол в электрический сигнал, который поступает на анализатор спектра 6. Анализатор 6 в свою очередь производит разложение полученного электрического сигнала в спектр. Перемеща вThe rotation of the diffusely scattering element 4 leads to a change in the speckle field formed by scattered coherent radiation. Through the field diaphragm 3, using the photoelectric sensor 5, the speckle-field intensity fluctuations are recorded and converted into an electrical signal, which is transmitted to the spectrum analyzer 6. The analyzer 6, in turn, decomposes the obtained electric signal into a spectrum. Moving to

00

55

00

55

00

55

00

продольном направлении поверхность, с укрепленным на ней линзовым элементом, регистрируют амплитуду А спектральной гармоники в спектре флуктуации интенсивности спекл-пол и стро т калибровочную кривую зависимости амплитуды А от продольной координаты датчика Z, Перемещение контролируемой поверхности приводит к изменению геометрических параметров оптической схемы устройства, таких как диаметр освещаемого участка поверхности диффузно-рассеивающёго элемента, рассто ни от фокуса линзового элемента до диффузно-рассеивающёго элемента, а следовательно и радиуса кривизны волнового фронта, падающего на диффузно-рассеива- ющий элемент. Изменение этих параметров оказываетс на динамической трансформации спекл-пол и про вл етс , в частности в изменении амплитуды А спектральной гармоники флуктуации интенсивности регистрируемого пол . Произведенные измерени зависимости амплитуды спектральной кривой от продольного перемещени контролируемой поверхности позвол ют получить калибровочную кривую, с помощью которой можно определить линейное продольное перемещение поверхности.in the longitudinal direction, a surface with a lens element fixed on it records the spectral harmonic amplitude A in the speckle-field intensity fluctuation spectrum and constructs a calibration curve of the amplitude A versus the longitudinal coordinate of the Z sensor. Moving the surface to be monitored changes the optical parameters of the device, such as the diameter of the illuminated portion of the surface of the diffuse-diffusing element, the distance from the focus of the lens element to the diffuse-diffusing element nt, and hence the radius of curvature of the wave front incident on the diffusely scattering element. A change in these parameters appears on the dynamic speckle-field transformation and is manifested, in particular, in a change in the amplitude A of the spectral harmonic of the intensity fluctuation of the recorded field. Measurements of the dependence of the amplitude of the spectral curve on the longitudinal movement of the surface to be monitored provide a calibration curve that can be used to determine the linear longitudinal movement of the surface.

Пусть лазерный пучок с шириной WQ освещает на движущемс со скоростью v диф- фузно-рассеивающем элементе участок диаметром w. Рассто ние от перет жки до диффузно-рассеивающёго элемента -Z. Наблюдение динамического спекл-пол проводим в плоскости на рассто нии R от диффузно-рассеивающёго элемента. Если временной интервал между измерени ми обозначить через т, то временную автокоррел ционную функцию флуктуации интенсивности в заданной точке регистрации можно записать в следующем видеLet a laser beam with a width WQ illuminate a section of diameter w on a diffuse-scattering element moving with a speed v. The distance from the waist to the diffusely scattering element is -Z. Dynamic speckle-floor observation is carried out in a plane at a distance R from the diffusely scattering element. If the time interval between measurements is denoted by m, then the temporal autocorrelation function of the intensity fluctuations at a given registration point can be written in the following form

yA()exrf-4(Jj+-i)-1, (1)yA () exrf-4 (Jj + -i) -1, (1)

v2 V AX2Jv2 V AX2J

дхdh

регистрации;Registration

параметре (1parameter (1

р- кривизна волнового фронта, освещающего пучка.p is the curvature of the wavefront illuminating the beam.

- размер спекла в плоскости- speckle size in the plane

++

Зависимость уД|(г) от Z достаточно сложна . Отмечено, что w2 (1 + Z2L2/ /л wo4), p Z(1 + л w02/L2Z) и в реальных схемах не трудно выбрать участок, где зависимость от Z будет монотонной. При практической реализации устройства исследуетс спектр флуктуации интенсивности , который имеет видThe dependence of yD | (r) on Z is rather complicated. It is noted that w2 (1 + Z2L2 / / l wo4), p Z (1 + L w02 / L2Z), and in real schemes it is not difficult to choose a section where the dependence on Z will be monotonic. In the practical implementation of the device, the intensity fluctuation spectrum is studied, which has the form

A A(V) ехр( - W (Jj + 2)). (2)A A (V) exp (- W (Jj + 2)). (2)

В устройстве дл определени линейных продольных перемещений поверхности исследуетс соотношение (2). Дл измерени линейного перемещени контролируемой поверхности в продольном направлении, на полученной экспериментально калибровочной кривой дл данной оптической схемы, выбираетс линейный участок, .на котором изменение амплитуды спектральной гармоники пр мо пропорционально продольному смещению контролируемой поверхности. Таким образом, измерив амплитуду спектральной гармоники , использу линейный участок калибровочной кривой, можно определить величину линейного продольного перемещени поверхности (см. пример).In a device for determining linear longitudinal surface displacements, relation (2) is studied. In order to measure the linear longitudinal movement of the surface to be monitored, a linear portion is selected from the experimentally obtained calibration curve for a given optical design. In which the change in the spectral harmonic amplitude is directly proportional to the longitudinal surface displacement of the surface to be monitored. Thus, by measuring the amplitude of the spectral harmonic using the linear portion of the calibration curve, the linear longitudinal displacement of the surface can be determined (see example).

Пример. Исследовалась возможность определени линейного продольного перемещени подвижной тележки с укрепленной на ней линзой, путем регистрации изменени амплитуды спектральной гармоники спекл-пол , образованного рассе нным от вращающего диффузно-пропу- скающего диска лазерным излучением, на частоте вращени при линейном перемещении подвижной тележки с укрепленной на ней линзой в продольном направлении. Частота вращени диска равна 60 Гц. Фокусное рассто ние линзы 11 см. Размер отверсти полевой диафрагмы равен 120 мкм.Example. We investigated the possibility of determining the linear longitudinal displacement of a movable trolley with a lens mounted on it by detecting the change in the amplitude of the speckle-floor spectral harmonic formed by laser radiation scattered from a rotating diffusely transmitting disk at a speed of rotation during linear displacement of a movable trolley mounted on it a lens in the longitudinal direction. The rotational speed of the disk is 60 Hz. The focal length of the lens is 11 cm. The size of the opening of the field diaphragm is 120 μm.

Полученные данные приведены на фиг 2. Показан участок калибровочной кривом. на котором изменение амплитуды спектральной гармоники (частота 60 Гц) флуктуа 5 цийспекл-пол от диффузно-пропускающего диска пр мо пропорциональна перемещению подвижной тележки в продольном направлении. Изобретение позвол ет расширить диэпа0 зон измерений продольного перемещени примерно на два пор дка в сравнении с прототипом, а также позвол ет значительно упростить конструкцию устройства. Диапазон смещений в данном примере равен 10The data obtained are shown in FIG. 2. A portion of the calibration curve is shown. in which the change in the amplitude of the spectral harmonic (frequency 60 Hz) of the fluctuation of 5 oscillations of speckle field from the diffusely transmitting disk is directly proportional to the movement of the moving trolley in the longitudinal direction. The invention allows to expand the range of measurement ranges of longitudinal displacement by approximately two orders of magnitude in comparison with the prototype, and also allows to significantly simplify the design of the device. The offset range in this example is 10

5 см. Вращающийс диффузно-рассеиваю- щий диск, .полевую диафрагму и фотоэлектрический датчик можно выполнить в виде единого блока.5 cm. A rotating diffuse-scattering disk, a field diaphragm and a photoelectric sensor can be made as a single unit.

Ф о р мул а .и з о б рете н и For r mul a. And z about bret n and

0 Устройство дл определени линейных продольных перемещений поверхности, содержащее лазер, линзовую систему, оптически св занную с лазером, диафрагму и фотоэлектрический датчик, отличающе5 е с тем, что, с целью расширени диапазона измер емых перемещений поверхности и области использовани , оно снабжено диффузно рассеивающим элементом, установленным на одной с линзовой системой0 Device for determining linear longitudinal surface displacements, comprising a laser, a lens system optically coupled to a laser, a diaphragm and a photoelectric sensor, characterized in that, in order to expand the range of measured displacements of the surface and the field of use, it is equipped with a diffusely scattering element mounted on the same lens system

0 оптической оси с возможностью вращени вокруг нее. и анализатором спектра, электрически св занным с фотоэлектрическим датчиком, а линзова система предназначена дл жесткого закреплени на исследуе5 мой поверхности.0 of the optical axis rotatably around it. and a spectrum analyzer electrically coupled to the photoelectric sensor, and the lens system is designed to be rigidly fixed to the test surface.

8 Ю П ft 16 78 W Z,cn Фие.г8 U P ft 16 78 W Z, cn Fie.g