Интерференционный измеритель перемещений

Союз СаеетскикСоциалистическихРеспублик ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(22 Заявлено 29.01. 81 (21) 3241892/18-28с присоединением заявки Мо(23) ПриоритетОпубликовано 231082. Бкзллетень йо 39 ш 96863 5 РРМ К з С 01 В. 21/00 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(0888) Дата опубликования описания 23, 10. 82 71) Заявител 54) ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПЕРЕМЕ ого иэ канал ов подключе оприемнику который подка вход эле подключен к вход каждтки сиги в схек со- выючен три- выходу си св 2 Изобретение относится к оптической интерферометрии и может быть использовано для измерения малых угловых колебаний и крутизны амплитудной характеристики ульт" развуковых и электроакустических преобразователей, в частности оптических Фазовых модуляторов с пьезоэлектрическим, электромагнитным, электродинамическим, магнитострикционным и т.д. приводом.По основному авт. св. 9 877325 известен интерференционный измеритель перемещений содержащий источник излучения, установленную по ходу светового луча интерференционнуюстему, включающую в себя зеркало,яэываемое с исследуемым объектом, две диафрагмы и два фотоприемника, схему обработки сигналов, состоящую нэ двух идентичных каналов, содержащих соединенные последовательно избирательный усилитель, детектор, триггер Цмидта и дифференцирующий блок, генератор, отсчетный блок, соединенные последовательно триггер, блок формирования импульсов запрета, генератор пилообразного напряжения и электрический модулятор, предназначенный для подключения к исследуемому объекту, о ыы обрабо ал н ответствующему фот а ход " к триггерул к отсчетному блоку к ческого модуляторагенератора 1 ).Недостатокизвестного устройства заключается в низких Функциональных возможностях, так .как с его помощью нельзя производить измерение крутизны амплитудной характеристики испытуемого преобразователя путем измерения линейных перемещений отражателя.Целью Изобретения является расширение функциональных возможностей интерференционного измерителя перемещений.Поставленная цель достигается тем, что интерференционный измеритель перемещений снабжен соединенными последовательно сумматором, вторым триггером и вторым отсчетным блоком, второй вход второго триггера подключен к выходу блока формирователя импульсов запрета, а каждый из входов сумматора ". к выходу соответствующего канала схемы обработки сигналов.На Фиг. 1 представлена схема интерференционного измерителя переме"щений; на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений.Предлагаемый интерференционный измеритель перемещений состоит из источника 1 излучения, установленного по ходу светового луча интерференционной 5 системы 2, включающий в себя оптически связанные отражатель 3, первый оптический телескопический узел, составленный из длиннофокусного и короткофокусного объективов 4 и 5,полу 10 прозрачное зеркало б, второй оптический телескопический узел составлены из короткофокусного и длиннофокусного объективов 7 и 8, третий оптический телескопическими узел, составленный и 15 из короткофокусного и длиннофокусного объективов 9 и 10 и зеркала 11,связываемого с исследуемым объек" . том 12, двух фотоприемников 13 и 14, установленных на выходе интерферен" 20 ционной системы 2, двух диафрагм 15 и 16 соответственно, и схемы обработки сигналов содержащей два избирательных усилителей 17 и 18, два детектора 19 и 20, триггеры 21 и 22 Шмидта и два дифференцирующих блока 23 и 24, дифференцирующие блоки 23 и 24 подключены к первому и второму входам триггера 25, выход которого соединен со входом отсчетного блока 26, соединенные последовательно сумматор 27 триггера 28 и отсчетный блок 29, входы сумматора 27, соединены с выходами дифференцирующих блоков 23 и 24 к третьему входу триггера 25 и к второму входу триггера 28 подключен выход блока 30 формирования Импульса запрета, вход которого соединен с выходом генератора 31 пилообразного напряжения, второй выход которого подключен к входу электрического модулятора 32, другой вход электрического модулятора 32 соединен с выходом генератора 33 модулирующей частоты, а выход - с исследуемым объектом 12, угловые колеба 45 ния и крутизна амплитудной характе- ристики которого измеряются.Интерференционный измеритель перемещений работает следующим образом.Поток излучения от источника 1 делится на два потока с помощью полупрозрачного зеркала 6. Полученные таким образом два потока излучения направляются в оптические телескопические системы, состоящие из объективов 4, 5 и 9, 10 соответственно. Каждая из этих телескопических систем расширяет падающие на них потоки. излучения и направляет их на 60 отражатели 3 и 1, связываемые с ис- следуемым объектом 12. Оптическая телескопическая система, содержащая объективы 9 и 10 расширяет поток излучения таким образом, чтобы он 65 освещал всю поверхность отражателя 11 или достаточно большой ее участок, что необходимо для обеспечения требуемой точности измерения углавых колебаний этой поверхности. Оптическая телескопическая система содержащая объективы 4 и 5 по своим параметрам аналогична системе содержащей объективы 9 и 10 и используется для выравнивания аберрационных искажений волновых фронтов обоих потоков излучения, После отражения от отражателей 3 и 11 разделенные потоки излучения возвращаются в телескопические системы, содержащие объективы 4, 5 и 9, 10 соответственно, после прохождения через которые они сужаются до первоначального азмера в поперечном сечении и совмемещаются в полупрозрачном зеркале б. Совмещенные потоки излучения направляются зеркалом 6 в третью оптическую телескопическую систему, содержа-щую объективы 7 и 8,которая расширяет их до тех же размеров,которые они имеют в плоскости отражателей 3 и 11. В интерференционной системе 2 измерителя перемещений, таким образом, применены три телескопические системы, чем обеспечивается устранение влияния отражения от второй поверхности полупрозрачного зеркала на точность измерений.Интерференционная система 2 юстируется таким образом, чтобы в плоскости точечных диафрагм 15 и 16 образовалась интерференционная картина в виде колец полосы равного наклона ), При этом центральный максимум освещенности в интерференционной картине должен занимать практически все поле интерференции. Настройка интерференционной системы производится при отсутствии модулирующего сигнала на выходе электрического модулятора 31.Генератор 32 модулирующей частоты вырабатывает электрическое напряжение гармонической формы с той частотой, на которой испытывается исследуемый объект 12, используемый совместно с отражателем 11 в качестве интерференционного модулятора. Напряжение с выхода генератора 32 подаетсяна электрический модулятор 31, на второй вход которого подается сигнал от генератора 30 пилообразного напряжения. На выходе электрического модулятора 31, имеет место гармоническое напряжение, модулированное по амплитуде по пилообразному закону, которое подается далее,на исследуемый объект 12, осуществляющий совместно с отражателем 11 модуляцию разности фаз потоков излучения, интерферирующих в плоскости диафрагм 15 и 16 (фиг.2 а).С помощью диафрагм 15 и 16 и фотоприемников 13 и 14 осуществляетсятношение 20Ц. Ц 1 (ЦЯбпвбс (Й) где О, - амплитудный множитель,определяемый чувствительностью Фотоприемника икоэффициентом усиления избирательного усилителя,Г Ю- - функция Бесселя первого рода первого порядка отР ецаргумента 43 - в ,С 1- КИмодщ амплитуда колебаний от 1 ражателя 11, связанногос испытуеьым объектом12, изменяющаяся вовремени в соответствиис законом изменения аьдтлитуды напряжения иа выходе электрического модулятора 31 (Фиг.2 а)40К ,крутизна амплитудной характеристики исследуемогоЪпреобразователя,11 мод 1 ф 1 амплитуда напряжения навыходе электрического45модулятора 31 1(фиг.2 а),- длина волны излученияисточника 1;ьо - частота модуляции.. 50Как известно, при определенных значениях аргумента, отличных от нуля., функция Бесселя обращается в,нуль причем при постоянной 1 укаэанное значение определяется только величи- "55 ной 1(с) что позволяет определять ее с высокой степенью точности,На выходе каждого из избирательных усилителей 17 и 18 имеет место сигнал вида И ). В случае строго поступательных движений отражателя 11 и идентичности фотоприемников 13 и 14, диафрагм 15 и 16 и избирательных усилителей 17 и 18, а также 65 преобразование изменений интенсивностив интенференционной картине в элект.рический сигнал. Сигналы с выходовфотоприемников 13 н 14 поступают навходы избирательных усилителей 17 и18, настроенных на частоту сигнала, 5вырабатываемого генератором модулирующей частоты 32. В соответствии спринципом работы двухлучевого интерФерометра, при модуляции разностифаз интерференцирующих лучей по гар 10моническому закону, амплитуда первойгармоники модулирующей частоты навыходе избирательного усилителявключенного после фотоприемника инастроенного на частоту модуляции, 5пропорциональна функции Бесселя первого рода первого порядка, т.е. длясигнала на выходе избирательногоусилителя можно записать следующеесоо одинаковом, расположении диафрагм15 и 16 относительно интерференционных полос, эти сигналы будут полностью идентичны. При неидентичности фотоприемников 13 и 14, диафрагм15 и 16 и усилителей 17 и 21 сигналыбудут отличаться только амплитудами О .При наличии угловых колеба".ний отражателя 11 амплитудыего1линейных (вдоль оптической оси ) перемещений в различных точках колеблющейся поверхностй будут различны.Это приведет к тому, что амплитудысигналов на выходе избирательныхусилителей 17 и 18 будут обращатьсяв нуль в различные моменты времени.При этом, чем меньше крутизна амплитудной характеристики исследуемогопреобразователя 12, тем через больший промежуток времени от начала нарастания амплитуды модулирующего сигнала на выходе электрического модулятора 31 по пилообразному законусигналы на выходах избирательныхусилителей 17 и 18 и обратятся в нуль,и чем больше амплитуда угловых коле"баний отражателя 11, тем больший промежуток времени будет разделять моменты равенства нулю амплитуд сигналов на выходах избирательных усилителей 17 и 18. Таким образом, указанны 1 з промежутки времени служат меройкрутизны амплитудной характеристикьи амплитуды угловых колебаний отражателя 11 исслсдуемого преобразователя 12 соответственно. С выходовизбирательных усилителей 17 и 18сигналы поступают на детекторы 19,и 2 И соответственно.(фиг. 2 б и 2 в.С выхода детекторов 19 и 20 сигналыпоступают на входы триггеров 21 и 22Шмидта, которые осуществляют формирование напряжений прямоугольной фор"мы в соответствии (фиг. 2 г и 2 д).,После дифференцирования этих напряжений с помощью дифференцирующихблоков 23 и 24 получаем короткиеимпульсы, соответствующие моментамвремени, в которые амплитуды сигналов на выходах избирательных усилителей. 17 и 18 равны нулю. Эти импульсы подаются далее на входысумматора 27, а с его выхода наодин из раздельных входов триггера 28. На другой вход триггера 28подается сигнал с выхода блока ЗИформирования импульсов запрета,соответствующий обратному ходу пилообразного напряжения фиг. 2 ж).Таким образом, с началом нарас"тания напряжения на выходе электрического модулятора 32 по пилообразному закону триггер 28 устанавливается в одно из устойчивых состояний; а при равенстве нулю одного изсигналов на выходах избирательных усилителей 17 или 18 переводится в другое устойчивое состояние, т.е. иа968615 образного напряжения и исключающийсрабатывание триггера 25 во времяобратного хода пилообразного напряжения (фиг. 2 ад). Таким образом,.на выходе триггера 25 Формируется им 5 пульс, длительность которого пропорциональна угловому отклонению отражателя 11, связанного с исследуемымобъектом 12 (Фиг. 2 е ),Длительностьэтого импульса измеряется при помощи10 отсчетного блока 26, в качестве которого также Может быть испбльзованцифровой измеритель интервалов времени.,Величина углового отклоненияотражателя 11 связана с измереннойотсчетным блоком 26 длительностьюимпульса следующим соотношением. где ) - коэФФициент увеличения оптической системы, состоящей иэоптических телескопическихсистем, содержащих объективЫ9 и 10 и 7 и 8;- расстояние между центра точечных диафрагм 13 и 14,й;, - длительность импульса, изме"ренная отсчетным блоком 26величиныК,(Уме 1 т те же, что иГ .мме увцв выражении (2),Таким образом, за счет использования соединенных последовательносумматора, триггера и отсчетного блока и их подключения, наряду с измерением угловых колебаний исследуемого преобразователя, можно производить измерение крутизны его амплитудной характеристики, которая является одним из основных параметровпреобразователей, При этом, для измерения крутизны используется то,что равенство нулю первой гармоникимодулирующего сигнала, на выходе избирательного усилителя, подключенногок Фотоприемнику имеет место при вполне определенной величине амплитудылинейных перемещений преобразователяоднозначно связанной с длиной волныоптического излучателя. Тем самымобеспечивается крайне малое влияниена результаты измерений различных т(2) где А - длина волны источникаизлучения 1 25- первый корень функции Бессе ля первого рода первогопорядка;)м; максимальное значение амплитуды модулирующего напряжения на выходе электрического модулятща 32;- длительность прямого ходапилообразного напряжения,подаваемого на электрический модулятор 32 с генератора 31 пилообразного напряжения1измеренная отсчетным блоком 29 длительность импульса на выходе триггера 4028 (фиг, 2 з).В соответствии с формулой (2)отсчетный блок 29 может быть проградуирован непосредственно в единицах измеряемой величины, т.е. крутизна 45 .амплитудной. характеристики преобразователя.С выхода дифференцирующих блоков23 и 24 сигналы, соответствующие моментам равенства нулю выходных сигналов избирательных усилителей 17 и 18, поступают так же на входы триггера 25, который первым иэ приходящих сигналов устанавливается в одно состояние, а вторым - возвращается в исходное. В.качестве триггера 25 может быть использован триггер с двумя счетными входами и с входной логикой, обеспечивающей отсутствие срабатывания триггера 25 при одновременном поступлении сигналов на его входы. На триггер 25 подается также сигнал с выхода блока 30 Формирования импульсов запрета, соответствующий обратному ходу пилообразного напряжения генератора 31 пило 55 Формула изобретения б 5 выходе триггера 28 Формируется импульс напряжения, начало которогосовпадает с началом нарастания модулирующего напряжения на выходе электрического модулятора 32 по пилообразному закону, а окончание - смоментом равенства нулю одного изсигналов на выходах избирательныхусилителей 17 или 18,или обоих од"новременно (Фиг. 2 з) . Полученныйимпульс измеряется с помощью отсчетного блока 29, в качестве которогоможет быть использован например,цифровой измеритель временных интервалов. Измеренное значение длительности импульса на выходе триггера.28 связано с крутизной амплитудной характеристики К исследуемогопреобразователя следующим соотношением дестабилизирующих Факторов, такихкак посторонние вибрации и т.п.,что позволяет производить измерениекрутизны амплитудных характеристикпреобразователей с высокой точностью,следовательно, расширить Функциональные возможности устройства Интерференционный измеритель перемещений по авт. св. М 877325, о т л ич а ю щ и и с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, он снабжен соединеннымипоследовательно сумматором,вторым триггером и вторымотсчетнымблоком, второй вход второго триггера подключен к выходу блока формирования импульсов эапрета, а каж.дый иэ входов сумматора - к выходу соответствуюцего канала схемы обработки сигналов.Источники информации, принятые во внимание при экспертизе1 Авторское свидетельство СССР 9 877325 кл. 6 01 В 21/00, 1980 прототип).лиал ППП "Патент", г. Ужгород, Ул. Проектна акаэ 8143/67., Тираж 614 ВНИИПИ Государственно по делам иэобретени 113035,.Москва, Ж, коми от ушск