Интерференционный способ измерения величины линейных и угловых перемещений

О П И С А Н И Е 399722ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВйДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советсних Социадистмцеских Республик(ГИЪ 9,08- 6 01 Ь 1102 с присоединением заявки Ъо ооударстоенный комитет 1Сонета й 1 нннотров СССРоо родам изобретенийи открытий риоритетпубликовано ОЗ.Х.1973. Бюллетень М 39 ата опубликования описания 24.11.1974, Телещевский и Ф, Леви" осковский станкоинструментальный инстн аявитс НТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ ЛИНЕЙНЫХ И УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙпучок 1 составляет с ой волны 3 угол срв,0 удовлетворяющи условгно этп рв = -- , и2 Гполя 1 в , где 1. - длина чубина звуковог ультразвуковой волны, то вследс освешаюший пуч де из акустоопт пучка: неотклоне по паправлсншо ц 1 а световои дифракции тся на выхо. тора на два совпадающий пучком и со волны,твие брэок 1 расческогонпып пус освеща 7, - дл гговско шепля модул чок о, ющим Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам построения фотоэлектрических иптерферометров, предназначенных для измерения величины линейных и угловых перемещений подвижных органов прецизионных металлорежуших станков, измерительных приборов и машин, систем и устройств автоматического управления.Известен интерференционный способ измеоения величины линейных и угловых перемещений, заключающийся в том, что монохроматическое излучение направляют на ультразвуковой светомодулятор, регистрируют результаты интерференции полученных на выходе светомодулятора потоков нулевого и первого порядков и по параметрам регистрации судят о величине перемещения,Однако точность измерения известным способом недостаточна, так как при его реализации используются высокочастотные фазометры, которые без дополнительного преобразования частот имеют относительно высокую погрешность,Целью изобретения является повышение точности измерения.Для этого из монохроматического излучения предварительно выделяют второй поток оптическим элементом и воздействуют им на второй ультразвуковой светомодулятор. Последний возбуждают па частоте, отличной от частоты возбуждения первого ультразвукового светомодулятора, и регистрируют результаты интерференции потоков дифракцнн первого и второго светомодуляторов.11 а фиг. 1 изображена схема, поясняющая явление дифракции света на ульгразвуковой волне; на фиг. 2 - схема, поясняюшая одноканальный способ осуществления интерференционного способа измерения величины перемешений; на фиг. 3 - двухканальная схема осуществления интерференционн ого способа измерения величины перемещений.Монохроматический параллельный пучок света 1 освещает акустический модулятор 2, где распространяется бегущая ультразвуковая волна 3, возбуждаемая пьезоизлу кителем 4 на частоте .Если освещающийфронтом ультразвуков3ответствующий нулевому порядку дифракциц; и отклоненный пучок 6, соотвествующий первому порядку дифракцци. Угол отклонения пучка б от псрвоцачального направления пучка 1 0=2 ср;= где С скорость ультразвука в среде модулятора 2,- частота ультразвуковой волны.Чем выгцс частота ультразвуковой вол 11, тем болыще пространственное разделение пуч - ков О и 1-го порядков дифракций. Практически достижимые часготы у,.1 иразвука 30 - 60 мгц для жидкостных модустрсц ц дс 1000 мгц для твердотельных.В зависимости ст знака угла падения сг освещающего пучка ца ультразвукогую волну возможны две схемы брэгговсксй дифракции, При положительном угле падении рл отклоценныц пучок также составляет положительный угол с фронтом акустической волны и 51 вл 51 ес плюс 1-ьм цср 51,к 1 л дифракции.Г 1 ри отрицательном угле падения Ч отклоненный пучок составляет отрицательный угол с фронтом акустической волны и представляет собой минус 1-ый порядок дифракцци.Оптические частоты в плюс 1-см и минус 1 ом дифракционных порядках смещены относительно оптической частоты в нулевом порядке на плюси минуссоответственно, т. е. на величину частоты ультразвука.Пучок света одночастотного стабилизированного лазера 7 при помощи зеркал 8 и 9 разделяется на два пучка О и 11 (фиг. 2). Пучок света 10, являощийся сигнальным, отражаясь от подвижной призмы 12, освещает акустооптический модулятор 13. В последнем пьезоизлучателем 14 от генератора 15 возбуждается бегущая ультразвуковая волна на частотеи поглощается поглотителем 1 б. В результате дифракции на ультразвуке пучок 10 на выходе акустооптцческого модулятора 13 расщепляется па два: пучок света 17, соответствующий нулевому порядку дифракции, и пучок 18, соответствующий минус 1-ому порядку дифракции.Пучок света 11, являющийся опорным, отражаясь от неподвижной призмы 19, освещает акустооптический модулятор 20. В последем пьезоизлучателем 21 от генератора 22 возбуждается бегущая ультразвуковая волна на частоте 1. и поглощаетс 1 поглотителем 23. В результате дифракции ца ультразвуке пучок 11 ца выходе акустооптического модулятора 20 расщепляется ца два: пучок света 24, соответствующий нулевому порядку дифракции, и пучок 25, соответствующии минус 1 - сму порядку дифр акции.Модуляторы 13 и 20 расположены 1 ак, что пучки 18 и 25 в пространстве за одуяоро., 20 совмещаются, причем пучок 1 Я (частично) проходит через модулятор 20 без отклонений, так как в этом случае сн падает ца модулятор 20 под углом Брэгга. Поле иггсрференцци совпадающих пучков 18 и 25 восприцимаегси 5 тс 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 4фотоприемником 26, ФооприехИик 26 работаст в режиме фотосмещеция и, так как оптические частоты ицтерферирующих пучков 18 и 25 различы, выделяет ца своем выходе гармонический электрический сигнал, частота которого равна разности оптических частот интерферирующих пучков 18 и 25.Иптерферируощие пучки пространственно совмещены, поэтому выдерживаются условия для эффективного фотосмещеция (совмещение волновых фронтов цнтерферирующих пучков).Б ицтерферснцисццом поле на фотоприемнике 26 содержится переменная составляющая, частота которой равна разности оптических частот ицтерферирующих пучков 18 и 25, а фаза изменяется пропорционально изменению оптической длины 1 При перемещении призмы 12 цафаза переменной составляю 2и:ей изменяется на 360. Устанавливая за фотоприемником 26 цзбиралельшяй усилитель, настроенный ца частоту (1. - 1), можно выделить гармонический электрический сигнал, фаза которого соответствует перемещению призмы 12.В качестве опорного электрического сигнала используется выделенный фильтром 27 сигнал с частотой ( - 1) на выходе смесителя 28,Пучок света одночастотного лазера 7 при помощи зеркал 8 и 9 разделяется на два пучка: сигнальный 10 и опорный 11 (фиг. 3),Сигнальный пучок 10 проходит акустооптический модулятор 13 и, отражаясь от подвижного зеркала 29, связанного с измеряемым перемещением, проходит через модулятор 13 в том же месте звукового поля и создает дифракционный пучок 18, являющийся минус 1-ым порядком с оптической частотой (у - ), где 1 - частота генератора 15,Опорный пучок света 11 проходит акустооптический модулятор 20 и, отражаясь от неподвижного зеркала 30, проходит через модулятор 20 в том же месте звукового поля. При этом возникает дифракциоцный пучок 25, являющийся минус 1-ым порядком дифракции с оптической частотой (7 в ), где- частота генератора 22. Пучки 18 и 25, как и на фиг. 2, совмсцепы в пространстве, причем пучок сзета 18 проходит, це отклоняясь, модулятор 20. Фотоприемцик 26, установленный в поле интерференции лучей 18 и 25, выделяет гармонический электрический сигнал с частотой ( - ,), фаза которого пропорциональна измеряемому перемещецио.Сигнальный пучок света 10, проходя модулятор 13 в прюом направлении, также подвергается дифракцци. В этом случае возникает пучок света 31, соответствующий плюс 1-ому порядку дифракцпи с оптической частотой (у+).Оцорньщй пучок 11, падая ца модулятор 20, также создает дифракциопцый пучок 32 плюс 1-го порядка, цо с частотой (у+1).399722 1 цй лая 3 сн ок Так как падающие и отраженные лучи сигнального и опорного пучков соответственно совмещены и проходят в одном и том же месте звукового поля, то пучки света, соответствующие порядкам дифракции плюс 1-ого и минус 1-ого порядков, лежат на одной оси и имеют противоположные направления, При этом совмещены пучки 18 и 25 минус 1-ых порядков дифракции и пучки 31 и 32 плюс 1-ых порядков.Фотоприемник 33, установленный в поле интерференции лучей 31 и 32, выделяет гармонический электрический сигнал с частотой ( - ). Фаза этого сигнала постоянна, так как разность хода между интерферирующими пучками 31 и 32 неизменна во времени.Сигнал фотоприемника 33 используется в качестве опорного при измерении фазы сигнала фотоприемника 26.Получение опорного электрического сигнала методом оптического гетер один ирования дифракционных максимумов, т. е, тем же способом, что и измерительного электрического сигнала, является преимуществом, так как позволяет существенно повысить стабильность фазометрических измерений.Это обусловлено тем, что при этом способе фазовые нестабильности световых волн, связанные с прохождением через акустооптический модулятор и воздушную среду, одинаково влияют на опорный и измерительный сигналы и при их фазовом сравнении взаимно 5 компенсируются. Предмет изобретения 10 Интерференционный способ измерения величины линейных и угловых перемещений, заключающийся в том, что монохроматическое излучение направляют на ультразвуковой светомодулятор, регистрируют результаты интер ференции полученных на выходе светомодулятора потоков дифракции и по параметрам регистрации судят о величине перемещения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, из монохроматического 20 излучения предварительно выделяют второйпоток оптическим элементом, воздействуют этим потоком на второй ультразвуковой светомодулятор, который возбуждают на частоте, отличной от частоты возбуждения перво го ультразвукового светомодулятора, и регистрируют результаты интерференции потоков дифракции первого и второго светомодуляторов.399722 о ста вптель А. Духанинвред Л. Богданова Изд.42И Государственного комитета по делам изобретений Москва, )К, Раушска 1 одписгк Заказ 22 Тираж г 55овета Министров Соткрытийаб., д. 4/5 Н 1 пография, пр. Сапунова,актор Т. Шагова орректоры: А. Николаева и Л, Корогод