Устройство для измерения части интерференционной полосы

,146739 1 В 21/00 ИЕ ИЗОБРЕТМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ОПИС АВТОРСК(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗИЕРЕИИЛ ЧАСТИИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ ПОЛОСИ(57) Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения -повьппение точности измерения частиинтерференционной полосы йутем обеспечения цифровой обработки сигналовдвух интерферометров. При перемещенииобъекта 25 измеряется часть периодавыходного гармонического сигнала фотоприемника 4, преобразующего вэлектрический ток выходные, световыесигналы интерферометра 2. Текущеезначение амплитуды сигнала преобразуется в код К 1 АЦП 6, В регистре 9памяти запоминается код, соответствующий амплитуде сигнала интерферометра3 в момент начала цикла измерений,Блок 12 сравнения сравнивает текущеезначение кода с кодом, записанным врегистре 9 памяти, При совпадениикодов на выходе коммутатора 14формируется импульс, В этот момент вблоке 18 вычитания происходит сравнение кода К 1 и кода, соответствующегоопределенной амплитуде сигнала. Ихразностьсравнивается с заранееустановленной величиной Д, и приА ( аблок 11 сравнения вырабатываетимпульс, приводящий систему в исходное состояние. При этой блок 22 умножения осуществляет перемножениечисла импульсов, подсчитанных счетчиком 21 за цикл измерения, и константы, равной разности цен полосинтерферометров 2, 3. Результат отображается индикатором 23. 5 ил .Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения в динамическом режиме (т.е. в процессе движения) части периода выходного электрического гармонического сигнала интерференционного преобразователя линейных перемещений.Цель изобретения " повышение точ ности измерения части интерференционной полосы путем обеспечения цифровой обработки сигналов двух интерферометров.па фиг. 1 приведена структурная 15 схема устройства для измерения части интерференционной полосыу на фиг. 2- диаграммы сигналов, поясняющие его работу; на фиг. 3 - функциональная схема второго Формирователя; на 20 фиг. 4 - функциональная схема второго коммутатора, на фиг. 5 - временные диаграммы его работы.Устройство содержит источник 1 монохроматического излучения, интерФерометр 2, интерферометр 3 с регулируемой ценой полосы, фотоприемники 4 и 5, аналого-цифровые преобразователи б и,7, регистры 8 и 9 памяти, логический элемент И 1 О, блоки 11 ЗО и 12 сравнения, коммутаторы 13 и 14, формирователи 15 и 16, шифратор 17, блок 18 вычитания, триггер 19, блок20 определения экстремума, счетчик 21, блок 22 умножения, индикатор 23 и делитель 24 частоты, объект 25.формирователь 15 фиг. 3) состоит из индикатора 26 нуля, В-триггера 27, включенного по счетному входу, логического элемента ИЛИ 28, включенного 40 таким образом, что сигнал на его выходе повторяет сигнал на его входе (т.е. выполняющего роль линии задержки) и логического элемента И 29, Триггер 27, логический элемент ИЛИ 2845 и элемент И 29 выполняют Функцию делителя 30 частоты.Коммутатор 14 (Фиг. 4), построенный в предположении, что длительность импульсов, поступающих на его входы Упр,вх Вх.1 и Вх.2, одинакова, содержит логический элемент 3 1 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, триггер 32, два логических элемента И 33 и 34, логический элемент ИЛИ 35 и выполняющий роль линии задержки логический элемент ИЛИ 36 .С перемещающимся объектом 25 свя- заны подвижные части интерферометра 2 и интерферометра 3 с регулируемойценой полосы. На оптическом выходеинтерферометра 2 установлен первыйфотоприемник 4, а на оптическом выходе интерферометра 3 - второй Фотоприемник 5. К первому фотоприемнику 4подключен первый аналого-цифровой,преобразователь 6, выход которогосвязан с информационными входамипервого регистра 8 памяти и первогокоммутатора 13. Второй информацион"/ный вход коммутатора 13 связан с выходом регистра 8 памяти, а его выходы - с информационными входамиблока 18 вычитания. Выход блока 18вычитания соединен с первым информа-ционным входом первого блока 11сравнения, выход шифратора 17 - свторым информационным входом первогоблока 11 сравнения, а его выход подключен к входу лустановка нуля триггера 19. Вход "Установка нуля" этоготриггера связан с.выходом первогоФормирователя 16, входами "Установкацнуля счетчика 21, второго коммутатора 14 и делителя 24 частоты и управляющим входом регистра 9 памяти. Вы"ход триггера 19 подключен к первомувходу логического элемента И 10 ипервому входу блока 12 сравнения.,Вторые входы элемента И 10 и блока 12сравнения соединены соответственно свыходами Формирователя 15 и регистра9 памяти, а третий вход блока 12 связан с выходом аналого-цифрового преобразователя 7 и информационным вхо"дом регистра 9 памяти. Выход блока 12соединен с первым информационнымвходом коммутатора 14 и входом делителя 24.частоты, выход которого связан с вторым информационным входомкоммутатора 14, Выход этого коммутатора подключен к управляющим входамкоммутатора 13 и блока 18 вычитанияи информационному входу счетчика 21,последовательно с которым включеныблок 22 умножения и индикатор 23 .Управляющий вход коммутатора 14 соединен с выходом блока 20 определенияэкстремума, а вход этого блока - свыходом фотоприемника 5 и входоманалого-фицрового преобразователяВход Формирователя 15 подключен квыходу фотоприемника 4, а формирователь 16 своим входом связан с перемещающимся объектом 25,Устройство работает следующимобразом,1467395 Перед измерением оно приводится в исходное состояние, при котором на выходе триггера 19 находится уровень логического нуля, На структурной схеме устройства (Фиг. 1) шина уста 5 новки триггера в исходное состояние не обозначена.Интерферометр 3 регулируется таким образом, что цена 1его интерференционной полосы незначительно меньше цены 1 интерференционной полосы интерферометра 2 На выходе шифратора 17 устанавливается определенный постоянный код, который определяется 15 величиной погрешности, допустимой при данном измерении.В процессе линейного перемещения объекта 25 одновременно с ним перемещаются подвижные части интерферометра 20 2 и интерферометра 3 с регулируемой ценой полосы. Фотоприемники 4 и 5 преобразуют световые сигналы с соответствующих интерферометров 2 и 3 в гармонические электрические сигналы 25 (диаграммы 4 и 5 на фиг. 2), периоды следования которых соответствуют ценам 1и 1интерференционных полос,указанных интерферометров.Аналого-цифровые преобразователи 30 6 и 7 осуществляют постоянное преобразование поступающих на их входы синусоидально изменяющихся напряжений .в цифровые коды,.Блок 20 определения экстремума формирует короткие прямоугольные импульсы при достижении электрическимисигналами, поступающими на его вход, максимальных и минимальных значений.а 40Формирователь 15 предназначен для формирования коротких прямоугольных масштабных импульсов (ИИ), период следования которых соответствует периоду следования интерференционных 45 полос интерферометра 2, причем их появление свидетельствует об бкончании этого периода (диаграмма 15 на фиг. 2). Формирование ИИ может быть привязано к произвольному уровню 50 электрического сигнала фотоприемника 4, например, максимальному и минимальному значениям, моменту пересечения нулевого значения и т,д. В данной реализации формирователь 15 вы дает ИИ при прохождении гармонического сигнала на его входе через нулевое значение, хотя это может быть и любой его уровень,4Формирователь 15 работает следующим образом. Индикатор 26 нуля формирует короткие импульсы всякий разпри прохождении гармонического сигнала на его входе через нулевое значение, Однако на одном периоде гармонического сигнала есть две точки с нулевой амплитудой, Делитель ЗО частотыс емкостью два из каждых двух импульсов, поступающих на его вход, формирует один импульс, совпадающий повремени с вторым импульсом на еговходе. Пусть при включении питанияустройства триггер 27 приводится висходное нулевое состояние (подачейсоответствующего сигнала по шинеустановки в исходное состояние;подключенной к его К-входу). Тогда ,на его инверсном выходе будет уровеньлогической единицы. При поступлениипервого импульса на его счетный входтриггер 27 переключится и на его инверсном выходе станет уровень логического нуля. Поэтому первый импульс,пройдя через логический элемент ИЛИ 28с задержкой, превышающей время переключения триггера 27, не пройдет через логический элемент И 29 на выходФормирователя. Второй импульс индикатора 26 нуля снова переключит триггер27, который разрешит работу логического элемента И 29, вследствие чего.этот импульс пройдет на выход формирователя 15Первый коммутатор 13 предназначендля управления прохождением информа.=ции в виде кодов с его двух информационных входов на два информационныхвыхода. Управление осуществляетсяподачей короткого прямоугольногосинхроимпульса на его управляющийвход, при этом в течение длительности,1этого импульса информация в цифровых кодах, присутствующая на двух его информационных входах, передаетсяна его соответствующие информационные выходыКоммутатор 14 осуществляет управление прохождением на его выход коротких прямоугольных импульсов, поступающих на два его информационных входа. Если моменты проходов сигналов с выхода второго блока 12 сравненияна его первый информационный вход совпадают с моментами поступления сигналов блока 20 определения экстремума на его управляющий вход, то на выход коммутатора 14 проходят сигналыс его первого информационного входа. в противном случае на выход коммутатора 13 проходят сигналы с второго его информационного входа (с выхода5 ,делителя 24 частоты). Перед каждым циклом работы коммутатора 15 он приводится в исходное состояние подачей короткого импульса на его вход установки (Вх.уст. нуля) . При этом триггер 32 устанавливается в такое состояние, при котором на его прямом выходе - уровень логического нуля, а на инверсном - уровень логической единицы. При совпадении во времени 15 сигналов на входах Упр.вх. и Вх. 1 (первая часть диаграмм Упр.вх. и Вх.1 на фиг. 5) сигналы на выходе логического элемента 31 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ отсутствуют (диаграмма 31), триг гер 32 остается в исходном состоянии (диаграмма 32 иллюстрирует уровень сигнала на его прямом выходе, а 32 на инверсном). В этом случае управляемый триггером 32 логический элемент 25 И 37 открыт, а элемент И 34 закрыт, ,поэтому на выход коммутатора через элемент ИЛИ 35 проходят сигналы с первого входа Вх, 1 коммутатора (диаграмма 35). Если же сигналы на входах Упр.вх. и Вх.1 не совпадают во времени (вторая часть диаграммы Упр,вх, .и Вх. 1), логический элемент 31 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ формирует импульсы в те же моменты, когда только на одном из его входов присутствует уровень логической единицы, Первым же выходным импульсом этого элемента триггер 32 переключится в состояние, противоположное исходному, и запретит работу логического элемента И 33, одновременно разрешив работу элемента И 34. При этом на выход коммутатора через элементы И 34 и ИЛИ 35 пойдут сигналы с его входа Вх.2. Линия Зб 45 задержки необходима для задержания прохождения сигналов с входа Вх.1 на элемент И 33 на время переключения триггера 32 в том случае, когда сигналы на вход Вх.1 приходят раньше,50 сигналов на вход Упр.вх.Блок 18 вычитания осуществляет вычисление разности кодов, поступающих на два его информационных входа. Операция вычитания осуществляется под управлением синхроимпульса, поступающего на его управляющий вход. В течение длительности этого импульса на его выходной шине Формируется код разности кодов, поступающих в это время на рва его информационнык входа, все же остальное время на его выходе постоянно удерживается код максимально большого числа, реализуемого при данном используемом числе разрядов выходной шины блока 18 вычитания (такой режим работы реализуется стандартным включением микросхем арифметико-логического устройст-ва К 155 ИПЗ, на которых построен блок 1.8).Шифратор 17 предназначен для постоянного формирования на своем выходе константы, выраженной в цифровом коде,Первый блок 11 сравнения предназначен для получения информации о сравнительной величине кодов, поступающих на два его информационных входа . Он осуществляет проверку условия того, что код на первом его входе меньше или равен коду на втором его информационном входе, При выполнении этого условия он формирует короткий прямоугольный импульс.Делитель 24 частоты аналогичен делителю 30, представленному на фиг. 3. Вход установки нуля делителя 24 - это К-вход триггера 27.Формирователь 16 осуществляет формирование короткого прямоугольного командного импульса, по которому начинается цикл измерения части периода гармонического сигнала интерферометра 2.Момент подачи командного импульса формирователем 16 может быть любым. Например, он может определяться оператором вручную подачей соответствующего управляющего сигнала на его вход. Этот управляющий сигнал может формироваться и каким-либо внешним устройством. В данной реализации устройства измерения части интерференционной полосы момент Фор.- мирования командного импульса формирователем 16 привязан к моменту про" хождения объектом 25 определенной точки вдоль траектории его перемещения, при этом формирователь 16 реализован по схеме, представленной на фиг. 3, и связан с перемещающимся объектом 25, Этот командный импульс (диаграмма 16 на фиг, 2) поступает на входы установки нуля счетчика 21, записывая в него нуль; коммутатора 14 и делителя 24 частоты, подготав 1467395 Оние. Уровень логического нуля, формируемый при этом триггером 19, запрещает дальнейшую работу логического элемента И 10 и блока 12 сравнения,Выполнение указанного условия означает нониусное сопряжение кодов К 1(А 1,.) и К 1(А 1(МИ. До момента этого нониусного сопряжения на. информационный вход счетчика поступит и импульсов коммутатора 14 (диаграмма 14). Информация об измеренной величине Р части гармоничного сигнала интерферометра 2, отсчитываемой от предыдущего по отношению к командному импульсу МИ до командного импульса (т.е. об измеренной части интерференционно." полосы), формируетсяа выходе блока 22 умножения, который осуществляет умножение этого числа на константу, равную (1, - 1 ). Полученный результат отображается индикатором 23.Выполнение условия К 1 (А 1 ) = Ы (А 1(МИ при измерении части Р интерференционной полосы нониусным методом возможно лишь в том случае, если она кратна целому числу разностей цен 1, и 1 интерференционных полос интерферометров 2 и 3.Вследствие случайного характера момента формирования командного им.пульса действительный размер части интерференционной полосы может быть не равен целому числу разностей цен полос интерферометров. Тогда при нониусном сопряжении условие К 1 (А 1,) = К 1 (А 1(МИ в моменты появления кода К 2 выполняется не точно, а приближенно. Оценим величину этого приближения.При первом появлении на выходе коммутатора 14 сигнала, ооответствующего коду К 2 (А 2), точка А 1 на выходном сигнале фотоприемника 4 сдвинута во времени от точки А 1 (МИ) .на величину, пропорциональную ,Р-(1- 1), при следующем - на величину, пропорциональную Р(1, - 1), при следующем - на Р-З(1, - 1) и т.д. Это обусловлено тем, что период выходного сигнала фотоприемника 5 меньше периода выходного сигнала фотоприемника 4 на величину, пропорциональную (1- 1) и равную (1-1)/Ч, где Ч - скорость перемещения объекта 25.При неточном выполнении равенства Р = и(1-1), где п = 1, 2, 3, иО(Р - и й) 4 Л/2. Величина, соответствующая абсолютному значению разности К 1(А 1(МИ и кода, определяющего амплитуду сигнала фотоприемника 4, проекция которой на ось абсцисс удалена от проекции амплитуды А 1(МИ) на ту же ось на Д/2 Ч, равна д. При различных значениях уровня А 1(МИ) величина Дможет быть разной, но она,однозначно соответствует тому значению А 1(МИ), которое выбрано в конкретной реализации устройства, и не зависит от Ч. Необходимое для данной реализации устройства значение д к Формируется шифратором 17 и устанавливается на нем перед измерениями. Тогда совершенно ясно, что момент наступления неравенства (Р - и 4)/2 аналогичен наступлению такого момента времени, когда при появлении на выходе коммутатора 14 импульса, соответствующего наличию на выходе фотоприемника 5 амжлитуды А 2 гармонического сигнала, текущее значение кода К 1(А 1;), формируемого аналого-цифровым преобразователем 6, отличается от кода К 1(А 1(МИ МИ на величину, не превышающую. Д к, т.е. 4 П 1 и 20 2 П 30 зп 40 нониусное сопряжение кодов К 1(А 1 )и (К 1(А 1(МИ) ) должно фиксироватьсятогда, когда разность (Р-па) будетминимальна ( Л = 1- 1 ). Наихудшимслучаем будет тот случай, когда(Р - п д) = (Р - (и+1 = Л/2. Значит, можно утверждать, что нониусноесопряжение кодов К 1(А 1;) и К 1(А 1(МИдолжно быть зафиксировано тогда,когда К 1(А 1,) С К 1(А 1(МИ + к откуда и вытекает неравенство, выполнение 1 еоторого проверяется блоком 11 сравнения,Устройство может измерять как часть интерференционной полосы, так и дробную часть интерференционной полосы. Во втором случае число и в блоке 22 умножения необходимо умножать на константу д /1.После того, как выходным сигналом блока 1 триггер 19 сбрасывается в исходное состояние и бльк 22 умножения осуществляет арифметическую операцию умножения накопленного вливая их к работе, и на управляющий вход регистра памяти. По нему вуказанный регистр заносится цифровой код К 2, находящийся в этот момент времени на выходе аналого-цифрового преобразователя 7 и соответствующий мгновенной амплитуде А 2 выходного сигнала интерферометра 3. Одновременно этот импульс переключает триггер 19, в результате чего на его выходе появляется уровень логической единицы. Он поступает на первые входы логического элемента И 10 и блока 12сравнения, являясь для них сигналом разрешения их работы, После прихода этого уровня элемент И 10 формирует короткий импульс всякий раз при приходе на другой его вход 1 И с формирователя 15 )диаграмма 10, фиг. 2), 20 а блок 12 сравнения формирует короткий импульс всякий раз, когда цифровой код на выходе аналого-цифрового преобразователя 7 совпадает с кодом К 2 (А 2), хранящимся в регистре 9 25 памяти (диаграмма 12). На одном периоде сигналов интерферометра 3 может быть два или одно значение амплитуды А 2 (в зависимости от того, совпадает оно с экстремальными значениями 30 амплитуды или нет), Поэтому коммутатор 14, управляемый сигналами блока 20 определения экстремума, Формирует прямоугольный выходной сигнал каждый раз при Формировании сигнала блоком 12 сравнения или через раз. Если моменты прихода на первый информационный вход коммутатора 14 сигналов с блока 12 сравнения совпадают с моментами поступления на его управляющий 40 вход выходных импульсов блока 20 определения экстремума (т.е, значение А 2 совпадает с экстремальным значением амплитуды выходного сигнала фотоприемника 5), то на выход этого коммутатора 14 проходят сигналы с его первого информационного входа (т.е. выходные сигналы блока 12 сравнения). Если же моменты прихода на первый информационный вход коммутатора 14 сигналов с блока 12 сравнения не совпадают с. моментами поступления на его управляющий вход выходных импульсов блока 20 определения экстремума, на выход этого коммутатора 14 проходят сигналы с второго его информационного входа, т.е. выходные сигналы делителя 24 частоты, осуществляющего деление частоты на 2, так как зафиксированное в регистре 9 памяти значение А 2 амплитуды не совпадает с экстремальным значением амплитуды выходного сигнала фотоприемника 5.В данном случае выполняется второе условие, поэтому на выход коммутатора 14 поступают сигналы с выхода ,делителя 24 частоты (диаграмма 14 1 на фиг. 2).Первый же ИИ, появившийся на на выходе элемента И 10, поступает на управляющий вход регистра 8 памяти и переписывает в него код К 1, соответствующий амплитуде А 1.(11 И), т.е, амплитуде, при которой формирователем 15 формируется МИ. Постоянный код К 1 (А 1 (11 И и переменный код соответствующий мгновенному значению амплитуды выходного сигнала фотоприемника 4, поступают на два информационных входа коммутатора 13. В момент прихода на вход управления этого коммутатора 13 синхроимпульса с выхода коммутатора 14 и в течение времени, равного длительности этого синхроимпульса, коды с информационных входов коммутатора 13 проходят на его выходы и поступают в блок 18 вычитания. Таким образом, на информационных входах блока 18 вычитания в моменты времени, соответствующие появлению один раз в период на выходном гармоническом сигнале фотоприемника 5 запомненной под действием командного импульса амплитуды А 2, появляются коды К 1(А 1) и К 1(А 1(1 Я. Вследствие разницы величин периодов сигналов интеферометров 2 и 3 (К 1)А 1 ) ф К 1(А 1) + К 1(А 1 д) + . Блок 18 осуществляет их вычитание, в результате чего на первый информационный вход первого блока 11 сравнения в течение длительности синхроимпульса на управляющем входе блока 18 поступает код разности К 1(А 1;)- -К 1(А 1(МИ, а на другой вход - код постоянного числа Дк, Формируемый шифратором 17. Блок 11 сравнения анализирует относительную величину кодов на его информационных входах. При выполнении условияК 1(А 1;) - К 1 (А 1(ИИ) )3 кон формирует короткий импульс (диаграмма 11 на фиг. 2), поступающий на вход "Установка нуля" триггера 19 и сбрасывающий его в исходное состоя14673 счетчике 21 числа на константу,устройство заканчивает один цикл измерения и готово к следующему циклу,началом которого служит выработка5формирователем 16 следующего командного импульса. Результат измеренияотображается индикатором 23. Формула изобретения 10 Устройство для измерения части интерференционной полосы, содержащее оптически связанные источник монохроматического излучения, первый 15 интерферометр и первый фотоприемник, оптически связанные с источником излучения второй интерферометр с регулируемой ценой полосы и второй фотоприемник, первый и второй анало го-цифровые преобразователи, входы которых связаны соответственно с выходами первого и второго фотоприемников, первый и второй блоки сравнения, первый и второй коммутаторы, 25 первый и второй регистры памяти, первый и второй формирователи, блок определения экстремума, логический элемент И, триггер, делитель частоты, последовательно соединенные счетчик, 30 блок умножения и индикатор, второйаналого-цифровой преобразователь, . второй регистр памяти, второй блок сравнения и второй коммутатор.соединены последовательно, вход счетчика 3соединен с выходом второго коммутатора, второй вход второго блока сравнения соединен с выходом второго аналого-цифрового преобразователя, первый вход делителя частоты соединен 40 с выходом блока сравнения, а выход -95 124 с вторым входом второго коммутатора, второй формирователь соединен с вторым входом счетчика, .выход блока выделения экстремума сеединен с третьим входом второго коммутатора, выход второго фотоприемника соединен с входом блока выделения экстремума, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено блоком вычитания и шифратором, первый аналого-цифровой преобразователь, первый регистр памяти, первый коммутатор, блок вычитания и первый блок сравнения соединены последовательно, выход первого аналого-цифрового преобразователя соединен с вторым входом первого коммутатора, второй выход которого соединен с вторым входом блока вычитания; третий вход которого соединен с третьим входом первого коммутатора и выходом второго коммутатора, выход первого фотоприемника соединен с входом первого формирователя, выход которого соединен с первым входом логического элемента И, второй вход которого соединен с выходом триггера и третьим входом второго блока сравнения, а выход элемента И - с вторым входом первого регистра памяти, второй вход первого блока сравнения соединен с выходом шифратора, а выход . - с К-. входом триггера, выход второго формирователя соединен с 8-входом триггера, вторым входом второго регистра памяти, вторым входом делителя частоты и четвертым входом второго коммутатора, а вход второго формирователя предназначен дпя связи с объектом измерения.од, ул, Гагарина,101 оизводственно-издательский комбинат "Патент", г 1184/37 Государ Тираж б 83 Подписноеного комитета по изобретениям и открытиям при ГЕНТ СССР 3035, Москва, Ж-Э 5, Раушская наб д. 4/5