RU2086913C1

RU2086913C1 - Linear movement detector

Info

Publication number: RU2086913C1
Application number: RU93039643A
Authority: RU
Inventors: Л.З. Дич; Г.В. Егоров; С.М. Латыев; С.С. Митрофанов
Original assignee: Санкт-Петербургский государственный институт точной механики и оптики
Priority date: 1993-08-03
Filing date: 1993-08-03
Publication date: 1997-08-10

Abstract

FIELD: instruments. SUBSTANCE: device has light source, serial optical circuit of transparent diffraction pattern, moving reflecting diffraction pattern, which is associated with object, four lenses and four photodetectors. Transparent diffraction pattern has two groups of strokes,. Lenses are located in pairs behind each group. Angle θ between groups of strokes is q = d/D, where d is constant of transparent pattern, D is distance between optical axes of lenses which are spread along stroke. Corresponding photodetectors which are spread along stroke are connected opposing, because photodetectors are spread in direction which is perpendicular to strokes. Phase shift between signals from photodetectors is equal to right angle. EFFECT: increased functional capabilities. 3 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для контроля линейных перемещений в точных измерительных приборах, а также для контроля перемещений рабочих органов станков, роботов и т.д. The invention relates to measuring technique and can be used to control linear movements in precision measuring instruments, as well as to control the movements of the working bodies of machines, robots, etc.

Известны схемы датчиков линейных перемещений, построенные на сопряжении дифракционных решеток, в которых одна из решеток является "разрезной" по длине штриха, и для создания квадратурного сдвига между сигналами (обеспечение возможности реверсивного счета) верхняя часть штрихов смещена относительно нижней вдоль линии разреза (пат. ФРГ, G 01 B 11/10, N OS 3148910, опубл. 10.03.83 г.) Недостатком такой схемы является сложность и высокая стоимость изготовления решеток с "разрезом" и чувствительность к угловым разворотам в плоскости штрихов, возникающая при относительном перемещении решеток, вызванная пространственным разнесением квадратурных каналов вдоль штриха. Known schemes of linear displacement sensors built on the conjugation of diffraction gratings, in which one of the gratings is “split” along the stroke length, and to create a quadrature shift between the signals (providing the possibility of reverse counting), the upper part of the strokes is shifted relative to the lower along the cut line (US Pat. Germany, G 01 B 11/10, N OS 3148910, published March 10, 83) The disadvantage of this scheme is the complexity and high cost of manufacturing lattices with a "cut" and the sensitivity to angular turns in the plane of the strokes that occurs when tnositelnom moving gratings caused by exploded quadrature channels along the stroke.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является датчик линейных перемещений (Е.Р.Меламед. Преобразователь линейных перемещений // ОМП. 1983, N 7, с. 35-37 прототип), содержащий источник света и последовательно расположенные по ходу излучения конденсор, пропускающую дифракционную решетку, имеющую две группы развернутых друг относительно друга штрихов, подвижную отражательную дифракционную решетку, скрепляемую с контролируемым объектом, четыре линзы, расположенные попарно за каждой группой штрихов и четыре фотоприемника, расположенные в фокусах линз. Closest to the technical nature of the present invention is a linear displacement sensor (E.R. Melamed. Linear displacement transducer // OMP. 1983, N 7, pp. 35-37 prototype), containing a light source and a condenser located in series along the radiation, a transmissive diffraction grating having two groups of strokes unfolded relative to each other, a movable reflective diffraction grating fastened to a controlled object, four lenses arranged in pairs behind each group of strokes, and four photo arrays and cameras located in the foci of the lenses.

Недостатком данного технического решения является необходимость точно выдерживать угол между группами штрихов на прозрачной решетке и расстояние между оптическими осями линз, а также чувствительность к разворотам решеток в плоскости штрихов. The disadvantage of this technical solution is the need to accurately withstand the angle between the groups of strokes on the transparent grating and the distance between the optical axes of the lenses, as well as the sensitivity to the turns of the gratings in the plane of the strokes.

Предлагаемое техническое решение направлено на снижение жесткости требований к изготовлению узлов датчика и прибора, в который он устанавливается, и на повышение точности измерений. The proposed technical solution is aimed at reducing the rigidity of the requirements for the manufacture of the nodes of the sensor and the device in which it is installed, and at improving the accuracy of measurements.

Для этого предлагаемый датчик содержит источник света и последовательно расположенные по ходу излучения пропускающую дифракционную решетку, отражательную дифракционную решетку, скрепленную с контролируемым объектом, четыре линзы и четыре фотоприемника. При этом пропускающая решетка имеет две группы штрихов, линзы расположены попарно за каждой группой штрихов, угол θ между группами штрихов определяется по формуле q d/D, где d постоянная пропускающей решетки, D расстояние между оптическими осями линз, разнесенных вдоль штрихов, фотоприемники, разнесенные вдоль штрихов, включены встречно, а фазовый сдвиг между фотоприемниками, разнесенными в направлении, перпендикулярном штрихам, равен 90^o.For this, the proposed sensor comprises a light source and a transmission diffraction grating, a reflective diffraction grating attached to a controlled object, four lenses and four photodetectors successively arranged along the radiation. In this case, the transmission grating has two groups of strokes, the lenses are arranged in pairs behind each group of strokes, the angle θ between the groups of strokes is determined by the formula qd / D, where d is the transmission lattice constant, D is the distance between the optical axes of the lenses spaced along the strokes, photodetectors spaced along strokes are turned counterclockwise, and the phase shift between the photodetectors spaced in the direction perpendicular to the strokes is 90 ^o .

Известно, что для обработки измерительной информации необходимы два синусоидальных сигнала, сдвинутых друг относительно друга на 90^o по фазе и не содержащих постоянной составляющей (квадратурные сигналы). Для создания квадратурного сдвига в прототипе служат фотоприемники, разнесенные в пределах одной муар-интерференционной полосы на четверть ее периода (90^o). Ширину интерференционной полосы, а следовательно, и квадратурный сдвиг определяет угол между штрихами пропускающей и отражательной решетки, возникающей, в свою очередью, из-за наличия угла между группами штрихов пропускающей решетки. Развороты отражательной решетки при перемещении приводят к изменению ширины муар-интерференционной полосы, и при штрихах, расположенных параллельно, фазовый сдвиг оказывается равным нулю и преобразователь перестает функционировать. Постоянные развороты ("уходы") пропускающей решетки в плоскости штрихов при эксплуатации датчика также приводят к отказам в его работе.It is known that for processing measurement information, two sinusoidal signals are required, 90 ^° shifted relative to each other in phase and not containing a constant component (quadrature signals). To create a quadrature shift in the prototype, photodetectors are used, spaced within one moire interference band by a quarter of its period (90 ^o ). The width of the interference band, and therefore the quadrature shift, determines the angle between the strokes of the transmission and reflection gratings, which, in turn, arises due to the presence of an angle between the groups of strokes of the transmission grating. Turns of the reflective lattice during movement lead to a change in the width of the moire interference band, and when the strokes are parallel, the phase shift is equal to zero and the converter ceases to function. Constant turns ("departures") of the transmission grid in the line of strokes during operation of the sensor also lead to failures in its operation.

Если угол q между группами штрихов выполнить равным d/D, то фазовый сдвиг между сигналами с фотоприемников, находящихся в пределах одной муар-интерференционной полосы, будет равен 180^o. При одних и тех же значениях d и D угол q при этом будет в два раза больше, чем в прототипе. Сдвигая пропускающую решетку в направлении, параллельном штрихам, можно добиться того, чтобы сдвиг фазы между сигналами, которые снимаются с фотоприемников, разнесенных в направлении, перпендикулярном штрихам, был равен 90^o. Величина этого фазового сдвига совершенно не зависит от угла между штрихами решеток. Если после этого каждую пару фотоприемников, расположенную в пределах одной полосы (т. е. разнесенных вдоль штрихов) включить встречно, то постоянная составляющая, содержащаяся в сигналах, будет компенсирована и возникнут два квадратурных сигнала. Величина квадратурного сдвига уже не будет зависеть от взаимного расположения штрихов, а допустимый разворот отражательной решетки при перемещении может быть сделан в два раза большим, поскольку отказ преобразователя происходит только при параллельном расположении штрихов решетки. Следует заметить, что предлагаемая схема включения фотоприемников помимо расширения допуска на развороты позволяет всегда обеспечить возможность получения квадратурного сдвига, равного 90^o, независимо от точности выполнения угла между группами штрихов и расстояния между линзами. Отклонение первого или второго параметров приведет только к тому, что квадратурный сдвиг 90^o будет установлен при несколько ином положении пропускающей решетки в процессе юстировки преобразователя. Поскольку квадратурный сдвиг в значительной степени определяет метрологические характеристики датчика, особенно при интерполяции измерительного сигнала, предлагаемое решение позволяет повысить и точность измерений. В прототипе отклонения угла между группами штрихов и расстояния между линзами от номинала, приводящие к изменению квадратурного сдвига, не могут быть исправлены последующей юстировкой, что, помимо прочего, ухудшает и динамические характеристики.If the angle q between the groups of strokes is equal to d / D, then the phase shift between the signals from the photodetectors located within the same moire interference band will be 180 ^o . With the same values of d and D, the angle q will be two times larger than in the prototype. By shifting the transmission grating in the direction parallel to the strokes, it is possible to ensure that the phase shift between the signals that are removed from the photodetectors spaced in the direction perpendicular to the strokes is equal to 90 ^o . The magnitude of this phase shift is completely independent of the angle between the gratings of the gratings. If after this each pair of photodetectors located within the same band (i.e., spaced along the strokes) is turned on in opposite directions, then the constant component contained in the signals will be compensated and two quadrature signals will appear. The magnitude of the quadrature shift will no longer depend on the relative position of the strokes, and the allowable rotation of the reflective grating during movement can be made twice as large, since the converter fails only when the grating strokes are parallel. It should be noted that the proposed scheme for including photodetectors in addition to expanding the tolerance for turns allows you to always ensure the possibility of obtaining a quadrature shift of 90 ^o , regardless of the accuracy of the angle between the strokes and the distance between the lenses. Deviation of the first or second parameters will only lead to the fact that the quadrature shift of 90 ^o will be set at a slightly different position of the transmission grid during the alignment of the Converter. Since the quadrature shift largely determines the metrological characteristics of the sensor, especially when interpolating the measuring signal, the proposed solution allows to increase the accuracy of measurements. In the prototype, deviations of the angle between the groups of strokes and the distance between the lenses from the nominal, leading to a change in the quadrature shift, cannot be corrected by subsequent adjustment, which, among other things, worsens the dynamic characteristics.

На фиг. 1 дана схема предлагаемого датчика; на фиг. 2 векторная диаграмма напряжений (токов) на фотоприемниках; на фиг. 3 расположение конденсора и собирающих линз относительно неподвижной пропускающей решетки. In FIG. 1 shows a diagram of the proposed sensor; in FIG. 2 vector diagram of voltages (currents) on photodetectors; in FIG. 3 arrangement of a condenser and collecting lenses with respect to a fixed transmission grid.

Устройство содержит источник излучения 1 и расположенные далее по ходу луча конденсор 2, формирующий параллельный пучок лучей, неподвижную пропускающую дифракционную решетку 3 с постоянной d, выполненную с двумя группами штрихов, развернутыми в плоскости штрихов на угол тэта, неподвижную дифракционную решетку 4, собирающие линзы 5, 6, 7, 8, в фокусах которых находятся фотоприемники 9, 10, 11, 12. Фотоприемники 9, 10 и линзы 5, 6 соответственно расположены за одной группой штрихов, а фотоприемники 11, 12 и линзы 7, 8 соответственно расположены за другой группой штрихов. Расстояние между оптическими осями линз, которые расположены за каждой группой штрихов равно D, а угол тэта между группами штрихов равен d/D. The device comprises a radiation source 1 and a condenser 2 located downstream of the beam, forming a parallel beam of beams, a stationary transmission diffraction grating 3 with constant d, made with two groups of strokes deployed in the plane of the strokes at the angle of theta, a stationary diffraction grating 4, collecting lenses 5 , 6, 7, 8, the focuses of which are photodetectors 9, 10, 11, 12. Photodetectors 9, 10 and lenses 5, 6, respectively, are located behind one group of strokes, and photodetectors 11, 12 and lenses 7, 8, respectively, are located behind the other group second strokes. The distance between the optical axes of the lenses that are located behind each group of strokes is equal to D, and the angle of theta between the groups of strokes is d / D.

Датчик работе следующим образом. Sensor operation as follows.

Источник 1 излучения, находящийся в фокальной плоскости конденсора 2, освещает параллельным пучком дифракционную решетку 3, на которой образуется набор пучков, дифрагировавших в разные порядки. Эти пучки попадают на дифракционную решетку 4, отражаясь, дифрагируют на ней и вновь попадают на штрихи решетки 3 после повторной дифракции, на которой складываются и интерферируют пучки, дифрагировавшие в разные порядки на решетке 4. Из-за разворота групп штрихов при интерференции возникает муар-интерференционная полоса, которая при перемещении отражательной решетки модулирует световой поток, поступающий на фотоприемники. Период полосы T определяется из формулы T = d/θ_o где θ_o разворот группы штрихов относительно штрихов отражательной решетки. При θ_o = θ/2, T = 2D и фотоприемники, находящиеся за одной группой штрихов, будут промодулированы в противофазе. Разность фаз сигналов, снимаемых с фотоприемников, находящихся за разными группами штрихов, зависит от расстояния между штрихами групп, которое из-за разворота групп друг относительно друга является переменным. Двигая пропускающую решетку 3 в направлении, параллельном штрихам, добиваются сдвига фаз между фотоприниками, находящимися за разными группами штрихов, например, между фотоприемниками 9 и 11, равного 90^o. Векторная диаграмма напряжений U_i, снимаемых тогда с фотоприемников, изображена на фиг. 2а. Так как пары фотоприемников 9, 10 и 11, 12 включены встречно, то снимаемый с них суммарный сигнал не содержит постоянной составляющей и на выходе преобразователя образуются два сдвинутых друг относительно друга на 90^o синусоидальных сигнала.The radiation source 1, located in the focal plane of the condenser 2, illuminates a diffraction grating 3 with a parallel beam, on which a set of beams diffracted in different orders is formed. These beams fall on the diffraction grating 4, being reflected, diffract on it and again fall on the strokes of the grating 3 after repeated diffraction, on which the beams that diffract in different orders on the grating 4 add up and interfere. Due to the rotation of the groups of strokes upon interference, a moir interference band, which when moving the reflective array modulates the light flux entering the photodetectors. The period of the strip T is determined from the formula T = d / θ _o where θ _{o is the} spread of the group of strokes relative to the strokes of the reflective grating. When θ _o = θ / 2, T = 2D, the photodetectors located behind one group of strokes will be modulated in antiphase. The phase difference of the signals taken from photodetectors located behind different groups of strokes depends on the distance between the strokes of the groups, which is variable due to the rotation of the groups relative to each other. By moving the transmission grating 3 in the direction parallel to the strokes, a phase shift between the photodetectors located behind different groups of strokes, for example, between the photodetectors 9 and 11, is equal to 90 ^o . A vector diagram of the voltages U _i taken then from the photodetectors is shown in FIG. 2a. Since the pairs of photodetectors 9, 10 and 11, 12 are turned on in the opposite direction, the total signal removed from them does not contain a constant component and two sinusoidal signals shifted from each other by 90 ^° are formed at the output of the converter.

При развороте любой из решеток в плоскости штрихов ширина муар-интерференционной полосы за одной группой штрихов увеличится, а за другой уменьшится и встречно включенные фотоприники будут модулироваться уже не в противофазе. Это приведет к незначительному снижению амплитуды суммарного сигнала, однако разность фаз между суммарными сигналами останется неизменной, равной 90^o (фиг. 2б). Поскольку в предлагаемом техническом решении номинальная разность фаз для фотоприемников, расположенных за одной группой штрихов, в два раза больше, чем в устройстве, принятом за прототип, датчик будет сохранять работоспособность при относительных разворотах решеток в два раза больше, чем в прототипе. Кроме того, если угол между группами штрихов или расстояние между оптическими осями линз, находящимися за какой-либо группой, выдержано не точно, то подвижкой прозрачной решетки вдоль направления штрихов можно добиться того, чтобы разность фаз в суммарном сигнале составляла точно 90^o и тем самым компенсировать погрешности изготовления датчика, которые в отличие от прототипа не будут в этом случае оказывать влияние на точность преобразования.When you turn any of the gratings in the line of strokes, the width of the moire interference band after one group of strokes will increase, and after another it will decrease and the on-board photo detectors will be modulated no longer in antiphase. This will lead to a slight decrease in the amplitude of the total signal, however, the phase difference between the total signals will remain unchanged equal to 90 ^o (Fig. 2B). Since in the proposed technical solution, the nominal phase difference for photodetectors located at the same group of strokes is two times larger than in the device adopted for the prototype, the sensor will remain operable with relative turns of the gratings twice as much as in the prototype. In addition, if the angle between the groups of strokes or the distance between the optical axes of the lenses located behind any group is not precisely maintained, then by moving the transparent grating along the direction of the strokes, it is possible to ensure that the phase difference in the total signal is exactly 90 ^o and thereby to compensate for the manufacturing errors of the sensor, which, unlike the prototype, will not in this case affect the accuracy of the conversion.

Claims

A linear displacement sensor containing a light source and a capacitor sequentially arranged along the radiation, transmitting a diffraction grating, having two groups of strokes rotated relative to each other by an angle θ, a movable reflective diffraction grating attached to an object, four lenses located in pairs behind each group of strokes , and four photodetectors located in the foci of the lenses, characterized in that the groups of strokes of the transmission grating are shifted relative to each other along the bisector s angle of rotation, in pairs photodetector with lenses installed along the direction of the bisector of the angle and includes oppositely, wherein a pair of spaced apart in a direction perpendicular to the bisector of the angle so that the phase shift between the signals of the photodetectors arranged in this direction is 90 ^o, and steering angle q between groups of strokes is determined from the formula q = d / D where d is the transmission lattice constant; D is the distance between the optical axes of the lenses.