Способ измерения линейных перемещений и устройство для его осуществления

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ 1(56) Авторское свидетельство СССР й 173177, кл. С 01 В 11/00, 1985. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является увеличение информативности за счет одновременного измерения составляющих перемещения по трем коордиР 2 натам. В качестве информативного сйгнала используется волна излучения со сферическим фазовым фронтом, формируемая точечным источником 1 когерентного излучения, связанным с контролируемым объектом. Устройство реализует обработку информативного сигнала на основе критерия максимального правдоподобия, что позволяет получить оптимальную оценку составляющих перемещения при параксиальном приближении волны излучения согласно соотношениям, приведенным в тексте описания. Весовые коэффициенты С,СС яаляются постоянными величинами, не зависящими от входных сигналов, т.е, информативный сигнал является Фазовымф1522028 10 и его амплитуда не зависит от оцениваемых параметров, которые в этом случае существенно неэнергетические, что позволяет определить весовые коэффициентыСС заранее. По 5 ток излучения от точечного источника 1 когерентного излучения делится оптическим делителем 3 на три пучка равной амплитуды. Фазовый транспа" рант 2 амплитудные транспаранты 7 и 8 и обусловленные ими оптические 4связи реализуют производные от информативного сигнала, линза 9 реализует пространственное интегрирование. Нормирующие усилители позволяют учесть весовые коэффициенты С, СС, при обработке информативного сигнала, преобразованного в электрический Фотоприемниками 10,11,12. Сумматоры 25, 26 и 27 и обусловленные ими связи позволяют смоделировать алгоритм оЬ- работки, 2 с.п. Ф-лы, 1 ил.Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений в производстве различных обьектов.1Цель изобретения - увеличение инФормативности за счет одновременногоизмерения составляющих перемещения потрем координатам.На чертеже представлена функциональная схема устройства, реализующего способ,Устройство, реализующее способ,содержит точечный источник 1 когерентЗОного излучения (ИКИ), связанный сконтролируемым объектом, установленные по ходу излучения Фазовый трансХопорант 2 с пропусканием ехр -ЗК( - Х+ З2 о+ - У) , частично отражающие поворот 2 оные зеркала 3 и 4 и полностью отражающее поворотное зеркало 5 развернутые относительно направления излучения на углы соответственно 8 6, 6,амплитудный транспорант 6 с пропусканием вдоль координаты Х по закону РХи амплитудный транспорант 7 с пропусканием вдоль координаты У по закону45РУ, установленные по ходу потоковизлучения, отраженных от поворотныхзеркал 3 и .4 (первый и второй пучкиизлучения соответственно), фокусирующую линзу 8, установленную в поперечном сечении первого и второго пучковпотока излучения, отраженного от поворотного зеркала 5 (третьего пучка),три фотоприемника 9-11, установлен"ные в плоскости регистрации так, чтона их фоточувствительных поверхностяхФокусируются первый, второй и третийпучки излучения, три предварительныхусилителя 12 - 14, соединенные последовательно с фотоприемниками 9 - 11 и имеющие передаточную характеристику, пропорциональную корню квадратному из величины входного сигнала, девять усилителей 15 - 23 взвешивания с передаточными характеристиками,пропорциональными весовым коэффициентам С; , при этом входы первых трех усилителей 15 - 17 взвешивания соединены с выходом предварительного усилителя 12, входы вторых трех усилителей 18, 19 и 20 взвешивания - с выходом предварительного усилителя 13, а входы третьих трех усилителей 21 - 23 взвешивания - с выходом предварительного усилителя 14, три трехвходовых сумматора 24 - 26 и три нормирующих усилителя 27 - 29, соединенные последовательно с сумматорами 24 - 26, при этом выходы усилителей 15, 18 и 21 взвешивания соединены с входами первого сумматора 24, выходы усилителей 16, 19 и 22 взвешивания - с входами второго сумматора 25, выходы усилителей 17, 20 и 23 взвешивания - с входами третьего сумматора 26, а выходы нормирующих усилителей 27, 28 и 29 являются выходами устройства.СпосоЬ измерения заключается в следующем.Формируют с помощью источника излучения, связанного с контролируемым объектомт волну излучения со сферическим Фазовым Фронтом. Выполняют. пространственную Фазовую модуляцию волны. Разделяют в пространство модулированную по фазе волну на три пучка равной амплитуды. Иодулируют по амплитуде первый пучок вдоль координаты Х по закону РХ, второй пучок - вдоль координаты У по зако(9) 50 аЛ, =А,е Вс, (й) Ех) ну Р 1(.фокусируют каждый пучок в плоскость регистрации. Преобразуют каждый пучок в электрический сигнал.Величину перемещения вдоль координат определяют из соотношений:БТ фгАХщ 1) (С,ХСхТ-С)С(Х,Т,2) х2 Ко офо-) (; - ,)Хо Мах ейХ(1 х, (3) 27лдлина волны;спектральная плотность шума; координаты нацального положения источника излучения;,С- постоянные коэффициенты, независимые от входного сигнала;ХУЕ - координаты плоскостей обработки входного сигнала;К Кг - стороны прямоугольника усреднения вдоль координат Х и У соответственно;Р - коэффициент пропорциональности.Способ синтезирован на основе кри" терия максимального правдоподобия, согласно которому при аппроксимации входного сигнала У(Х,УЕ) как аддитивной смеси детерминированного сигнала и белого шума, оценка может быть получена из соотношения: где ДЛ. - -я сост вляющая вектора ( оценки дЛ размерностью и;) С(Т)Б(х)ЙХЙТ) (6) ф Сэлементы информационной матрицы А;элементы обратной информационной матрицы;- 1-я составляющая информа"Стивного вектора Л .Для волны со сферическим Фазовымфронтом в параксиальном приближении Для такого сигнала могут быть определены оценки трех информативных составляющих Х., т). и Е. Поскольку информативный сигнал является чисто фазовым, т,е. амплитуда его не зависит отоцениваемых параметров, то коэффициенты А;С являются величинами лостоянными (поскольку в этом случае параметры существенно неэнергетические).,и, следовательно, могут быть рассчитаны заранее.-1 оОбозначив элементы А Е = й,е и уциг1тывая, цто (о; =(, согласно соотноше" ний (1) и (6) для сигнала (8) получим соотношения (1), (2) и (3), причемС Х гЕоСэ 1 6)э ЕогУо 2 ЕгСэо -фэ Хо+гЛоОсуществление операции пространст" венной Фазовой модуляции обусловлена необходимостью перемножения информативного сигнала Б(Р) в производнойот информативного сигнала 8(г), согласно оптимальному алгоритму (6).Амплитудная модуляция первого пучка вдоль координаты Х по закону РХ необходима для реализации производ 5 ной от сигнала (8).З(г,)=1 Е К - ехр 1-КАХ+ - У), (1 О)где множитель перед экспонентной про"10 порционален координате Х, а Р - нормирующий коэффициент пропорциональности, показывающий, что для пассивных пространственных транспорантов, произведение РХ не может превышать 1. 15Операция амплитудной мсдуляции второго пучка вдоль координаты У по закону РУ аналогична по назначению предыдущей операции.Операция Фокусирования каждого 20 пучка в плоскость регистрации после фазовой и амплитудной модуляции эквивалентна операции пространственного интегрирования в соотношениях (1), (2) и (3) и необходима для реализации 25 этих интегралов.Операция определения величины перемещения после преобразования оптического сигнала в электрический осуществляется формированием оптимальных ЗО оценок д Х,4 У, д Е, согласно соотношениям (1), (2), (3) соответственно путем взвешенного суммирования трех инФормативных составляющих для каждой оценки. 35Таким образом, способ реализуется последовательным выполнением следующих операций:Формирование источником излучения, связанным с контролируемым объ 40 ектом, волны со сферическим фазовым фронтом - такая волна является наиболее простой и несет информацию о всех трех координатах источника;,2, Осуществление в плоскости обра 45 ботки Фазовой модуляции по законуХо 1 Оехр -1 К( - Х+ - У) ,Эта операция позвоо оляет выделить разность пространствен ного изменения фазы, возникающего при смешении источника относительно начальной точки с координатами ХУоф3. Разделение в пространстве моду лированной волны на три пучка. Как следует из оптимальных алгоритмов (1), (2), (3), каждая составляющая оценки содержит три слагаемых, различие между которыми состоит только в пространственной амплитудной модуляции;4. Иодулирование по амплитуде первого и второго пучков; соответственно,вдоль координат Х и Т по законам РХи РУ, Данная операция позволяет сформировать соответственно первое и второе слагаемые. в алгоритмах (1), (2),(3) и является подготовительной перединтегрированием;5. Фокусирование каждого пучка вплоскость регистрации.Эта операцияэквивалентна пространственному интег"рированию;6. Преобразование оптического сигнала в электрический;7. Определение величины перемещения.Как следует из соотношений (1),(2), (3) для получения оптимальнойоценки достаточно осуществить взвешивание пространственных составляющихс весами и просуммировать результатывзвешивания.Устройство работает следующим образом,ИКИ 1 формирует волну со сферическим Фазовым фронтом, которая, приходяна Фазовый транспорант 2, модулируется по фазе и направляется на разделитель пучков, образованный зеркалами3, 4 и 5. Углы наклона зеркал 8 6,6 выбираются так, чтобы первый, второй и третий пучки имели сдвиг попространственной частоте. Первый пучок модулируется транспорантом 6 поамплитуде вдоль оси Х, которая параллельна оптической оси устройства,по закону РХ. Второй пучок модулиру, ется по амплитуде транспорантом 7вдоль оси У по закону РУ. Третий пучок не модулируют по амплитуде, Всеоперации амплитудной пространственной модуляции соответствуют слагаемымпо интегралам в соотношениях (1),(2) и (3). Линза 8 реализует пространственный интеграл над входнымисигналами, которые преобразуются вэлектрический сигнал. Фотоприемниками9, 10 и 11. Пространственный разноспучков в Фокусе линзы 8 получают путем соответствующего выбора углов6 6, ез поворота зеркал 3, 4 и 5.Усилители 12, 13 и 14 Формируют сигнал, пропорциональный корню квадратному из входного сигнала соответствующего фотоприемника 9, 1 О и 11.Последнее связано с тем, что сигнало о на выходе Фотоприемника пропорционален квадрату оптического поля наего входе. Усилители 15 - 23 взвешивания учитывают весовые коэффициенты С; . Число усилителей 15 - 235взвешивания равно числу коэффициентов С; в соотношениях (1), (2),(2), (3). Сумматор 24 формирует сумму (1), сумматор 25 - сумму (2), асумматор 26 - сумму (3). Усилители27, 28 и 29 учитывают постоянныйкоэфФициент 2К 15Ь Е,Формула изобретения 1. Способ измерения линейных пере мещений, при котором Формируют источником излучения, связанным с объектом, волну излучения со сферическим Фазовым Фронтом, разделяют ее в пространстве на три пучка равной амплитуды, определяют величину перемещения, о т л и ч а а щ и й с я тем, что, с целью увеличения информативности за счет одновременного измерения составляющих перемещения по трем ко" 30 ординатам, после Формирования волны излучения со. сферическим базовымФронтом выполняют пространственную Фазовую модуляцию по закону1Хо У 135 ехр р К( - ,Х+;-У), после разделенияо оволны на три пучка модулируют по амплитуде первый пучок вдоль координаты Х по закону РХ, второй пучок - вдоль координаты У по закону РУ, Фскусиру 40 ют каждый пучок в плоскость регистрации, осуществляют преобразование каждого пучка в электрический сигнал, вдоль координат Х, У, Е определяют соответственно из соотнбшений(СХ+С,У-С)ЯХ,У,Е) х длина волны,спектральная плотность шума; координаты начального положения источника излучения;,С- постоянные коэффициенты, независимые от входного сигнал Б(Х,У,Е);Х,У,Е - координаты плоскостей обработки входного сигнала; КР. - стороны прямоугольника усреднения вдоль координат Х и Усоответственно;Р - коэффициент пропорциональности.2. Устройство для измерения линейных перемещений, содержащее источник когерентного излучения, оптический делитель, установленный по ходу излучения, и три Фотоприемника, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения технологических возможно" стей за счет одновременного измерения составляющих перемещения по трем координатам, оно снабжено фазовым транспорантом с пропусканием пс закону о Хоехр -3 К( в , Х+ У) , установленным по Ео Ео ходу излучения между источником когерентного излучения, который выполйен точечным и связан с контролируемым, объектом, и оптическим делителем, выполненным в виде первого и второго, частично отражающих, и третьего, полностью отражающего, зеркал, установленных по ходу излучения под углом к его направлению, первым и вторым амплитудными транспорантами с пропусканием соответственно вдоль координаты Х пс закону РХ и вдоль координаты У по закону РУ, установленными соот" ветственно по ходу пучков излучения, отраженных от первого и второго зеркал оптического делителя, линзой, ус" тановленной по ходу пучков излучения, отраженных от трех зеркал оптического делителя за амплитудными транспорантами, при этом первый, второй и тре-. тий фотоприемники установлены в фо, кальной плоскости линзы и оптически сопряжены соответственно с пучками излучения, отраженными от первого,Составитель О.СмирновРедактор Л.Пчолинская Техред М.Ходанич Корректор Л.Патайе е в е еев виве евв ее еев вв в 1 Заказ 6918/37 Тираж 683 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раущская наб., д. 1/5Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101 11 152202 второго и третьего зеркал оптического делителя, тремя преобразующими усилителями, коэффициент передачи каждого иэ которых пропорционален корню квадратному из амплитуды входного сигнала, а входы соединены соответственно с выходами первого, второго и .третьего фотоприемников, девятью нормирующими усилителями, входы первого, вто рого и третьего из которых соединены с выходом первого преобразующего усилителя, .входы четвертогопятого и шестого - с выходом второго преобразующего усилителя, а входы седьмого, восьмого и девятого " с выходом треть 8 12его преобразующего усилителя, тремятрехвходовыми,сумматорами, входы первого из которых соединены соответственно с выходами первого, четвертогои седьмого нормирующих усилителей,входы второго - соответственно с вы"ходами второго, пятого и восьмогонормирующих усилителей, а входытретьего - соответственно с выходамитретьего, шестого и девятого нормирующих усилителей, и тремя выходными усилителями, входы которых соединены соответственно с выходами первого,второго и третьего сумматоров, а выходы являются выходами устройства,