Способ измерения линейных перемещений

(51)5 О 01 В 21/00 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Х, и 01 В 21/00, 1988,МЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЬ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(54) СП ПЕР ЕМЕ (57) Изоной технрасширеба за счренийсфериченика 1 кго с объ ОСОБ ИЗ Х ЩЕНИЙбретение относится к измерительике, Целью изобретения является ние области использования спосоет увеличения диапазона изме- по координате Е. Волну со ским фазовым фронтом от источогерентного излучения, связанноектом, модулированную по фазе разделяют в пространстве с помощью поворотных зеркал 3, 4, 5 на три пучка равной амплитуды, каждый из которых модулируют с помощью амплитудных транспарантов 6, 7, 8 по заданным законам. Получены аналитические соотношения для оптимальных алгоритмов обработки, по которым осуществляют оценки трех составляющих Л Лт, Ь Е, пропорциональных перемещен ям объекта по трем координатам. Информативный сигнал является фазовым, его амплитуда не зависит от величин оцениваемых параметров, и весовые козффициенты, в соответствии с которыми осуществляется обработка, величины постоянные, в соответствии со способом осуществляют амплитудную модуляцию третьего пучка вдоль координаты Е, что позволяет расширить диапазон измерений. 1 ил,, Изобретение относится к измерительной технике и может. быть использовано для измерения линейных перемещений в пространстве различных объектов, является усовершенствованием изобретения по авт. св. М 1522028.Целью изобретения является расширение области использования способа за счет увеличения диапазона измерений по координате Е.На чертеже представлена функциональная схема устройства реализации способа.Способ измерения линейных перемещений заключается в следующем: - формируют источником излучения, связанным с обьектом, волну излучения со сферическим фазовым фронтом; - выполняют пространственную фазовую модуляцию волны разделяют в пространстве промодулированную по фазе волну на три пучка равной амплитуды; - модулируют по амплитуде первый пучок - вдоль координаты Х по закону РХ, второй пучок У- вдоль координаты У по закону РУ, третий пучок - вдоль координаты.Е по закону Р(Х + У ; - фокусируют каждый пучок в плоскость регистрации; - осуществляют преобразование каждого пучка в электрический сигнал; - определяют величину перемещения вдоль координат Х, У, Е, соответственно иэ соотношений: 50 Я (го) - Ео ехР)К - Х+ - УХо Уо Ео , 2 о по законуехр - )К - Х+ - УХо Уо Ео Ео 2 К н 1 н 2Ь Х =С 11 Х +, С 12 У + "4)о о о+ С 1 з (Х + У ) 1 О(Х У,Е)х ехр - К - Х + - У дХдУХо УоУо ой 1 К 2Л т =) - С 21 Х+ С 22 У+ аа о о+ Сзз (Х+ У)1 О(Х,У,) хх ехр -)К - Х+ - У дХОУ,Хо УоЕо 2 о где К=г ж/Л;Л- длина волны;Ко - спектральная плотность шума;Хо, Уа, Ео - опорное значение координат 5 источника излучения, относительно которых производится отсчет;С 1,(1=1, 2, 3) - постоянные коэффициенты, не зависящие от входного сигнала О (Х,У,Е);10 Х, У, Е - координаты плоскостей обработки входного сигнала;81, й 2 - стороны прямоугольника усреднения вдоль координат Х и У соответственно;15 Р - коэффициент пропорциональности,Способ синтезирован по критериюмаксимального правдоподобия, согласнокоторому при аппроксимации входногосигнала О(Х, У, Е) как аддитивной смеси 20 детерминированного сигнала и белого шума оценка может быть получена из соотношений:иМ= , АеВе25 где М - 1-я составляющая и-мерного вектора оценки М 30, . г 12 а - а -еА 1 е = - ,l Х 5 (го) Я (го) дХ дУ,и ал аЛ. г "1" - а ,Ве = -О(Г) Я (га) дХ дУ, 35 аоо Ае - элементы информационной матрицы;/А- элементы обратной информаци онной матрицы;(а) - определитель матрицы;ае - алгебраические дополнения;Ь - 1-я составляющая информативноговектора.45 Для волны со сферическим фазовымфронтом в параксимальном приближенииимеет информативный сигнал: Для такого сигнала могут быть определены оценки трех информативных составляющих Х, У, Е. Поскольку информативный 55 сигнал является чисто фазовым, а следовательно,его амплитуда не зависит от величины оцениваемых параметров, то коэффциенты АГе являются величинами постоянными, так как в этом случае параметрысущественно неэнергетические и могут быть рассчитаны заранее. Обозначив А, =. О, и-1 2 используя известную методику синтеза измерителя, получим соотношения (1), гдеС 11 о 21 С 12 о 212, С 1 з гг 1 з,1 222 оС 21 =021С 22 = г 32, С 23 = О 2310 1 22 ОСз 1= Оз 1: Сз 2 =оз 2: Сзз = 03 з. 1 22 о 15Рассматриваемый способ отличает от прототипа наличие операций амплитудной модуляции третьего пучка вдоль координаты 2 по закону Р(Х +У ), уто сияющей алго 2 2ритм (1) и необходимой для реализации производной от сигнала;. Б (го) =)Ео (Х 2+ У 2) х2225ехр - )К - Х + - УХо го2 о 2 оДанная операция позволяет сформулировать третье слагаемое в алгоритмах (1) и является подготовительной перед интегрированием, Множитель перед экспонентой пропорционален изменению координаты 2, а Р - нормируощий коэффициент пропорциональности показывает, что для пассивных пространственных транспарантов произведение Р(Х + У ) не .ожет2 2быть больше 1.Устройство для реализации способа измерения линейных перемещений содер житточечный источник 1 когерентного излучения, связанный с контролируемым объектом (це показан), установленные походу излучения фазовый транспарант 2 сХо о45пропусканием ехр - )К - Х+ - У ,2 о 2 очастично отражающие поворотные зеркала 3, 4 и полностью отражающее поворотное зеркало 5, развернутые относительно 50 направления излучения на углы соответственно 01, 02, Оз, амплитудный транспарант 6 с пропусканием вдоль координаты Х по закону РХ, амплитудной транспарант 7 с пропусканием вдоль коор динаты т по закону РУ и амплитудный транспарант 8 с пропусканием вдоль координаты 2 по закону Р(Х + У ), установленные соответственно по ходу пучков излучеиж, отраженных от зеркал 3, 4 и 5 первый, -оройгратий г, к излучения соогвегс еецо, фокусируощу -. линзу 9, устацоолеццуо по хгду пучков излучения после трацспардцтоо 6, 7, 8, три фотоприемни;а 10,1 и 12, установленные в плоскости рагстрдции тдк, ч о цд их фото Уос. огтельных поверхностях фокусг.руотся соответственно первый, отарой и третий пучки излучения, трг усилителя 13, 14 и 15, соединенные последоодтел о с фотоприемниками 10, 11 и 12 соответственно, имеющие переддгочцуо характеристику, пропорциоцдльцуо корню квадратному из величины входного сигдла, девять усилителей 16-24 озоешвавил с переддточны и фун к ц я л г, г рог о рц .о од л ь но ми весовым коэффцентдл Сц, при этом входы первых трех усилителей 16, 17, 18 взоешива.: я соединены с оьходом усилителя 13, входы вторых трех усилителеи 19, 20 и 21 взоешвдниг соединець с выхолом усилителя 11, д входы третьих грех усилителей 22, 23 и 24 взоепиодця соадицень с выходом усилителя 15, три трахоходооых сумматора 25, 26, 27 и три цормирующих усилителя 28, 29 и 30, соадццецныа последовательно с сумматорам 25, 26 и 27 соотвегствео, при этом ььходы усилителей 16, 19 и 22 взвешивания соедицеы соответственно с входами первого сумматора 25, оьходы усилителей 17, 20 и 23 взвешивания - соо ветстоанцо с входами второ о сумматора 26, выходы усилигелей 18. 2и 2озоашидция соединены соо-оатствеццо с входэми третье о сумидторд 27, д выходы цормирующих усилителей 28, 29 и 30 воляотся оьходами ус тоо,ст Вд,Устройство. радлизуощее рассматриваемый способ, отлчается от устройстод для реализации прототипа, ц;личием амплитудного транспаранта 8, с помоцью которого осуществляется опардцлг амплитудной модуляции траьего учка излучания (отраженного зеркалом.5) вдоль координаты 2 по закону Р(Х"+У ).Устройство работает следуощлм образом,Источник 1 когерацтцого излучения формирует волну со сферическим фазовом фронтом, которая, проходя через транспарант 2, модулируегся по фазе и оправляется нд расщепитель, образоганный зеркалами 3, 4 и 5, Углы 01, б 2, Г,з цдклоцд заокд 4 л 5 выбираются тдк, чтобы пучки, отраженные от них, первый, второй и трелий, имели сдвиг по пространствецной частоте,ервый пучок модулируется транспарантом 6 по дмплиту 1663426де вдоль оси Х, которая параллельна оптической оси источника 1, по закону РХ, второй пучок модулируется по амплитуде транспарантом 7 вдоль оси У по закону Ру, третий пучок модулируется по амплитуде транспарантом 8 вдоль оси 2 по закону Р(Х +Уг). Взаимная ориентация координатных осей Х, У показана на чертеже. Указанные операции амплитудной пространственной модуляции соответствуют слагаемым под интегралом в соотношениях (1).Линза 9 реализует пространственный интеграл над входными сигналами, которые преобразуются в электрический сигнал фотоприемниками 10, 11 и 12, Пространственный разнос пучков в фокусе линзы 9 получают путем соответствующего выбора углов поворота зеркал 3, 4 и 5, Усилители 13, 14 и 15 формируют сигнал соответствующего фотоприемника 10, 11 и 12. Последнее связано с тем, что сигнал на выходе фотоприемника пропорционален квадрату оптического поля на его входе, Усилители 16-24 взвешивания осуществляют учет коэффициентов Сн. Число усилителей равно числу коэффициентов Ся в соотношениях (1).Сумматоры 25, 26, 27 реализуют внеш- . ние суммы в (1): сумматор 25 формирует первую сумму, сумматор 26-вторую, а сумматор 27 - третью сумму в (1). Нормирующие усилители 28, 29, 30 учитывают постоянный коэффициент 2КЙо 2 оИспользованное в прототипе допущед ние о линейности производнойЯ го/ от параметров Х и У существенно ограничивает диапазон однозначных измерений, что оказывается недостаточным для ряда приложений и требует использовать точную формулу для производной, что при реализации измерителя предполагает необходимость использовать дополнительную операцию модуляции волны в третьем канал е (третьего пуч каизл учен ия), последнее обеспечивает в предлагаемом техническом решении преодоление ограниченной области использования из-за недостаточности диапазона измерений по координате 2. ф о р мул а из обре те н ия Способ измерения линейных перемещений по авт, св, СССР %1522028, отл ич а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения 5 области использования за счет увеличениядиапазона измерений по координате 2, после разделения волны на три пучка модулируют по амплитуде также и третий пучок - вдоль координаты 2 по закону Р(Х+У ), а 10 величину перемещения вдоль координат Х,У, 2 определяют соответственно, иэ соотношений:2 КХ=.к 12 3 3 (СХ+С 1 гу+ 15оо о+ Сзз(Хг+ Уг)1 ц(Х,У,2) х 35 х ехр -)К - Х+ - У бХбу,Хо Уо2 о 2 о2 л,где К= -,(-,40 А- длина волны;Йо - спектральная плотность шума;Хо, Уо, 2 о - опорное значение координат источника излучения, относительно которых производится отсчет;45 Сц (1, )-1, 2, 3) - постоянные коэффициенты, не зависящие от входного сигнала 0(Х, У,2);Х, У, 2 - координаты плоскостей обработки входного сигнала;50 В 1, Вг - стороны прямоугольника усреднения вдоль координат Х, У соответственно:Р - коэффициент пропорциональности.