SU399722A1 - Интерференционный способ измерения величины линейных и угловых перемещений - Google Patents

Description

1

Изобретение относитс  к измерительной технике, а именно к способам построени  фотоэлектрических интерферометров, предназначенных дл  измерени  величины линейных и угловых перемещений подвижных органов прецизионных металлорежущих станков, измерительных приборов и машин, систем и устройств автоматического управлени .

Известен интерференционный способ измерени  величины линейных и угловых перемещений , заключающийс  в том, что монохроматическое излучение направл ют на ультразвуковой светомодул тор, регистрируют результаты интерференции полученных на выходе светомодул тора потоков нулевого и первого пор дков и по параметрам регистрации суд т о величине перемещени .

Однако точность измерени  известным способом недостаточна, так как при его реализации используютс  высокочастотные фазометры , которые без дополнительного преобразовани  частот имеют относительно высокую погрещность.

Целью изобретени   вл етс  повышение Точности измерени .

Дл  этого из монохроматического излучени  предварительно выдел ют второй поток оптическим элементом и воздействуют им на второй ультразвуковой светомодул тор. Последний возбуждают на частоте, отличной от

частоты возбуждени  первого ультразвукового светомодул тора, и регистрируют результаты интерференции потоков дифракции первого и второго светомодул торов.

Па фиг. 1 изображена схема, по сн юща   вление дифракции света на ультразвуковой волне; на фиг. 2 - схема, по сн юща  одноканальный способ осуществлени  интерференционного снособа измерени  величины перемещений; на фиг. 3 - двухканальна  схема осуществлени  интерференционного способа измерени  величины перемещений.

Монохроматическнй параллельный пучок света 1 освещает акустический модул тор 2, где распростран етс  бегуща  ультразвукова  волна 3, возбуждаема  пьезоизлучателем 4 на частоте f.

Если освещающий пучок 1 составл ет с фронтом ультразвуковой волны 3 угол фв,

1 А

удовлетвор ющий условию sin фв

2 L

L

глубина звукового пол  / -, где L - длина

ультразвуковой волны, А - длина световой волны, то вследствие брэгговской дифракции освещающий пучок 1 расщепл етс  на выходе из акустооптического модул тора на два пучка: неотклоненный пучок 5, совпадающий по направлению с освещающнм пучком и соответствующин нулевому пор дку дифракции; и отклоненный пучок 6, соотвегсгвующнй пер вому пор дку днфракцни.

Угол отклонени  нучка 6 от первоначального нанравленн  нучка 1 9 2 ц:-в ----f,

C:,s

где Слв - скорость ультразвука в среде модул тора 2, / - частота ультразвуковой волны.

Чем выше частота ультразвуковой вол1п, тем больн е нространстве1Н1ое разделение иучков О н 1-го пор дков днфракций. Практически достнжимые частоты ультразвука 30- 60 МГЦ дл  жидкостных модул торов 11 до 1000 МГЦ дл  твердотельных.

В зависимости от зиака угла падени  ерв освещающего пучка на ультразвуковую волну возможны две схемы брэгговской дифракции. При положительном угле падени  фл отклоиенный пучок также составл ет положительный угол с фронтом акустической волны и  вл етс  нлюс 1-ым пор дком дифракции.

При отрицательном угле падени  Цв отклоненный пучок составл ет отрицательный угол с фронтом акустической волны и представл ет собой минус 1-ый пор док дифракции.

Оптические частоты в плюс 1-ом и мипус 1-ом дифракционных пор дках смещены относительно оптической частоты в нулевом пор дке на плюс f и минус f соответственно, т. е. на величину частоты ультразвука.

Пучок света одночастотного стабилизированного лазера 7 при помощи зеркал 8 и 9 раздел етс  на два пучка 10 и 11 (фиг. 2). Пучок света 10,  вл ющийс  сигнальным, отража сь от подвижной призмы 12, освещает акустооптический модул тор 13. В последнем пьезоизлучателем 14 от генератора 15 возбуждаетс  бегуща  ультразвукова  волна на частоте fi и поглощаетс  поглотителем 16. В результате дифракции на ультразвуке пучок 10 на выходе акустоонтического модул тора 13 расщепл етс  па два: пучок света 17, соответствующий нулевому пор дку дифракции , и пучок 18, соответствующий минус 1-ому пор дку дифракции.

Пучок света 11,  вл ющийс  опорным, отража сь от неподвижной призмы 19, освещает акустооптический модул тор 20. В последнем пьезоизлучателем 21 от генератора 22 возбуждаетс  бегуща  ультразвукова  волпа на частоте /9 и поглопхаетс  поглотителем 23. В результате дифракции иа ультразвуке пучок И иа выходе акустооптического модул тора 20 расщепл етс  на два: нучок света 24, соответствующий нулевому нор дку дифракции, и пучок 25, соответствующий минус 1-ому пор дку дифракции.

Модул торы 13 и 20 расположены так, что пучки 18 и 25 в пространстве за модул тором 20 совмещаютс , причем пучок 18 (частично) проходит через модул тор 20 без отклонений, так как в этом случае он падает на модул тор 20 под углом Брэгга. Поле интерференции совпадающих пучков 18 и 25 воспринимаетс 

фотоприемником 26. Фо оприемник 26 работает в режиме фотосмещепи  и, так как оптические частоты интерферирующих пучков 18 и 25 различ 1ы, выдел ет на своем выходе гармонический электрический сигнал, частота которого равна разности оптических частот интерферирующих пучков 18 и 25.

Р1нтерферирующие пучки пространственно совмещены, поэтому выдерживаютс  услови 

дл  эффективного фотосмещени  (совмещение волновых фронтов интерферирующих пучков ).

В интерференционно.м поле на фотоприемнике 26 содержитс  переменна  составл юща , частота которой равна разности оптических частот интерферирующих пучков 18 и 25, а фаза измен етс  пропорционально изменению оптической длины L. При перемещении

, „ л , призмы 12 на - фаза переменной составл ю2

птей измен етс  на 360. Устанавлива  за фотоприемником 26 избирательный усилитель, настроенный на частоту (/2-fi), можно выделить гармонический электрический сигнал,

фаза которого соответствует перемещению призмы 12.

В качестве опорного электрического сигнала используетс  выделеппый фильтром 27 сигнал с частотой (/2-fi) па выходе смесител  28.

Пучок света одночастотного лазера 7 при помощи зеркал 8 и 9 раздел етс  на два пучка: сигнальный 10 и опорпый И (фиг. 3). Сигнальный пучок 10 проходит акустооптический модул тор 13 и, отража сь от подвижного зеркала 29, св занного с измер емым перемещением , проходит через модул тор 13 в том же месте звукового пол  и создает дифракционный пучок 18,  вл ющийс  минус

1-ым пор дком с оптической частотой (у-fi), где /) - частота генератора 15.

Опорный пучок света 11 проходит акустооптический модул тор 20 и, отража сь от пеподвижпого зеркала 30, проходит через модул тор 20 в том же месте звукового пол . При этом возникает дифракционный пучок 25,  вл ющийс  минус 1-ым пор дком дифракции с оптической частотой (у-/г), где /2 - частота геиератора 22. Пучки 18 и 25, как и на

фиг. 2, совмещены в пространстве, причем пучок света 18 проходит, не отклон  сь, модул тор 20. Фотоприемник 26, установленный в ноле интерференции лучей 18 и 25, выдел ет гармоннческий электрический сигиал с частотой (/2-/i), фаза которого пропорциональна измер емому перемещению.

Сигнальный пучок света 10, проход  модул тор 13 в пр мом направлении, также подвергаетс  дифракга-ш. В этом случае возникает нучок света 31, соответствующий нлюс 1-ому пор дку дифракции с онтической частотой (Y+/I)Онорный пучок 11, пада  на модул тор 20, также создает дифракционный пучок 32 плюс

Ьго нор дка, но с частотой (Y+/I)Так как падающие и отраженные лучи сигнального и опорного пучков соответственно совмещены и проход т в одном и том же месте звукового пол , то пучки света, соответствующие пор дкам дифракции плюс 1-ого и минус 1-ого пор дков, лежат на одной оси и имеют противоположные направлени . При этом совмещены пучки 18 и 25 минус 1-ых пор дков дифракнии и пучки 31 и 32 плюс 1-ых пор дков.

Фотоприемник 33, установленный в поле интерференции лучей 31 и 32, выдел ет гармонический электрический сигнал с частотой (/2-/i). Фаза этого сигнала посто нна, так как разность хода между интерферирующими пучками 31 и 32 неизменна во времени.

Сигнал фотонриемника 33 используетс  в качестве опорного при измерении фазы сигнала фотоприемника 26.

Получение опорного электрического сигнала методом оптического гетеродинировани  дифракционных максимумов, т. е. тем же способом , что и измерительного электрического сигнала,  вл етс  преимуществом, так как позвол ет существенно повысить стабильность фазометрических измерений.

Это обусловлено тем, что при этом способе фазовые нестабильности световых волн, св занные с прохождением через акустоонтический модул тор и воздущную среду, одинаково вли ют на опорный и измерительный сигналы и при их фазовом сравнении взаимно компенсируютс .

Предмет изобретени 

Интерференционный способ измерени  величины линейных и угловых перемещений, заключающийс  в том, что монохроматическое излучение направл ют на ультразвуковой светомодул тор , регистрируют результаты интерференции полученных на выходе светомодул тора потоков дифракции и по параметрам регистрации суд т о величине перемещени , отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности измерени , из монохроматического

излучени  предварительно выдел ют второй поток оптическим элементом, воздействуют этим потоком на второй ультразвуковой светомодул тор , который возбуждают на частоте , отличной от частоты возбуждени  первого ультразвукового светомодул тора, и регистрируют результаты интерференции потоков дифракции первого и второго светомодул торов .

/-i/u пор дон

/в

5 Нулебой пор док

Нулевой пор док

пор док

Фиг,-1