Способ определения расстояний

(19) (11) 7833 А 1 я)5 0 0 0 ЕТЕНИЯ ВТОРСКОМ ДЕТЕЛЬСТ опр вка изи- , М.,екоторые принципы ционных дальноменика, 1985 г., М 11,971,ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(56) 1. Большаков В.Д. и др, Радиогеофческие и электрооптические измерениНедра, 1985 гстр.52,2. Медовиков А,С. Нпостроения интерференров. Измерительная техстр,10-11.3. Патент Великобритании М 1168кл, 6 01 С 3/08. 05,03,70,(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАССТОЯНИЙ (57) Изобретение относится к измерению расстояния оптическими средствами, а именно для измерения расстояний до неподвижных или медленно движущихся объектов в системах управления промышленными роботами, позиционирования рабочих органов металлообрабатывающих центров, в операциях юстировки и других технологических операциях. Сущность изобретения: после регистрации интенсивности интерференционной полосы на исходной частоте измерения изменяют длину пути опорного пучка на калиброванную величину, изменяют частоту излучения в наЮ1783301 ч О =(1 ч+ Ьй)А(2,ф 2 И правлении приближения к первоначальной интенсивности, выбирая при этом вводимые изменения длины пути опорного пучка и частоты, при которых разность хода интерферируемых пучков в 5-10 раэ превышает Изобретение относится к измерению расстояний оптическими средствами и может бытьиспользовано для измерений расстояний до нейодвижных или медленно движущихся обьектов, а также в системах управления промышленными роботами, позиционирования рабочих органов металлообрабатывающих центров, в операциях юстировки и других технологических операциях.Известен способ определения расстояния с помощью оптического когерентного излучения, заключающийся в разделении излучения лазера на дистанционный и опорный пучки, из которых дистанционный пучок отражается от контролируемой плоскости, а опорный- от неподвижного зеркала или отражателя, совмещении пучков на фотоприемнике, регистрации результирующей интенсивности излучения от интерференции дистанционного и опорного пучков и определении расстояния по формуле где й - целое число порядка интерференции;Ьй - дробное число порядка интерференции;А - длина волны в среде распространения,Недостатком интерференционного способа является невысокая точность измерения расстояния из-за непостоянства скорости распространения оптического излучения в среде, а, следовательно, и длины волны А - чВ, где ч - скорость распространения; ю - частота колебаний, Кроме того, при расстояниях многим больше длины волны излучения возникает неоднозначность измерений из-за ошибок определения порядка интерференции,.Известен способ определения расстояний лазерным излучением (2), основанный на возбуждении между зеркалами, установленными на концах измеряемого расстояния, целого числа стоячих волн, создаваемых излучением лазера перестраивэемой частоты, измерении разности оптических частот, соответствующих целым числам волн на двух сопорог чувствительности измерения расстояния и не превышает 1/4-1/8 длины волны излучения, а расстояние определяют по полученному соотношению, в которое не входят значения изменения частот, 1 ил,седних частотах, и определении расстоянийпо формуле где ч - скорость света в среде распространения;Й- разность двух соседних резонанс ных частот.Недостатком сгюсоба является влияниенепостоянства скорости ч, а также дополнительная погрешность измерения расстояния из-за дисперсии показателя преломления 15 среды распространения, обусловливающаязависимость скорости света в среде распространения от частоты излучения лазера. При больших расстояниях раэностная частота Ьч/2 О становится соизмеримой с флюктуа ционной нестабильностью перестраиваемоголазера, что значительно снижает точность измерения расстояний.Наиболее близким к изобретению является способ измерения расстояний (3), осно-: 25 ванный на разделении когерентногоизлучения на дистанционный и опорный пучки, совмещении пучков, отраженных от подвижного и неподвижного отражателей, в плоскости фотоприемника. плавном изме нении частоты источника излучения и подсчете числа интерференционных полос, перемещение которых относительно фотоприемника достигается плавным изменением частоты источника излучения, а 35 расстояние определяют по формуле: 40 где Ьп - изменение числа длин волн, перекрывающих расстояние О; .у 1 и Р 2 - начальная и конечная частотыисточника излучения;ч - скорость света в среде распростра нения.Однако известному способу присущи су щественные недостатки. Так, результат измерения непосредственно зависит от значения скорости распространения ч излучения в сре де распространения, которая изменяется в широких пределах в зависимости от темпера. туры, давления и влажности среды распространения, Поскольку излучение осуществляется при разных длинах волн когерентных пучков света, то на результат определения расстояния сказывается также дисперсия скорости распространения света из-за зависимости показателя преломления среды распространения от длин волны излучения.Цель изобретения - повышение точности определения расстояния путем исключения влияния непостоянства скорости распространения излучения и дисперсии показателя преломления среды распространения за счет сжатия диапазона перестройки частоты источника излучения.Поставленная цель достигается тем, что в способ определения расстояния до объекта, при котором разделяют оптическое когерентное излучение на дистанционный и опорный пучки, принимают отраженный дистанционный пучок от неподвижного отражателя, совмещают в одной плоскости отраженный дистанционный и опорный пучки, измеряют в поле зрения фотоприемника первоначальную интенсивность интерференционной полосы на исходной частоте излучения, плавно изменяют частоту источника излучения, регистрируют величину порядка интерференции в процессе изменения частоты и обрабатывают результаты измерений. Введены новые операции и условия их выполнения, а именно после регистрации первоначальной интенсивности интерференционной полосы на исходной частоте излучения изменяют длину пути основного пучка на измеренную величину; регистрируют второе значение интенсивности; сравнивают его с первоначальным значением интенсивности; изменяют частоту излучения в направлении приближения к первоначальной интенсивности с фиксированием длины пути опорного пучка и частоты, при которых разность хода интерферируемых пучков е 510 раз превышает порог чувствительности измерения расстояния и не превышает 1/4.1/8 длины волны излучения; регистрируют третье значение интенсивности, сравнивают его с предыдущим; восстанавливают первоначальную длину пути опорного пучка и регистрируют четвертое значение интенсивности, а расстояние определяют из выражения где ЛО - измеренное изменение длины пути опорного пучка;п - первоначальная интенсивность интерференционной полосы;5 п 2. п 2 - вторая интенсивность интерференционной полосы, соответственно при положительном и отрицательном значении ЛО;пз, пз - третья интенсивность интерференционной полосы, соответственно при по ложительном и отрицательном изменениичастоты;п 4, п 4 - четвертая интенсивность интерференционной полосы, соответственно при положительном и отрицательном зна чении изменения частоты на +Ь восстановленной начальной длине пути опорного пучка ( ЛО = О).Предложенный способ измерения расстояний осуществляется следующим обра зом.Когерентное оптическое излучение исходной частоты разделяют на опорный и дистанционный пучки, из которых дистанционный пучок направляют на отражатель, 25 Отраженные пучки совмещают в плоскостифотоприемника, образуя интерференционные полосы, Преобразуют е поле зрения фотоприемника интенсивность интерференционной полосы, которая функциональ но связана с разностью фаз колебанийдистанционного и опорного пучков в электрическое напряжение35,О = Я (1 + у) соз- + дт, (1)2 Р 1 Щгде Я - нормированная чувствительностьфотоприемника;у = ЛЯ/Я - относительная погрешность40 чувствительности, отражающая изменениенаклона градуи ровочной характеристики:д = ЛО, - абсолютная погрешностьнуля, отражающая смещение градуировочной характеристики;45- интенсивность оптического когерентного излучения;01,р - начальная фаза колебаний зондирующего и опорного пучков,Погрешности фотоэлектрического пре 50 образователя у ид возникают иэ-за временной и температурной нестабильностипараметров фотоприемника и дрейфа егонуля и изменяют его градуироеочную характеристику,55 Напряжение (1) преобразуют в цифровой код(12) третье 3 чение частоты начальную дли- =О) и фиксируют риращени пг = Яо(1+ тотыОг л- 2 лр) + д, ч 4 регистрации соо о плавно уменьш еличину Ь, кот риближения трет первоначальном ветают рую ьего и же результат8), т,е. пгп 1,излучения нают из условия итенсивности к Есствуетчастотувыбиркода иду п 1 гистрированн (10). (12), (13 дов первого ( азований, а та тьего (10), (12 Из заре(8), (9) и треП 1 - п 4 ых значений кодов и (14) вычисляют 5) и четвертого (13),кже кодов второго преобразований л(15) достоверной регистрации минимального изменения разности хода 01 - Ог,Верхний предел неравенства (6) обеспечивает преобразование разности хода 01 - Ог-(1/41/8) Л в пределах одного линейного участка преобразовательной характеристики, т.Е, в пределах одной интерференционной полосы.При уменьшении разности хода интерферирующих пучков в соответствии с (Б) код интенсивности изменяется в пределах одного линейного участка характеристики и возрастает до второго значения Если разность фаз провании (5) оказалась бо где Ьр 1- дробная часть первой разности фаз, то уменьшение опорноо пути может вызвать не увеличение, а уменьшение кода за счет перехода на соседний линейный участок, Переход на соседний участок характеристики свидетельствует о выходе регистрируемой интерферен цион ной полосы из поля зрения фотоприемника. Для исключения неоднозначности отсчетов и обеспечения работы в пределах одного линейного участка характеристики сравнивают интенсивности п 1 и пг, При регистрации результата пгп 1 увеличивают длину пути опорного пучка на ЬО и фиксируют уменьшенный код интенсивности где ъг = Р 1 - Ь - второе значение частоты излучения, При регистрации кода пз" п 1 приращение частоты соответствует условию (7), т,к. работа осуществляется в пределах того же линейного участка(5,1 О) йр (2 л1:. Й Неравенство (11) выполняется при этом автоматически даже при отсутствии информации о приближенном значении измеряемого расстояния, т,е, о величине разности хода 01 - Ог, в процессе плавного изменения частоты.Если результат второй регистрации соответствует соотношению (9). то по результату сравнения увеличивают частоту излучения на Ь и фиксируют увеличенный код интенсивности 25 л пз =Зо(1+ у) (2 л; л- 2 лр) + д, где юз = и 1 + Ь -излучения,Восстанавливают перв ну пути опорного пучка (ЬО четвертый код интенсивно 4-Яо(1+ У) (2 гфг л2 О - Ог 1- с ч1783301 цевой меры 1 м с относительной погрешностью 2 10 . устанавливают известную раз ность хода интерферируемых пучков Оо = 01 - Ог, Затем смещают неподвижный отража тель по условию(6) с помощью приложенногонапряжения. Фактическое значение изменения длины пути опорного пучка Ж определяют из соотношений (20) или (21) в зависимости от последовательности выполняемых опера ций (5), (8), (10) и (13) или (5), (9), (12) и (14)4 П 1) ений (18) и (19) определяют раздистанционного и опорного пуч Из соотно ность ход ко 1 - П 4 2 Ог 30 П(пз -4 35 ый ди+ Ох, й плоляемое ий (20) 40 уть, проходим виде О 1= Оо о референтно Ох - опреде ты вычислен ьввидеЬО = и Ю . (22)(п 4 - п 1) (пз - пг)где ЬО - калиброванное изменение длины пути опорного пучка.Дополнительное изменение длины пути опорного пучка ЬО осуществляют смещением неподвижного отражателя, например, воздействием электрического напряжения на 55 пьезокерамический держатель этого отражателя, Калибровку этого смещения осуществляют по известной разности расстояний, проходимых дистанционным и опорным пучками, Для этого с помощью образцовой меры длины, например, плоскопараллельной кон 25) лп 2 - пз = Яо (1 +) (27 гЬ х из - п 2 - Зо (1 + У) (2 Лх Далее определяют отношение разности кодов (15) к разности раэностных кодов (15) и (16) или (15) и (17) в зависимости от последовательности выполненных операций Если представить и станционным пучком, в где Оо 1 - расстояние д скости (00102) где расстояние, то результа и (21) можно представит ОП 1 - П 4 где п 10, п 20 пзо, п 40 или п 10, пго пзо, п 4 о -коды интенсивностей 4-х измерений при калибровке,Фиксируют напряжение, создающее смещение неподвижного отражателя на калиброванную величину ЬО, которое в дальнейшем используют для создания калиброванного изменения длины пути опорного пучка и определения расстояния до контролируемого объекта.Таким образом, по результатам измерения четырех интенсивностей интерференционной полосы, соответствующих кодам п 1, п 2, пз, п 4 и калиброванному изменению пути опорного пучка ЛО определяют расстояние до отражателя объекта Ох независимо от скорости распространения ч и медленных погрешностей преобразования (у 3) разности фаз оптических излучений в цифровой код. Быстрые погрешности уменьшаются за счет повторных измерений и статистической обработки результатов измерений.По сравнению со способом (3) исключено влияние на результат измерения непостоянства скорости распространения (ч). Точное определение расстояния до отражателя контролируемого объекта может быть осуществлено с высокой точностью без знания приблизительного значения расстояния, Благодаря малым изменениям частоты излучения(ЬЛ = ЬО/О = ( (14" 8 Ох исключено влияние дисперсии показателя преломления среды распространения на точность измерения.Так, по способу(3) необходимое изменение частоты при измерении расстояния Ох определяется выражениемЬ =а - 1 = - Ьгп,ч. где ЬО - измеренное изменение длины пути опорного пучка; п 1 - первоначальная ин тенсивность интерференционной полосы;п 2, п 2 - вторая интенсивность интерференционной полосы соответственно при положительном и отрица 1 ельном значениях ЬО; пз, пз - третья интенсивность интерференци онной полосы соответственно при положительном и отрицательном значениях изменения частоты; п 4, п 4 - четвертая интен 1сивность интерференционной полосы соответственно при положительном и 45 отрицательном значениях изменения частотыпри сдвиге частоты нэ Ь и восстановленной начальнойдлине опорного пучка(ЬО=О),ула изобретени Способ. определения расстояния до обьекта, при котором разделяют оптическое когерентное излучение на дистанцйонный и опорный пучки, принимают отраженный ди-. станционный пучок от обьекта и опорный пучок от неподвижного отражателя, совмещают в одной плоскости отраженный дистанционный и опорный пучки, измеряют в поле зрения фотоприемника первоначаль.ную интенсивность интерференционной полосы на исходной частоте излучения, плавно изменяют частоту источника излучеСоставительТехред М.Моргентал рректор О.Кравцов Редактор Заказ 4505 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5/роизводСтвенно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 восстанавливается первоначальное положение отражателя 5, и соответствующие результаты (13) и (14) после функционального преобразования запоминаются ОЗУ. После выполнения вычислений по формуле (22) ре зультат измерения расстояния до отражателя 6 контролируемого объекта регистрируется цифровым индикатором 17.В программу ЭВМ 12 введен алгоритм выбора знака приращения частоты излуче ния лазера и перемещения опорного отражателя из условий работы в пределах одного линейного участка преобразовательной характеристики, т.е. в пределах одной интерференционной полосы. В па мяти ЭВМ 12 также введено в виде константы калиброванное перемещение опорного отражателя 5 АЛО.Рассмотренный способ использован в технологических операциях юстировки пре цизионных механизмов, в частности, настройки ПЗУ на винчестерских дисках, В качестве источника когерентного излучения использован лазер типа ЛГ - 52-1, фотоприемником служит диодная линейка на фото диодах ФД, а блок перестройки частоты представляет собой акустооптический модулятор типа МЛ, Диапазон измеряемых расстояний 0,001-1 м, погрешность измерения не более +0,2 мкм, при работе в среде с изменяющейся температурой и влажностью. ния, регистрируют величину порядка интерференции в процессе изменения частоты и обрабатывают результаты измерений, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности после регистрации первоначальной интенсивности интерференционной полосы на исходной частоте излучения, изменяют длину пути опорного пучка на измеренную величину, регистрируют второе значение интенсивности, сравнивают его с первоначальным значением интенсивности, изменяют частоту излучения в направлении приближения к первоначальной интенсивности с фиксированием длины пути опорного пучка и частоты, при которых разность хода интерферирующих пучков в 5-10 раз превышает порог чувствительности и не превышает 1/4 - 1/8 длины волны излучения, регистрируют третье значение интенсивности, сравнивают его с предыдущим, восстанавливают первоначальную длину пути опорного пучка и регистрируют четвертое значение интенсивности, а расстояние опре- деляют из выражения