Интерференционное устройство для измерения перемещений (его варианты)

БРЕ ового я лаб тво ССС 1978. о СССР 1982 ГОСУДАРСтвЕННЫй Н 0 МИТЕТ СССПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНР ОПИСАНИЕК АВТОРСКОМУ СВИД(71) Центральная ордена ТруКрасного Знамени генетическратория нм. И.В Лнчурина(54) ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕИЕЩЕНИЙ (ЕГО ВАРИАНТЫ).(57) 1. Интерференционное устройство для измерения перемещений, содержащее основание и платформу, установленную на основании с возможностью поворота, оптически связанные источник монохроматического излучения, размещенные на платформе параллельно друг другу и оси ее поворота плоСкое зеркало и светорасщепитель, отражатель, скрепляемый с измеряеиюм объектом, первый отражатель, установленный на основании, и первый фотоприемник, образующие измерительный канал, второй отражатель, установленный на основании, и второй фотоприемник, образующие компенсационный канал, электромеханический преобразователь, связанный с платфомой и подключенный своим входом к выходу второго фотоприемника, и блок регистрации, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений, оно снабжено вторым светорасщепителем,расположенным на основании йездуисточником излучения и плоским зеркалом так, что плоскость главного сечения первого светорасщепителя составляет прямой угол с плоскостьюглавного сечения второго светораощепителя, датчиком нуля, вход которого подключен к выходу второго фотоприемника, и дифференциальньиусилителем, выход которого подклю.чен к входу блока регистрации, второй отражатель выполнен с двумя гранямн, образующими прямой угол, и усеченным плоскостью, перпендикулярнойк плоскости главного сечения второго отражателя, и ориентирован так,что плоскость его глазного сечения .параллельна плоскости главного сечения второго светорасщепителя, а грани второго отрааателя расолоаены норазные стороны общей плоскости главного сечения отражателя,скренлениогообъектом,и первого отрааателя,выходЫфотоприемников электрически связаныс входами дифференциального усилителя, а блок регистрации выполнен свторым входом, к которому подключенвыход датчика нуля,2, Интерференционное устройстводля измерения перемещений, содержащее основание и платформу, установленную на основании с возможностьюповорота, оптически связанные источник монохроматического излучения,размещенные на платформе параплельнодруг другу и оси ее поворота плоское зеркало и светорасщепитель,.отрамагель, скрепляемый с измеряемымиобъектом, первый отражатель, установленный на основании, и первый фотоприемник, образующие измерительный057772 ка 1. канал, второй отражатель, установленный на основании, и второй Фото- приемник, образующие компенсационный канал, электромеханический преобразователь, подключенный своим входом к выходу второго фотоприемни" ка, и блок регистрации, о т л и " ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повьппения точности измерений, оно снабжено второй платформой, установленной на основании между светорасщепителем и отражателями с возможностью поворота вокруг оси, параллельной оси поворота первой платформы, компенсатором оптической разности хода лучей измерительного и компенсационного каналов, помещенным на второй платформе, вторым светорасщепителем, расположенным на основании между источником излучения и плоским зеркалом так, что плоскость главного сечения первого светорасщепителя. составляет прямой угол с плоскостью главного сечения нтос,Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, предназначено для измерения величины малых перемещений и может быть использовано при проведении научных иссле дований, например, при изучении реакции биологических объектов на воздействие различных физико-химическнх раздражителей.10Известно устройство для измерения перемещений, содержащее оптически связанные источник монохроматического излучения и светорасщепнтедь, первый отражатель, скрепляФ емый с измеряемым объектом, и первьгй фотоприемник, образующие измерительный канал, второй отражатель и второй фотоприемник, образующие ком-, пенсационный канал, третий отражатель, оптический элемент, электромеханический преобразователь, подключенный к выходу второго Фотоприемника, и блок регистрации, связанный с выходом первого фотоприемнирого светорасщепителя, датчиком нуля, вход которого подключен к выходу второго фотоприемника, и дифференциальным усилителем, выход которого подключен к входу блока регист" рации, второй отражатель выполнен с двумя гранями, образующими прямой угол, и усеченным плоскостью, перпендикулярной к плоскости главного сечения второго отражателя, и ориентирован так, что плоскость его главного сеченияпараллельна плоскости главного сечения второго светорасщепителя, а грани второго отражателя расположены по разные стороны общей плоскости главного сечения отражателя, скрепляемого с объектом, и первого отражателя, вы:оды фотоприемниковэлектрически связаны с входами дифференциального усилителя, блок Регистрации выполнен с вторымвходом, к которому подключен выходдатчика нуля,а электромеханический преобразователь связан с второй платформой. Недостаток указанного устройства - низкая точность измерений, обусловленная влиянием неконтролируемых условий смещений оптических элементов устройства и температурного градиента в направлении, перпендикулярном измерительному каналу. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является интерференционное устройство для измерения перемещений, содержащее основание и платформу, установленную на основании с возможностью поворота, оптически связанные источник монохроматического излучения, размещенные на платформе параллельно друг другу и оси ее поворота плоское зеркало и светорасщепитель, отражатель, скрепляемьф с измеряемым объектом, первый отражатель, установленный на основании, и первый фото- приемник, образующие измерительный канал, второй отражатель, установ- ленный на основании, и второй фото- приемник, образующие компеисацион40 ный канал, электромеханический преобразователь, связанный с платформой и подключенный своим входом квыходу второго фотоприемника, и блок1 регистрации 2 .5Недостатком известного устройства.является сравнительно низкая точность контроля, обусловленная тем,что хотя оно и позволяет скомпенсировать случайные угловые смещения 10оптических элементов устройства, ноне обеспечивает полной компенсациитемпературного градиента в направлении, перпендикулярном измерительному каналу. Кроме того; точность измерений снижается за счетдинамической погрешности компенсации дестабилизирующих факторов.Цель изобретения - повышение точ-ности измерений.Цель по первому варианту выполнения достигается тем, что интерференционное устройство для измерения перемещений, содержащее основание и платформу, установленную на основании с возможностью поворота,. оп"тически связанныефисточник монохро"матического излучения, размещенныена платформе параллельно друг другуи оси ее поворота плоское зеркало исветорасщепитель, отражатель, скрепляемый с измеряемым объектом, первый отражатель, установленный на основании, и первый фотоприемнкс,образующие измерительный канал, второи отражатель, установленный на ос 35новании, и второй фотоприемник, образующие компенсационный канал, электромеханический преобразователь,связанный с платформой и подключенный своим входом к выходу второгофотоприемника, и блок регистрации,снабжено вторым светорасщепителем,расположенным на основании между источником излучения и плоским зеркалом так, что плоскость главного .сечения первого светорасщепителя составляет прямой угол с плоскостьюглавного сечения второго светорасщепителя, датчиком нуля, вход которого подключен к выходу второго фотоприемника, и дифференциальным усилителем, выход которого подключен квходу блока регистрации, второй отражатель выполнен с двумя гранями,образующими прямой угол, и усеченным плоскостью, перпендикулярнойк плоскости главного сечения второго отражателя, и ориентирован так,что плоскость его главного сеченияпараллельна плоскости главного сечения второго светорасщепителя, а грани второго отражателя расположеныпо разные стороны общей плоскостиглавного сечения отражателя, скрепляемого с объектом, и первого отражателя, выходы фотоприемников электрически связаны с входами дифференциального усилителя, а блок регистрации выполнен с вторым входом; ккоторому подключен выход датчвса нуля,Указанная цель по второму варианту достигается тем, что интерференционное устройство для измере" ния перемещений, содержащее основание и платформу, установленную на основании с возможностью поворота, оптически связанные источник монохро. матического излучения, размещенные на платформе параллельно друг другу и оси ее поворота плоское зеркало и светорасщепитель, отражатель, скрепляемый с измеряемым объектом, первый отражатель, установленный на основании, и первый фотоприемник, образующие измерительный канал, второй отражатель, установленный на основании, и второй фотоприемник, образующие компенсационный канал, электро" механический преобразователь, подключенный своим входом к выходу второго фотоприемника, и блок регистрации, снабжено второй платформой, установленной на основании между светорасщепителем, и отражателями с возможностью поворота вокруг оси, параллельной оси поворота первой платформы, компенсатором оптической разности хода лучей измерительного и компенсационного каналов, помещен" ным на второй платформе, вторым светорасщепителем, расположенным на основании между источником излучения и плоским зеркалом так, что плоскость главного сечения первого светорасщепителя составляет прямой угол с плоскостью главного сечения второго светорасщепителя, датчиком нуля, вход которого подключен к выходу второго фотоприемника, и дифференциальным усилителем, выход которого подключен к входу блока регистрации, второй отражатель выполнен с двумя гранями, образующими прямой угол, и усеченным плоскостью, перпендикулярной к плоскости глав 1057777ного сечения второго отражателя, и ориентирован так, что плоскость его главного сечения параллельна плосУкости главного сечения второго светораощепителя, а грани второго. отражателя расположены ио разные стороны общей плоскости главного сечения отражателя, скрепляемого с объектом и первого отражателя, выходы фотоприемников электрически связаны с входами дифференциального усилителя, блок регистрации выполнен с вторым входом, к которому подключен выход датчика нуля, а электромеханический преобразователь связан с второй платформой.Иа фиг, 1 показана принципиальная схема первого варианта устройства; на фиг. 2 - принципиальная схема второго варианта,Первый вариант устройства (фиг,1) содержит основание (ие показано) и платформу 1, оптически связанные источник 2 монохроматического излучения, второй светорасщепитель 3, плос-кое зеркало 4, первый светорасщепитель 5, отражатель Ь, скрепляемый с объектом, первый 7 и второй 8 отражатели, светоделители 9 и 10, первый и второй фотоприемники 11 и 12 и электрически связанные с фотоприемниками 11 и 12 и один с другим дифференциальный усилитель 13, датчик 4 нуля, блок 15 регистрации и электромеханический преобразователь 16. 35 1 О Второй вариант устройства (фиг.2), кроме того, содержит вторую платформу 17 и компенсатор 18 оптической разности хода лучей измеритель ного и компенсационного каналов.Платформа 1 установлена на основании с возможностью поворота. Плоское зеркало 4 и первый светорасщепитель 5 размещены на платформе 1 параллель но друг другу и оси ее поворота, Отражатель 6 скрепляется с измеряемымФ объектом 19, а первый и второй отражатели 7 и 8 установлены на основании. Второй светорасщепитель 3 распо ложен на основании между источником 2 и плоским зеркалом 4 так, что плоскость главного сечения первого светорасщепителя 5 составляет прямой угол с плоскостью главного сечения 55 второго светорасщепителя 3)лементы устройства 6, 7, 5, 4, 9 и 11 образуют измерительный канал, а элементы 8, 5, 4, 10 и 12 - компенсационный канал,Второй отражатель 8 выполнен с двумя гранями, образующими прямой угол, усечен плоскостью, перпендикулярной к плоскости его главного сечения, и ориентирован так, что плоскость главного сечения второго отражателя 8 параллельна плоскости главного сечения второго светорасщепителя 3, а грани второго отражателя 8 расположены по разные стороны .общей плоскости главного сечения отражателей 6 и 7.Первый и второй светорасщепители 5 и 3 выполнены идентичными в виде плоскопараллельной стеклянной пластины, на одну из поверхностей которой нанесено отражающее покрытие, Отражатели 6 и 7 выполнены в виде плоских зеркал, Однако возможны и другие варианты выполнения указанных элементов. Так, например, один или оба светорасщепителя 3 и 5 могут осуществлять деление пучка лучей от источника 2 не по амплитуде, а по фронту, а один или оба отражателя 6 и 7 могут быть двугранными.фотоприемники 11 и 12 выполнены дифференциальными, а их выходы подключены к .входам дифференциального усилителя 13, а выход фотоприемника 12, кроме того - к входу датчика 14 нуля и к входу электромеханического преобразователя 16. Блок 15 регистрации выполнен с двумя входами, к одному из которых подключен выход дифференциального усилителя 13, а к другому - выход датчика 14 нуля.В первом варианте устройства (фиг, ) электромеханический преобразователь 16 скреплен с платформой 1, а отражающее покрытие отражателя 8 (плоское зеркало) имеет ступеньку высотой 3 /2, где 8 - длина волны излучения источника 2.Во втором варианте устройстваЮ (фиг, 2) электромеханический преобразователь 16 скреплен с второйплатформой 11, установленной на основании между светорасщепителем 5 и отражателями 6, 7 и 8 с возможностью поворота вокруг оси, параллельной оси поворота первой платформы 1, а компенсатор 18 оптической разности хода лучей измерительного и компенсационного каналов размещен на второй платформе 17. Компенсатор 8 выполнен в виде одиночной призмы, но возможны и другие варианты его выполнЕния, например в виде системы призм или зеркал. . 5Пучок излучения источнж а 2 падает на светорасщепитель 3, который делит его на два параллельных один другому пучка одинаковой интенсивности и направляет их на зеркало 4. Зеркало 4 направляет оба пучка на светорасщепитель 5, который делит каждый пучок на два параллельных один , другому пучка и направляет их на отражатели 6, 7 и 8, Отражатели 6, 7 и 8 возвращают пучки лучей в направлении светорасщепителя 5, который объединяет эти пучки с образованием двух интерференционных картин, одна иэ которых переносится свето- делителем 9 в плоскость чувствительной площадки фотоприемника 1 измерительного канала, а другая - свето- делителем О в плоскость чувствительной площадки фотоприемника 12 компенсационного канала.Поступательное смещение отражателя 6, обусловленное воздействием измеряемого объекта 19, изменяет разность хода интерферирующих пуч- З 0 ков в измерительном канале, что вызывает перемещение интерференционной картины на чувствительной площадке фотоприемника 11, а следовательно, и появление на его выходе электрическо-З 5 го сигнала, который при отсутствии дестабилизирующих факторов пропорциона-. лен смещению отражателя 6. О Изменение разности хода интерфе 40 рирующих пучков в измерительном и компенсационном каналах, обусловлен" иое влиянием дестабилизирующих факто ров, вызывает перемещение интерференционных картин на чувствительных пло-,45 щадках фотоприемников 1 и 12, а. сле довательно, и появление на их выходах электрических сигналов рассогласования, пропорциональных воздействию дестабилизи ющих факто ов.РУ РДифференциальный усилитель 13 усиливает сигнал с выходов фотоприемников 11 и 12 и осуществляет их вычитание, а блок 5 регистрации фиксирует разностный сигнал, который в слу чае малости сигнала рассогласования пропорционален воздействию только измеряемого объекта. Одновременно сигнал рассогласования с выхода фотоприемника 12 компенсационного канала поступает на вход электромеханического преобразователя 16 который разворачивает платформу 1, обеспечивая тем самым уменьшение сигналов рассогласования в измерительном и компенсационном каналах до нуля.Сигнал рассогласования с выхода фотоприемника 12 компенсационного канала поступает также и на вход датчика 14, который позволяет блоку 15 регистрации выделить иэ всей серии измерений те иэ них, которые соответствуют нулевому сигналу рассогласования (или сигналу рассогласо" ванин, значение которого меньше наперед заданного), что обеспечивает высокую точность измерений даже при наличии интенсивного фона дестабили" знрующих воздействий.Устройство по второму варианту (фиг. 2) работает аналогично. Отличие состоит в том, что компенсация влияния дестабилизирующих факторов осуществляется путем разворота второй платформы 17 с установленным на ней компенсатором 18. А так как масса элементов 17 и 8 второго варианта устройства меньше массы злемен" тов 1, 4 и 5, то меньше и их момент инерции относительно оси вращения, нто снижает динамическую погрешность компенсации и, следовательно, позволяет проводить измерения при более быстрых флуктуациях внешних дестабилизирующих факторов по сравнению с первым вариантом устройства.В обоих вариантах устройства целесообразно использовать дифференциальные фотоприемники. В этом случае интерференционная картина на чувствительной площадке каждого из фотоприемников должна состоять из двух частей, смещенных одна относительно другой на половину ширины интерференционной полосы. Необходимое смещение может быть достигнуто за счет введения для части лучей каждого из каналов фазовой задержки в Я рад, например, путем выполнения со ступенькой соответствующих оптических элементов, В первом варианте устройства такими элементами могут быть отражатели 7 и 8, Во втором варианте устройства ступеньку целесо" образно выполнить на одной из отра 057777 1 Ожающих граней светорасщепителя 5, так как в этом случае можно не предьявлять жестких требований к выдерживанию необходимой высоты ступеньки, поскольку смещение двух частей интерференционной картины на каждом иэ фотоприемников можно регулировать путем разворота платформы 1.Оба варианта устройства допускают , использование дополнительного интерференционного канала в обратном ходе лучей за светорасщепителем 3, например,в качестве рефракционного канала. Второй вариант устройства имеетболее высокие эксплуатационные характеристики, что достигается в результате его усложнения.5Снабжение устройства вторым светорасщепителем Э, дифференциальным усилителем 13 и датчиком 14 в сово Окупиости с соответствующим выполнением остальных элементов позволяет повысить точность измерений путем снижения влияния внешних дестабилизирующих факторов,057,777 О.Фом ипенк оставителехред Л,Пил Редактор Л.Филь орректор М.Демчик аз 957/43 ВН 3035,Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная Рею КО ираж 602Государств елам изобре осква, ЖПодписное ного комитета СССР ний и открытий Раушская наб д. 4