Интерференционный способ измерения линейных и угловых перемещений зеркальных элементов

Союз Советскик Социалистическими Респубпик(61) Дополнительное (22) Заявлено 20037 авт. свид-ву - (21) 2592752/ ки Но 17 М. Кл.О 01 В 9/02 С 01 Р 3/36 рисоединением зая осударственный комитет СССР по делам изобретений н открытий(54) ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИ И УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИИ ЗЕРКАЛЬНЫХ НЕЙНЫХЕМ ЕНТО Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения величин линейныхи угловых перемещений объектов с зеркальными элементами, например в метрологии, виброиэмерительной технике,а также при создании систем автома"ического управления механическимиобъектами высокой точности.Известен одночастотный способ.измерения перемещения, заключающийсяв разделении луча когерентного источника на два световых компонента,фотосмешении этих ксмпонентов послеотражения от зеркальных поверхностейинтерферометра, относительное перемещение которых измеряется, Фотоэлектрическом преобразовании образовавшейся одночастотной интерференционной картины и измерении фазы сигнала интерференции, проводимом реверсивным счетом одночастотных полос интерференции 1,Недостаток способано невысокая точностьмещения вследствие дрепостоянных составляющисоотношения сигналов фНаиболее близок прчастотный способ иэмер и угловых перемещений, заключающийсяв разделении по поляризации двух световых ксмпонентов двухчастотного источника разной оптической частоты,их фотосмешении после отражения отзеркальных элементов интерферометра,относительное перемещение которыхизмеряется, получении опорного и измерительного электрических сигналовпри Фотоэлектрическом преобразованииизлучения соответственно от источника света и интерференционной картины,полученной в результате указанного.Фотосмешения, и измерении Фазы иэме 15 рительного сигнала относительно опорного путем реверсивного счета импульсных последовательностей, соответствующих упомянутым сигналам, покоторому судят об измеряемом переме 20 шенин (2,Недостатком двухчастотного способа является относительно малый допустймый диапазон скоростей перемещения, ограниченный тем, что измерение перемещений возможно только прискоростях, соответствующих относительной модуляции частотно-модулированного измерительного сигналадС кчщ тттт ( 6(, где д 1= -- допплеровскаяаъ Л- относит ель -измерения перейфа амплитудх и фазовогоот опри емник ов,едлагаемому двухения линейных осковский ордена Трудового Красного Знамени инженерно-Физический институтдевиация частоты, (Ч - скорость перемещения механического объекта, К - целое число, определяемое схемой интерферометра, Л - длина волны одного из частотных компонентов днухчастотного источника); й опорная частота, т.е. скорость ограничена величиной Ч:" К Цель изобретения - расширение диа - 10 паэона скоростей перемещения в область высоких скоростей при сохранении точности измерения перемещения,Укаэанная цель достигается тач, что преобразуют в дополнительный электрический сигнал интерференционную картину, сдвинутую на я 4 по пространственной фазе по отношению к упомянутой интерференционной картине, определяют фазовое соотношение дополнительного и измерительного сигналов и при изменении знака укаэанного фазового соотношения направляют амплитудную последовательность измерительного сигнала на суммирование с импульсной последовательностью25 опорного с последующим интегрально накоплением полученной суммы, по которому судят о величине относительного перемещения названных зеркальных элементов. 30Измерение перемещен и я с оглас но предлагаемому способу производится следующим образом.Одним иэ известных способов разделяют по поляризации дна световыхкомпонента днухчастотного источника разной оптической частоты, получают интерференционную картину в результате фотосмещения их после отражения 40 от зеркальных элементов, относительное перемещение которых измеряется, извлекают опорный, измерительный и дополнительный электрические сигналы при фотоэлектрическом преобразовании излучения соответственно от источника света, указанной интерференционной картины и интерференционной картины, сдвинутой на Уа по пространственной фазе по отношению к указанной интерференционной картине, далее измеряют фазу измерительного сигнала относительно опорного путем вычитания и последующего интегрального накопления импульсных последовательностей, соответствующих упомянутым сигналам, когда девиация частоты измерительного сигнала меньше частоты опорного. Момент превышения девиации частоты измерительногосигнала 11 = в 1 п 27(Г -Е)1 над 60 величиной частоты опорного сигнала определяется по знаку фазового соотношения измерительного сигналаи дополнительного (квадратурногосдвинутого на четверть периода) :иг нала о .ьп 2 п(Ф-ьд П 15 и ( -дФ 03 СМнадратурный сигнал Оью 2 Я -а -отстает по фазе на -х от измерительного О,.вил ал (Ф -д 1)1( а при Ю -д(сО(1 -И)2=- фьюо7 Сквадратурный ц вп 2 т (-дф- - ,ц (.27+ ( оЩопережает измерительный сигнало,:зп арф;аЕ)1. зпфс+як(-1,+ь 1)3 на ХПри иэменении знака фазового соотношения между дополнительным и иэмерительньи сигналами направляютимпульсную последовательность измерительного сигнала на суммированиес импульсной последовательностьюопорного сигнала с последующим интегральньи получением суммы, по которой судят о величине относительного перемещения названных зеркальных элементов, Таким образом, придевиации частоты измерительногоьГсигнала- 1 (когда (Е -лЕ =йо+дй)состоянце реверсивного запоминающего устройства Я определяется не интегральной разностью частот измерительного и опорного сигналов, аих суммой, т.е.Фб 11 -)сМ + 3 сИ =(- ь)дАоФоФ,о о ои соответствует перемещению объектах (1);При реализации способа измеренияперемещения частота опорного сигнала Йо может быть выбрана произ -вольной, в частности такой, при которой погрешность фазовых измеренийбудет минимальной. При этом диапазонскоростей перемещения, посколькуон уже не определяется велчиной частоты опорного сигнала, может бытьпроизвольным, т,е. широким,На фиг. 1 изображена схема интерферометра для реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 - временные диаграммы сигналов электроннойсхемы при девиациях допплеровскойчастоты н окрестности +Го.Прибор представляет собой интерферометр Майкельсона с днухчастотньиисточником 1 и содержит полупрозрачное зеркало 2, четнертьнолнонуюпластину 3, полупрозрачное зеркало 4,неподвижный отражатель 5 и поднижныйотражатель б, связанный с механическим объектсм, поляризационные фильтры7, 8 и диафрагмы фотоприемников 9,10. Схема электронной обработки сигналон нключает фотоприемник 11 опорного сигнала (7 о, фотоприемник 12 измерительного сигнала П, фотоприемник 13 сдвинутого на четверть периодасигнала з, формирователя прямоугольных сигналов 14, 15, 16, осущестнля 721667вшие клиппирование входных сигналовс Фотоприемников, Формирователи 17,18 счетных импульсов на положительный перепад клиппированных сигналов,блок управления коммутацией 19, состояние выходного сигнала которогоопределяется фаэоным соотношениемвходных сигналов (либо + - , либо-- ), блок суммирования импульс ных9 Гпоследовательностей 20, исключающийпотерю импульса при совпадении входных сигналов, электронный коммутатор21 на два направления, реверсивныйсчетчик 22,Вход фотоприемника 11 через последовательно соединенные формирователи 14 и 17 соединен с одним иэвходов схемы суммирования 20, второй вход которой соединен с однимиз выходов коммутатора 21. Выход фотоприемника 12 через последовательносоединенные формирователи 15 и 18соединен с управляемым входом электронного коммутатора 21, управляющийвход которого соединен с выходом блока управления 19. Один из входон блока управления 19 соединен с выходомформиронателя 16, вход которого соединен с выходом фотоприемника 13.Выход схемы суммирования 20 и второйвыход коммутатора 21 соединены совходами реверсивного счетчика 22.Устройство работает следующимобразом.Световое излучение двухчастотноголазера с частотой у левоциркулярнойформы поляризации и частотой 9 правоциркулярной формы поляризации разделяется полупрозрачным зеркалом 2на дна пучка - опорный, которыйпопадает на Фотоприемник 11, на выходе которого выделяется опорныйэлектрический сигнал йпгтс(1 -),)=вю 2 тс Е,и измерительный, который после четвертьволновой пластины Э становится комбинацией двух линейно-поляризованных компонентовс частотами у и у ориентирован 2ных ортогонально друг относительнодруга, и разделяется полупрозрачнымзеркалом 4 на дна направления: первый - к отражателю 5 и второй - кподвижному отражателю 6.Поляриэационные фильтры 7 и 8ориентированы так, что в первом плече интерферометра (с отражателем 5)присутствует только компонент с час -тотой . 1 а во нтором плече (с отражателем 6) - только компонент счастотой ) . После фэтосмешения нагквадратичном фотоприемнике 12 выг ляется сигналО Вп 2 тс ( - 9 - д Е 15 а 27 с ( - а Фгде ь Е - девиация частоты, обусловленная изменением разности хода 0 интерферирующих лучей н результате движения механического объекта, ЬЕ= 1 Д В области небольших скоростей перемещения, когда л ТАЕЙ, перемещение механического объекта, вызывающее разность фаэ измериеельного Ц и опорного Б сигналов опрсделяется состоянием реверсивного счетчика 22, на инверсные входы которого поступают сформированные импульсные сигналы после схем 14, 17 и 15, 18 соответственно, т.е. поступление сигналов происходит как в известнсм способе. Чтобы не происходило неверное накопление импульсных сигналов с 10сИизмерительного канала в области скоростей, когда лйй, т.е. щ1 (интервал времени 1 1,на фиг.2), поступление ймпульсной иэмедО ,рительной последовательности одА на положительный вход ренерсивного запоминающего устройства прек раша- ется и производится суммирование этой последовательности с опорной импульсной последовательностью, которая поступает на вычитающий вход реверсивного запоминающего устройства. С учетом этого при девиации частоты л 1 измерительного сигнала, большей по величине частоты опорного (Г - лГ) = -й +лй, состояние реверсивного запоминающего устройства1 э=,Е; 1(сИ. )Е,с-(Е,-; лЕ)ж: - " чс о о о о соотнетстнует перемещению объекта,В схеме обработки электрическихсигналов (фиг,1) коммутатор 21 преры -вает поступление импульсных сигналон 40д с)0ц измерительного канала к сумми -с 1рующему входу счетчика 22 и направ.ляет их к схеме 20 для суммированияс импульсной последовательностьюопорного канала . Для определениямомента, когда девиация частоты иэ -мерительного сигнала будет больше Хо,производится выделение дополнительного сдвинутого на четверть периода по отношению к измерительному И электрического сигнала размещениемдополнительного фотоприемника 13в поле укаэанной интерференционнойкартины. Величина сдвига т/2 междуэлектрическими сигналами обеспечи вается ориентировкой диафрагмы 9и 10. Полученный в результате преобразования сигнал (, з)й(гтс(1 .оЕ)- -отстает по фазе на 7/2 от сигналаБ (см.фиг.2, временные диаграммыБи П для времени (.и Е)Е )гпри й -ьй 0, а при й - 10 (интервал времени.;, и 1,) сигналО = ЭюгЯЕо-ЬЕ) г 1:ЭцДЛгя ( Е 1)1опережает сигнал О,=8 ц 2 тс(Ф -ьС)1. во 2 я(- ьф+ х 1 на к/2 По результатам измерения фазового соотношения сигналов О, и П (в интервале времени Ф) на фиг.2) происходит изменение выходного сигна- з ла блока управления 19, который управляет схемой 21, подключающей измерительную последовательность импульсов ко вноду схемы 20.доТем самым осуществляется поступление и опорных и измерительных импульсных последовательностей к вычитающему входу реверсивного счетчика 22формула изобретения Интерференционный способ измерения линейных и угловых перемещений зеркальных элементов, заключающийся в разделениипо поляризации двух 20 ксмпонентов и источника света разной оптической частоты, получении интерференционной картины в результате наложения этих компонентов после отражения от зеркальных элементов, преобразовании излучения от источника счета и от интерференционной карины соответственно в опорный и иэмерительный электрическце сигналы,из которых фо 1 мируют опорную и измерительную последовательности импульсов и получении разности числаимпульсов этих последовательностей,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,с целью расширения диапазона скоростей измеряемого перемещения в .область высоких скоростей при сохранении точности измерения перемещения, полученную интерференционнуюкартину сдвигают по пространственной фазе на "/а,преобразуют в дополнительный электрический сигнал,определяют фазовое соотношение междудополнительньм и измерительным сигналами и при изменении знака укаэанного фазового соотношения суммируют число импульсов измерительнойпоследовательности с числом импульсов опорной, а по результату суммирования судят о величине относительного перемещения зеркальныхэлементов .Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Патент ВеликобританииР 1292902, С 01 В 9/02, 1972.2. Патент США Р 3656853,6 01 В 9/02, 1972 (прототип) .721 бб 7 Выход блока а ( ИИ 3 Г Составитель Ю. Власоведактор А. Кравченко Техред С. Мигай Коррек Веселовска акаэ 117/32 Ти аж 801 Подписноемитета СССРоткрытийкая наб., д, 4 ил роектная, 4 Выходблока ЫРю)Выходблока 15(Оку) Счетные импульсы иэюерительнэГо сиГнал блока .18) Р ЦНИИПИ Государственногок по делам изобретений.и 13035, Москва, Ж, Рауш