Устройство для измерения перемещений

СООЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН ИС 01 В 21/00 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРРЫТ(56) Авторское свидетельство СССРФ 362468, кл. Н 03 К 13/20, 1971.Авторское свидетельство СССРФ 991153, кл. С 01 В 11/00, 1981.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ(57) Устройство для измерения перемещений может быть использовано для высокоточного измерения перемещений различных объектов. Целью изобретения является повышение точности измерения за счет уменьшения влиянияизменения постоянных составляющихв сигналах, снимаемых с фотоприемников. Источник 1 монохроматическогоизлучений направляет на интерферометр поток излучения. При сканировании опорной и измерительной интерференционных картин относительно.ЯО 1237908 А 1 фотоприемников 10 и 11 с помощью блока 9 сканирования, управляемого генератором 23 пилообразного напряжения,на фотоприемниках 10 и 11 формируются сигналы. Формирователи 12 и 15формируют прямоугольные сигналы.Блоки 18, 19, 20 и 21 формируют короткие импульсные сигналы по передним и задним фронтам. Блок 24 измеряет временной интервал между передними фронтами сигналов, формируемыхформирователями 12 и 15, а блок 34 -между задними фронтами, Полусуммавременных интервалов, преобразованная в цифровой код, вычисляется сумматором 35. Блок 36 измеряет временной интервал, соответствующий периоду опорных сигналов, снимаемых сФотоприемника 10, Блок 37 делениявычисляет отношение цифровых кодов, соответствующих смещению двухинтерференционных картин друг относительно, друга, отнесенное к периодуопорной интерференционной картины. 4 ил.510 15 20 25 30 35 40 45 50 55 12Изобретение относится к измерительной технике и может быть исполь.зовано в высокоточных измерителях линейных перемещений,Целью изобретения является повышение точности измерения путем уменьшения влияния изменения постоянных составляющих в сигналах, снимаемых с фотоприемников.На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на Фиг. 2 - оптическая схема интерферометра;на фиг. 3 - функциональная схема блока измерения временного интервала; на Фиг. 4 - временные диаграммы сигналов на выходе отдельных блоков.Устройство содержит оптически связанные источник 1 монохроматического излучения, интерферометр 2 с измерительным и опорным каналами, состоящий (фиг. 2) из полупрозрачных светоделительных пластин 3, 4, 5, зеркала 6, установленного в опорном канале, зеркала 7, установленного в измерительном канале и скрепленного с объектом, сканирующее зеркало 8, блок 9 сканирования со сканирующим зеркалом 8, фотоприемники 10, 11, установленные в плоскости формирования опорной и измерительной интерференционных картин, Формирователь 12, состоящий из дифференцирующей цепочки 13, вход которой подключен к фотоприемнику 10, нуль-орган 14, вход которого подключен к выходу дифференцирующей цепочки 13, Формирователь 15, состоящий из дифференцирующей цепочки 16, вход которой подключен к фотоприемнику 11, нуль-орган 17, вход которого подключен к выходу дифференцирующей цепочки 16, блоки 18, 19 выделения переднего и заднего фронтов опорного сигнала, входы которых подключены к выходу нуль-органа 14, блоки 20, 21 выделения переднего и заднего фронтов измерительного сигнала, входы которых подключены к выходу нуль-органа 17, генератор 22, генератор 23 пилообразного напряжения выход которого соединен с блоком 9 сканирования, первый блок 24 измерения временного интервала, состоящий 1,фиг. 3) из триггера 25, вход С которого подключен к выходу блока 18 выделения переднего фронта опорного сигнала, триггера 26, вход С которого подключен к выходу блока 20 выделения переднего фронта измерительного сигна-,37908 2,ла, вход 0 триггера 26 подключен к прямому выходу триггера 25, элемента И 27 входы которого подключенык прямому выходу триггера 25, инверсному выходу триггера 26 и генератору 22 последовательно соединенныхинвертора 28, дифференцирующей цепи 29, инвертора 30, вход инвертора28 подключен к инверсному входу триггера 26, триггер 31, прямой выходкоторого соединен с К-входаму триггеров 25, 26, компаратор 32, первыйвход которого подключен к выходу генератора 23 пилообразного напряжения, а выход соединен с входом Стриггера 31, источник 33 опорного напряжения, выход которого соединен свторым входом компаратора 32, второйблок 34 измерения временного интервала, первый, второй, третий и четвертый входы которого подключены соответственно к выходам блока 19 выделения заднего фронта опорного сигнала, блока 21 выделения заднего фронта измерительного сигнала, генератору 22 и генератору 23 пилообразного напряжения, сумматор 35, входыкоторого подключены к выходам первого и второго блоков 24, 34 измерения временного интервала, блок 36 измерения периода, первый, второй итретий входы которого подключены со -ответственно к выходу блока 18 выделения переднего фронта опорного сигнала, генератору 22, генератору 23пилообразного напряжения. Устройство работает следующимобразом,Монохроматический поток излучения,формируемый источником 1 монохроматического излучения, направляетсяна светоделительную пластину 3, входящую в интерферометр 2, делящуюпоток излучения на два пучка света. Первый пучок света падает на светоделительную пластину 4 и разделяется на два пучка, Пучок света, прошедший светоделительную пластину 4, отражается от зеркала 6 и в обратном ходе падает на светоделительную пластину 4, Пучок света, отраженный от. светоделительной пластины 4, отражается от зеркала 8, связанного с блоком 9 сканирования, и в обратном ходе падает на светоделительную пластину 4, на которой формируется опорная интерференционная картина, пре123 7908ными блоками 18, 20 выделения передних фронтов в последовательность им 3образуемая фотоприемником 10 в электрический сигнал опорного канала.Второй пучок света, полученныйпри отражении от светоделительнойпластины 3, падает на светоделительную пластину 5 и разделяется на двапучка. Отраженные от зеркала 7,связанного с объектом, и зеркала 8пучки света в обратном ходе падаютна светоделительную пластину 5, на 0которой формируется измерительнаяинтерференционная картина, преобразуемая фотоприемником 11 в электрический сигнал измерительного канала.Генератор 23 пилообразного напряжения формирует сигнал пилообразнойформы, поступающий на блок 9 сканирования, осуществляющий перемещениезеркала 8.При перемещении зеркала 8 на20выходе фотоприемников 10, 11 формируется изменяющийся по амплитудесигнал, состоящий из постоянной переменной составляющих,Сдвиг фаз переменных составляющих 25электрических сигналов измерительного и опорного каналов одна относительно другой несет информацию о смещении интерференционных картин в измерительном и опорном каналах интерферометра 2 одна относительно другой,т,е. о величине перемещения объекта.Электрические сигналы, снимаемыес фотоприемников 1 О, 11, дифференцируются дифференцирующими цепочками3513, 16, входящих в рормирователи12, 15.Сигналы, снимаемые с дифференцирующих цепочек 13, 16, формируютсяв прямоугольные сигналы нуль-орга 40нами 14, 17.Прямоугольный сигнал, снимаемый снуль-органа 14, поступает на входыблоков 18, 19 выделения переднегои заднего фронтов, формирующих перед.ние импульсы по переднему и заднемуфронтам сигнала, поступающего снуль-органа 14.1 Прямоугольный сигнал, снимаемый с нуль-органа 17, поступает на входы 50 блоков 20, 21 выделения переднего и заднего фронтов, формирующих короткие импульсы по переднему и заднему фронтам сигнала, поступающего с нуль-органа 17. 55Блок 24 измерения временного интервала преобразует временной интервал С между импульсами, сформированпульсов, число импульсов которыхпропорциональна временному интервалуИмпульсный сигнал, поступающий сгенератора 23 пилообразного напряжения в начале сканирования интерференционной картины, поступает напервый вход компаратора 32, на второйвход которого поступает опорное напряжение с источника 33 опорного напряжения.После окончания переходных процессов компаратор 32 формирует импульсы, преобразующие триггер 31, формирующий на прямом выходе сигнал Логическая 1", поступающий на входы Йтриггеров 25, 26.Импульсный сигнал, формируемыйблоком 18 выделения переднего фронта,перебрасывает триггер 25, формирующийна прямом выходе сигнал Логическая 1", поступающий на логическийэлемент И 27, на который также поступают сигнал "Логическая 1" с инверсного выхода триггера 26 и импульсыс генератора 22. На выходе логического элемента И 27 Формируется импульсная последовательность, поступающая на сумматор 35,Импульсный сигнал, формируемый блоком 20 выделения переднего фронта, перебрасывает триггер 26, на 0-вход которого поступает сигнал "Логическая 1" с прямого выхода триггера 25. На инверсном выходе триггера 26 формируется сигнал "Логический 0", запирающий логический элемент И 27. Сигнал "Логический 0" инвертируется инвертором 28, дифференцируется дифференцирующей цепью 29, инвертируется инвертором 30 и поступает на вход Й триггера 3 1, перебрасывая его. На прямом выходе триггера 31 формируется сигнал "Логический 0", сбрасывающий триггеры 25, 26. На этом цикл преобразования блока 24 измерения временного интервала заканчивается,Аналогично работает блок 34 измерения временного интервала, осуществляющий преобразование временного интервала й между импульсами, сформированными блоками 19, 21 выделения задних фронтов в последовательность импульсов, поступающую в сумматор 35.5 1239Сумматор 35 формирует цифровой код, величина которого ранна полу- сумме числа импульсов, поступающих на его входы, и связана с пространственным положением интерференцион 5 ной полосы измерительного канала относительно пространственного положения интерференционной полосы опорного канала.Величина кода, формируемого сум матором 35, в малой степени зависит от изменения начальной Фазы смещения интерференционных полос, приводящего к изменению величины постоянной составляющей и изменению длительностей импульсов, снимаемых с выходов Формирователей 12, 15. При изменении начальной фазы смещения интерференционных полос длительность одного из сигналов, формируемых, например, 20 формирователем 14, возрастает, в то время как длительность сигнала, формируемого формирователем 15, убывает, а полусумма временных интервалов между передними и задними фронтами 25 остается неизменной,Цифровой код с выхода сумматора 35 поступает на вход "Делитель" блока 36 деления.Период между импульсами опорного канала, формируемого блоком 18 выделения переднего фронта, преобразуется блоком 36 измерения периода в цифровой код, поступающий на вход "Делитель" блока 37 деления.Блок 37 деления осуществляет деление цифрового кода, поступающего с сумматора 35, на цифровой код, поступающий с блока 36 измерения 40 периода. Результат деления пропорционален смещению интерференционной картины измерительного канала относительно интерференционной картины опорного канала, т.е. величина пере мещения объекта не зависит от скорости сканирования зеркала 8, входящего в интерферометр 2.Использование предлагаемого устройства позволяет повысить точность измерения за счет уменьшения влияния начальной фазы смещающихся интерференционных полос в сканирующих интерферометрах,08 Ьформула изобретенияУстройство для измерения перемещений, содержащее оптически связанные источник монохроматического излучения, интерферометр с измерительным и опорным каналами, сканирующее зеркало, установленное в измерительном и опорном каналах интерферометра, блок сканирования, связанный со сканирующим зеркалом, генератор пилообразного напряжения, подключенный к блоку сканирования, два фотоприемника, установленных в плоскостях формирования интерферечционных картин, два формирователя, входы которых подключены к Фотоприемникам, два блока выделения переднего фронтаопорного и измерительного сигналов, входы которых подключены к выходам формирователей, генератор импульсов, первый блок измерения временного интервала, первый, второй, третий и четвертый входы которого подключены соответственно к выходам двух блоков выделения переднего фронта опорного и измерительного сигналов, генератору импульсов и генератору пилообразного напряжения, блок измерения периода, первый, второй и третий входы которого подключены соответственно к выходам первого блока выделения переднего фронта опорного сигнала, генератору импульсов и генератору пилообразного напряжения, блок деления, вход "Делитель" которого подключен к выходу блока измерения периода, отличающееся тем, что, с целью повышения точностиизмерения, оно снабжено двумя блоками выделения заднего фронтаопорного и измерительного сигналов, входы которых подключень 1 к выходам формирователей, вторым блоком измерения временного интервала, первый, второй, третий и четвертый входы которого подключены соответственно к выходам блоков выделения заднего Фронта опсрного и измерительного сигналов, генератору импульсов и генератору пилообразного напряжения, сумматором, входы которого подключены к выходам первого и второго блоков измерения временного интервала, выход сумматора соединен с входом Делимое" блока деления.1237908 ектор О. Лугов Редактор Н. Швьдкая каз 3277/4 Подпис Тираж 6 ВНИИ 1 осударственного коелам изобретений и ква, Ж, Раушск/5 3035, Мос я наб.,Производственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул тная,ставител хред Л.О Т, Ай сийник тета крыт