Устройство для измерения перемещений

(5)5 6 01 В 21/О ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР м-ЙЙЖй 3 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ С ЕЛЬСТВ динение тельский елеева" ,А.Сини, Р.//Изс. 27-28. овремен- НовосиЦ(56) Застрогин Ю,мерительная техн Коронкевич В ные лазерные ин бирск, 1985, с. 14 Титце У Ше схемотехника. - М(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМ РЕМЕ ЩЕНИЙ(57) Изобретение относится к ной технике. Цель изобретения вышение точности и быстрод этого устройство для измерени ний, включающее лазер 1, к светоделитель 8, подвижный уг неподвижный 9 отражатели и РЕНИЯ ПЕизмеритель- является поействия. Для я перемещеллиматор 4, олковый 11 и блок, регист(21) 4854741/28(72) А,В.Миронов, В.Е.Привалов и рации с фотоприемниками опорного 12 и измерительного 13 каналов, двумя формирователями 15, 16, подключенными к ним, реверсивным счетчиком 21 и блоком индикации 22, снабжено входящими в блок регистрации дополнительным фотоприемником 14 измерительного канала, третьим формирователем 17, подключенным к нему, компаратором 18, мультиплексором 19 и коммутатором 20, Лазер 1 выполнен кольцевым с невэаимным элементом 2 в резонаторе и смесителем 3 встречных волн на одном из выходов и оптически связанным с фотоприемником 12 опорного канала. Коллиматор 4 выполнен в виде системы из короткофокусного объектива 5, фокус которого совмещен с центром пятна излучения на поверхности выходного зеркала лазера з 1, и двух длиннофокусных обьективов 6, 7, фокусы которых совмещены с изображениями центра пятна в выходной фокальной плоскости короткофокусного объектива 5, а неподвижный отражатель выполнен в виде двух жестко связанных друг с другом угол ковых отражателей 9, 10. 3 ил,азка 8 9 10 4Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений.Известно устройство для измерения перемещений, содержащее оптически связанные между собой одночастотный лазер, электрооптический преобразователь, светоделитель, подвижный и неподвижный отражатели, пластину Л /4, фотоприемник и блок регистрации. В известном устройстве электрооптический преобразователь, состоящий из кристалла ниобата лития и пласти н ы Л/4, преобразует одночастотное излучение лазера в двухчастотное с разностью частот, определяемой частотной напряжения, питающего кристалл ниобата лития. С помощью светоделителя излучение с одной частотной направляется на подвижный, а излучение с другой частотой - на неподвижный отражатель. После отражений излучения объединяются в светоделителе, образуя бегущую интерференционную картину, которая регистрируется фотоприемником, На точность измерений в известном устройстве значительное влияние оказывают флюктуации амплитуды и фазы напряжения, питающего кристалл ниобата лития. Чтобы уменьшить это влияние и, тем самым, повысить. точность измерений, необходимо осуществить фильтрацию выходного сигнала фотоприемника, но это, в свою очередь, уменьшает пределы измерений интерферометра по скорости.Таким образом, недостатками известного устройства являются низкие точность и быстродействие,Известно устройство для измерения перемещений, которое по совокупности существенных признаков является наиболее близким к предлагаемому и принято за прототип,Известное устройство содержит двухчастотный лазер, последовательно установленные в пучке излучения лазера коллиматор, отводной светоделитель, светоделитель, подвижный и неподвикный уголковые отражатели и установленные перед ними поляризационные фильтры; фото- приемник, оптически связанный с лазером через отводной светоделитель, и фотоприемник, оптически связанный с лазером через светоделитель и угол ковые отражатели; поляризационные фильтры, установленные перед фотоприемниками, два Формирователя, подключенные к Фотоприемникам и реверсивный счетчик с блоком индикации, подключенный к выходам формирователей.В качестве лазера используют зеемановский двухчастотный лазер, резонатор которого изотропен, а активная среда помещена в аксиальное магнитное поле.Известное устройство работает следующим образом,5 Зеемановский лазер испускает излучение в виде двух ортогонально поляризованных мод круговой поляризации с частотамид 1 и г 2. Коллиматор преобразует излучениев широкий пучок нужного диаметра с пло 10 ским волновым фронтом. Отводной светоделитель ответвляет небольшую частьизлучения в опорный канал. В измерительном канале с помощью светоделителя и поляризационных фильтров излучения с15 частотами у 1 иа разделяются и поступают:одно - на подвижный уголковый отражатель, другое - на неподвижный уголковыйотражатель. Отразившись от отражателей ивновь объединившись в светоделителе, из 20 лучения интерферируют и через поляризациоиный фильтр поступают нафотоприемник измерительного канала. Приэтом интерференционная картина на фотоприемнике колеблется с частотой (ю - м 2 +25 Л.Лф, где Лю (с) - добавка к разности частот излучений лазера, пропорциональнаяскорости перемещения подвикного уголкового отражателя. сРотоприемник опорногоканала регистрирует изначальную разностьчастот двух мод лазера (опорную частоту)(ю 1 - -Р 2) Формирователи преобразуютпоступающие на них с фотоприемников сигналы в две импульсные последовательно: одна - с частотой следования ( из - у 2+Ь 3(с,другая - с опорной частотой следования(И - 2), Две эти сформированные последовательности подаются на суммирующий ивычитающий входы реверсивного счетчика,который и роизводит алгебраическое суммирование частот этих последовательностей.Если при этом в формирователях каждыйновых счетный импульс образуется при перемещении подвижного отражателя на 1/2(где Х - длина волны излучения), то естьодин импульс из одной интерференционнойполосы, то измеряемая длинаопределяется по числу зарегистрированных реверсивным счетчиком импульсов в соответствии свыражением Е= Ю /2. Результата измерений представляется на блоке индикации.Быстродействие известного устройстваопределяется двумя факторами - частотнойрасщепления двух мод лазера (И - -иг ) иполосой пропускания блока регистрации.Пои движении отражателя к опорной частоте добавляется частота полезного сигналаЛф), пропорциональная скорости перемещения подвижного отражателя. При движении стражателя в одну сторонурезультирующий сигнал следует иметь частоту (Р 1 - ,2+Л(1,а при движении в противоположную сторону - частоту -ю 1 - - -Л(1 ), Таким образом, с одной стороны, частота полезного сигнала Лг(с) не может быть больше (и 1 - э 2), а с доугой сторо-.ны, высокочастотный сигнал с частотой (У 1 - Ъ 2+Ьтф должен попадать в полосу пропускания блока регистрации.В известном устройстве точность измерений перемещений равна А/2, что соответствует одной интерференционной полосе, Для повышения точности измерений известное устройство снабжают интерполятором, обеспечивающим вырабатывание счетных импульсов при перемещении подвижного отражателя на величинуЛ /2 п, где и - коэффициент интерполяции, или же используют систему регистрации на основе кумулятивного фазометра, позволяющего регистрироватьфазу сигнала в пределах одной интерференционной полосы. Регистрация малой доли интерференционнойполосы возможна ли ш ь тогда, когда фазасигнала линейно зависит от измеряемого перемещения. Это верно лишь тогда, когда имеется идеальное разделение излучений двух частот в двух плечах интерферометра, В известном устройстве разделение двух частот с круговыми поляризациями происходит поляризационньщ способом, С помощью пластин Х/4 излучения с круговыми поляризациями преобразуются в излучения с линейными взаимно ортогональными поляризациями. Далее две частоты разделяются с помощью скрещенных поляроидав.Неидеальность пластин и поляроидов приводит к неполному разделению излучений с частотами ю 1 и 1, Вследствие этого на полезный сигнал с частотой (и 1 - 12 + Ь Р (й накладывается паразитный сигнал с частотой (Р 1 - 2) небольшой амплитуды, зависящей от качества поляризационных элементов. Это, в свою очередь, приводит к тому, что зависимость фазы интерференционного сигнала от перемещения перестает быть линейной. А это ограничивает возможности измерения перемещений в пределах одной интерференционной полосы и, тем самым, снижает точность известного устройства.Таким образом, недостатками известного устройства являются низкие быстродействие и точность.Цель изобретения - повышение быстродействия и точности.. Эта цель достигается тем, что устройство для измерения перемещений, включающее лазер, коллиматор, светоделитель, подвижный уголковый и неподвижный отражатели и блок регистрации с фотоприемниками опорного и измерительного каналов и двумя формирователями, подключенными к ним, реверсивным счетчиком и блоком индикации, снабжено входящими в блок регистрации дополнительным фотоприемником измерительного канала, третьим формирователем, подключенным к нему. компарато 10 рам, мультиплексором и коммутатором,выходы формирователей измерительных каналов подключены к входам компаратора и мультиплексора, выход мультиплексора и выход формирователя опорного канала че 1520303540 455055 рез коммутатор подключены к входам реверсивного счетчика, а выход компаратора подключен к управляющим входам мультиплексора, лазер выполнен кольцевым с не- взаимным элементом в резонаторе и смесителем встречных волн на одном из выходов и оптически связанным с фотоприемником опорного канала, коллиматор выполнен в виде системы из короткофокусного объектива, фокус которого совмещен с центром излучения на поверхности выходного зеркала лазера, и двух длиннофокусных объективов, фокусы которых совмещаются с изображениями центра пятна в выходной фокальной плоскости короткофокусного объектива, а неподвижныйотражатель выполнен в виде двух жестко связанных двух с другом уголкавых отражателей.Предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить формирование и автоматическую коммутацию двух измерительных каналов - прямого и зеркального в мгновенной зависимости от направления движения подвижного отражателя, а также полную фильтрацию излучений двух частот друг от друга, тел 1 самым снижая частоты сигналов на входах блока обработки за счет уменьшения начальной разности частот и устраняя нелинейную зависимость фазыинтерференцианного сигнала от измеряемого перемещения повысить быстродействие и точность,На фиг, 1 изображена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - оптическая схема коллиматара; на фиг. 3 - вариант блок-схемы компаратора.Устройство для измерения перемещений (фиг. 1) состоит из кольцевого лазера 1с невзаимным элементом 2 внутри резонатора и смесителем 3 встречных волн, установленного на выходе лазера 1 коллиматора4, включающего короткофокусный 5 и двадлиннофокусных б, 7 объектива, светоделителя 8, двух связанных неподвижных 910уголковых отражателей, подвижного 11 уголкового отражателя и блока регистрации, В блоке регистрации содержится три фотоприемника, Один фотоприемник 12 оптически связан с лазером 1 через смеситель 3, два других фотоприемника 13, 14 оптически связаны с лазером 1 через светоделитель 8 и отражатели 9 - 11. К выходам фотоприемников 12 - 14 подключены соответственно формирователи 15 - 17, К выходам формирователей 16, 17 подключены компаратор 18 и двухвходовый мультиплексор 19, управляющий вход которого подключен к выходу компаратора 18. К выходам формирователя 15 и мультиплексора 19 подключен коммутатор 20, управляющий вход которого подключен к выходу компаратора 18. К выходам коммутатора 20 подключен реверсивный счетчик 21 с блоком 22 индикации. Устройство для измерения перемещений работает следующим образом (фиг. 1),В кольцевом лазере 1 генерируются две волны встречного направления. На выходе лазера 1 одна волна распространястся по пути 23, а встречная волна - по пути 24.Невзаимный элемент 2, установленный в резонаторе лазера 1, создает частотное рас щепление встречных волн, Оба пучка 23 и 24 с частотами 11 ипреобразуются коллиматором 4 в два параллельных широких пучка сплоскими волновыми фронтами и поступа.ют на светоделитель 5, где они разделяются. Часть излучения с частотой и 1 поступает на неподвижный отражатель 9, а часть - на подвижный отражатель 11. Часть излучения с частотой т поступает на неподвижный отражатель 10, а часть - на подвикный отражатель 11. Часть излучения с частотой) поступает на неподвижный отражатель 10, а часть - на подвижный отражатель,11. Отразившись от отражателей 9 - 11, пучки объединяются в светоделителе 8 и интерферируют, образуя два измерительных канала 25 и 26, При этом пучок с частотой (Р 1 й Ь Ю (Т, отраженный от подвижного отражателя 11, обьединяется с пучком с частотой э 2, отраженным от неподвижного отражателя 10, образуя измерительный канал 25, Пучок с частотой (и 1 ). ЬР (т, отражен, ный от подвижного отражателя 11, объединяется с пучком с частотой ю 1, отраженным от неподвижного отражателя 9, Образуя второй измерительный канал 26. Пучок излучения с частотой (ю 1 - иг) на выходе смесителя 3 образует опорный канал. Излучения опорного и двух измерительньгх каналов поступают на фотоприемники 12-14, Блок регистрации осуществляет преобразованиесигналов с фотоприемников 12 - 14 в счетные импульсные последовательности, процедуру выбора из двух измерительных5 каналов одного, частота сигнала в которомбольше, чем в другом, перекрестную коммутаци)о избранного измерительного канала иопорного канала между входами реверсивного счетчика 21, алгебраический счет им 10 пульсов, соответствующих искомомуперемещению, и индикацию результатовизмерений в удобной форме блоком 22.Коллиматор 4 состоит из короткофокусного 5 и двух длиннофокусных 6, 7 (фиг. 2)15 объективов. Объектив 5 установлен так, чтоего фокус совмещен с центром пятна излучения на выходном зеркале лазера 1. Двапучка 23 и 24 излучения лазера 1, проходечерез обьектив 5, фокусируются, формируя20 в выходной фокальной плоскости объектива5 два изображения центра пятна излученияна выходном зеркале лазера. С этими иэображениями совмещениями совмещены фокусы объективов 6 и 7, На выходе25 коллиматора 4 иэлучениелазера 1 представляет собой два широких параллельных пучка с плоскими волновыми фронтами.В блоке регистрации сигналы с фотоприемников 12-14 преобразуются форми 30 рователями 15 - 17 в счетные импульсныепоследовательности. Частота следованияимпульсов на выходе формирователя 15равна опорной частоте (ю 1 - Р 2), а частотыследования на выходах формирователей 16,35 17 равны соответственно 1 э и Рл . При движении уголкового отражателя 11 в направлении к светоделителю 8 величина частотнойдобавки Лт (С), пропорциональной скоростиперемещения Отражателя 11, положительная,40 при удалении отражателя 11 от светоделителя8 добавка Ли (1) отрицательна, Рассглотриглслучай, когда отражатель 11 приближается ксветоделител)о 8. В канале 26 частота колебаний интерференционного поля равна45 Рз = 3 т + ЬР(Т) -и 1 1, а во втором канале 25 она равна ы 1 =- У 21+ЛР(т,) - ъ 2Обозначим Р 1 - " =тЪ и без ограниченияОбщности, допустим что Ро ) О.ТОгда5014 =та + Лу(т).и, - лю(с), при Ь 1(Й) 3 1,Отсюда видно, что в этом режиме, во-первых,14 )Рэ и, во-вгорых, при большои скорости движения отражателя 11, создающейдобавку ЛР(т) большую, чем опсрная частота О, величина м не соответствует измеряемому перемещению, поскольку она проходит через нуль и меняет знак, а фор 1758433 10мирователь вырабатывает счетную последовательность пропорционально абсолютному значению частоты на его входе (беэ учета знака), Таким образом, истинную информацию об измеряемом перемещении несет только канал 25, частота сигнала в котором 4 по абсолютной величине больше, чем в канале 26. При удалении отражателя 11 от светоделителя 8 каналы 25 и 26 меняются местами. Рз =о + Лф)ъ - лф), приьф)ъ ИЛф) - о, при Лф) )1 Ъ При этом верную информацию об измеряемом перемещении содержит лишь канал 26 с частотой Рз . Таким образом, из (1) и (2) следует, что для того чтобы иметь истинную информацию о перемещении отражателя 11 независимо от скорости его перемещения, необходимо в каждый момент времени регистрировать сигнал лишь одного канала, частота сигнала в котором больше, чем в другом.Компаратор 18 и мультиплексор 19 обеспечивают сравнение частот сигналов двух измерительных каналов 25 и 26 и подачу на вход коммутатора 20 только одного сигнала, частота которого равна щах(юз к). Коммутатор 20, в свою очередь, обеспечивает подачу сигналов опорного и выбранного измерительного каналов на суммирующий и вычитающий входы реверсивного счетчика 21 в зависимости от направления движения отракателя 11.Компаратор 18 при подаче на его выходы двух сигналов с выходов формирователей 16, 17 вырабатывает логический сигнал в зависимости от знака разности частот импульсных последовательностей в каналах 25, 26. Например, если частота в канале 25 больше, то вырабатывается логическая единица, в противном случае - логический нуль. Если частоты последовательностей совпадает (отражатель неподвижен), то логический сигнал определяется предысторией движения отражателя 11 и не влияет на работу устройства, так как при этом безразлично, какая из двух равных частот выбирается. Компаратор 18 может иметь различные варианты конкретного исполнения. Один из вариантов представлен на фиг, 3, Компаратор состоит из 4-разрядного двоичного реверсивного счетчика 30, на суммирующий вход которого через ключ 31 подается сигнал с формирователя 16, а на вычитающий вход через ключ 32 - с формирователя 17. управляющие входы ключей 31, 32 подсоединены к выходам ЗЗ, 34 поло 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 жительного и отрицательного переноса (переполнения) счетчика 30, которые соединены также с Я- и Я-входами ВЯ-триггера 35, Выход триггера 35 является выходом компаратора 18 частот.Двухвходовый мультиплексор 19, на управляющий вход которого подан сигнал с компаратора 18, обеспечивает подключение выхода к одному из входов, на которые поданы сигналы с формирователей 16, 17,На входы коммутатора 20 подаются два сигнала: один - с формирователя 15 опорного сигнала, другой - с выхода мультиплексора 199, На управляющий вход 29 коммутатора 20 подается управляюгций логический сигнал с выхода компаратора 18. Когда на управляющий вход 29 подана логическая единица, коммутатор 20 соединяет выход мультиплексора 19 с суммирующим входом 27 реверсивного счетчика 21, а выход формирователя 15 - с вычитающим входом 28. Если на входе 29 логический нуль, та выход мультиплексора 19 соединяется с вычитающим 28, а выход формирователя 15 - с суммирующим входом 27 счетчика 21. Реверсивный счетчик 21 интегрирует разность частот опорной и измерительной импульсных последовательностей, учитывая направление движения отражателя 11. В первом режиме эта разность равна (И - о) =Ли, а во втором режиме (В - ЮО ) = Ь Р . Состояние счетчика отражается блоком 22 индикации.В качестве источника излучения в данном устройстве в принципе может быть использован любой двухчастотный лазер, Однако, поскольку данное устройство позволяет снять ограничение на скорость перемещения отражателя 11, связанное с частотой расщепления излучений лазера, то нет необходимости в большой разности частот1 - ю 2). Наоборот, расщепление частот целесообразно выбирать минимальным, так как при этом снижаются требования на полосу пропускания блока обработки, поскольку регистрируется частота (Р 1 - 12 ) = ЛУ Я. С другой стороны, чтобы сохранить основное достоинство интерферометров с переносом спектра сигнала - дискриминацию низкочастотных помех, связанных с целым рядом факторов (акустическими и механическими вибрациями, турбулентностями среды, в которой проводятся измерения, флюктуациями мощности лазера и др.), необходимо, чтобы частота расщепления (Р 1 -) не попадала в полосу низкочастотных шумов. Низкочастотные флюктуации обычно занимают полосу от нуля до десятков, сотен Гц, Таким образом,В10 15 20 25 30 35 40 45 50 наиболее целесообразно иметь частотное расщепление излучений лазера в несколько единиц; десятков кГц. Это позволяет испольэовать в качестве источника излучения кольцевой лазер с невзаимным элементом внутри резонатора, обеспечивающим требуемое частотное расщепление. В отличие от зеемановского лазера, производство кольцевых лазеров налажено, поскольку они широко применяются в качестве прецизионных гироскопов, гониометров и т.д; Кроме того, кольцевой лазер позволяет снять ограничения на точность измерения дробной доли интерференционной полосы, связанные с неполным разделением излучений двух частот И и Рг в опорном и измерительном плечах интерферометра,В отличие от линейного лазера, где поле в резонаторе образует стоячую волну, в кольцевом лазере имеются две бегущие волны, распространяющиеся в противоположных направлениях. Если внутри резонатора установлен невзаимный элемент, в котором оптические длины путей для встречных направлений не,равны, то, во-первых, две бегущие волны будут иметь разные частоты, а во-вторых, устраняется связь встречных волн из-.,за перекрытия беннетовских провалов и остается лишь слабая связь встречных волн через обратное рассеяние. В результате на выходе лазера уже имеются два пучка излучения с разными частотами ю 1 и 2, распространяющихся под некоторым углом один к другому, и не требуются дополнительные оптические элементы, как в зеемановском лазере, для разделенйя пучков с различными частотами. Поскольку в каждом пучке имеется только одна частота, то фаза интерференционного сигнала в пределах одной полосы линейной зависит от измеряемого перемещения. Это позволяет регистрировать сколь угодно малую долю полосы, повышая при этом точность измерениИ.Для осуществления устройства может быть применена следующая элементная база, В качестве лазера 1 может быть использован любой кольцевой лазер с невзаимным элементом 2 в резонаторе и смесителем 3 встречных волн. Элементы, входящие в оптическую схему (поз, 4-11 на фиг. 1), относятся к изделиям широкого выпуска в оптической промышленности. Электронная схема регистрации (поз. 12 - 22) может быть реализована на фотодиодах ФД 256 или ЛФДМ, транзисторах КТ 315, КТ 361 и микросхемах серий 500, 155, 555,Таким образом, предлагаемое решение позволяет обеспечить формирование и автоматическую коммутацию двух измерительных каналов в мгновенной зависимости от направления движения подвижного отражателя, а также полную фильтрацию излучений двух частот друг от друга и тем самым снижая чистоты сигналов на входах блока обработки за счет уменьшения начальной разности частот и устраняя нелинейную зависимость фазы интерференционного сигнала от измеряемого перемещения, повысить быстродействие и точность. Формула изобретения Устройство для измерения перемещений, содержащее лазер, коллиматор, свето- делитель, подвижный угол ковый и неподвижный отражатели и блок регистрации с фотоприемниками опорного и измерительного каналов и . двумя формирователями, подключенными к ним, реверсивным счетчиком и блоком индикации, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и быстродействия, оно снабжено входящими в блок регистрации дополнительным фотоприемником измерительного канала, третьим формирователем, подключенным к нему, компаратором, мультиплексором и коммутатором, выходы формирователей измерительных каналов подключены к входам компаратора и мультиплексора, выход мультиплексора и выход формирователя опорного канала через коммутатор подключены к входам реверсивного счетчика, а выход компаратора подключен к управляющим входам мультиплексора и коммутатора, лазер выполнен кольцевым с невзаимным элементом в резонаторе и смесителе встречных волн на одном из выходов и оптически связанным с фотоприемником опорного канала, коллиматор выполнен в виде системы из короткофокусного обьектива, фокус которого совмещен с центром пятна излучения на поверхности выходного зеркала лазера, и двух длиннофокусных обьективов, фокусы которых совмещаются с изображениями центра пятна в выходной фокальной плоскости короткофокусного объектива, а неподвижный уголковый отражатель выполнен в виде двух жестко связанных друг с другом уголковых отражателей,1758433 ктор А,Маковска Тираж Подписноерственного комитета по изобретениям и открыт 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 м при ГКНТ ССС нно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 роизв аказ 2990 ВНИИПИ оставитель С.Синицаехред Я.Моргентал Фиг. Уректор А.Ворович