SU1108328A1

SU1108328A1 - Interferential method of measuring displacements and device for application thereof

Info

Publication number: SU1108328A1
Application number: SU823469260A
Authority: SU
Inventors: Виктор Александрович Смирнов
Original assignee: Предприятие П/Я Р-6681
Priority date: 1982-07-12
Filing date: 1982-07-12
Publication date: 1984-08-15

Abstract

1. Интерференционный способ измерени перемещений, заключающийс в получении интерференционных картин, смещенных одна относительно другой по фазе, преобразовании оптических сигналов в электрические при анализе интерференционных картин и формировании пр моугольных импульсов, по количеству и последовательности поступлени которых определ ют перемещение , отличающийс тем, что, с целью повышени точности и увеличени диапазона измерений, получают три сдвинутых по фазе на 90 интерференционные картины и соответственно три электрических сигнала, определ ют их посто нную и переменную составл ющие и используют их дл формировани двух сигналов со стабилизированными значени ми посто нной i и переменной составл ющих, а затем формируют пр моугольные импульсы. (Л1. An interference method for measuring displacements, which consists in obtaining interference patterns that are displaced relative to each other in phase, converting optical signals into electrical signals when analyzing interference patterns and generating square pulses, the number and sequence of arrival of which determine the displacement, characterized in that in order to increase accuracy and increase the measurement range, three interference patterns are obtained in phase by 90 and, accordingly, three electric patterns their signals, determine their constant and variable components and use them to form two signals with stabilized values of the constant i and variable components, and then form rectangular pulses. (L

Description

0000

соwith

NDND

0000

2. Устройство дл измерени перемещений , содержащее интерферометр, три фотопреобразовател , два дифференциальных усилител ,два формировател , вход каждого из которых соединен с выходом соответствующего дифференциального усилител , и регистратор , соединенный с выходами формирователей , отличающеес тем, что, с целью повышени точности и увеличени диапазона измерений, оно снабжено источником опорного напр жени , двум сумматорами, инвертором , двум сумматорами-выпр мител ми и трем перемножител ми-делител ми , выходы.первого и второго перемножителей-делителей подключены к инвертирующим входам соответствующих дифференциальных усилителей, а неинвертирующие входы последних соединены с выходом третьего перемножител -делител , первый множительный вхо которого соединен с выходом инвертора , вход которого подключен к выходу первого сумматора, один из входов первого сумматора соединен с выходом первого фотопреобразовател , с первым множительным входом первого перемножител -делител и с первым входом первого сумматора-выпр мител , а второй вход первого сумматора подключен к выходу третьего фотопреобразовател , выход второго фотопреобразовател соединен с первым множительным входом второго перемножител делител и с первым входом второго сумматора-выпр мител , а вторые входы сумматоров-выпр мителей соединены с выходом первого сумматора, источник опорного напр жени подключен к вторым множительным входам перемножителей-делителей , делительные входы которых соединены с выходом второго сумматора, входы которого подключены к выходам сумматоров-выпр мителей .2. A device for measuring displacements containing an interferometer, three photoconverters, two differential amplifiers, two formers, the input of each of which is connected to the output of the corresponding differential amplifier, and a recorder connected to the outputs of the formers, in order to increase the accuracy and increase measurement range, it is equipped with a reference voltage source, two adders, an inverter, two rectifier adders, and three multipliers, dividers, outputs. the multiplier-divisors are connected to the inverting inputs of the respective differential amplifiers, and the non-inverting inputs of the latter are connected to the output of the third multiplier separator, the first multiplier input of which is connected to the output of the inverter, whose input is connected to the output of the first adder, one of the inputs of the first adder is connected to the output of the first photoconverter, with the first multiplying input of the first multiplier-divider and with the first input of the first adder-rectifier, and the second input of the first adder connected to the output of the third photoconverter, the output of the second photoconverter is connected to the first multiplier input of the second multiplier divider and to the first input of the second rectifier adder, and the second inputs of rectifier adders are connected to the output of the first adder, the source of the reference voltage is connected to the second multiplier inputs of the multipliers - dividers, the separating inputs of which are connected to the output of the second adder, whose inputs are connected to the outputs of rectifier-rectifiers.

Изобретение относитс к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в машиностроении и приборостроении дл измерени с по мощью лазерных измерителей перемещеИзвестен интерференционный способ измерени перемещений, заключающийс в получении интерференционных картин, смещенных одна относительно другой по фазе, преобразование оптических сигналов в электрические при анализе интерференционных картин и формировании пр моугольных импульсов по количеству и последовательности поступлени которых определ ют пере мещение ij. Известно устройство дл измерени перемещений, содержащее интерферометр , три фотопреобразовател , два , дифференциальных усилител , два формировател , вход каждого из которых соединен с выходом соответствующего дифференциального усилител , и регистратор . Приемник излучени содержит также четвертый фотопреобразователь Недостатком известных способа и устройства вл етс то, что при ба лансном методе компенсируютс толь ко посто нные составл ющие сигналов фотопреобразователей, а амплитуда переменной составл ющей может измен тьс в зависимости от уровн и глу бины модул ции сигнала фотопреобразо вател , что, в частности, может быть вызвано нестабильностью мощности лазерного излучени при поперечных сме щени х отражателей интерферометра, при ослаблении луча измерительного плеча интерферометра загр знени ми и т.д., тем самым не устран ютс основные погрешности, что ведет к снижению точности и уменьшению диапазона измерений. Цель изобретени - повышение точности и увеличение диапазона измерений , Поставленна цель достигаетс тем, что согласно интерференционному способу измерени перемещений, заключающемус в получении интерференционных картин, смещенных одна относительно другой по фазе, преобразовании оптических сигналов в электрические при анализе интерференционных картин и формировании пр моугольных импульсов, по количеству и последовательности поступлени которых определ ют перемещение , получают три сдвинутых по фазе на 90° интерференционные картины и соответственно три электрических : сигнала, определ ют их посто нную и переменную составл ющие и используют их дл формировани двух сигналов со стабилизированными значени ми посто нной и переменной составл ющих, а затем формируют пр моугольные импульсы . Устройство дл измерени перемещений , содержащее интерферометр, три фотопреобразовател , два дифференциальных усилител , два формировател , вход каждого из которых соединен с выходом соответствующего дифФеренциапьного усилител , и регистратор, соединенный с выходами формирователе снабжено источником опорного напр же ни , двум сумматорами, инвертором, двум сумматорами-выпр мител ми и тре м перемножител ми-делител ми выходы первого и второго перемножителей-делителей подключены к инвертирующим входам соответствующих дифференциальных усилителей, а неинвертирую щие входы последних соединены с выходом третьего перемножител делител , первый множительный вход которого соединен с выходом инвертора , вход которого подключен к выходу первого сумматора, один из входов пер вого сумматора соединен с выходом первого фотопреобраэовател , с -.первым множительным входом первого пере множител -делител и с первым входом первого сумматора-выпр мител , а вто рой вход первого сумматора подключен к выходу третьего фотопреобразовател , выход второго фотопреобразовате л соединен с первым множительным входом второго перемножител -делител и с первым входом второго суммато ра-выпр мител , а вторые входы сумматоров-выпр мителей соединены с выходом первого сумматора, источник опорного напр жени подключен к вторым множительным входам перемножите.лей-делителей , делительные входы которых соединены с выходом второго су матора, входы которого подключены к выходам сумматоров-выпр мителей, На фиг. 1 представлена блок-схема устройства дл осуществлени интерференционного способа измерени пере мещений; на фиг. 2 - эпюры сигналов на элементах схемы. Устройство состоит из фотопреобразователей 1, 2 и 3, источника 4 опорного напр жени , первого и второ го перемножител -делител 5 н 6, пер вого сумматора 7, первого н второго дифференциальных усилителей 8 и 9, инвертора 10, первого и второго сумматоров-выпр мителей 11, 12, первого и второго формирователей 13 и 14, соединенных с выходами соответствующих дифференциальных усилителей 8 и 9, третьего перемножител -делител 15, второго сумматора 16, регистрато ра 17, соединенного с выходами формирователей 13 и 14, выходы первого и второго перемножител делител 5 и б подключены к инвертирующим входам соответствующих дифференциальных уси лителей 8 или 9, а неинвертирующие входы последних соединены с выходом третьего перемножител -делител 15, первый множительный вход которого соединен с выходом инвертора 10, вхо которого подключен к выходу первого сумматора 7, один из входов первого сумматора 7 соединен с выходом первого фотопреобразовател 1, с первым множительным входом первого перемножител -делител 5 и с первым входом первого сумматора-выпр мител 11, а второй вход первого сумматора 7 подключен к выходу третьего фотопреобразрвател 3, выход второго фотопреобразовател 2 соединен с первым множительным входом второго перемножител -делител бис первым входом второго сумматора-выпр мител 12, а втррые входы сумматоров-выпр мителей 11 и 12 соединены с выходом первого сумматора 7, источник 4 опорного напр жени подключен к вторым множительным входам перемножителей-делителей 5, б и 15, делительные входы которых соединены с выходом второго сумматора 16, входы которого подключены к выходам сумматоров-выпр мителей 11 и 12. С помощью предлагаемого устройства способ осуществл етс следующим образом. С помощью интерферометра (не пока зан) получают три интерференционные картины, последовательно сдвинутые по фазе на 90°. После преобразовани оптических сигналов в электрические с помощью фотопреобразователей 1, 2 и 3 получают сигналы вида и. К.1.1 + т;соз{л4.), где i - номер фотопреобразователей; К,- - коэффициент усилени фотопреобразовател ; I,- - дол энергии лазерного излучени , приход ща с на фотопреобразователь с номером i, m-- глубина модул ции сигнала фотопреобраз овс1тел ; - фаза сигнала, св занна с величиной измер емого перемещени ЛЬ. Вследствие того, что сигналы фотопреобразователей одинаковым образом завис т от результата интерференции двух лучей опорного и измерительного плеч интерферометра, параметры выходных сигналов описываютс одинаковыми функци ми времени: K.I. ), m.mjt) ,/i4.A4.(t) , тогда U; (t)U(,(t) l+mp{t)co3 ЛЧ. (t) .. Текущие значени трех указанных параметров определ ютс по значени м трех сигналов фотопреобразователей и. (фиг, 2а). Формирование двух сигналов Од и Ug со стабилизированными значени ми амплитуд и нулевыми посто нными составл ющими (фиг. 26) осуществл етс по алгоритму ))E, Jt)) ) ЕО- cosdMlt) , )0(tjEo/fUo tno -Ec/no(tl Ejj (t). Указанные операции и последовател ность их выполнени удовлетвор ют д полнительному условию осуществлени способа измерени заключающемус в том, что все сигналы, над которыми производ тс операции умножени и делени , должны быть знакоположител ными вследствие использовани логарифмических перемножителей-делителей 5, 6 и 15. Стабилизированное значение Е вырабатываетс , источником 4 опорного напр жени . Текущее значение -и(t) получают на выходе сумматора 7, на входы которого подаютс сигналы U(t и Uj (t) с фотопреобразователей 1 и Выпр мленные значени .переменных составл ющих сигналов U (t) и U (t) получают на сумматорах-выпр мител х 11 и 12, при этом сумматор 16 формирует сигнал UQ (t)га(t), Перемножив сигналы Ер и U(t) и разделив их произведение на U(,(t)m(t) с помощью перемножител -делител 15, получают величину Ep/mt. Использу полученные величины Eg Up,(t)m(t) и (t} , преобразуют сигнал и(t) в сигнал со стабилизированным значением амплитуды и нулевой посто нной составл ющей U(t) по указанному алгоритму с помощью перемножител -делител 5 и дифференциального усилител 8, Аналогичным образом формирует сиг нал U (t) на перемножителе-делителе б и дифференциальном усилиаеле 9. Амплитудна дискриминаци сигналов UA(t) и ив() производитс на формировател х 13 и 14 по установленным значени м Е, что благодар стабилизированному значению Eg а:мплитуд сигналов U(t) и Og(t) обеспечивает высокую и устойчивую помехозащищенность измерений, равномерность распризделени счетных импульсов независимо от изменений уровн и глубины модул ции сигналов фотопреобразователей . В регистраторе 17 производитс обработка выходных импульсов формирователей , определение величины и направлени измер емого перемещени и индикации результатов измерений. Таким образом, использование величины Uo(t)in{t) в качестве сигнала U(t)m.(t) и гальванической св зи между всеми узлами схемы обеспечивает простоту схемной реализации определени параметра ro(t) и независимость амплитуд сигналов U(t) и Ug(t) от скорости измер емого перемещени , . а также обусловливает близкую к треугольной форму сигналов Од(t) и Ug(t), что позвол ет увеличить устойчивость измерител к изменени м уровней и глуЬины модул ции сигналов фотоприемников , улучшить помехозащищенность измерител , исключить систематическую ошибку измерений, что в совокупности обеспечивает значительное увеличение точности измерени перемещений . Достигнута высока точность интерференционных измерений в широком диапазоне не зависит от изменений мощности лазерного излучени , от искажений интерференционной картины, что обеспечивает увеличение диапазона измер емых перемещений.The invention relates to instrumentation technology and can be used in mechanical engineering and instrument engineering for measuring displacements using laser meters. The interference method for measuring displacements is known, which consists in obtaining interference patterns that are displaced one relative to the other in phase, converting optical signals into electrical ones when analyzing interference patterns. and the formation of rectangular pulses by the number and sequence of arrival of which determine the movement e ij. A device for measuring displacements is known, comprising an interferometer, three photoconverters, two differential amplifiers, two formers, the input of each of which is connected to the output of the corresponding differential amplifier, and a recorder. The radiation receiver also contains a fourth phototransducer. A disadvantage of the known method and device is that with the balance method only the constant components of the phototransmitter signals are compensated, and the amplitude of the variable component can vary depending on the level and depth of modulation of the phototransducer signal. , which, in particular, can be caused by the instability of the laser power at the transverse displacements of the interferometer’s reflectors, while attenuating the beam of the measuring arm of the interferometer ferrometer contamination, etc., thereby not eliminating the main errors, which leads to a decrease in accuracy and a decrease in the measurement range. The purpose of the invention is to improve the accuracy and increase the measurement range. The goal is achieved by the method of measuring the displacement according to the interference method, which involves obtaining interference patterns that are displaced from one another in phase, converting optical signals into electrical signals when analyzing interference patterns and generating square pulses, the number and sequence of the arrival of which determine the movement, get three phase shifted by 90 ° interference to The pictures and, accordingly, the three electrical signals, determine their constant and variable components and use them to form two signals with stabilized values of the constant and variable components, and then form square impulses. A device for measuring displacements, containing an interferometer, three photoconverters, two differential amplifiers, two formers, the input of each of which is connected to the output of a corresponding differential amplifier, and a recorder connected to the outputs of the former with a reference source, two totalizers, an inverter, two adders - selectors and three multipliers; dividers; first and second multiplier-divider outputs are connected to inverting inputs of the respective differentials These amplifiers, and the non-inverting inputs of the latter are connected to the output of the third multiplier divider, the first multiplying input of which is connected to the output of the inverter, the input of which is connected to the output of the first adder, one of the inputs of the first adder, is connected to the output of the first photoreconverter the first multiplier separator and with the first input of the first adder-rectifier, and the second input of the first adder is connected to the output of the third photoconverter, the output of the second photoconverter is The first input of the second multiplier divider multiplier and the first input of the second rectifier-rectifier, and the second inputs of the rectifier-rectifiers are connected to the output of the first adder, the source of the reference voltage is connected to the second multiplicative inputs multiply. which are connected to the output of the second mat, whose inputs are connected to the outputs of rectifier-rectifiers, FIG. 1 shows a block diagram of an apparatus for carrying out an interference method for measuring movements; in fig. 2 - signal plots on circuit elements. The device consists of photoconverters 1, 2 and 3, the source 4 of the reference voltage, the first and second multiplier-divider 5 n 6, the first adder 7, the first n the second differential amplifiers 8 and 9, the inverter 10, the first and second adders-rectifier The first and second drivers 13 and 14 connected to the outputs of the corresponding differential amplifiers 8 and 9, the third multiplier splitter 15, the second adder 16, the recorder 17 connected to the outputs of the drivers 13 and 14, the outputs of the first and second multiplier divider 5 and b are connected to the inverting inputs of the respective differential amplifiers 8 or 9, and the non-inverting inputs of the latter are connected to the output of the third multiplier separator 15, the first multiplying input of which is connected to the output of the inverter 10, the input of which is connected to the output of the first adder 7, one of the inputs The first adder 7 is connected to the output of the first photoconverter 1, to the first multiplying input of the first multiplier-divider 5 and to the first input of the first adder-rectifier 11, and the second input of the first adder 7 is connected The output of the third converter 3, the output of the second converter 2 is connected to the first multiplier input of the second multiplier div bis by the first input of the second adder rectifier 12, and the second inputs of the rectifier rectifiers 11 and 12 are connected to the output of the first adder 7, source 4 of the reference voltage connected to the second multiplying inputs of multipliers-dividers 5, b and 15, the separating inputs of which are connected to the output of the second adder 16, whose inputs are connected to the outputs of rectifier-rectifiers 11 and 12. Using My device method is as follows. Using an interferometer (not yet won), three interference patterns are obtained, successively shifted in phase by 90 °. After converting the optical signals into electrical signals using photoconverters 1, 2 and 3, they receive signals of the form and. К.1.1 + т; со {л4.), Where i is the number of photoconverters; K, - is the gain of the photoconverter; I, - is the fraction of the laser radiation energy attributable to the phototransducer with the number i, m - the signal modulation depth of the optical transducer; - the phase of the signal related to the magnitude of the measured displacement LL. Due to the fact that the signals of photovoltaic cells depend in the same way on the result of the interference of two beams of the reference and measuring arms of the interferometer, the parameters of the output signals are described by the same time functions: K.I. ), m.mjt), / i4.A4. (t), then U; (t) U (, (t) l + mp {t) co3 Champions League. (t) .. The current values of the three indicated parameters are determined by the values of the three signals of the photovoltaic cells and (FIG. 2a). The formation of two signals Od and Ug with stabilized amplitude values and zero constant components (Fig. 26) is carried out according to the algorithm)) E, Jt))) ЕО-cosdMlt),) 0 (tjEo / fUo tno -Ec / no (tl Ejj (t). These operations and the sequence of their execution satisfy the condition for carrying out the measurement method which consists in the fact that all signals over which multiplication and division operations are performed must be sign-positive due to the use of logarithmic multipliers-dividers 5 , 6 and 15. Stabilized value E is generated by a reference voltage source 4. The current value -i (t) is obtained at the output of the adder 7, to the inputs of which signals U (t and Uj (t) from the photo-converters 1 and the rectified values of the variable components U are fed ( t) and U (t) are received on rectifier-rectifiers xx 11 and 12, while the adder 16 forms the signal UQ (t) ha (t), multiplying the signal Ep and U (t) and dividing their product by U (, ( t) m (t) using the multiplier separator 15, get the value of Ep / mt. Using the obtained values of Eg Up, (t) m (t) and (t}, convert the signal and (t) into a signal with a stabilized amplitude value and zero constant component U (t) according to the indicated algorithm with the help of multiplier-divider 5 and differential amplifier 8. Similarly, it forms the signal U (t) on multiplier-divider b and differential amplifier 9. Amplitude discrimination of signals UA (t) and willows () is performed on formers 13 and 14 at fixed values of E, which is due to the stabilized the value of Eg a: mplitud signals U (t) and Og (t) provide It provides high and stable noise immunity of measurements, uniform distribution of counting pulses regardless of changes in the level and depth of modulation of photovoltaic signals. The recorder 17 processes the output shapers of the drivers, determines the magnitude and direction of the measured movement and displays the measurement results. Thus, using the Uo value ( t) in (t) as a signal U (t) m. (t) and galvanic coupling between all nodes of the circuit provides the simplicity of the circuit implementation of the determination of PA The ro (t) parameter and the amplitudes independence of the signals U (t) and Ug (t) on the speed of the measured displacement,. and also leads to the near-triangular waveform of Hod (t) and Ug (t), which makes it possible to increase the resistance of the meter to changes in the levels and depth of the modulation of photodetector signals, improve the noise immunity of the meter, eliminate the systematic measurement error, which together provides a significant increase displacement measurement accuracy. The high accuracy of interference measurements in a wide range is achieved, which does not depend on changes in the laser power, on distortions of the interference pattern, which provides an increase in the range of measured displacements.

I /SI / s

xxxx

/ jX/ jX

/ V/ V

VV

x:x:

в at

1 I rtn LJ.1 I rtn LJ.

I I I II I I I

//

„„

x:/x: /

xx

//

лl

/x/ x

tt

//

xx

вat

{ I I{I I

I I I I I I

Claims

1. The interference method of measuring displacements, which consists in obtaining interference patterns that are phase shifted relative to each other, converting optical signals into electrical signals when analyzing interference patterns and forming rectangular pulses, the number and sequence of arrival of which determine the displacement, characterized in that, with In order to increase the accuracy and increase the measurement range, they obtain three interference patterns shifted in phase by 90 ° and, accordingly, three electric their signal, determine their constant and variable components and use them to form two signals with stabilized values of constant and variable components, and then form rectangular pulses.

2. A device for measuring displacements, comprising an interferometer, three photoconverters, two differential amplifiers, two shapers, the input of each of which is connected to the output of the corresponding differential amplifier, and a recorder connected to the shapers outputs, characterized in that, in order to increase accuracy and increase measurement range, it is equipped with a reference voltage source, two adders, an inverter, two rectifier adders and three divider multipliers, the outputs of the first and second the divider multipliers are connected to the inverting inputs of the corresponding differential amplifiers, and the non-inverting inputs of the latter are connected to the output of the third divider multiplier, the first multiplier input of which is connected to the inverter output, the input of which is connected to the output of the first adder, one of the inputs of the first adder is connected to the output of the first photoconverter, with the first multiplier input of the first multiplier divider and with the first input of the first adder-rectifier, and the second input of the first adder connected is output from the third photoconverter, the output of the second photoconverter is connected to the first multiplier input of the second multiplier divider and to the first input of the second adder-rectifier, and the second inputs of the adder-rectifiers are connected to the output of the first adder, the reference voltage source is connected to the second multiplier inputs of the multiplier divider the inputs of which are connected to the output of the second adder, the input of which is connected to the outputs of the adders-rectifiers.