RU201730U1 - Датчик линейных перемещений - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области измерительной техники и касается датчика линейных перемещений. Датчик содержит измерительную дифракционную решетку, каретку со считывающей головкой, имеющую источник излучения, коллиматор, индикаторную решетку, матрицу фотоприемников, две группы подшипников для перемещения считывающей головки относительно измерительной дифракционной решетки. Измерительная дифракционная решетка установлена на подложке, являющейся направляющей, по которой перемещается индикаторная дифракционная решетка. При этом к каждой паре фотоприемников в считывающей головке добавлено по одному дополнительному фотоприемнику. Вновь введенные фотоприемники расположены на линии, перпендикулярной линии между двумя другими фотоприемниками, и на расстоянии, равном расстоянию между этими двумя фотоприемниками. Вновь введенные фотоприемники в каждой паре расположены с одной и той же стороны оси лазерного пучка. Таким образом фотоприемники матрицы сгруппированы по три в каждом дифракционном порядке. Технический результат заключается в увеличении точности измерений. 4 ил.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике, точнее к области высокоточных измерений длин и перемещений датчиками линейных перемещений (ДЛП) на базе голографических дифракционных решеток (ГДР), и может быть использована в машиностроении для прецизионного оборудования, в том числе и станочном, в оптико-механической и аэрокосмической промышленности для измерения концевых мер и т.д. (B.G. Turukhano et al «Phase synthesis of a holographic metrological diffraction gratings of unlimited length.» Optics & Laser Technology, v. 28, №4, p. 263-268, 1996. [1],

Известен фотоэлектрический преобразователь перемещений (в дальнейшем датчик линейных перемещений - ДЛП) [2] для измерения линейных размеров объектов длиной до 1000 мм и более, который работает на базе голографических дифракционных решетках с шагом 1 микрон, содержащий измерительную линейку (голографическую дифракционную решетку - ГДРизм) со штрихами, перпендикулярными наибольшему размеру ГДРизм и направлению перемещений, каретку содержащей считывающую головку, включающую источник излучения, коллиматор, индикаторную дифракционную решетку (ГДРинд), матрицу с фотоприемниками регистрирующие интерференционные полосы, и жестко связанную группу ГДРинд подшипников для ее перемещения относительно ГДРизм, которая состоит из жестко установленных опорных и подпружиненных подшипников. ГДРизм жестко закреплена к неподвижной части внешнего устройства, на котором будут осуществляться измерения линейного размера объекта или перемещения. На подвижной части внешнего устройства закреплена каретка со считывающей головкой вместе с ГДРинд, которые перемещаются по направляющей внешнего устройства. Горелик В.П., Коваленко С.Н., Турухано Б.Г. Фотоэлектрический преобразователь перемещений. (А.С. 1651167, приоритет 27.06.1989 г.) [2]

Устройство работает следующим образом. При перемещении каретки, во время определения линейных размеров объекта, ГДРинд смещается относительно ГДРизм. Коллимированный пучок излучения, генерируемый источником излучения, жестко связанным со считывающей головкой, падает на ГДРинд и ГДРизм решетки. В поле интерференционных обтюрационных и муаровых полос, образующихся за решетками, устанавливается считывающая головка с матрицей фотоприемников, которая преобразует распределение интенсивности интерференционных полос в электрические сигналы. Обтюрационные полосы параллельны штрихам ГДРизм, а муаровые полосы перпендикулярны им. При смещении каретки, одновременно с объектом, во время определения его линейного размера, ГДРинд смещается относительно ГДРизм, и на выходах фотоприемников, расположенных в каретке перпендикулярно штрихам решеток, формируются переменные электрические сигналы, сдвинутые по фазе на 90 град. Эти сигналы поступают затем в блок электроники, где с помощью компаратора формируются счетные импульсы, по которым определяется линейный размер объекта. Причем опорные подшипники, жестко связанные с ГДРинд, и подпружиненные подшипники позволяют сохранять постоянный зазор между решетками, обеспечивая тем самым постоянство обтюрационных полос и работоспособность датчика на всем протяжении измерения линейного размера объекта. В данном устройстве в качестве направляющей, по которой перемещается каретка со считывающей головкой, используется направляющая внешнего устройства, к которому прикреплена ГДРизм. Длина этой направляющей должна быть не меньше линейного размера измеряемого объекта. При этом для сохранения точности датчика при осуществлении измерений необходимо, чтобы перемещение ГДРинд, закрепленного в подвижной каретке, осуществлялось вдоль некоторой оси, строго перпендикулярной штрихам ГДРизм с целью сохранения постоянства интерференционных муаровых полос. Это ставит определенные условия к точности изготовления направляющей, по которой перемещается ГДРинд и считывающая головка. К примеру, если точность датчика порядка 1 микрона на один метр, и мы хотим измерять размер объекта с этой же точностью, то, естественно, что качество направляющей внешнего устройства, используемого для перемещения каретки со считывающей головки, должно быть не хуже этой величины. Как правило, такие направляющие не изготавливают, особенно при больших длинах до 1 метра и более, т.к. это очень сложно и дорого. Недостатки. В устройстве ДЛП не предпринято меры, учитывающие ошибку при измерении, вносимую муаровыми полосами, возникающими при перемещении каретки датчика по направляющей внешнего устройства, что искажает истинную величину измеряемого перемещения.

Наиболее близким по технической сути является датчик линейных перемещений, описанный в патенте РФ №2197713 [3].

Датчик линейных перемещений (ДЛП) содержит измерительную дифракционную решетку и каретку, со считывающей головкой в которой встроены источник излучения, коллиматор, индикаторную решетку и считывающую головку с матрицей фотоприемников, две группы подшипников для перемещения считывающей головки относительно измерительной линейки, каждая из которых состоит из жестко установленных опорных и подпружиненных подшипников, а также узел, обеспечивающий связь датчика линейных перемещений с внешним устройством. Измерительная решетка установлена на подложке, имеющей базовую и обратную поверхности и автономную стеклянную направляющую, также имеющей базовую и обратную поверхности. Измерительная дифракционная решетка установлена на базовой поверхности подложки так, что ее штрихи перпендикулярны наибольшему размеру подложки, при этом автономная направляющая жестко присоединена к торцу подложки, который перпендикулярен штрихам измерительной дифракционной решетки. Первая группа подшипников установлена с возможностью перемещения по подложке, а вторая - по направляющей. Опорные подшипники первой и второй групп установлены с возможностью перемещения по базовым поверхностям подложки и направляющей соответственно, а подпружиненные подшипники установлены с возможностью перемещения по обратным поверхностям подложки и направляющей соответственно, причем подпружиненные подшипники обеспечивают контакт опорных подшипников с базовыми поверхностями подложки решетки и направляющей соответственно, а длина направляющей не меньше линейного размера измеряемого объекта.

Узел связи каретки ДЛП с внешним устройством выполнен в виде гантели, состоящей из двух шариков, металлического стержня, цилиндрических отверстий, трех опорных шариков, а также трех опорных шариков, замыкающих пружин и крепежных узлов одной стороны этих пружин для фиксации пружины, считывающей головке во внешнем устройстве. В каждом конкретном устройстве, узел может быть выполнен другим известным образом. Главное его назначение -это обеспечить связь каретки ДЛП с внешним устройством.

Работа устройства. Устройство ДЛП устанавливается на внешнее устройство с помощью узла связи. При перемещении во время определения линейных размеров объекта каретка, содержащей считывающую головку с ГДРинд и с матрицей фотоприемников, смещается относительно ГДРизм. Колимированный пучок излучения, генерируемый источником излучения, установленный в считывающей головке, падает на ГДРинд и ГДРизм решетки. В поле интерференционных полос, образующихся за решетками (обтюрационных и муаровых), устанавливается матрица фотоприемников, которая преобразует распределение интенсивности интерференционных полос в электрические сигналы. При смещении каретки одновременно с объектом, во время определения его линейного размера, ГДРинд смещается относительно ГДРизм и на выходах фотоприемников, расположенных перпендикулярно штрихам решеток, образуются переменные электрические сигналы, сдвинутые по фазе на 90 град. Эти сигналы поступают затем в блок электроники, где с помощью компаратора формируются счетные импульсы, по которым определяется линейный размер объекта. Опорные подшипники, жестко связанные с ГДРинд, и подпружиненные подшипники позволяют сохранять постоянный зазор между решетками, обеспечивая тем самым работоспособность датчика на всем протяжении измерения линейного размера объекта. В данном случае в качестве направляющей, по которой перемещается каретка, используется собственная - автономная направляющая, к которой жестко прикреплена ГДРизм, с помощью которой осуществляется измерение линейного перемещения. Длина этой направляющей должна быть не меньше линейного размера измеряемого объекта. Однако для сохранения точности датчика при осуществлении измерений необходимо, чтобы перемещение ГДРинд осуществлялось вдоль некоторой оси, строго перпендикулярной штрихам ГДРизм. Это ставит определенные условия к точности изготовления автономной направляющей, с помощью которой перемещается каретка с ГДРинд. К примеру, если точность датчика порядка 1 мкм/м, и мы хотим измерять размер объекта с этой же точностью, то, естественно, что качество направляющей внешнего устройства, используемого для перемещения считывающей головки, должно быть не хуже этой величины. В настоящее время растет необходимость увеличения точности ДЛП вплоть до десятых и сотых долей микрона. Как правило, такие направляющие очень трудно изготавливать, особенно при больших длинах до 1 метра, а больше одного метра тем более, т.к. это очень сложно и, для их изготовления, необходимо затратить много времени и средств. Из-за неточно выполненных автономных направляющих во время работы устройства появляются муаровые полосы, которые искажают истинную величину длины измеряемого объекта или перемещения.

Недостатки устройства.

При разработке ДЛП прототипа была решена задача по уменьшению влияния направляющей внешнего устройства и создания, при конструкции прибора, своей собственной автономной направляющей, более точной и независимой от направляющей внешнего устройства, благодаря чему результаты измерения в меньшей степени зависели бы от качества направляющей внешнего устройства (станка, прибора и т.д.), и в каких-то пределах, зависели лишь от качества своей собственной направляющей. В связи с этим в устройстве прототипа используется автономная направляющая, встроенная в самом датчике ДЛП. Однако любая реальная направляющая, оказывает влияние на результат измерения величины перемещения или длины исследуемого объекта. Влияние существует, несмотря на то, что качество автономной направляющей намного выше, чем качество направляющей внешнего устройства. Предложенное «Борское» стекло в качестве автономной направляющей, само по себе, изначально, благодаря технологии изготовления самого стекла, обладает высокой плоскостностью на большой длине (порядка ±2 мкм/м), без дополнительной и сложной механической обработки, однако и она также далека от требуемой в настоящее время точности ДЛП.

Поэтому в любом случае муаровые полосы, возникающие при перемещении считывающей головки датчика по любой направляющей, в том числе и собственной автономной, искажают истинную измеряемую величину длины объекта или перемещения. Таким образом, это влияет на точность и разрешение ДЛП, что следует отнести к недостаткам прототипа.

При появлении и решении новых современных задач в науке и технологии постоянно растут и требования к точности и разрешению ДЛП, поэтому этот вопрос нуждается в особом решении.

Технический эффект заявляемой полезной модели- увеличение точности ДЛП во всем измеряемом диапазоне перемещений до метра и более, вне зависимости от качества направляющих.

Задача ДЛП решается не путем улучшения качества направляющей посредством их механической обработки, что дорого, исключительно сложно и практически невозможно, особенно при больших длинах до метра и более, а путем осуществления в реальном времени цифровой компенсации погрешности, вносимой появлением муаровых полос, возникающих в результате перемещения каретки со считывающей головкой, содержащей одну из решеток датчика линейных перемещений (ГДРинд) по его направляющей, на величину перемещения или длины поверяемого или изготавливаемого изделия.

Технический эффект достигается тем, что в датчике линейных перемещений, содержащем измерительную дифракционную решетку, каретку со считывающей головкой, имеющую источник излучения, коллиматор, индикаторную решетку, и матрицу фотоприемников, узел, обеспечивающий связь датчика линейных перемещений с внешним устройством, две группы подшипников для перемещения считывающей головки относительно измерительной дифракционной решетки, каждая из которых состоит из жестко установленных опорных и подпружиненных подшипников, причем измерительная дифракционная решетка установлена на подложке, являющейся направляющей по которой, перемещается индикаторная дифракционная решетка, причем подложка имеет базовую и обратную поверхности, штрихи измерительной дифракционной решетки размещены на базовой поверхности подложки так, что ее штрихи перпендикулярны наибольшему размеру подложки, а также содержащий автономную направляющую, также имеющую базовую и обратную поверхности, при этом автономная направляющая жестко присоединена к торцу подложки, который перпендикулярен штрихам измерительной дифракционной решетки, и первая группа подшипников установлена с возможностью перемещения по подложке, а вторая - по автономной направляющей, опорные подшипники первой и второй групп установлены с возможностью перемещения по базовым поверхностям подложки и автономной направляющей соответственно, а подпружиненные подшипники установлены с возможностью перемещения по обратным поверхностям подложки и автономной направляющей соответственно, причем подпружиненные подшипники обеспечивают контакт опорных подшипников с базовыми поверхностями подложки и автономной направляющей соответственно, и длина подложки и автономной направляющей не меньше линейного размера измеряемого объекта, а также содержащий узел, обеспечивающий связь датчика линейных перемещений с внешним устройством, новым является то, что дополнительно к каждой известной паре фотоприемников в считывающей головке добавлено по одному фотоприемнику, и в каждой паре эти вновь введенные фотоприемники расположены в лазерном пучке, и на линии, перпендикулярной линии между двумя известными фотоприемниками, и на расстоянии, равном расстоянию между этими двумя известными фотоприемниками, причем вновь введенные фотоприемники в каждой паре расположены с одной и той же стороны оси лазерного пучка, и считывающая головка с матрицей фотоприемников обеспечивает возможность считывать информацию одновременно с двух известных пар и с вновь введенных пар фотоприемников.

Таким образом, фотоприемники матрицы сгруппированы по три в каждом дифракционном порядке.

В соответствии с представленными фигурами и формулой полезной модели устройство ДЛП содержит (Фиг. 1): измерительную голографическую дифракционную решетку (ГДРизм) 1, установленную на базовой стороне подложки 2, которая служит одной из направляющей ДЛП, индикаторную голографическую дифракционную решетку (ГДРинд) 3, причем обе решетки обращены штрихами друг к другу, а их штрихи параллельно между собой, каретку 4, содержащую считывающую головку, включающую источник излучения 5, коллиматор 6, причем источник излучения 5 и коллиматор 6 расположены со стороны штрихов измерительной решетки матрицу фотоприемников 7. Фотоприемники матрицы 7 в количестве 6 штук и сгруппированы по три в каждой группе 7.1 и 7.2 (фиг. 2) и установлены в каждом из двух +1 и -1 дифракционных порядков, имеющих оси, параллельные оси пучка источника излучения 5. Устройство содержит также автономную стеклянную направляющую 8, которая жестко связана с торцом 9 подложки измерительной дифракционной решетки 1 и по которой перемещается каретка 4. Передвижение каретки 4 по подложке 2 осуществляется с помощью подшипников 10, 11, расположенных со стороны штрихов ГДРизм и подшипника 12, расположенного с противоположной стороны подложки 2, и обеспечивающего подпружинивание подшипников 10 и 11, а также подшипниками 13, 14, расположенными на автономной направляющей 8 со стороны подложки 2 с ГДРизм, и подшипник 15, обеспечивающий подпружинивание подшипников 13, 14. Считывающая головка содержит матрицу 7 состоящей из двух матриц 7.1 и 7.2 каждая из которых состоит из трех фотоприемников: 16, 17, 18, и 16-1, 17-1,18-1 последние из которых 18 и 18-1 являются вновь введенные и они располагаются также в лазерном пучке, параллельно оси пучка и на одной линии с фотоприемниками 16 и 16-1 и на одинаковом от них расстоянии, равном расстоянию между первых двух 16, 17 и, 16-1, 17-1 и с одной и той же стороны от оси светового пучка в каждом соответствующем дифракционном порядке (фиг. 2). Автономная направляющая 8 обеспечивает через узла связи 19 жесткую связь датчика линейных перемещений с внешним устройством (станок, трехкоординатная машина и т.д.). На фиг. 2 представлено расположение всех фотоприемников матрицы 7 считывающей головки: 16, 17 и 16-1, 17-1, а также вновь введенных двух фотоприемников 18 и 18-1. Фотоприемники 16 и 17, а также и 16-1 и 17-1 расположены на одной линии, перпендикулярной оси пучков двух дифракционных порядков (+1 и -1), образующихся в лазерном пучке за решетками и на одинаковом расстоянии друг от друга. Два вновь введенных фотоприемника 18 и 18-1 второй группы матрицы 7 расположены на одной линии с фотоприемниками 16 и 16-1 и на одинаковом и равном от них расстоянии и параллельно оси пучков двух дифракционных порядков. Таким образом, фотоприемники (16, 17) и (16-1, 17-1) расположены в лазерном пучке за решетками с целью регистрации обтюрационных полос, а фотоприемники (16, 18) и (16-1, 18-1) для регистрации муаровых полос.

На фиг. 3 дано расположение двух синусоид А и В от двух фотоприемников каждой пары: (16, 17), (16-1, 17-1) и (16, 18), (16-1, 18-1).

На фиг.4 представлены разные виды фигуры "Лиссажу". При правильной настройки фотоприемников в интерференционном поле каждого дифракционного порядка фигура "Лиссажу" представляет собой круг образованный синусоидальными сигналами от пары фотоприемников, когда их амплитуды равны, а разность фаз между ними составляет 90 градусов.

Отметим положительные эффекты предложенного устройства:

В данном устройстве устраняется ошибка при определении величины перемещения ДЛП, вносимая муаровыми полосами появляющихся из-за неточности изготовления направляющих.

Принцип работы устройства заключается в следующем.

Полупроводниковый лазер 5 излучает когерентный луч, направленный на коллиматор 6, который формирует слабо расходящийся луч. Расходящийся луч позволяет создать нужный период обтюрационных полос и работать, как с «обтюрационными», так и с «муаровыми» полосами [3]. Этот луч направляется на ГДРинд 3 и ГДРизм 1 под углом Брэгга. В случае ГДР с 1000 штрих,/мм этот угол порядка 20 градусов. В данном конкретном случае длина ГДРизм равна 1000 мм. Штрихи решеток 1 и 3 параллельны друг друга. Коллиматор 6 необходим для точной настройки периода интерференционных обтюрационных полос.В случае расходящегося пучка лазера период штрихов первой дифракционной решетки 1 увеличивается по мере увеличения угла расхождения луча или отдаления одной решетки от второй. Таким образом, меняется частота штрихов первой решетки, в плоскости второй решетки, что позволяет получать необходимый период обтюрационных полос. В случае использования идеально - плоской направляющей величина перемещения ДЛП, определяемая обтюрационными полосами будет соответствовать истиной величине перемещения. Выбирают ширину интерференционных обтюрационных и муаровых полос таким образом, чтобы два фотоприемника матрицы фотоприемников: (16, 17), (16-1, 17-1) и (16, 18), (16-1, 18-1), создавали два сигнала сдвинутых на 90 градусов (фиг. 3). Сдвиг на 90 градусов необходим для определения направления перемещения каретки (реверса) и для дальнейшей интерполяции сигналов, что существенно повышает разрешение датчика. Контролировать сдвиг на 90 градусов во время настройки наиболее удобно с помощью фигур "Лиссажу" (фиг. 4), при этом необходимо получить Лиссажу в виде круга.

На выходе в +1 и -1 порядков дифракции появляются интерференционные полосы, которые возникают в результате интерференции пучков от двух решеток ГДРизм и ГДРинд. Шаг и форма интерференционных полос зависит от параметров решеток: частоты и угла между штрихами решеток (т.е. от взаимного расположения их штрихов). В основном интерференционные полосы в датчиках перемещения с использованием двух дифракционных решеток представляют собой семейство широких прямых линий. Перемещение индикаторной решетки 3 относительно измерительной решетки 1 приводит к синхронному перемещению этих полос в одном направлении, а в случае изменения направления движения решеток (реверса) - к синхронному реверсу полос. Далее зануливаются показания считывающей головки каретки 4.

Запускается перемещение движущего узла ДЛП, т.е. каретки 4 с индикаторной решеткой 3 считывающей головки, относительно ГДРизм закрепленного с помощью узла 19 к внешнему устройству. Перемещение каретки 4 относительно измерительной решетки 1 осуществляется посредством подшипников 10, 11, 12 и 13, 14, 15 вдоль двух направляющих, одна из которых является подложка 2 с ее двумя поверхностями, одна из которой содержит ГДРизм, а другая обратная ее сторона. Вторая автономная стеклянная направляющая 8, жестко связанная 9 с подложкой 2, одна из поверхностей на которой зафиксирована ГДРизм. В поле интерференционных полос за решетками образуются обтюрационные и муаровые полосы, в которых устанавливается матрица 7 с фотоприемниками, сгруппированные по три в двух группах 7.1 и 7.2: 16, 17,18 и 16-1, 17-1, 18-1. При этом штрихи в каждой отдельной группе решеток не меняют своего расположения относительно друг друга (наклон) при их движении и не выходят из сферы взаимного перекрытия пучков.

При перемещении каретки 4 с ГДРинд 3 происходит перемещение обтюрационных и муаровых полос, которые преобразуются с помощью вышеуказанных пар фотоприемников (16, 17) и (16, 18), в одном из дифракционных порядков, а также (16-1, 17-1) и (16-1, 18-1) в другом дифракционном порядке - в электрические сигналы. Эти электрические сигналы обрабатываются в стандартных электронных логических блоках считывающей головки датчика, регистрирующей, как обтюрационныее полосы с помощью матрицы 7-1: (16,17 и 16-1, 17-1), так и муаровые с матрицей 7-2: (16, 18), (16-1, 18-1) с целью получения цифровой информации об измеряемом перемещении. За тем эти цифровые значения попадают в общий блок - сумматор "С". Очень важный момент, что съемы координат - одни считывающие обтюрационных, а другие муаровые полосы, до попадания на сумматор, проходит одни и те же преобразования, поскольку у них одни и те же считывающие элементы: измерительная (ГДРизм) и индикаторная (ГДРинд) решетки. Это исключают погрешности при совмещении и определении координат. Т.о. расчет истинной величины перемещения ДЛГ осуществляется программно и является функцией положения фотоприемников обеих групп матриц считывающей головки 7-1 и 7-2 вдоль направления перемещения. В данном конкретном исполнение ДЛП обладает следующими характеристики:

- разрешение, мкм 0,01

- повторяемость системы, мкм ±0,05.

Проведенные исследования предложенного датчика линейных перемещений показали точность выше ±0,1 мкм на длине 500 мм. Для измерений использовался датчик линейных перемещений с измерительной голографической дифракционной решеткой [1]. Чтобы исключить погрешность, вносимую муаровыми полосами, необходимо использовать идеально плоские направляющие, что практически невозможно. Поэтому в данном изобретении предлагается исключить эту погрешность перемещения, путем ее вычитания из общей величины перемещения, измеряемого с помощью считывающей головки, содержащей группу фотоприемников - 16,17 и 16-1, 17-1. Вычитание погрешности за счет применения не точных направляющих открывает возможность осуществления программно устранения систематических ошибок в реальном времени. Это позволяет увеличить точность ДЛП более 2-3 раз.

Таким образом, к каждой паре фотоприемников 16, 17 и 16-1, 17-1 добавлено по одному фотоприемнику 18 и 18-1, расположенного в лазерном пучке, на одной линии с одним из имеющийся 16 и 16-1 и на одинаковом от него расстоянии равного расстоянии первых двух 16,17 и 16-1, 17-1 и на перпендикулярной линии к линии, соединяющей первых двух фотоприемников и с одинаковой ее стороны. Устройство с помощью датчика линейных перемещений, фотоприемники которого 16,17 и 16-1,17-1 измеряет величину перемещения по автономной направляющей:

которая складывается из величины перемещения этого самого датчика считывающего обтюрационные полосы ΔLперем.об. на которой накладывается погрешность δнапр.м, обусловленная появлением муаровых полос возникающих из-за сканирования кареткой датчика неровностей поверхности автономной направляющей.

Величина перемещения ΔLперем.об., определяемого датчиком посредством обтюрационных полос выражается:

В связи с тем, что при измерении перемещения посредством обтюрационных полос, они формируются благодаря разным частотам ГДРизм и ГДРинд, полученными из-за использования расходящемуся пучку лазерного излучения от коллиматора 5, а также благодаря тому, что подшипники, посредством которых одна решетка перемещается по направляющей относительно другой сохраняет зазор параллельность решеток за счет постоянного зазора, то при данной конструкции ЛГД величина δнапр.об.=0. Это означает, что сами обтюрационные полосы этого датчика независимы (инвариантны) от качества автономной направляющей. Таким образом:

Однако измерить непосредственно величину ΔLперем.об мы не можем т.к., в реальности, во время перемещения и соответственно измерений она автоматически складывается с δнапр.м. Поэтому для определения истинной величины перемещения мы включили в устройстве вторую часть считывающей головки ДЛП 7-2, которая регистрирует одновременно все муаровые полосы, в том числе те которые обусловлены неточными направляющими. Таким образом, величина перемещения, полученная при регистрации муаровых полос ΔLперем.м., в рамках нововведенной считывающей головки содержащей фотоприемники 16, 18 и 16-1, 18-1 (рис. 2) следующая:

В предложенном устройстве имеется возможность определить величину δнапр.м, используя фотоприемники групп 7.1 и 7.2. следующим образом:

В этом случае истинную величину перемещения L определяется согласно (2) следующим образом:

где величина δнапр.м получена согласно выражению (5).

Необходимо отметить, что величина δнапр.м, в случае прототипа, меньше чем в случае аналога, а в данном случае, это величина определяется количественно и вычитается из измеряемой величины Lперем.об. (5) благодаря чему, вообще исключается влияние качества направляющих на истинную величину измеряемого перемещения или длины L.

Таким образом, обеспечено увеличение точности ДЛП во всем измеряемом диапазоне перемещений до метра и более вне зависимости от качества направляющих, т.к. устраняется ошибка, вносимая муаровыми полосами появляющихся из-за неточности изготовления любых направляющих.

Положительный эффект предложенного устройства благодаря конструктивным особенностям предложенного устройства следующие:

В устройстве ДЛП впервые, установленная в каретке считывающая головка содержит 6 фотоприемников, которые в установленном порядке 4 из них (16, 17и 16-1, 17-1) считывают по отдельности обтюрационные, а четыре (16, 18 и 16-1, 18-1) муаровые полосы, с учетом двух общих фотоприемников (16 и 16-1) в каждой из них. За тем для нахождения истинной величины перемещения из измеряемой общей величины перемещения, определяемого первой группой фотоприемников вычитается та величина перемещения обусловленной неточными направляющими. Причем эти вычисления правомерны, т.к. все фотоприемники установлены в одном и то же интерференционное поле полученного в результате освещения одним и тем же источником когерентного излучения, освещающем одних и тех же двух дифракционных решеток, из которых одна и та же измерительная решетка ГДРизм 1, распложенная и жестко связанная с подложкой 2 и одна и та же индикаторная решетка (ГДРинд) 3, жестко связанная с кареткой 4. Причем в обоих случаях используются одни и те же стеклянные направляющие: подложка 2 и автономная направляющая 8 жестко "Т" образно склеенные перпендикулярно друг другу, по которым перемещаются подшипники 10, 11, 12 и 13, 14, 15.

Можно отметить, что отклонение от прямолинейности автономной стеклянной направляющей 2 и 8, изготавливаемое из «борского» стекла, отечественного производства не более±2 мкм/м, что весьма трудно получить при механической обработки стекла, камня или металла.

Введение дополнительного по одному фотоприемнику в каждую пару, расположенных определенным выше описанным образом, позволяет определить погрешность перемещения, вносимую муаровыми полосами, возникающими за счет применения неточных направляющих. Таким образом, ДЛП в соответствии с предложенным изобретением обладает более высокие метрологические характеристики, чем прототип.

ЛИТЕРАТУРА

1. B.G. Turukhano, N. Turukhano.

Phase synthesis of a holographic metrological diffraction gratings of unlimited length. Optics & Laser Technology, v. 28, №4, p. 263-268, 1996.

2. Горелик В.П., Коваленко C.H., Турухано Б.Г. Фотоэлектрический преобразователь перемещений. А.С. №1 651 167, приоритет 27.06.1989 г.

3. Турухано Б.Г., Турухано Никулина. Датчик линейных перемещений. Патент РФ №2 197 713 от 27.01.2000 – прототип.

Claims (1)

1. Датчик линейных перемещений, содержащий измерительную дифракционную решетку, каретку со считывающей головкой, имеющую источник излучения, коллиматор, индикаторную решетку, матрицу фотоприемников, две группы подшипников для перемещения считывающей головки относительно измерительной дифракционной решетки, каждая из которых состоит из жестко установленных опорных и подпружиненных подшипников, причем измерительная дифракционная решетка установлена на подложке, являющейся направляющей, по которой перемещается индикаторная дифракционная решетка, причем подложка имеет базовую и обратную поверхности, штрихи измерительной дифракционной решетки установлены на базовой поверхности подложки так, что ее штрихи перпендикулярны наибольшему размеру подложки, а также содержащий автономную направляющую, также имеющую базовую и обратную поверхности, при этом автономная направляющая жестко присоединена к торцу подложки, который перпендикулярен штрихам измерительной дифракционной решетки, первая группа подшипников установлена с возможностью перемещения по подложке, а вторая - по автономной направляющей, опорные подшипники первой и второй групп установлены с возможностью перемещения по базовым поверхностям подложки и автономной направляющей соответственно, а подпружиненные подшипники установлены с возможностью перемещения по обратным поверхностям подложки и автономной направляющей соответственно, причем подпружиненные подшипники обеспечивают контакт опорных подшипников с базовыми поверхностями подложки и автономной направляющей соответственно и длина подложки и автономной направляющей не меньше линейного размера измеряемого объекта, а также содержащий узел, обеспечивающий связь датчика линейных перемещений с внешним устройством, отличающийся тем, что дополнительно к каждой известной паре фотоприемников в считывающей головке добавлено по одному фотоприемнику, и в каждой паре эти вновь введенные фотоприемники расположены в лазерном пучке, и на линии, перпендикулярной линии между двумя известными фотоприемниками, и на расстоянии, равном расстоянию между этими двумя известными фотоприемниками, причем вновь введенные фотоприемники в каждой паре расположены с одной и той же стороны оси лазерного пучка, таким образом фотоприемники матрицы сгруппированы по три в каждом дифракционном порядке, и считывающая головка с матрицей фотоприемников обеспечивает возможность считывать информацию одновременно с двух известных пар и с вновь введенных пар фотоприемников.

Images