SU968615A2 - Интерференционный измеритель перемещений - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к оптической интерферометрии и может быть использовано дл  измерени  малых угловых колебаний и крутиз- ны амплитудной характеристики ультразвуковых и электроакустических преобразователей, в частности оптических фазовых модул торов с пьезоэлектрическим , электромагнитным, электродинамическим, магнитострикционным и т.д. приводом.

По основному авт. св. 0877325 известен интерференционный измеритель перемещений, содержащий источник излучени , установленную по ходу светового луча интерференционную систему, включающую в себ  зеркало, св зываемое с исследуемым объектом, две диафрагмы и два фотоприемника, схему обработки сигналов, состо щую из двух идентичных каналов, содержащих соединенные последовательно избирательный усилитель, детектор, триггер Щмидта и дифференцирующий блок, генера7ор, отсчетный блок,, соединенные последовательно триггер, блок формировани  импульсов запрета, генератор-пилообразного напр жени  и электрический модул тор, предназначенный дл  подключени  к исследуемому

о«5ъекту,, вход каждого из каналов схемы обработки сигналов подключен к соответствующему фотоприемнику, а выход - к триггеру который подключен к отсчетному блоку, а вход электрического модул тора подключен к выходу генератора 1.

Недостаток известно.го -устройства заключаетс  в низких функциональных

10 возможност х, так .как с его помощью нельз  производить измерение крутизны амплитудной характеристики испытуемого преобразовател  путем измерени  лннейных перемещений отражател .

15

Целью 11зобретени   вл етс  расширение функциональных возможностей интерференционного измерител  перемещений .

Поставленна  цель достигаетс 

20 тем, что интерференционный измеритель перемещений снабжен соединенными последовательно сумматором, вторым триггером и вторым отсчетным блоком, второй вход второго триггера подключен

25 к выходу блока формировател  импульсов запрета, а каждый из входов сумматора к выходу соответствующего канала схемы обработки сигналов,

Claims (1)

1. На фиг. 1 представлена схема ин30 терференционного измерител  перемещений ; на фиг. 2 - временные диаграм мы напр жений. Предлагаемый интерференционный из меритель перемещений состоит из исто ника 1 излучени , установленного по ходу светового луча интерференционно системы 2, включающий в себ  оптически св занные отражатель 3, первый оптический телескопический узел, составленный из длиннофокусного и ко роткофокусного объективов 4 и 5,Полу (прозрачное зеркало 6, второй оптичес кий телескопический узел составлены из короткофокусного и длиннофокусног объективов 7 и 8, третий оптический телескопически узел, составленный из короткофокусного и длиннофокусно го объективов 9 и 10 и зеркала 11, ов зываемого с исследуемым объек том 12, двух фотоприемников 13 и 14 установленных на выходе интерференционной системы 2, двух диафрагм 15 и 16 соответственно, и схемы обрабо ки сигналов содержащей два избирательных усилителей 17 и 18, два детектора 19,и 20, триггеры 21 и 22 Шмидта и два дифференцирующих блока 23и 24, дифференцирующие блоки 23 24подключены к первому и второму входам триггера 25, выход которого соединен со входом отсчетного блока 26, соединенные последовательно сум матор 27 триггера 28 и отс етный блок 29, входы сумматора 27, соединены с выходами дифференцирующих бл ков 23 и 24 к третьему входу триггера 25 и к втором входу триггера 28 подключен выход блока 30 формировани  импульса запрета, вход которого соединен с выводом генератор 31 пилообразного напр жени , -второ выход которого подключен к входу электрического модул тора 32, друго вход электрического модул тора 32 соединен с выходом генератора 33 мо дулирующей частоты, а выход - с исследуемым объектом 12, угловые коле I ни  и крутизна амплитудной характеристики которого измер ютс . Интерференционный измеритель перемещений работает следующим обра . Поток излучени  от источника 1 де литс  на два потока с помощью полупрозрачного зеркала 6. Полученные таким образом два потока излучени  направл ютс  в оптические телескопи ческие системы, состо щие из объективов 4, 5 и 9, 10 соответственно. Кажда  из этих телескопических систем расшир ет падающие на них потоки .излучени  и направл ет их на отражатели 3 и 1, св зываемые с исследуемЕлм объектом 12. Оптическа  телескопическа  система, содержаща  объективы 9 и 10 расшир ет поток излучени  таким образом, чтобы он освещал всю поверхность отражател  11 или достаточно большой ее участок , что необходимо дл  обеспечени  требуемой точности измерени  угловых колебаний этой поверхности. Оптическа  телескопическа  система содержаща  объективы 4 и 5 по своим параметрам аналогична системе содержащей объективы 9 и 10 и используетс  дл  выравнивани  аберрационных искажений волновых фронтов обоих потоковизлучени . После отражейи  от.отражателей 3 и 11 разделенные потоки излучени  возвращаютс  в телескопические системы, содержащие объективы 4, 5 и 9, 10 соответственно , после прохождени  через которые они сужаютс  до первоначального азмера в поперечном сечении и совмемещаютс  в полупрозрачном зеркале 6. Совмещенные потоки излучени  направл ютс  зеркалом 6 в третью оптическую телескопическую систему, содержащую объективы 7 и 8,котора  расшир ет их до тех же размеров, к оторые они имеют в плоскости отражателей 3 и 11. В интерференционной системе 2 измерител  перемещений, таким образом, применены три телескопические системы, чем обеспечиваетс  устранение вли ни  отражени  от второй поверхности полупрозрачного зеркала на точность измерений. Интерференционна  система 2 юстируетс  таким образом, чтобы в плоскости точечных диафрагм 15 и 16 образовалась интерференционна  картина в виде колец (полосы равного наклона ). При этом центральный максимум освещенности в интерференционной картине должен занимать практически все поле интерференции. Настройка интерференционной системы производитс  при отсутствии модулирующего сигнала на. выходе электрического модул тора 31. Генератор 32 модулирующей частоты вырабатывает электрическое напр жение гармонической формы с той частотой, на которой испытываетс  исследуемый объект 12, используемый совместно с отражателем 11 в качестве интерференционного модул тора. Напр жение с выхода генератора 32 подаетс на электрический модул тор 31, на второй вход KOTOpdro подаетс  сигнал от генератора 30 пилообразного напр жени . На выходе электрического модул тора 31, имеет место гармоническое напр жение, модулированное по амплитуде по пилообразному закону, которое подаетс  далее.на исследуемый объект 12, осуществл ющий совместно с отражателем 11 модул цию разности фаз потоков излучени , интерферирующих в плоскости диафрагм 15 и 16 {фиг.2а). С помощью диафрагм 15 и 16 и фотоприемников 13 и 14 осуществл етс  преобразование изменений интенсивно в интенференционной картине в элект . рнческйй сигнал. Сигналы с выходов фотоприемников 13 и 14 поступают на входы избирательных усилителей 17 и 18, настроенных на частоту сигнала, вырабатываемого генератором модулирующей частоты 32. В соответствии с принципом работы двухлучевого интер ферометра, при модул ции разности фаз интерференцирующих лучей по гар моническому закону, амплитуда перво гармоники модулирующей частоты на выходе избирательного усилител ,, включенного после фотоприемника и настроенного на частоту модул ции, пропорциональна функции Бессел  пер вого рода первого пор дка, т.е. дл  сигнала на выходе избирательного усилител  можно записать следующее соотношение J Mlj sinu-ot- (1 « т. где U - амплитудный множитель,определ емый чувствительностью фотоприемника и коэффициентом усилени  из g , бирательного усилител , 4lf-j - - функци  Бессел  первого р да первого пор дка от . аргумента ;tг мoд(t)(мп итyдa , колебаний от- ражател  11, св занного с испытуемым объектом 12, измен юща с  во времени в соответствии с законом изменени  амгг литуды напр жени  на вы ходе электрического модул тора 31 (фиг.2а)1 К , крутизна амплитуднрйГ ха - рактеристики исследуемог преобразовател ) MOAit) - а1йш1итуда напр жени  на выходе электрического I модул тора 31(фиг.2а), - длина волны излучени  источника 1) модул ции, и)д - частота Как изв естно, при определенных значени х аргумента, отличных от ну л -, функци  Бессел  обращаетс  в .нул причем при ПОСТОЯННОЙ Л указанное значение определ етс  только величи ной (t) что позвол ет определ ть ее с высокой степенью точности . На выходе каждого из избирательных усилителей 17 и 18 имеет место сигнал вида (1). В случае строго поступательных движений отражател  11 и идентичности фотоприемников 13 и 14, диафрагм 15 и 16 и избирательных усилителей 17 и 18, а также одинаковом.расположении диафрагм 15 и 16 относительно интерференционных полос, эти сигна.пы будут полностью идентичны. При неидентичности фотоприемников 13 и 14, диафрагм 15 и 16 и усилителей 17 и 21 сигналы будут отличатьс  только амп.1итудами и.При наличии угловых колебаг- ний отражател  11 амплитуды его линей ых (вдоль оптической оси ) перемещений в различных точках колеблющейс  поверхности будут различны. Это приведет к тому, что амплитуды сигналов на выходе избирательных усилителей 17 и 18 будут обращатьс  в нуль в различные моменты времени. При этом, чем меньше крутизна амплитудной характеристики исследуемого . преобразовател  12, тем через больший промежуток времгэни от начала нарастани  амплитуды модулирующего сигнала на выходе электрического модул тора 31 по пилообразному закону сигналы на выходах избирательных усилителей 17 и 18 и обрат тс  в нуль, k чем больше амплитуда угловых колебаний отражател  11, тем больший промежуток времени будет раздел ть моменты равенства ну.гао амплитуд сигналов на выходах избирательных усилителей 17 и 18. Таким образом, указанные промежутки времени служат мерой крутизны амплитудной характеристик и амплитуды угловых колебаний отражател  11 исследуемого преобразовател  12 соответственно. С выходов избирательных усилителей 17 и 18 сигналы поступают на детекторы 19 ,и 20 соответственно.(фиг. 26 и 2 в|. С выхода детекторов 19 и 20 сигналы поступают на входы триггеров 21 и 22 Шмидта, которые осуществл ют формирование напр жений пр моугольной формы в соответствии (фиг. 2г и 2д. После дифференцировани  этих напр жений с помощью дифференцирующих блоков 23 и 24 получаем короткие импульсы, соответствующие моментам времени, в которые амплитуды сигналов на выходах избирательных усилителей 17 и 18 равны нулю. Эти импульсы подаютс  далее на входы сумматора 27, ас его выхода на один из раздельных входов триггера 28. На другой вход триггера 28 подаетс  сигнал с выхода блока 30 формировани  импульсов запрета, соответствующий-обратному ходу пилообразного напр жени  (фиг. 2ж). . Таким образом, с началом нарастани  напр жени  на выходе электрического модул тора 32 по пилообразному закону триггер 28 устанавливаетс  в- одно из устойчивых состо ний , а при равенстве нулю одного из сигналов на выходах избирательных уси лителей 17 или 18 переводитс  в другое устойчивое состо ние, т.е. на выходе триггера 28 формируетс  импульс напр жени , начало которого совпадает с начгшом нарастани  мод лирующего напр жени  на выходе эле трического модул тора 32 по пилообразному закону, а окончание - с моментом равенства нулю одного из сигналов на выходах избирательных усилителей 17 или 18,или обоих одновременно (фиг. 2э). Полученный импульс измер етс  с помощью отсче ного блока 29, в качестве которого может быть использован например,ци ровой измеритель временных интерва лов. Измеренное значение длительности импульса на выходе триггера |28 св зано с крутизной амплитудной характеристики К исследуемого преобразовател  следующим соотношением . /Т, , ( ц;; где Л - длина волны источника излучени  1 ; у - первый корень функции Бесс л  первого рода первого пор дка; MOAWuT максимальное значение ампл туды модулирующего напр же ни  на выходе электрического модул товра 32/ f Длительность пр мого хода пилообразного напр жени , подаваемого на электрический модул тор 32 с генератора 31 пилообразного напр жени  I Ту, - измеренна  отсчетным блоком 29 длительность импульса на выходе триггера 28 (фиг. 2з). В соответствии с формулой (2)отсчетиый блок 29 может быть програду рован непосредственно в единицах измер емой величины, т.е. крутизна амплитудной, характеристики преобразовател . С выхода дифференцирующих блоков 23 и 24 сигналы, соответствующие мо |ментам равенства нулю выходных сигналов избирательных усилителей 17 и 18, поступают так же на входы триггера 25, который первым из приход щих сигналов устанавливаетс  в одно состо ние, а вторым - возвращаетс  в исходное. В.качестве триггера 25 может быть использован триггер с двум  счетными входами и с входной логикой, обеспечивающей отсутствие срабатывани  триггера 25 при одновременном поступлении сигналов на его входы. На триггер 25 подаетс  также сигнал с выхода блока 30 формировани  импульсов запрета, соответствующий обратному ходу пилообра ного напр жени  генератора 31 пило образного напр жени  и исключающий срабатывание триггера 25 во врем  обратного хода пилообразного напр жени  (фиг. 2а-2д. Таким образом, на выходе триггера 25 формируетс  импульс , длительность которого пропорциональна угловому отклонению отражател  11, св занного с исследуемым дбъектом 12 (фиг. 2е Длительность этого импульса измер етс  при помощи отсчетного блока 26, в качестве которого также Может быть испбльзован цифровой измеритель интервалов времени . Величина углового отклонени  отражател  11 св зана с измеренной отсчетным блоком 26 длительностью импульса следующим соотношением V-liK -i li3bl - , (3) L 1-п гд;е (Ь - коэффициент увеличени  оптической системы, состо щей из оптических телескопических . систем, содержащих объективы 9 и 10 и 7 и в; L - рассто ние между центрами точечных диафрагм 13 и 14, Т, - длительность импульса, изме- ренна  отсчетньвй блоком 26 величины К, (и„д max „ же, что ив вырс1жении (2). I ,- Таким образом, за счет использовани  соединенных последовательно сумматора, триггера и отсчетного блокд и их подключени , нар ду с измерением угловых колебаний исследуемого преобразовател , можно производить измерение крутизны его амплитудной хара стеристики, котора   вл етс  одним из основных параметров преобразователей. При зтом, дл  измерени  крутизны используетс  то, что равенство нулю первой гармоники модулирующего сигнала, на выходе избирательного усилител , подключенного к фотоприемнику имеет место при вполне определенной величине амплитуды линейных перемещений преобразовател  однозначно св занной с длиной волны оптического излучател . Тем самым обеспечиваетс , крайне малое вли ние на результаты Измерений различных дестабилизирующих факторов, таких как посторонние вибрации и т.п., что позвол ет производить измерение крутизны амплитудных характеристик преобразователей с высокой точностью, следовдтельно, расширить функциональные возможности устройства Формула изобретени  Интерференционный измеритель перемещений по авт. св. № 877325, отличающийс  тем, что, с целью расширени  функциональных возможностей , он снабжен соединенными последовательно сумматором,вторым триггером и вторым отсчетным блоком, второй вход второго триггера подключен к выходу блока формировани  импульсов запрета, а. каждый из входов сумматора - к выходу

   соответствующего канала схемы обработки сигналов.

   Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе

   1 Авторское свидетельство СССР №877325, кл. G 01 В 21/00, 1980 fпрототип).