Устройство для измерения перемещения объекта

(5)5 0 01 В 21/00 приборостроения тво СССРО, 1979,тво СССР00, 1988,ИЗМЕРЕН Е 00 0 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(57) Изобретение относитсяной технике, Целью изобретповышение производителдостигается тем, что в устрожа.цее лазер 1, коллиматор 2ский модулятор 3, уголковые5, 6, линзу 7, фотоприемникфазометр 17, блок 18 управлтор 15 высокой частоты, вветор 16 высокой частоты, клил,к измеритель- ения является ьности. Цель йство, содер- акустооптичеотражатели 4, 8, ключи 9, 10, ения, генерадены генераючи 13, 14, 23035 40 45 50 55 Изобоетение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения продольных и поперечных перемещений объекта,Известно устройство для измерения перемещений, содержащее лазер. акустооптический модулятор, плоскопараллельную пластинку, дифракционную решетку, два отражателя, фотоприемник. фазометр, генератор высокой частоты.Недостатком устройства являются ограниченные функциональные возможности, так как устройство не измеряет поперечных перемещений объекта,Наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения перемещений объекта, содержащее лазер, коллиматор, акустооптический модулятор, три триппель призмы, связанные с объектом, линзу, фотоприемник, два ключа, модулятор, генераторы низкой и высокой частот, фазометр, блок управления, индикатор. Недостатком устройства является низкая производительность, так как требуется предварительная юстировка устройства по поперечным координатам для определения продольной координаты.Целью изобретения является повышение производительности,Указанная цель достигается тем, что в устройство для измерения перемещений объекта. содержащее последовательно оптически соединенные лазер, коллиматор, акустооптический модулятор, отражатель, установленный на объекте и выполненный в виде трех уголковых отражателей, верхние грани которых ориентированы параллельно взаимно-перпендикулярными осями, линзу и фотоприемник, фазометр, блок преобразования частот, генератор низкой частоты, генератор высокой частоты, два ключа, блок управления и вычисления, фотоприемник, выход которого соединен с первым входом фазометра, второй вход которого объединен с первым входом блока преобразования частот и соединен с выходом генератора низкой частоты, первый генератор высокой частоты, выход блока преобразования частот соединен с первыми входами ключей, вторые входы которых соединены соответственно с первым и вторым управляющими выходами блока управления и вычисления, выходы ключей соединены с первым и вторым входами акустооптического модулятора, выходы фазометра соединены соответственно с первыми информационными входами блока управления и вычисления, первый и второй управляющие входы которого являются шинами "Запись" и "Пуск", информационные выходь 5 10 15 20 25 которого являются соответственно первой, второй и третьей выходными шинами, введены третий и четвертый ключи и второй генератор высокой частоты, причем выходы генераторов высокой частоты соединены соответственно с первыми входами третьего и четвертого ключей, вторые входы которых соединены соответственно со вторым и третьим управляющими выходами блока управления и вычисления, выходы третьего и четвертого ключей объединены и соединены со вторым входом блока преобразования частот, вторые и третьи информационные входы блока управления и вычисления являются соответственно первой и второй шинами задания частот.На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства, На фиг, 2 - блок-схема блока управления и вычисления.Устройство содержит оптически последовательно соединенные лазер 1, коллиматор 2, акустооптический модулятор 3, уголковые отражатели 4, 5, 6, установленные на объекте, линзу 7, фотоприемник 8, первый и второй входы акустооптического модулятора 3 соединены соответственно с выходами ключей 9, 10, первые входы которых соединены с выходами блока 11 преобразования частот, первый вход которого соединен с выходом генератора 12 низкой частоты, второй вход блока 11 соединен с выходами ключей 13, 14, первые входы которого соединены соответственно с выходами генераторов 15, 16 высокой частоты, выходы фотоприемника 8 и генератора 12 низкой частоты соединены соответственно с первым и вторым входами фазометра 17, выходы которого соединены соответственно с первыми информационными входами блока 18 управления и вычисления, первый и второй управляющие выходы которого соединены соответственно со вторыми входами ключей 9. 10, первый и второй управляющие входы блока 18 являются шинами "Запись" и "Пуск", вторые и третьи информационные входы - являются первой и второй шинами задания частот, первый, второй и третий информационные выходы которого являются соответственно первой, второй и третьей выходными шинами, третий и четвертый управляющие входы соединены соответственно со вторыми входамиключей 13, 14,Блок управления и вычисления содержит триггеры 19, 20, выходы которых являются первым и вторым выходами блока, генератор 21 импульсов, выход которого соединен с тактовым входом регистра 22 сдвига, элементы 23 24, 25,26 ИЛИ, регистры 27, 28, вычислитель 29, элемент 30 задержки,регистр 31, коммутаторы 32, 33, запоминающее устройство 34 и элемент 35 ИЛИ,Первый выход регистра 22 соединен с первым входом элемента 23, выход которого соединен с входом записи кода регистра 5 27, второй выход регистра 22 соединен с входом записи кода регистра 28 и является вторым управляющим выходом блока 18, первый управляющий выход которого через элемент 35 соединен с первым входом триг гера 19 и выходом элемента 23, третий выход регистра 22 соединен с входами передачи. кода регистров 27, 28, первым входом управления вычислителя 29 и через элемент 30 соединен с входом записи кода 15 регистра 31, четвертый выход регистра 22 соединен с первым входом элемента 24, выход которого соединен со вторым входом элемента 26, вторым входом управления вычислителя 29, входом передачи кода регист ра 31, входом управления коммутатора 33 и через элемент 26 - с входом передачи кода. регистра 27, пятый выход регистра 22 соединен с первым входом элемента 25, выход которого соединен с входами сброса реги стров 27, 28 и вторым входом триггера 19, шестой выход регистра 22 соединен с первым входом элемента 23 и первым входом триггера 20, седьмой выход регистра 22 соединен со вторым входом элемента 24, вось мой выход регистра 22 соединен с входами сброс регистров 22, 31, со вторыми входами элемента 25 и триггера 20, вход "Пуск" регистра 22 является вторым информационным входом блока 18, выходы триггеров 19 и 20 35 являются третьим и четвертым управляющими выходами блока 18 и соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами коммутатора 32, выходы регистров 27, 28, 31, первые и вторые выхо ды коммутатора 33 соединены соответственно с первыми, вторыми, третьими, четвертыми и пятыми информационными входами вычислителя 29. первые выходы которого соединены с информационными вхо дами регистра 31 и являются первыми информационными выходами блока 18, вторые выходы вычислителя 29 соединены с информационными входами коммутатора 32, первые и вторые выходы которого явля ются вторыми и третьими информационными выходами блока 18, информационные входы регистров 27. 28 являются первым информационным входом блока 18, первые и вторые информационные входы коммута тора соединены соответственно с первыми" - и вторыми выходами запоминающего устройства 34, вход управления которого является третьим управляющим входом блока, а первые и вторые информационные входы являются вторыми и третьими информационными входами блока.Акустооптический модулятор (АОМ) 3 может быть выполнен в виде кубического кристалла, на взаимно перпендикулярные грани которого нанесены пьезопреобразователи, к которым через ключи 9. 10 присоединен выход блока 11. Вершины отражателей 4, 6 ориентированы вдоль оси Х, а отражателя 5 - вдоль оси У, В результате при смещении объекта по Х отражатели 4, 6 сдвигают луч параллельно оси Х, а при смещении по У параллельно оси У.Рассмотрим работу устройства при подаче сигнала на первый вход АОМ 3, тогда дифрагированные на АОМ пучки будут ле-. жать в плоскости ХО 2. Если блок 11 выполняется в виде модулятора, то на АОМ 3 будет подан амплитудно-модулированный сигнал О = (1 + ГПСОЗ Вт) СОВ ОЪ 1 т = СОЗ Ве 1 1 + гп П 1+ - соз(гле 1 + в) 1 + СОЯ (о)е 1 вн) С,(1) где гп - глубина модуляции;ме 1, гс) - высокая и низкая частоты.Если блок 11 выполняется в виде смесителя. то на АОМ 3 можно подать напряжениядвух частот в,1 и ве 1+в При подаче наАОМ 3 амплитудно-модулированного сигнала в выходном сигнале. кроме первой гармоники, на фотоприемник 8 будет появлятьсявторая гармоника 2 вн, а при подаче толькодвух частот вторая гармоника будет отсутствовать.Поскольку амплитуда второй гармоники2пропорциональна - то в дальнейшем ее4можно не учитывать, Поэтому для упрощения математических выражений будем считать, что на АОМ 3 подаются дванапряжения с частотами оЪ 1 иве 1+оъ.При подаче на АОМ двух напряжений получим два дифрагированных пучка+ 1 порядка, ибо остальные порядки могут бытьотфильтрованы на щели фотоприемника 8.Тогда углы дифракции света будут равны:зп 0 е 1 = - , зп(Ое 1+0,) =Л 1 в 1,Юевл 1 е 1 А 1 н. и+ (2)где г,е - скорость звука в АОМ 3;Я - длина волны света,Полагая, что частота 1 н выбрана таким образом, что дифрагированные на АОМ пучкиинтерферируют между собой, фронт падающей на АОМ волны плоский и АОМ осуществляет неглубокую фазовую модуляцию.(3) где р 1 х = К Сх Он К Е О, Ов 1 - фаза сигнала;щх - ширина щели фотоприемника;Сх - смещение объекта по оси Х;12К =. - волновое число.При подаче на блок 11 другой высокой час- тОтЫ тв 2 ПОЛУЧИМ аНаЛОГИЧНО ПРЕДЫДУЩЕМУ следующее выражение для фазы сигнала;Щ = К С Он - К Е Он Ов 2 (4) Возьмем разность фаз этих двух сигналов:Лр = р 1 х р 2 х = К Он (Ов 2 Ов 1) 2. (5) Отседа видно, что Лр пропорциональна только продольным перемещениям объек 2 та,Для нахождения фазы. пропорциональной поперечным перемещениям объекта выразим Е из (5) и подставим в выракение 1:1 хТогда получим:1Рпопх = К Он Сх = Р 1 х + ЛР . (6)Л 1 где Лв = тв 1 тв 23Таким образом, подавая на блок 11 раз- НЫЕ ЧаСтстЫ 1 в 1 И 12 И ПРОИЗВОДЯ ВЫЧИСЛЕ- ния по выражениям (5) и (6). можно выделить информацию о продольных и поперечных перемещениях объекта, Подавая сигнал на 4 другой вход АОУ 3, можно получить аналогичные выражения для фазы при смещении объекта по оси У:Р 1 у - К Су О К 2. Он Ов 1 (7)02 у = К Су Он К Е Он О 24Лр = р 1 у - р 2 у - К Он (Ов 2 - О 1)(8) Сравнивая выражения (5) и (8), можно видеть, что они одинаковы, Следовательно. продольную координату достаточно вычислить только один раз, 5Из (7) получимГ 1Рпопу = К Он Су = Р 1 у + Л Р - (9)Л 1В соответствии с изложенным алгоритмом рассмотрим подробнее работу устрой ства, На блок 18 подается сигнал "Пуск". а результате чего импульсы генератора 21 начинают последовательно появляться на выходах регистра 22. Импульс с первого выхода регистра 22 через элемент 23 постуможно получить следующее выражение длясигнала на выходе фотоприемника при поДаЧЕ ЧаетстЫ Ьв 1: Сх и щх/2=ЭУ ВПСОЗ (ин 1- Рнх) .2 5 10 5 0 5 0 5 0 5 0 5 пает на ключ 13, триггер 19 и на вход записи кода регистра 27, В результате срабатывают ключ 13, триггер 19, на блок 11 подается напряжение частоты 1 в 1 с генератора 15 и на выходе блока 11 формируются сигналы трех или двух частот, которые поступают на первый вход АОМ 3, С выхода фотоприемника 8 сигнал, фаза которого равна 11 х, подается на фазометр 17, цифровой код с которого пропорциональный фазе р 1 х записывается в регистр 27. Далее импульс появляется на втором выходе регистра 22, включается ключ 14 и на блок 11 подается напряжение частоты 1 в 2 с генератора 16. Фазометр измерит фазу р 2 х, цифровое значение которой запишется в регистр 28, так как на вход записи кода которого подается импульс. Далее импульс появляетСя на третьем выходе регистра 22. Он поступает на входы передачи кода регистров 27, 28 и на первый вход управления вычислителя 29, В результате коды из регистров 27, 28 поступают в вычислитель 29, который вычисляет разность фаз по выражению 5 и соответствующий код появляется на первых выходах вычислителя 29. Этот код пропорционален продольным перемещениям объекта. Одновременно код записывается в регистр 31, так как на его вход записи через элемент 30 также поступает импульс. Задержка необходима на время проведения вычислений в вычислителе 29, Далее импульс с четвертого выхода регистра 22 через элементы 24. 26 поступает на входы передачи кода регистров 27, 31, на второй управляющий вход вычислителя 29 и на вход управления коммутатора 33, В запоминающем устройстве (ЗУ) 34 записаны ко- ДЫ ЧаСтОт Гв 1 И в 2 На ВЫХОДаХ ГЕНЕРатОРОВ 15, 16. которые могут быть измерены частотомером и по команде "запись" внесены в ЗУ 34,В результате в вычислитель 29 поступают коды с регистров 27, 31 и из ЗУ 34, Вычислитель вычисляет фазу, пропорциональную рпопкод которой через открытый по первому управляющему входу коммутатор 32 поступает на вторые информационные выходы устройства. В результате на втором и третьем информационных выходах устройства формируются коды о продольных и поперечных по оси Х перемещениях объекта, Далее происходит обнуление регистров 27 и 28 и измерения перемещений по оси У. Импульс с пятого выхода регистра 22 через элемент 25 поступает на входы "сброс" регис гров 27, 28 и триггер 19, В результате регистры 27, 28 обнуляются, а. триггер 19 сбрасывается и выключает ключ 10, Импульсы с шестого выхода регистра 22через элемент 23 поступают на вход записи кода регистра 27 и через элемент 35 на ключ 13, а также на триггер 20, который включает ключ 9 и сигнал с выхода блока 11 поступает на АОМ, Фазометр измерит фазу ру, которая запишется в регистр 27. Импульс с седьмого выхода регистра 22 через элементы 24 и 26 поступает на входы передачи кода регистров 27, 31 и на коммутатор 33, В результате коды из регистров 27. 31 и из ЗУ 34 поступают в вычислитель 29, который вычисляет фазу српопу. Так как на коммутатор 32 с триггера 20 поступает сигнал на второй вход управления, то выходы вычислителя 29 будут подключены к первым информационным выходам устройства, код на которых соответствует р,у. Импульс с восьмого выхода регистра 22 поступает на входы "сброс" регистров 27, 28, 31, на выключение триггера 20 и самого регистра 22, Результаты измерений с выходов устройства могут быть выведены на индикатор (на фиг, 1 не показан) или введены в ЭВМ для последующего использования.Полный цикл измерений закончился, Для проведения новых измерений нужно опять подать сигнал "Пуск". Таким образом, измерения производятся в автоматическом режиме и в отличие от прототипа не требуют каждый раз предварительной юстировки по поперечным координатам, что повышает производительность измерений.Формула изобретения Устройство для измерения перемещения объекта, содержащее последовательно установленные и оптически связанные лазер, коллиматор. акустооптический модулятор, отражатель, установленный на объекте и выполненный в виде трех уголковых отражателей, верхние грани которых ориентированы параллельно взаимно перпендикулярным осям. линзу и фотоприемни к. фазометр, блок и реобра зова ния частот, генератор низкой частоты, генератор высокой частоты, два ключа, блок управления и вычисления, выход фотоприемника соеди нен с первым входом фазометра, второйвход которого объединен с первым входом блока преобразования частот и соединен с выходом генератора низкой частоты, выход блока преобразования частот соединен с 10 первыми входами ключей, вторые входы которых соединены соответственно с первым и вторым управляющими выходами блока управления и вычисления, выходы ключей соединены соответственно с первым и вто рым входами акустооптического модулятора, выходы фазометра соединены соответственно с первыми информацйонными входами блока управления и вычисления, первый и второй управляющие входы 20 которого являются шинами "Запись и"Пуск", первые, вторые и третьи информационные выходы которого являются соответственно первой, второй и третьей выходными шинами, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с 25 целью повышения производительности, внего введены третий и четвертый ключи и второй генератор высокой частоты, блок управления и вычисления выполнен с третьим, четвертым управляющими выходами и вто рыми и третьими информационными входами, выходы генераторов высокой частоты соединены соответственно с первыми входами третьего и четвертого ключей, вторые входы которых соединены соответственно с 35 третьим, четвертым управляющими выходами блока управления и вычисления, выходы третьего и четвертого ключей объединены и соединены с вторым входом блока преобразования частот. вторые и третьи информа ционные входы блока управления ивычисления являются соответственно первой и второй шинами задания частот,Корректор Л,Фил Производственно-издательский комбинат "Патент", г. город, ул,Гагарина, 101 Заказ 3450 ВНИИПИ Го Тираж арственного комитет 113035, Москва, Подписноепо изобретениям и открытиям при ГКНТ СС35, Раушская наб., 4/5