Устройство для измерения перемещений объекта

Номер патента: 1716315

Автор: Ильин

ZIP архив

Текст

(5) 5 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Я К ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР(71) Институт электроники АН БССР(53) 531.715,27(088.8)56) Авторское свидетельство СССРМ 1603189, кл. 6 01 В 11/02, 1989.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕ М Е ЩЕ Н ИЙ ОБЪЕ КТА(57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для отсчета линейныхперемещений. Целью изобретения являетсяповышение точности измерения. Пучками,Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для отсчета линейных перемещений.Известно устройство для измерения перемещений, содержащее источник света, коллиматор, две прозрачные дифракционные решетки, одна из которых индикаторная, а другая измерительная, связанная с объектом, объектив, двухщелевую диафрагму, два фотоприемника, два усилителя и счетчик.Недостатком указанного устройства является низкая точность измерения, определяемая периодом решеток и погрешностями их изготовления.Известно устройство для оптической регистрации величины смещения дифракционной решетки, содержащее лазер, коллиматор, синусоидальную дифракционную решетку, зеркало, светоделительный кубик, фотоэлемент и счетчик. пересекающимися под углом а, формируют основную интерференционную картину с ценой полосы е 1, а пересекающимися под углом Р - дополнительную интерференционную картину с ценой полосы а, Р ) а, а е 2е 1. Двумя фотоприемниками считывают основную интерференционную картину, а третьим - дополнительную. Подсчитывают число полос основной картины. Дробную часть полосы. находят путем подсчета целых периодов дополнительной картины между моментом появления импульса "Старт/Стоп" и моментом нониусного совпадения. По полученным данным определяют величину перемещения объекта. 2 ил. Недостатком данного устройства является низкая точность измерения, определяемая погрешностями шага решетки, погрешностями из-за непрямолинейности движения решетки при ее неизбежных угловых перекосах.Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения перемещений объекта, содержащее расположенные последовательно и связанные оптической связью индикаторную дифракционную решетку, корректирующий элемент, включающий неподвижный и два подвижных узла, измерительную решетку, выполненную в виде волоконного растра, установленного в пересечении пучков в плоскости, параллельной плоскости решетки, объектив, двухщелевую диафрагму и два фотоприемника, счетчик, два усилителя, электрически связанные по входам с соответствующими фотоприемниками, а по выходам - со счетчиком.Известное устройство имеет недостаточную точность измерения, обусловленную невозможностью определениядробной части интерференционной полосы оптическими средствами. 5Цель изобретения - повышение точности измерения.Поставленная цель достигается тем,что устройство, содержащее источник света, расположенные по ходу его излучения 10волоконный растр и объектив, и два фотоприемника, снабжено светоделителем, установленным между источником света иволоконным растром, коллиматором,установленным между источником света и светоделителем, первой призмой,расположенной по пути прошедшегосветоделитель излучения, первым пьезокорректором, оптически связанным с первой призмой, первым зеркалом, оптически 20связанным с первой призмой и с волоконным растром, второй призмой, расположенной на пути одной части отраженногосветоделителем излучения, вторым пьезокорректором, оптически связанным с второй призмой, вторым зеркалом, оптическисвязанным с второй призмой и с волоконным растром, третьим зеркалом, расположенным на пути второй части отраженногосветоделителем излучения и оптически связанным с вОлоконным растром, и третьимфотоприемником, расположенным в плоскости изображения интерференционнойкартины, образующейся при пересеченииизлучения, прошедшего светоделитель, с 35второй частью отраженного светоделителем излучения, волоконный растр размещен на пересечении прошедшегосветоделитель излучения с двумя частямиотраженного светоделителем излучения, а в 40качестве источника света использован лазер,За счет введения новых элементов иоптических связей обеспечена трехпучковая схема освещения волоконного растра. 45Один пучок является опорным, а два другихнаправлены к нему под углами а ир, незначительно отличающимися друг от друга навеличину О, т.е. Р - а = О.В плоскости анализа формируются две 50интерференционные полосы (основная и дополнительная), сформированные соответственно пучками первой и второй, первой итретьей ветвей устройства. Ввиду того, чтоРа, цена интерференционных полос также будет различна и будет отличаться нанебольшую величину Л, характеризующуюдискретность отсчета перемещений:Л=й - ю, (1)где е 1 =Я/2 зп (а/2 ) и й =Я/2 Х х вп (ф/2 ).В процессе перемещения волоконного растра происходит периодическое нониусное совпадение текущих фаз интерференционных картин. В интервале между совпадениями дробная часть полосы находится путем подсчета целых периодов дополнительной интерференционной картины между моментом появления импульса старт/стоп (начало и конец измерения) и моментом нониусного совпадения, умноженным на разность Ь. Чем меньше разность Л, тем выше дискретность дробной части интерференционной полосы:(2) где Т 1 - временной интервал между одноименными точками в интерференционных картинах;Тг - временной интервал между моментом старт/стоп и текущим импульсом основной интерференционной картины;Й 2 - число периодов дополнительной интерференционной картины между моментом старт/стоп и моментом совпадения.Полная измеренная длина складывается из целого числа периодов основного интерферометра М,умноженного на цену полосы е 1, и двух дробных частей 11 и г,1 = М 1 е 1+ 1+ 2 (3) И - Иг= 1,(4) где М 1 = о/ я 1 и М 2 = Ы/ Е 2,и означает, что на некоторой длине Ы число импульсов с интерферометров (основного и дополнительного) отличается на единицу. Величина Ы может быть произвольно задана и определяется установленной дискретностью отсчета Л.Из выражения (4) найдем, что Если известен угол сходимости пучкова, то второй угол находится из выражения р = 2 агсз иЯп ( а/2 ) --. (6)А2 оИз выражения (3) видно, что точностьета величины перемещений определяУсловие нониусного сопряжения записывается какется погрешностью нахождения дробных величин 11 и 12. Очевидно, что если исключить из формулы (3) одну из дробных частей, то погрешность измерения ввиду случайного закона распределения умножится в 112 раз.Если исключить величину 12, возникающую в конце измерения с приходом импульса "Стоп", не представляется возможным, то исключить из результата измерения 1 можно путем синхронизации начала отсчета (" Старт" ) с началом интерференционной полосы основного интерферометра,Это достигается эа счет введения пьезокорректоров, обеспечивающих автоматическую синхронизацию обоих интерферометров в момент прихода импульса начала отсчета "Старт".На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства для измерения перемещений объекта на волоконном растре; на фиг. 2 - временная диаграмма, поясняющая способ определения дробной части интерференционной полосы и работу предлагаемого устройства.На фиг. 1 обозначены; 1 - лазер; 2 - коллиматор; 3 - светоделитель; 4 - первая призма; 5 - первый пьезокорректор; 6 - первое зеркало; 7 - вторая призма; 8 - второй пьезокорректор; 9 и 10 - второе и третье зеркала; 11 - волоконный растр; 12 - объектив; 13, 14 и 15 - первый, второй и третий фотоприемники; Яо - коллимированный пучок; Я 1 и Я 2 - соответственно прошедший и отраженный светоделителем пучки; Яз - пучок третьей ветви устройства; а и Р - углы соответственно между пучками первой и второй и первой и третьей ветвями устройства (0 =Р - а) .На фиг. 2 обозначены: 11 и 2 - импульсы, формируемые по каждому периоду обеих интерференционных картин; И - импульсы нониусного совпадения; Я/Я - импульсы "Старт/Стоп"; т 1 и т 2 - длительности, иллюстрирующие варианты взаимного временного состояния интерференционных картин и импульсов Я/Я,Устройство (фиг. 1) содержит следующие элементы, связанные оптической связью; лазер 1, коллиматор 2 и светоделитель 3, за которым в первой ветви установлены первая призма 4, первый пьезокорректор 5 и первое зеркало 6, Во второй ветви в отраженном от светоделителя пучке размещены вторая призма 7, второй пьезокорректор 8 и второе зеркало 9, а третье зеркало 10 установлено в третьей ветви устройства. Вторая и третья ветви образованы эа счет фронтального деления отраженного от светоделителя пучка 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 на два равных вторичных пучка, В точке пересечения оптических осей первой, второй и третьей ветвей размещен волоконный растр 11, за которым размещен объектив 12 и в плоскости изображения соответственно первой интерференционной картины первый и второй фотоприемники 13 и 14, а второй интерференционной картины - третий фотоприемник 15.Устройство работает следующим образом.С помощью лазера 1 и коллиматора 2 создается параллельный пучок света Яо, который делится светоделителем 3 по амплитуде на пучки Я 1, Я 2 и Яз. Пучок Я 1, пройдя призму 4, пьезокорректор 5 и зеркало 6, интерферирует с пучком Я 2, который проходит вторую призму 7, второй пьезокорректор 8 и второе зеркало 9, и с пучком Яз, отраженным от третьего зеркала 10, в плоскости волоконного растра 11. Пучки, пересекающиеся под углом а, формируют основную интерференционную картину с ценой полосы й, а пересекающиеся.под углом Р - дополнительную интерференционную картину с цЕной полосы а. Так как Р а, то а (еъ Например, при а= 7,26 и ф = 7,4 е 1= 5 мкм, а а = 4,9 мкм, следовательно, дискретность отсчета устройства Ь= 0,1 мкм,Увеличенные объективом 12 интерференционные картины считываются соответственно: основная - первым 13 и вторым 14 фотоприемниками, дополнительная - третьим фотоприемником 15.В общем случае фазовое соотношение обоих интерференционных периодов отлично от 0 О, поэтому перед началом измерения (движением волоконного растра, связанного с объектом, перемещение которого изме-. ряется) определяется абсолютная величина фазового сдвига Ь р и ее знак, Это достигается путем подачи на пьезокорректор 5 переменного напряжения с частотой 11 = 1 кГц и считывания обеих интерференционных полос, которые за счет изменения оптического хода пучка Я 1 в первой ветви приходят в возвратно-поступательное движение, П ьезокорректор 5 вызывает изменение оптической длины пучка Я 1 на 0,75 А. Фаза сигналов определяется по фототокам с фотоприемников 13 и 15, а знак - по очередности их прихода. После нахождения Ьр вырабатывается аналоговый сигнал в виде напряжения О, пропорционального Лр, которое подается на второй пьезокорректор 8, который изменяет оптическую длину пути пучка Я 2 и, сле10 15 25 30 35 40 45 50 55 довательно, уменьшает начальную разностьфаз до тех пор, пока Лр не станет равной 0 фПосле этого приходит команда "Старт" - начало измерения, волоконный растр 11 приходит в движение и осуществляется процесс измерения искомого перемещения объекта. Одновременно с командой "Старт" с пьезокорректора 5 снимается питающая частота б.В процессе измерения величины перемещения подсчитывается целое число полос И 1 основной интерференционной картины. Любое измерение длины или величины перемещения связано с фиксацией начала и окончания отсчета, которые в силу подчинения случайному закону могут попасть в любую точку периода интерференционной полосы, Так как начало отсчета синхронизировано с началом интерференционной полосы, необходимо найти только дробную часть периода по приходу команды "Стоп" - окончание процесса измерения, В этом случае определяются длительности т 1 и г 2 соответственно между последними соседними импульсами с основной и дополнительной интерференционных картин и между временем прихода последнего импульса с основной интерференционной картины и импульсом конца отсчета (" Стоп" ) (фиг. 2),Дробная частьнаходится из уравне- ния ф=Й 2 Ь, (7)йгде йг- число целых периодов дополнительной интерференционной картины, подсчитанных до момента нониусного совпадения,Общая измеренная длинас учетом формул (3) - (7) находится из выражения 1.=М 1 е 1+ - йг Л при у=0,21 Очевидно, что команда "Стоп" предназначена только для окончания подсчета числа й 1, движение же волоконного растра еще продолжается некоторое время до момента прихода импульса нониусного совпадения. Например, для приведенного случая при я 1 = 5 мкм и Ь= 0,1 мкм максимальная величина дополнительного перемещения составит еще 49 периодов интерференционной полосы или 49 А/2 =15,5 мкм, После этого сбрасывается напряжение с второго пьезокорректора 8, подается частота 11 на первый пьезокорректор и фаза вновь выводится на 0, после чего устройство готово для следующего измерения. Электронная схема обработки фотоэлектрических импульсов может состоять из стандартных усилителей фототока, компараторов, срабатывающих при переходе синусоидального сигнала через ноль, и ЦАП управления пьезокорректором, схемы совпадения (один элемент И), двоичных счетчиков (например, серии К 155 ИЕ 7) и измерителей длительностей.Волоконная решетка изготовлена на жесткой основе из одножильных световодов, имеющих диаметр 0,73 мм. В качестве источника света применен малогабаритный одномодовый лазер Л ГИА с Л=- 0,63 мкм. Коллиматор имеет коэффициент деления -0,5. Зеркала выполнены с внешним покрытием. В качестве объектива применена отрицательная линза диаметром -10 мм и 1 = 5 мм, в качестве фотоприемников - 20 фотодиоды типа ФД 256. Пьезокорректоры использованы серийные от лазера ЛГ. Заданные углы а и 3 выставлены путем соответствующего поворота зеркал. Эти параметры юстировочные.Таким образом, благодаря введению новых элементов и их связей, на одном волоконном растре получены две интерференционные картины с незначительно отличающейся ценой полосы, что позволяет, используя принцип нониусного сопряжения; с высокой точностью находить дробную часть интерференционной полосы. Пьезокорректоры обеспечивают автоматический поиск фазового сдвига интерференционных полос и синхронизацию с импульсом "Старт", что обеспечивает повышение точности за счет исключения ошибки, связанной с конечной величиной дискретности отсчета и равной одному счетному импульсу, Шаг нониуса Ь = е 1 - е 2 можно получить достаточно малым (0,1 - 0,01) мкм при цене интерференционной полосы 5 - 10 мкм, что не только снижает аппаратурные затраты при подсчете импульсов, так как, чем ниже цена, тем меньше счетных импульсов, особенно при измерениях больших длин, но и повышает виброустойчивость всей системы,Изобретение может найти широкое применение в машиностроении, метрологии и измерительной технике для высокоточных измерений линейных и криволинейных перемещений любой технически оправданной длины,Формула изобретения Устройство для измерения перемещений объекта, содержащее источник света, расположенные по ходу его излучения волоконный растр и обьектив и два фотоприемника, отл и ч а ю щ ее ся тем, что, с цельюповышения точности, оно снабжено свето- делителем, установленным между источником света и волоконным растром, коллиматором, установленным между источником света и светоделителем, первой призмой, расположенной на пути прошедшего светоделител ь излучения, первым пьезокоррехтором, оптически связанным с первой призмой, первым зеркалом, оптически связанным с первой призмой и с волоконным растром, второй призмой, расположенной на пути первой части отраженного светоделителем излучения, вторым пьезокорректором, оптически связанным с второй призмой, вторым зеркалом, оптически связанным с второй призмой и волоконным растром, третьим зеркалом, расположенным на пути второй части отраженного светоделителем излучения и оптически свя занным с волоконным растром, и третьимфотоприемником, расположенным в плоскости изображения интерференционной картины, образующейся при пересечении излучения, прошедшего светоделитель, с 10 второй частью отраженного светоделителемизлучения, волоконный растр размещен на пересечении прошедшего светоделитель излучения с двумя частями отраженного светоделителем излучения, а в качестве ис точника света использован лазер,1716315ФиГСоставитель В.Ильин Редактор А.Лежнина Техред М.Моргентал Корректор М.Демчи каз 603 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Смотреть

Заявка

4802354, 16.03.1980

ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ АН БССР

ИЛЬИН ВИКТОР НИКОЛАЕВИЧ

МПК / Метки

МПК: G01B 11/02

Метки: объекта, перемещений

Опубликовано: 28.02.1992

Код ссылки

<a href="https://patents.su/6-1716315-ustrojjstvo-dlya-izmereniya-peremeshhenijj-obekta.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентов СССР">Устройство для измерения перемещений объекта</a>

Похожие патенты