SU1758433A1 - Displacement measuring device - Google Patents

Displacement measuring device Download PDF

Info

Publication number
SU1758433A1
SU1758433A1 SU904854741A SU4854741A SU1758433A1 SU 1758433 A1 SU1758433 A1 SU 1758433A1 SU 904854741 A SU904854741 A SU 904854741A SU 4854741 A SU4854741 A SU 4854741A SU 1758433 A1 SU1758433 A1 SU 1758433A1
Authority
SU
USSR - Soviet Union
Prior art keywords
laser
frequency
focus
output
measuring
Prior art date
Application number
SU904854741A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Владимирович Миронов
Вадим Евгеньевич Привалов
Светлана Александровна Синица
Original Assignee
Научно-производственное объединение "Всесоюзный научно-исследовательский институт метрологии им.Д.И.Менделеева"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Научно-производственное объединение "Всесоюзный научно-исследовательский институт метрологии им.Д.И.Менделеева" filed Critical Научно-производственное объединение "Всесоюзный научно-исследовательский институт метрологии им.Д.И.Менделеева"
Priority to SU904854741A priority Critical patent/SU1758433A1/en
Application granted granted Critical
Publication of SU1758433A1 publication Critical patent/SU1758433A1/en

Links

Landscapes

  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике. Цель изобретени   вл етс  повышение точности и быстродействи . Дл  этого устройство дл  измерени  перемещений , включающее лазер 1, коллиматор 4, светоделитель 8, подвижный уголковый 11 и неподвижный 9 отражатели и блок регистрации с фотоприемниками опорного 12 и измерительного 13 каналов, двум  формировател ми 15, 16, подключенными к ним, реверсивным счетчиком 21 и блоком индикации 22, снабжено вход щими в блок регистрации дополнительным фотоприемником 14 измерительного канала, третьим формирователем 17, подключенным к нему, компаратором 18, мультиплексором 19 и коммутатором 20. Лазер 1 выполнен кольцевым с невзаимным элементом 2 в резонаторе и смесителем 3 встречных волн на одном из выходов и оптически св занным с фотоприемником 12 опорного канала. Коллиматор 4 выполнен в виде системы из короткофокусного объектива 5, фокус которого совмещен с центром п тна излучени  из поверхности выходного зеркала лазера 1, и двух длиннофокусных объективов 6, 7, фокусы которых совмещены с изображени ми центра п тна в выходной фокальной плоскости короткофокусного объектива 5, а неподвижный отражатель выполнен в виде двух жестко св занных друг с другом уголковых отражателей 9, 10. 3 ил. (Л ч ел 00 Јь ыThis invention relates to a measurement technique. The purpose of the invention is to improve accuracy and speed. For this, a device for measuring displacements, including a laser 1, a collimator 4, a beam splitter 8, a moving corner 11 and a fixed 9 reflectors and a recording unit with photoreceivers of the reference 12 and measuring 13 channels, two formers 15, 16 connected to them, a reversible counter 21 and the display unit 22, is provided with an additional photo-receiver 14 of the measuring channel, a third driver 17 connected to it, a comparator 18, a multiplexer 19 and a switch 20, entering the registration unit. The laser 1 is made ringed with a non-reciprocal element 2 in the cavity and a mixer 3 of counterpropagating waves at one of the outlets and optically coupled to the photodetector 12 of the reference channel. The collimator 4 is designed as a system of a short-focus lens 5, the focus of which is aligned with the center of the radiation spot from the surface of the output mirror of the laser 1, and two long-focus lenses 6, 7, whose focus is aligned with the images of the center of the spot in the focus lens of the short-focus lens 5 and the fixed reflector is made in the form of two angular reflectors 9, 10 rigidly connected to each other 9, 10, or ill. (L 00 00

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано длл измерени  линейных перемещений.The invention relates to a measurement technique and can be used to measure linear displacements.

Известно устройство дл  измерени  перемещений , содержащее оптически св зан- ные между собой одночастотный лазер, электрооптический преобразователь, светоделитель , подвижный и неподвижный отражатели , пластину Я /4, фотоприемник и блок регистрации. В известном устройстве электрооптический преобразователь, состо щий из кристалла ниобата лити  и пластины Я/4, преобразует одночастотное излучение лазера в двухчастотное с разностью частот, определ емой частотной на- пр жени , питающего кристалл ниобата лити . С помощью светоделител  излучение с одной частотной направл етс  на подвижный , а излучение с другой частотой - на неподвижный отражатель. После отраже- ний излучени  объедин ютс  в светоделителе , образу  бегущую интерференционную картину, котора  регистрируетс  фотоприемником . На точность измерений в известном устройстве значительное сли ние оказывают флюктуации амплитуды и фазы напр жени , питающего кристалл ниобата лити . Чтобы уменьшить это вли ние и, тем самым, повысить точность измерений, необходимо осуществить фильтрацию выход- ного сигнала фотоприемника, но это, в свою очередь, уменьшает пределы измерений интерферометра по скорости.A device for measuring displacements is known, comprising an optically coupled single-frequency laser, an electro-optical converter, a beam splitter, a movable and fixed reflector, an I / 4 plate, a photodetector, and a recording unit. In the known device, an electro-optical converter consisting of a niobate lithium crystal and an I / 4 plate converts a single-frequency laser radiation into a two-frequency one with a frequency difference determined by the frequency voltage feeding the niobate lithium crystal. By means of a beam splitter, radiation with one frequency is directed to a mobile one, and radiation with a different frequency to a fixed reflector. After the reflections, the radiations are combined in the beam splitter, forming a traveling interference pattern, which is recorded by the photodetector. Fluctuations of the amplitude and phase of the voltage supplying the niobate lithium crystal have a significant effect on the accuracy of measurements in the known device. To reduce this effect and, thus, improve the measurement accuracy, it is necessary to filter the output signal of the photodetector, but this, in turn, reduces the speed limits of the interferometer measurements.

Таким образом, недостатками известного устройства  вл ютс  низкие точность и быстродействие.Thus, the disadvantages of the known device are low accuracy and speed.

Известно устройство дл  измерени  перемещений , которое по совокупности существенных признаков  вл етс  наиболее близким к предлагаемому и прин то за про- тотип.A device for measuring displacements is known which, by a combination of essential features, is closest to the proposed one and adopted as prototype.

Известное устройство содержит двухча- стотный лазер, последовательно установленные в пучке излучени  лазера коллиматор, отводной светоделитель, сое- тоделитель, подвижный и неподвижный уголковые отражатели и установленные перед ними пол ризационные фильтры; фотоприемник , оптически св занный с лазером через отводной светоделитель, и фотопри- емник, оптически св занный с лазером через светоделитель и уголковые отражатели; пол ризационные фильтры, установленные перед фотоприемниками, два формировател , подключенные к фотоприемникам и ре- версивный счетчик с блоком индикации, подключенный к выходам формирователей. В качестве лазера используют зеема- новский двухчастотный лазер езонатор которого изотропен, а активна  среда помещена в аксиальное магнитное поле.The known device comprises a dual-frequency laser, a collimator, a beam splitter, a splitter, a moving and stationary angular reflectors and polarization filters mounted in front of them, which are successively installed in the laser beam of the laser; a photodetector optically coupled to the laser via a side beam splitter, and a photoreceiver optically coupled to the laser via a beam splitter and corner reflectors; polarization filters installed in front of the photodetectors, two imagers connected to the photodetectors and a reverse counter with a display unit connected to the outputs of the imagers. As a laser, we use a Zeeman two-frequency laser whose ionizer is isotropic, and the active medium is placed in an axial magnetic field.

Известное устройство работает следую- ц|им образом,The known device works in the following manner;

Зеемановский лазер испускает излучение в виде двух ортогонально пол ризованных мод круговой пол ризации с частотами v и V2. Коллиматор преобразует излучение в широкий пучок нужного диаметра с плоским волновым фронтом. Отводной светоде- литель ответвл ет небольшую часть излучени  в опорный канал. В измерительном канале с помощью светоделител  и пол ризационных фильтров излучени  с частотами раздел ютс  и поступают: одно - на подвижный уголковый отражатель , другое - на неподвижный уголковый отражатель. Отразившись от отражателей и вновь объединившись в светоделителе, излучени  интерферируют и через пол риза- ционнВ1й фильтр поступают на фотоприемник измерительного канала. При этом интерференционна  картина на фотоприемнике колеблетс  с частотой (v - vi + ±AXt)), где A v (t) - добавка к разности частот излучений лазера, пропорциональна  скорости перемещени  подвижного уголкового отражател . Фотоприемник опорного канала регистрирует изначальную разность частот двух мод лазера (опорную частоту) ( v - -V2 ). Формирователи преобразуют поступающие на них с фотоприемников сигналы в две импульсные последовательно; одна-с частотой следовани  (v -V2+Ar(t)), друга  - с опорной частотой следовани  (vi - ). Две оти сформированные последовательности подаютс  на суммирующий и вычитающий входы реверсивного счетчика, который производит алгебраическое суммирование частот этих последовательностей. Если при этом в формировател х каждый новых счетный импульс образуетс  при перемещении подвижного отражател  на Я/2 (где Я - длина волны излучени ), то есть один импульс из одной интерференционной полосы, то измер ема  длина L определ етс  по числу зарегистрированных реверсивным счетчиком импульсов в соответствии с выражением МЯ II. Результата измерений представл етс  на блоке индикации.The Zeeman laser emits radiation in the form of two orthogonally polarized circular polarization modes with frequencies v and V2. A collimator converts radiation into a wide beam of the desired diameter with a plane wave front. The by-pass beam divider transfers a small part of the radiation to the reference channel. In the measuring channel, using a beam splitter and polarization radiation filters with frequencies are separated and fed: one to the moving corner reflector, the other to the fixed corner reflector. Reflecting from the reflectors and again uniting in the beam splitter, the radiation interferes and passes through the polarization filter to the photodetector of the measuring channel. At the same time, the interference pattern on the photodetector oscillates with a frequency (v - vi + ± AXt)), where A v (t) is an addition to the frequency difference of the laser radiation, is proportional to the speed of movement of the moving corner reflector. The photodetector of the reference channel registers the initial frequency difference between the two laser modes (reference frequency) (v - -V2). The shapers convert the signals arriving at them from the photodetectors into two pulsed ones sequentially; one with the following frequency (v -V2 + Ar (t)), the other with the reference following frequency (vi -). Two of these generated sequences are fed to the summing and subtracting inputs of a reversible counter, which performs the algebraic summation of the frequencies of these sequences. If at the same time in the imaging unit each new counting pulse is formed when the movable reflector is moved to I / 2 (where I is the radiation wavelength), that is, one pulse from one interference band, then the measured length L is determined by the number of pulses registered by the reversing pulse in accordance with the expression MY II. The measurement result is displayed on the display unit.

Быстродействие известного устройства определ етс  двум  факторами -частотной расщеплени  двух мод лазера (vi - -vz ) и полосой пропускани  блока регистрации. При движении отражател  к опорной частоте добавл етс  частота полезного сигнала A(t), пропорциональна  скорости перемещени  подвижного отражател . При движении отражател  в одну сторонуThe speed of the known device is determined by two factors, the frequency splitting of the two laser modes (vi -vz) and the passband of the recording unit. When the reflector moves, the frequency of the wanted signal A (t) is added to the reference frequency, which is proportional to the speed of movement of the movable reflector. When moving the reflector to one side

результирующий сигнал следует иметь частоту (v-i - V2 +А К)),а при движении в противоположную сторону - частоту - I vi - vz Ai{t ). Таким образом, с одной стороны, частота полезного сигнала Av(t) не может быть больше (v- - ), а с другой стороны , высокочастотный сигнал с частотой (vi - V2+Ai{(t)) должен попадать в полосу пропускани  блока регистрации.the resulting signal should have a frequency (v-i - V2 + А К)), and when moving in the opposite direction - frequency - I vi - vz Ai (t). Thus, on the one hand, the frequency of the useful signal Av (t) cannot be more (v- -), and on the other hand, the high-frequency signal with the frequency (vi - V2 + Ai {(t)) must fall within the bandwidth of the block registration.

В известном устройстве точность измерений перемещений равна А/2, что соответствует одной интерференционной полосе, Дл  повышени  точности измерений известное устройство снабжают интерпол тором , обеспечивающим вырабатывание счетных импульсов при перемещении подвижного отражател  на величинуА/2п, где п - коэффициент интерпол ции, или же используют систему регистрации на основе кумул тивного фазометра, позвол ющего регистрировать фазу сигнала в пределах одной интерференционной полосы. Регистраци  малой доли интерференционной полосы возможна лишь тогда, когда фаза сигнала линейно зависит от измер емого перемещени . Это верно лишь тогда, когда имеетс  идеальное разделение излучений двух частот в двух плечах интерферометра. В известном устройстве разделение двух частот с круговыми пол ризаци ми происходит пол ризационным способом. С помощью пластин А/4 излучени  с круговыми пол ризаци ми преобразуютс  в излучени  с линейными взаимно ортогональными пол ризаци ми . Далее две частоты раздел ютс  с помощью скрещенных пол роидов. Неидеальность пластин и пол роидов приводит к неполному разделению излучений с частотами v wi . Вследствие этого на полезный сигнал с частотой (v - vi ±t±v (t)) накладываетс  паразитный сигнал с частотой (у -V2.} небольшой амплитуды, завис щей от качества пол ризационных элементов. Это, в свою очередь, приводит к тому, что зависимость фазы интерференционного сигнапа от перемещени  перестает быть линейной. А это ограничивает возможности измерени  перемещений в пределах одной интерференционной полосы и, тем самым, снижает точность известного устройства .In the known device, the accuracy of displacement measurements is equal to A / 2, which corresponds to one interference band. To improve the accuracy of measurements, the known device is equipped with an interpolator that produces counting pulses when the movable reflector moves by the value A / 2n, where n is the interpolation coefficient, or a recording system based on a cumulative phase meter, which allows recording the phase of the signal within one interference band. The recording of a small fraction of the interference band is possible only when the phase of the signal depends linearly on the measured displacement. This is true only when there is an ideal separation of the radiation of two frequencies in the two arms of the interferometer. In the known device, the separation of two frequencies with circular polarization occurs in a polarization manner. With the aid of A / 4 plates, the radiations with circular polarizations are converted into radiations with linear orthogonal polarizations. Next, the two frequencies are separated using crossed polys. The non-ideality of plates and poloid leads to an incomplete separation of radiation with frequencies v wi. As a result, a desired signal with a frequency (v - vi ± t ± v (t)) is superimposed with a parasitic signal with a frequency (y -V2.} Of small amplitude, depending on the quality of the polarization elements. This, in turn, leads to that the dependence of the phase of the interference signal on the movement ceases to be linear, and this limits the ability to measure movements within one interference band and, thereby, reduces the accuracy of the known device.

Таким образом, недостатками известного устройства  вл ютс  низкие быстродействие и точность.Thus, the disadvantages of the known device are low speed and accuracy.

Цель изобретени  - повышение быстродействи  и точности.The purpose of the invention is to increase speed and accuracy.

. Этз цель достигаетс  тем. что устройство дл  измерени  перемещений, включающее лазер, коллиматор, светоделитель,. This goal is achieved in order. that a device for measuring displacements, including a laser, a collimator, a beam splitter,

подвижный уголковый и неподвижный отражатели и блок регистрации с фотоприемниками опорного и измерительного каналов и двум  формировател ми, подключенными к 5 ним, реверсивным счетчиком и блоком индикации , снабжено вход щими в блок регистрации дополнительным фотоприемником измерительного канала, третьим формирователем , подключенным к нему, компарато0 ром, мультиплексором и коммутатором, выходы формирователей измерительных каналов подключены к входам компаратора и мультиплексора, ЕШХОД мультиплексора и выход формировател  опорного канала че5 рез коммутатор подключены к входам реверсивного счетчика, а выход компаратора подключен к управл ющим входам мультиплексора , лазер выполнен кольцевым с не- взаимным элементом в резонаторе иmovable angular and fixed reflectors and a registration unit with photoreceivers of the reference and measuring channels and two formers connected to it, a reversible counter and a display unit, are provided with an additional photoreceiver of the measuring channel entering the registration unit, the third driver connected to it, a comparator , the multiplexer and the switch, the outputs of the formers of the measuring channels are connected to the inputs of the comparator and the multiplexer, the ESCHOUT of the multiplexer and the output of the driver of the reference through the switch is connected to the inputs of the reversible counter, and the comparator output is connected to the control inputs of the multiplexer, the laser is made ringed with a non-reciprocal element in the resonator and

0 смесителем встречных волн на одном из выходов и оптически св занным с фотоприемником опорного канала, коллиматор выполнен в виде системы из короткофокусного объектива, фокус которого совмещен с0 by the mixer of counterpropagating waves at one of the outlets and optically connected with the photodetector of the reference channel, the collimator is designed as a system of a short-focus lens, the focus of which is combined with

5 центром излучени  на поверхности выходного зеркала лазера, и двух длиннофокусных объективов, фокусы которых совмещаютс  с изображени ми центра п тна в выходной фокальной плоскости корот0 кофокусного объектива, а неподвижный отражатель выполнен в виде двух жестко св занных двух с другом уголковых отражателей .5 by the center of radiation on the surface of the laser output mirror, and two long-focus lenses, whose foci are aligned with the images of the center of the spot in the output focal plane of the focus-focus lens, and the fixed reflector is made in the form of two rigidly connected two corner reflectors.

Предлагаемое техническое решение по5 звол ет обеспечить формирование и автоматическую коммутацию двух измерительных каналов - пр мого и зеркального в мгновенной зависимости от направлени  движени  подвижногоThe proposed technical solution makes it possible to ensure the formation and automatic switching of two measuring channels, direct and specular, in an instantaneous dependence on the direction of movement of the moving vehicle.

0 отражател , а также полную фильтрацию излучений двух частот друг от друга, тем самым снижа  частоты сигналов на входах блока обработки за счет уменьшени  начальной разности частот и устран   нели5 нейнуюзависимостьфазы0 reflector, as well as complete filtering of the radiation of two frequencies from each other, thereby reducing the frequencies of the signals at the inputs of the processing unit by reducing the initial frequency difference and eliminating the non-linear dependence of the phase

интерференционного сигнала от измер емого перемещени  повысить быстродействие и точность.interference signal from the measured displacement to increase speed and accuracy.

На фиг. 1 изображена блок-схема пред0 латаемого устройства; на фиг. 2 - оптическа  схема коллиматора; на фиг. 3 - вариант блок-схемы компаратора.FIG. 1 is a block diagram of the device in question; in fig. 2 - optical scheme of the collimator; in fig. 3 is a variant of the comparator block diagram.

Устройство дл  измерени  перемещений (фиг. 1) состоит из кольцевого лазера 1A device for measuring displacements (Fig. 1) consists of a ring laser 1

5 с невзаимным элементом 2 внутри резонатора и смесителем 3 встречных волн, уста- новлзнного на выходе лазера 1 коллиматора 4, включающего0 короткофокусный 5 и два длиннофокусных 6, 7 объектива, светоделител  8, двух св занных неподвижных 9,105 with a non-reciprocating element 2 inside the resonator and a mixer 3 of counterpropagating waves, installed at the output of laser 1 collimator 4, comprising a short-focus 5 and two long-focus 6, 7 lenses, a splitter 8, two coupled fixed 9.10

уголковых отражателей, подвижного 11 уголкового отражател  и блока регистрации . В блоке регистрации содержитс  три фотоприемника. Один фотоприемник 12 оптически св зан с лазером 1 через смеситель 3, два других фотоприемника 13, 14 оптически св заны с лазером 1 через светоделитель 8 и отражатели 9-11. К выходам фотоприемников 12-14 подключены соответственно формирователи 15-17. К выхо- дам формирователей 16, 17 подключены компаратор 18 и двухвходовый мультиплексор 19, управл ющий вход которого подключен к выходу компаратора 18. К выходам формировател  15 и мультиплексора 19 под- ключей коммутатор 20, управл ющий вход которого подключен к выходу компаратора 18. К выходам коммутатора 20 подключен реверсивный счетчик 21 с блоком 22 индикации ,corner reflectors, movable 11 corner reflectors and registration unit. The recording unit contains three photodetectors. One photoreceiver 12 is optically coupled to laser 1 via mixer 3, the other two photoreceivers 13, 14 are optically coupled to laser 1 via beam splitter 8 and reflectors 9-11. To the outputs of the photodetectors 12-14 connected, respectively, the shapers 15-17. The outputs of the drivers 16, 17 are connected to a comparator 18 and a two-input multiplexer 19, the control input of which is connected to the output of the comparator 18. The outputs of the driver 15 and multiplexer 19 of the subkeys are switch 20, the control input of which is connected to the output of the comparator 18. K the outputs of the switch 20 is connected reversible counter 21 with block 22 of the display,

Устройство дл  измерени  перемещений работает следующим образом (фиг. 1),A device for measuring displacements works as follows (FIG. 1)

В кольцевом лазере 1 генерируютс  две волны встречного направлени . На выходе лазера 1 одна волна распростран етс  по пути 23, а встречна  волна - по пути 24. Невзаимный элемент 2, установленный п резонаторе лазера 1, создает частотное расщепление встречных волн, Оба пучка 23 и 24 с частотами v и V2 преобразуютс  коллиматором 4 в два параллельных широких пучка сплоскими волновыми фронтами и поступают на светоделитель 5, где они раздел ютс . Часть излучени  с частотой v поступает на неподвижный отражатель 9, а часть - на подвижный отражатель 11. Часть излучени  с частотой V2 поступает на неподвижный отражатель 10, а часть - на подвижный отражатель 11. Часть излучени  с частотой иг поступает на неподвижный отражатель 10, а часть - на подвижный отражатель.11. Отразившись от отражателей 9-11, пучки объедин ютс  в светоделителе 8 и интерферируют, образу  два измеритель- ных канала 25 и 26. При этом пучок с частотой (vi ± Д v (t)), отраженный от подвижного отражател  11, объедин етс  с пучком с частотой V2, отраженным от неподвижного отIn the ring laser 1, two opposite-direction waves are generated. At the output of laser 1, a single wave propagates along path 23, and an opposite wave — along path 24. Non-reciprocal element 2, installed in laser resonator 1, creates frequency splitting of counterpropagating waves. Both beams 23 and 24 with frequencies v and V2 are converted by the collimator 4 into two parallel wide beams are planar wavefronts and arrive at the beam splitter 5, where they are separated. Part of the radiation with frequency v goes to the fixed reflector 9, and part goes to the movable reflector 11. Part of the radiation at frequency V2 goes to the fixed reflector 10, and part goes to the movable reflector 11. Part of the radiation at frequency u goes to the fixed reflector 10, and part - on a movable reflector. Reflected from the reflectors 9-11, the beams are combined in the beam splitter 8 and interfere to form two measuring channels 25 and 26. At the same time, the beam with frequency (vi ± D v (t)), reflected from the moving reflector 11, is combined with beam with a frequency of V2, reflected from the fixed from

ражател  10, образу  измерительный каналrazhatel 10, forming a measuring channel

25. Пучок с частотой (щ ± A v (t)), отражен- .ный от подвижного отражател  11, объедин етс  с пучком с частотой , отраженным от неподвижного отражател  9, образу  вто- рой измерительный канал 26. Пучок излучени  с частотой (vi - V2) на выходе смесител  3 образует опорный канал. Излучени  опорного и двух измерительных каналов поступают на фотоприемники 12-14, Блок25. A beam with a frequency (yr ± A v (t)) reflected from the movable reflector 11 is combined with a beam with a frequency reflected from the fixed reflector 9, forming the second measuring channel 26. The radiation beam with a frequency ( vi - V2) at the outlet of the mixer 3 forms a support channel. The radiation of the reference and two measuring channels arrive at the photodetectors 12-14, Block

0 5 00 5 0

5 0 5 0 5 5 0 5 0 5

00

регистрации осуществл ет преобразование сигналов с фотоприемников 12-14 в счетные импульсные последовательности, процедуру выбора из двух измерительных каналов одного, частота сигнала в котором больше, чем в другом, перекрестную коммутацию избранного измерительного канала и опорного канала между входами реверсивного счетчика 21, алгебраический счет импульсов , соответствующих искомому перемещению, и индикацию результатов измерений в удобной форме блоком 22.registration performs the conversion of signals from photodetectors 12-14 into countable pulse sequences, the procedure of selecting two measurement channels of one, the signal frequency of which is greater than the other, cross-switching of the selected measurement channel and the reference channel between the inputs of the reversing counter 21, algebraic pulse counting corresponding to the desired movement, and the display of measurement results in a convenient form by the unit 22.

Коллиматор 4 состоит из короткофокусного 5 и двух длиннофокусных 6, 7 (фиг. 2) объективов. Объектив 5 установлен так, что его фокус совмещен с центром п тна излучени  на выходном зеркале лазера 1. Два пучка 23 и 24 излучени  лазера 1, проход через объектив 5, фокусируютс , формиру  в выходной фокальной плоскости объектива 5 два изображени  центре п тна излучени  на выходном зеркале лазера. С этими изображени ми совмещени ми совмещены фокусы объективов 6 и 7. На выходе коллиматора 4 излучение лазера 1 представл ет собой два широких параллельных пучка с плоскими волнооыми фронтами.Collimator 4 consists of short-focus 5 and two long-focus 6, 7 (Fig. 2) lenses. Lens 5 is set so that its focus is aligned with the center of the radiation spot on the output mirror of the laser 1. Two beams 23 and 24 of the laser 1, passing through the lens 5, are focused, forming two images of the center of the radiation spot on the output focal plane of the lens 5 laser output mirror. The focal points of objectives 6 and 7 are combined with these images in combination. At the output of collimator 4, the laser radiation 1 consists of two wide parallel beams with flat wave fronts.

В блоке регистрации сигналы с фотоприемников 12-14 преобразуютс  формировател ми 15-17 в счетные импульсные последовательности. Частота следовани  импульсов на выходе формировател  15 равна опорной частоте ( v -vzj, а частоты следовани  на выходах формирователей 16, 17 равны соответственно vy, wvq . При движении уголкового отражател  11 в направлении к светоделителю 8 величина частотной добавки Av(t), пропорциональной скорости перемещени  отражател  11, положительна , при удалении отражател  11 от светоделител  8 добавка Av (t) отрицательна. Рассмотрим случай, когда отражатель 11 приближаетс  к светоделителю 8. В канале 26 частота колебаний интерференционного пол  равнз УЗ IV2 + A v (i) - v I , а во втором канале 25 она равна  lvs2i+Av(t)-t$l . Обозначим v -V2 -v0 и без ограничени  общности, допустим что VQ О.ТогдаIn the recording unit, the signals from the photodetectors 12-14 are converted by the formers 15-17 into countable pulse sequences. The pulse frequency at the output of the imaging unit 15 is equal to the reference frequency (v –vzj, and the following frequencies at the outputs of the formers 16, 17 are equal to vy, wvq, respectively. When the corner reflector 11 moves in the direction to the beam splitter 8, the frequency gain Av (t) is proportional to the speed The displacement of the reflector 11 is positive, when the reflector 11 is removed from the beam splitter 8. Av (t) is negative. Consider the case when the reflector 11 approaches the beam splitter 8. In channel 26, the oscillation frequency of the interference field is equal to ultrasonic IV2 + A v (i ) - v I, and in the second channel 25 it is equal to lvs2i + Av (t) -t $ l. Denote v -V2 -v0 and without loss of generality, let us assume that VQ O. Then

Va, VQ + Ai (t)Va, VQ + Ai (t)

Г ) - VQ , при I A v(t) I v0 |D) - VQ, when I A v (t) I v0 |

Ъ B

Iv0 - Af(t), при I Ai (t) I 10 Отсюда видно, что в этом режиме, во-первых , VA V3 и, во-вторых, при большой скорости движени  отражател  11, создающей добавку Av(t) большую, чем оперна  частота и, величина 1% не соответствует измер емому перемещению, поскольку она проходит через нуль и мен ет знак, а формирователь вырабатывает счетную последовательность пропорционально абсолютному значению частоты па его входе (без учета знака). Таким образом, истинную информацию об измер емом перемещении несет только канал 25, частота сигнала в котором 4 по абсолютной величине больше, чем в канале 26. При удалении отражател  11 от светоделител  8 каналы 25 и 26 мен ютс  местами:Iv0 - Af (t), with I Ai (t) I 10 This shows that in this mode, firstly, VA V3 and, secondly, at high speed of movement of the reflector 11, creating Av (t) additive greater, the operative frequency and, the value of 1% does not correspond to the measured displacement, since it passes through zero and changes sign, and the driver generates a counting sequence proportional to the absolute value of the frequency at its input (without taking the sign into account). Thus, the true information about the measured displacement is carried only by channel 25, the signal frequency in which 4 is in absolute magnitude greater than that in channel 26. When the reflector 11 is removed from the splitter 8, channels 25 and 26 are swapped:

V3 V0 +Av(t)V3 V0 + Av (t)

v0 - Дг{т.), при I Д v(t) I v0 № Д ЦТ) - v0 , при I Ai-(t) I 10v0 - Dg (t.), when I A v (t) I v0 No. D DH) - v0, with I Ai (t) I 10

При этом верную информацию об измер емом перемещении содержит лишь канал 26 с частотой V3 Таким образом, из (1) и (2) следует, что дл  того чтобы иметь истинную информацию о перемещении отражател  11 независимо от скорости его перемещени , необходимо в каждый момент времени регистрировать сигнал лишь одного канала, частота сигнала в котором больше, чем в другом.In this case, the correct information about the measured movement contains only channel 26 with a frequency V3. Thus, it follows from (1) and (2) that in order to have true information about the movement of the reflector 11, regardless of its speed, it is necessary at each time point register the signal of only one channel, the frequency of the signal in which is higher than in the other.

Компаратор 18 и мультиплексор 19 обеспечивают сравнение частот сигналов двух измерительных каналов 25 и 26 и подачу на вход коммутатора 20 только одного сигнала, частота которого равна тах( , 4). Коммутатор 20, в свою очередь, обеспечивает подачу сигналов опорного и выбран- ного измерительного каналов на суммирующий и вычитающий входы реверсивного счетчика 21 в зависимости от направлени  движени  отражател  11.The comparator 18 and multiplexer 19 provide a comparison of the frequencies of the signals of the two measuring channels 25 and 26 and the supply to the input of the switch 20 only one signal whose frequency is equal to max (, 4). The switch 20, in turn, provides the signals of the reference and selected measuring channels to the summing and subtracting inputs of the reversible counter 21, depending on the direction of movement of the reflector 11.

Компаратор 18 при подаче на его выходы двух сигналов с выходов формирователей 16, 17 вырабатывает логический сигнал в зависимости от знака разности частот импульсных последовательностей в каналах 25, 26. Например, если частота в канале 25 больше, то вырабатываетс  логическа  единица , в противном случао-логический нуль. Если частоты последовательностей совпадает (отражатель неподвижен), то логический сигнал определ етс  предысторией движени  отражател  11 и не вли ет на работу устройства, так как при этом безразлично , кака  из двух равных частот выбираетс . Компаратор 18 может иметь различные варианты конкретного исполнени . Один из вариантов представлен на фиг. 3. Компаратор состоит из 4-разр дного двоичного реверсивного счетчика 30, на суммирующий вход которого через ключ 31 подаетс  сигнал с формировател  16, а на вычитающий вход через ключ 32 - с формировател  17. Управл ющие входы ключей 31, 32 подсоединены к выходам 33, 34 положительного и отрицательного переноса(переполнени ) счетчика 30, которые соединены также с R- и S-входами RS-триггера 35, Выход триггера 35  вл етс  выходом компа- 5 ратора 18 частот.When the two signals from the outputs of the drivers 16, 17 are applied to its outputs, the comparator 18 produces a logical signal depending on the sign of the difference in the frequency of the pulse sequences in channels 25, 26. For example, if the frequency in channel 25 is higher, then a logical unit is generated, otherwise logical zero. If the frequencies of the sequences coincide (the reflector is stationary), then the logical signal is determined by the history of the movement of the reflector 11 and does not affect the operation of the device, since it makes no difference which of the two equal frequencies is chosen. Comparator 18 may have various options for a specific implementation. One embodiment is shown in FIG. 3. The comparator consists of a 4-bit binary reversible counter 30, the summing input of which is fed through the key 31 and a signal from the driver 16, and to the subtractive input through the key 32 - from the driver 17. The control inputs of the keys 31, 32 are connected to the outputs 33 , 34 positive and negative transfer (overflow) of the counter 30, which are also connected to the R and S inputs of the RS flip-flop 35, The output of the flip-flop 35 is the output of the frequency comparator 18.

Двухвходовый мультиплексор 19, на управл ющий вход которого подан сигнал с компаратора 18, обеспечивает подключение выхода к одному из входов, на которые под0 аны сигналы с формирователей 16, 17.A two-input multiplexer 19, to the control input of which a signal is supplied from the comparator 18, provides for connecting the output to one of the inputs to which signals from the drivers 16, 17 are connected.

На входы коммутатора 20 подаютс  два сигнала: один-с формировател  15 опорного сигнала, другой - с выхода мультиплексора 19. На управл ющий вход 29 коммутатораTwo signals are supplied to the inputs of the switch 20: one from the driver 15 of the reference signal, the other from the multiplexer 19 output. To the control input 29 of the switch

5 20 подаетс  управл ющий логический сигнал с выхода компаратора 18. Когда на управл ющий вход 29 подана логическа  единица, коммутатор 20 соедин ет выход мультиплексора 19с суммирующим входом5 20, a control logic signal is output from the output of the comparator 18. When a logical unit is applied to the control input 29, the switch 20 connects the output of the multiplexer 19 with a summing input

0 27 реверсивного счетчика 21, а выход формировател  15 - с вычитающим входом 28. Если на входе 29 логический нуль, та выход мультиплексора 19 соедин етс  с вычитающим 28, а выход формировател  15 - с сум5 мирующим входом 27 счетчика 21. Реверсивный счетчик 21 интегрирует разность частот опорной и измерительной импульсных последовательностей, учитыва  направление движени  отражател  11. В0 27 of the reversing counter 21, and the output of the generator 15 - with the subtractive input 28. If the input 29 is a logical zero, that output of the multiplexer 19 is connected to the subtracting 28, and the output of the generator 15 is connected to the counter 21. The reverse counter 21 integrates the difference between the frequencies of the reference and measuring pulse sequences, taking into account the direction of movement of the reflector 11. In

0 первом режиме эта разность равна (V4 - v0) Av , а во втором режиме (Кз - VQ ) Дv . Состо ние счетчика отражаетс  блоком 22 индикации.0 in the first mode, this difference is equal to (V4 - v0) Av, and in the second mode (Кз - VQ) Д. The state of the counter is reflected by the display unit 22.

В качестве источника излучени  в дан5 ном устройстве в принципе может быть использован любой двухчастотный лазер. Однако, поскольку данное устройство позвол ет сн ть ограничение на скорость перемещени  отражател  11, св занное сIn principle, any two-frequency laser can be used as a radiation source in a given device. However, since this device allows the removal of the limit on the speed of movement of the reflector 11 associated with

0 частотой расщеплени  излучений лазера, то нет необходимости в большой разности частот (v - vz). Наоборот, расщепление частот целесообразно выбирать минимальным, так как при этом снижаютс  требовани  на0 by the splitting frequency of the laser radiation, there is no need for a large frequency difference (v - vz). On the contrary, it is advisable to choose the splitting of frequencies to be minimal, since this reduces the requirements for

5 полосу пропускани  блока обработки, поскольку регистрируетс  частота (vi - ) Д v (t)}. С другой стороны, чтобы сохранить основное достоинство интерферометров с переносом спектра сигнала 0 дискриминацию низкочастотных помех, св занных с целым р дом факторов (акустическими и механическими вибраци ми, тур- булентност ми среды, в которой провод тс  измерени , флюктуаци ми мощности лазе5 ра и др.), необходимо, чтобы частота расщеплени  ( ) не попадала в полосу низкочастотных шумов. Низкочастотные флюктуации обычно занимают полосу от нул  до дес тков, сотен Гц, Таким образом,5, the bandwidth of the processing unit, since the frequency (vi -) D v (t)} is recorded. On the other hand, in order to preserve the main advantage of interferometers with signal transfer 0, the discrimination of low-frequency interference associated with a number of factors (acoustic and mechanical vibrations, turbulence of the medium in which measurements are made, laser power fluctuations and etc.), it is necessary that the frequency of the splitting () does not fall into the low-frequency noise band. Low-frequency fluctuations usually occupy a band from zero to ten, hundreds of Hz. Thus,

наиболее целесообразно иметь частотное расщепление излучений лазера в несколько единиц, дес тков кГц. Это позвол ет использовать в качестве источника излучени  кольцевой лазер с невзаимным элементом внутри резонатора, обеспечивающим требуемое частотное расщепление. В отличие от зеемановского лазера, производство кольцевых лазеров налажено, поскольку они широко примен ютс  в качестве прецизионных гироскопов, гониометров и т.д. Кроме того, кольцевой лазер позвол ет сн ть ограничени  на точность измерени  дробной доли интерференционной полосы, св занные с неполным разделением излучений двух частот v и V2 в опорном и измерительном плечах интерферометра.It is most advisable to have a frequency splitting of laser radiation of several units, tens of kHz. This allows the use of a ring laser with a non-reciprocal element inside the resonator, providing the required frequency splitting as a radiation source. Unlike the Zeeman laser, the production of ring lasers is established, since they are widely used as precision gyroscopes, goniometers, etc. In addition, the ring laser allows one to remove restrictions on the accuracy of measuring the fractional part of the interference band, due to the incomplete separation of radiations of two frequencies v and V2 in the reference and measuring arms of the interferometer.

В отличие от линейного лазера, где поле в резонаторе образует сто чую волну, в кольцевом лазере имеютс  две бегущие волны , распростран ющиес  в противоположных направлени х. Если внутри резонатора установлен невзаимный элемент, в котором оптические длины путей дл  встречных направлений неравны, то, во-первых, две бегущие волны будут иметь разные частоты, а во-вторых, устран етс  св зь встречных волн перекрыти  беннетовских провалов и остаетс  лишь слаба  св зь встречных волн через обратное рассе ние. В результате на выходе лазера уже имеютс  два пучка излучени  с разными частотами v и vz , распростран ющихс  под некоторым углом один к другому, и не требуютс  дополнительные оптические элементы, как в зеема- новском лазере, дл  разделени  пучков с различными частотами. Поскольку в каждом пучке имеетс  только одна частота, то фаза интерференционного сигнала в пределах одноТй полосы линейной зависит от измер емого перемещени . Это позвол ет регистрировать сколь угодно малую долю полосы, повыша  при этом точность измерений.Unlike a linear laser, where the field in the resonator forms a standing wave, in the ring laser there are two traveling waves propagating in opposite directions. If a non-reciprocal element is installed inside the resonator, in which the optical path lengths for opposite directions are unequal, then, firstly, the two traveling waves will have different frequencies, and secondly, the coupling of the counterpropagating waves will overlap the Bennet dips and only weak b of counterpropagating waves through backscattering. As a result, the laser output already has two beams of radiation with different frequencies v and vz propagating at some angle to one another, and no additional optical elements, as in a Zeeman laser, are required to separate beams with different frequencies. Since there is only one frequency in each beam, the phase of the interference signal within a single linear band depends on the measured displacement. This makes it possible to record an arbitrarily small fraction of the band, while increasing the measurement accuracy.

Дл  осуществлени  устройства может быть применена следующа  элементна  база . В качестве лазера 1 может быть использован любой кольцевой лазер с невзаимным элементом 2 в резонаторе и смесителем 3 встречных волн. Элементы, вход щие в оптическую схему (поз. 4-11 на фиг. 1), относ тс  к издели м широкого выпуска в оптической промышленности. Электронна  схема регистрации (поз. 12-22) может быть реализована на фотодиодах ФД 256 илиTo implement the device, the following element base can be applied. As a laser 1 can be used any ring laser with non-reciprocal element 2 in the resonator and the mixer 3 of the opposing waves. The elements included in the optical design (pos. 4-11 in Fig. 1) are of a wide release in the optical industry. Electronic registration circuit (pos. 12-22) can be implemented on photodiodes FD 256 or

ЛФД-2М, транзисторах КТ316, КТ361 и микросхемах серий 500, 155, 555.LFD-2M, KT316, KT361 transistors and 500, 155, 555 series microcircuits.

Таким образом, предлагаемое решение позвол ет обеспечить формирование и автематическую коммутацию двух измерительных каналов в мгновенной зависимости от направлени  движени  подвижного отражател , а также полную фильтрацию излучений двух частот друг от друга и тем самымThus, the proposed solution allows the formation and automatic switching of two measuring channels in an instantaneous dependence on the direction of movement of the movable reflector, as well as complete filtering of the two frequency emissions from each other and thus

снижа  чистоты сигналов на входах блока обработки за счет уменьшени  начальной разности частот и устран   нелинейную зависимость фазы интерференционного сигнала от измер емого перемещени ,reducing the purity of the signals at the inputs of the processing unit by reducing the initial frequency difference and eliminating the nonlinear dependence of the phase of the interference signal on the measured displacement,

повысить быстродействие и точность.improve speed and accuracy.

Claims (1)

Формула изобретени  Устройство дл  измерени  перемещений , содержащее лазер, коллиматор, светоделитель , подвижный уголковый и неподвижный отражатели и блок регистрации с фотоприемниками опорного и измери- тельного каналов и двум  формировател ми, подключенными к ним,Apparatus of the Invention A device for measuring displacements comprising a laser, a collimator, a beam splitter, a movable angular and fixed reflectors, and a recording unit with photodetectors of the reference and measuring channels and two formers connected to them, реверсивным счетчиком и блоком индикации , отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности и быстродействи , оно снабжено вход щими в блок регистрации дополнительным фотоприемником измерительного канала, третьим формирователем, подключенным к нему, компаратором, мультиплексором и коммутатором, выходы формирователей измерительных каналов подключены к входам компаратора и мультиплексора , выход мультиплексора и выход формировател  опорного канала через коммутатор подключены к входам реверсивного счетчика, а выход компаратора подключен к управл ющим входам мультиплексора иA reversible counter and display unit, characterized in that, in order to increase accuracy and speed, it is provided with an additional photo-receiver of the measuring channel included in the registration unit, a third driver connected to it, a comparator, a multiplexer and a switch, the outputs of the driver of measuring channels are connected to the inputs the comparator and the multiplexer, the output of the multiplexer and the output of the reference circuit driver are connected to the inputs of the reversible counter via a switch, and the output of the comparator is for prison to the control inputs of the multiplexer and коммутатора, лазер выполнен кольцевым с невзаимным элементом в резонаторе и смесителе встречных волн на одном из выходов и оптически св занным с фотоприемником опорного канала, коллиматор выполнен вthe switch, the laser is made ringed with a nonreciprocal element in the resonator and a mixer of counterpropagating waves at one of the outputs and optically connected with the photodetector of the reference channel, the collimator is made in виде системы из короткофокусного обьекти- ва, фокус которого совмещен с центром п тна излучени  на поверхности выходного зеркала лазера, и двух длиннофокусных объективов , фокусы которых совмещаютс  сas a system of a short-focus object, whose focus is aligned with the center of the spot of radiation on the surface of the laser output mirror, and two long-focus lenses, whose foci are combined with изображени ми центра п тна в выходной фокальной плоскости короткофокусного объектива, а неподвижный уголковый отражатель выполнен в виде двух жестко св занных друг с другом уголковых отражателей.images of the center of the spot in the output focal plane of the short-focus lens, and the stationary corner reflector is made in the form of two corner reflectors rigidly connected to each other. ГR Составитель С.Синица Редактор А.Маковска Техред М.МоргенталКорректор А.ВоровичCompiled by S.Sinitsa Editor A.Makovska Tehred M.MorgentalKorrektor A.Vorovich Заказ 2990ТиражПодписноеOrder 2990 Circulation Subscription ВНИИПИ Государственного комитета по изобретени м и открыти м при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушска  наб., 4/5VNIIPI State Committee for Inventions and Discoveries at the State Committee on Science and Technology of the USSR 113035, Moscow, Zh-35, 4/5 Raushsk nab.
SU904854741A 1990-07-26 1990-07-26 Displacement measuring device SU1758433A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU904854741A SU1758433A1 (en) 1990-07-26 1990-07-26 Displacement measuring device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
SU904854741A SU1758433A1 (en) 1990-07-26 1990-07-26 Displacement measuring device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
SU1758433A1 true SU1758433A1 (en) 1992-08-30

Family

ID=21529605

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
SU904854741A SU1758433A1 (en) 1990-07-26 1990-07-26 Displacement measuring device

Country Status (1)

Country Link
SU (1) SU1758433A1 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Застрогин Ю.Ф., Белевитнев В.Р.//Измерительна техника, 1979, № 12, с. 27-28. Коронкевич В.П., Ханов В.А. Современные лазерные интерферометры. - Новосибирск, 1985, с. 14. Титце У., Шенк К. Полупроводникова схемотехника. - М.. 1983, с. 329. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0194941B1 (en) Heterodyne interferometer system
US3891321A (en) Optical method and apparatus for measuring the relative displacement of a diffraction grid
US4969736A (en) Integrated fiber optic coupled proximity sensor for robotic end effectors and tools
KR101566383B1 (en) Reflection-type Interference Apparatus using Optical Fibers for Measuring Geometrical Thickness and Refractive index
CN102253389A (en) He-Ne laser birefringent outer cavity feedback displacement measurement system
SU1758433A1 (en) Displacement measuring device
Sommargren Linear/angular displacement interferometer for wafer stage metrology
CN111189550A (en) Ultrashort pulse laser measuring instrument and measuring method
JPS62233704A (en) Differential plane-mirror interferometer system
JP2023036027A (en) Heterodyne light source for use in metrology system
US4704031A (en) Rotation rate measuring device
JP2935325B2 (en) Multi-probe displacement measuring device
US3419331A (en) Single and double beam interferometer means
SU765666A1 (en) Device for measuring phase-frequency characteristics of mechanical oscillations
CN110823088B (en) Laser dynamic interferometer
JP2655647B2 (en) Optical integrated circuit interferometer
SU968615A2 (en) Interference displacement measuring gauge
JPH026002B2 (en)
SU794644A1 (en) Device for control of scanning at output of graphic information from electronic computer
JP2903220B2 (en) Distance measurement method for lightwave distance meter
RU2087858C1 (en) Device measuring translations
SU1362923A1 (en) Two-frequency interferometer system for measuring linear displacements
JPH07229713A (en) Displacement measuring method and its device
JPH0875409A (en) Laser length measuring device
Wang et al. Nonlinear error in eight-pass heterodyne interferometers