SU1716315A1 - Устройство дл измерени перемещений объекта - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к контрольно- измерительной технике и может быть использовано дл  отсчета линейных перемещений. Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени . Пучками, пересекающимис  под углом а, формируют основную интерференционную картину с ценой полосы Ј-|, а пересекающимис  под углом /3 - дополнительную интерференционную картину с ценой полосы Ј2 ,/3 а. а Ј2 Ј1. Двум  фотоприемниками считывают основную интерференционную картину, а третьим - дополнительную. Подсчитывают число полос основной картины. Дробную часть полосы наход т путем подсчета целых периодов дополнительной картины между моментом по влени  импульса Старт/Стоп и моментом нониусного совпадени . По полученным данным определ ют величину перемещени  объекта. 2 ил. i

Description

Изобретение относитс  к контрольно- измерительной технике и может быть использовано дл  отсчета линейных перемещений.

Известно устройство дл  измерени  перемещений , содержащее источник света, коллиматор, две прозрачные дифракционные решетки, одна из которых индикаторна , а друга  измерительна , св занна  с объектом, объектив, двухщелевую диафрагму , два фотоприемника, два усилител  и счетчик.

Недостатком указанного устройства  вл етс  низка  точность измерени , определ ема  периодом решеток и погрешност ми их изготовлени .

Известно устройство дл  оптической регистрации величины смещени  дифракционной решетки, содержащее лазер, коллиматор, синусоидальную дифракционную решетку, зеркало, светоделительный кубик, фотоэлемент и счетчик.

Недостатком данного устройства  вл етс  низка  точность измерени , определ ема  погрешност ми шага решетки, погрешност ми из-за непр молинейности движени  решетки при ее неизбежных угловых перекосах.

Наиболее близким к предлагаемому  вл етс  устройство дл  измерени  перемещений объекта, содержащее расположенные последовательно и св занные оптической св зью индикаторную дифракционную решетку, корректирующий элемент , включающий неподвижный и два подвижных узла, измерительную решетку, выполненную в виде волоконного растра, установленного в пересечении пучков в плоскости , параллельной плоскости решетки, объектив, двухщелевую диафрагму и два фотоприемника, счетчик, два усилител , электрически св занные по входам с соответствующими фотоприемниками, а по выходам - со счетчиком.

о

СА) Л

Известное устройство имеет недостаточную точность измерени , обусловленную невозможностью определени  дробной части интерференционной полосы оптическими средствами.

Цель изобретени  - повышение точности измерени .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что устройство, содержащее источник света , расположенные по ходу его излучени  волоконный растр и объектив, и два фотоприемника , снабжено светоделителем, установленным между источником света и волоконным растром, коллиматором, установленным между источником све- та и светоделителем, первой призмой, расположенной по пути прошедшего светоделитель излучени , первым пьезо- корректором, оптически св занным с первой призмой, первым зеркалом, оптически св занным с первой призмой и с волоконным растром, второй призмой, расположенной на пути одной части отраженного светоделителем излучени , вторым пьезо- корректором, оптически св занным с вто- рой призмой, вторым зеркалом, оптически св занным с второй призмой и с волоконным растром, третьим зеркалом, расположенным на пути второй части отраженного светоделителем излучени  и оптически св - занным с волоконным растром, и третьим фотоприемником, расположенным в плоскости изображени  интерференционной картины, образующейс  при пересечении излучени , прошедшего светоделитель, с второй частью отраженного светоделителем излучени , волоконный растр размещен на пересечении прошедшего светоделитель излучени  с двум  част ми отраженного светоделителем излучени , а в качестве источника света использован лазер .

За счет введени  новых элементов и оптических св зей обеспечена трехпучко- ва  схема освещени  волоконного растра. Один пучок  вл етс  опорным, а два других направлены к нему под углами а и Д незначительно отличающимис  друг от друга на величину в, т.е. ft - а в.

В плоскости анализа формируютс  две интерференционные полосы (основна  и дополнительна ), сформированные соответственно пучками первой и второй, первой и третьей ветвей устройства. Ввиду того, что /3 & а, цена интерференционных полос так- же будет различна и будет отличатьс  на небольшую величину Л, характеризующую дискретность отсчета перемещений:

Д Ј1 -Ј2,(1)

где Ј1 А/2 sin (о/2) и Ј2 А/2 X х sin (Ј/2).

В процессе перемещени  волоконного растра происходит периодическое нониус- ное совпадение текущих фаз интерференционных картин. В интервале между совпадени ми дробна  часть полосы находитс  путем подсчета целых периодов дополнительной интерференционной картины между моментом по влени  импульса старт/стоп (начало и конец измерени ) и моментом нониусного совпадени , умноженным на разность А . Чем меньше разность А , тем выше дискретность дробной части интерференционной полосы:

Р

Т2

A- N2,

(2)

где Ti - временной интервал между одноименными точками в интерференционных картинах;

Та - временной интервал между моментом старт/стоп и текущим импульсом основной интерференционной картины;

N2 - число периодов дополнительной интерференционной картины между моментом старт/стоп и моментом совпадени .

Полна  измеренна  длина складываетс  из целого числа периодов основного интерферометра NI умноженного на цену полосы БЧ, и двух дробных частей И и i.

1 N1 Ј1 + И + г.

(3)

Условие нониусного сопр жени  записываетс  как

Ni-N2 1.

И)

где N1 и N2 Lo/Ј2, и означает, что на некоторой длине LO число импульсов с интерферометров (основного и дополнительного) отличаетс  на единицу. Величина может быть произвольно задана и определ етс  установленной дискретностью отсчета А.

Из выражени  (4) найдем, что

2Losin(a/2) 2Lpsin(/3/2)

1,(5)

Если известен угол сходимости пучков а, то второй угол находитс  из выражени 

Ј 2arcsin sin(o/2)--Ј-. (6)

Из выражени  (3) видно, что точность отсчета величины перемещений определ етс  погрешностью нахождени  дробных величин И и la. Очевидно, что если исключить из формулы (3) одну из дробных частей, то погрешность измерени  ввиду случайного закона распределени  умножитс  в V1T раз.

Если исключить величину 2, возникающую в конце измерени  с приходом импульса Стоп, не представл етс  возможным, то исключить из результата измерени  И можно путем синхронизации начала отсчета (Старт) с началом интерференционной полосы основного интерферометра.

Это достигаетс  за счет введени  пьезокорректоров, обеспечивающих ав- тематическую синхронизацию обоих интерферометров в момент прихода импульса начала отсчета Старт.

На фиг. 1 изображена принципиальна  схема устройства дл  измерени  пере- мещений объекта на волоконном растре; на фиг. 2 - временна  диаграмма, по сн юща  способ определени  дробной части интерференционной полосы и работу предлагаемого устройства.

На фиг. 1 обозначены: 1 - лазер; 2 - коллиматор; 3 - светоделитель; 4 - перва  призма; 5 - первый пьезокорректор; б - первое зеркало; 7 - втора  призма; 8 - второй пьезокорректор; 9 и 10-второе и третье зеркала; 11 - волоконный растр; 12 - объектив; 13, 14 и 15 - первый, второй и третий фотоприемники; So коллимированный пучок; Si и За - соответственно прошедший и отраженный светоделителем пучки; Зз - пу- чок третьей ветви устройства; а и fi - углы соответственно между пучками первой и второй и первой и третьей ветв ми устройства ( - а).

На фиг. 2 обозначены: И и la импульсы, формируемые по каждому периоду обеих интерференционных картин; N - импульсы нониусного совпадени ; S/S - импульсы Старт/Стоп ; п и тг - длительности, иллюстрирующие варианты взаимного времен- ного состо ни  интерференционных картин и импульсов S/S.

Устройство (фиг. 1) содержит следующие элементы, св занные оптической св зью; лазер 1, коллиматор 2 и светоделитель 3, за которым в первой ветви установлены перва  призма4, первый пьезокорректор 5 и первое зеркало 6. Во второй ветви в отраженном от светоделител  пучке размещены втора  призма 7, второй пьезокорректор8 и второе зеркало 9, а третье зеркало 10 установлено в третьей ветви устройства. Втора  и треть  ветви образованы за счет фронтального делени  отраженного от светоделител  пучка

на два равных вторичных пучка. В точке пересечени  оптических осей первой, второй и третьей ветвей размещен волоконный растр 11, за которым размещен объектив 12 и в плоскости изображени  соответственно первой интерференционной картины первый и второй фотоприемники 13 и 14, а второй интерференционной картины - третий фотоприемник 15.

Устройство работает следующим образом .

С помощью лазера 1 и коллиматора 2 создаетс  параллельный пучок света So, который делитс  светоделителем 3 по амплитуде на пучки Si, Sz и Зз. Пучок Si, пройд  призму 4, пьезокорректор 5 и зеркало 6, интерферируете пучком S2, который проходит вторую призму 7, второй пьезокорректор 8 и второе зеркало 9, и с пучком 5з, отраженным от третьего зеркала 10, в плоскости волоконного растра 11. Пучки, пересекающиес  под углом а, формируют основную интерференционную картину с ценой полосы Ј1, а пересекающиес  под углом / - дополнительную интерференционную картину с ценой полосы Ј2. Так как Р а, то Ј2 Ј1. Например, при а 7,26° и Р 7,4° Ј1 5 мкм, а Ј2 4,9 мкм, следовательно , дискретность отсчета устройства А 0,1 мкм.

Увеличенные объективом 12 интерференционные картины считываютс  соответ-

ственно: основна  - первым 13 и вторым 14 фотоприемниками , дополнительна  - третьим фотоприемником 15.

В общем случае фазовое соотношение обоих интерференционных периодов отлично от 0°, поэтому перед началом измерени  (движением волоконного растра, св занного с объектом, перемещение которого измер етс ) определ етс  абсолютна  величина фазового сдвига Ду и ее знак. Это достигаетс  путем подачи на пьезокорректор,5 переменного напр жени  с частотой f i 1 кГц и считывани  обеих интерференционных полос, которые за счет изменени  оптического хода пучка Si в первой ветви приход т в возвратно-поступательное движение. Пьезокорректор 5 вызывает изменение оптической длины пучка Si на 0,75 А. Фаза сигналов определ етс  по фототокам с фотоприемников 13 и 15, а знак - по очередности их прихода.

После нахождени  Ду вырабатываетс  аналоговый сигнал в виде напр жени  U, пропорционального , которое подаетс  на второй пьезокорректор 8, который измен ет оптическую длину пути пучка S2 и, сле

довательно, уменьшает начальную разность фаз до тех пор, пока не станет равной 0°.

После этого приходит команда Старт - начало измерени , волоконный растр 11 приходит в движение и осуществл етс  процесс измерени  искомого перемещени  объекта. Одновременно с командой Старт с пьезокорректора 5 снимаетс  питающа  частота fi.

В процессе измерени  величины перемещени  подсчитываетс  целое число полос NI основной интерференционной картины. Любое измерение длины или величины перемещени  св зано с фиксацией начала и окончани  отсчета, которые в силу подчинени  случайному закону могут попасть в любую точку периода интерференционной полосы. Так как начало отсчета синхронизировано с началом интерференционной полосы , необходимо найти только дробную часть периода по приходу команды Стоп - окончание процесса измерени . В этом случае определ ютс  длительности п и гг соответственно между последними соседними импульсами с основной и дополнительной интерференционных картин и между временем прихода последнего импульса с основной интерференционной картины и импульсом конца отсчета (Стоп) (фиг. 2).

Дробна  часть Ј находитс  из уравнени 

fc

Г2 Т

N2 -А,

(7)

где N2 - число целых периодов дополнительной интерференционной картины, подсчитанных до момента нониусного совпадени , Обща  измеренна  длина L с учетом формул (3) - (7) находитс  из выражени 

L Niei

N2 А при fi 0.

Очевидно, что команда Стоп предназначена только дл  окончани  подсчета числа NI, движение же волоконного растра еще продолжаетс  некоторое врем  до момента прихода импульса нониусного совпадени . Например, дл  приведенного случа  при Ј1 5 мкм и Д 0,1 мкм максимальна  величина дополнительного перемещени  составит еще 49 периодов интерференционной полосы или 49 А/2 15,5 мкм. После этого сбрасываетс  напр жение с второго пьезокорректора 8, подаетс  частота fi на первый пьезокорректор и фаза вновь выводитс  на 0°, после чего устройство готово дл  следующего измерени .

Электронна  схема обработки фотоэлектрических импульсов может состо ть из стандартных усилителей фототока, компараторов , срабатывающих при переходе синусоидального сигнала через ноль, и ЦАП управлени  пьезокорректором, схемы совпадени  (один элемент И), двоичных счетчиков (например, серии К155ИЕ7) и измерителей длительностей.

Волоконна  решетка изготовлена на жесткой основе из одножильных световодов , имеющих диаметр 0,73 мм. В качестве источника света применен малогабаритный одномодовыйлазерЛГИ-207АсА 0,63 мкм.

Коллиматор имеет коэффициент делени  0,5. Зеркала выполнены с внешним покрытием . В качестве объектива применена отрицательна  линза диаметром 10 мм и f 5мм, в качестве фотоприемников фотодиоды типа ФД256. Пьезокорректоры использованы серийные от лазера ЛГ-77. Заданные углы а и/ выставлены путем соответствующего поворота зеркал. Эти параметры котировочные.

Таким образом, благодар  введению новых элементов и их св зей, на одном волоконном растре получены две интерферен- ционные картины с незначительно отличающейс  ценой полосы, что позвол ет , использу  принцип нониусного сопр жени , с высокой точностью находить дробную часть интерференционной полосы. Пьезокорректоры обеспечивают автоматический поиск фазового сдвига интерференционных

полос и синхронизацию с импульсом Старт, что обеспечивает повышение точности за счет исключени  ошибки, св занной с конечной величиной дискретности отсчета и равной одному счетному импульсу . Шаг нониуса А Ј1 - Ј2 можно получить достаточно малым (0,1-0,01) мкм при цене интерференционной полосы 5-10 мкм, что не только снижает аппаратурные затраты при подсчете импульсов, так как, чем ниже

цена, тем меньше счетных импульсов, особенно при измерени х больших длин, но и повышает виброустойчивость всей системы. Изобретение может найти широкое применение в машиностроении, метрологии и измерительной технике дл  высокоточных измерений линейных и криволинейных перемещений любой технически оправданной длины.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Устройство дл  измерени  перемещений объекта, содержащее источник света, расположенные по ходу его излучени  волоконный растр и объектив и два фотоприемника , отличающеес  тем, что, с целью

   повышени  точности, оно снабжено светоделителем , установленным между источником света и волоконным растром, коллиматором, установленным между источником света и светоделителем, первой призмой, расположенной на пути прошедшего светоделитель излучени , первым пье- зокорректором, оптически св занным с первой призмой, первым зеркалом, оптически св занным с первой призмой и с волоконным растром, второй призмой, расположенной на пути первой части отраженного светоделителем излучени , вторым пьезокорректором, оптически св занным с второй призмой, вторым зеркалом, оптиче0

   5

   ски св занным с второй призмой и волоконным растром, третьим зеркалом, расположенным на пути второй части отраженного светоделителем излучени  и оптически св занным с волоконным растром, и третьим фотоприемником, расположенным в плоскости изображени  интерференционной картины, образующейс  при пересечении излучени , прошедшего светоделитель, с второй частью отраженного светоделителем излучени , волоконный растр размещен на пересечении прошедшего светоделитель излучени  с двум  част ми отраженного светоделителем излучени , а в качестве источника света использован лазер.

   9 ю

   «

   2 е

   //

    

   //

   фиг./

   Фиг. 2