СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ИНТЕРПОЛЯЦИИ ФАЗОВОГО СДВИГА В ЛАЗЕРНЫХ ИНТЕРФЕРОМЕТРАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к лазерной интерферометрии, и может быть использовано для определения фазового сдвига в лазерном интерферометре.

Известен способ [1] автоматической интерполяции фазового сдвига, заключающийся в том, что измеряемое перемещение преобразуют в n интерференционных сигналов, сдвинутых по фазе на π /n, формируют из этих сигналов 2n импульсов на каждый порядок интерференции.

Недостатком указанного способа является погрешность преобразования, вызванная изменением амплитуды интерференционных сигналов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ [2], заключающийся в том, что измеряемое перемещение преобразуют с помощью оптико-электронного интерференционного преобразователя с гармонической модуляцией в электрический сигнал, частота которого связана с частотой гармонической модуляции, а фазовый сдвиг относительно сигнала модуляции пропорционален измеряемому перемещению, из сигнала гармонической модуляции получают n синхронных сигналов, сдвинутых по фазе на π/n, исходный электрический сигнал перемножают с синхронными сигналами и получают n электрических сигналов, из которых формируют пачку импульсов на каждый период фазового сдвига световых волн.

Устройство, реализующее способ, содержит лазер, опорный и измерительный отражатели, светоделительный кубик, модулятор, генератор стабильной частоты, фотоприемник, два балансных смесителя, связанных с фотоприемником, вторые входы балансных смесителей связаны с выходами сигналов, сдвинутых на π /2 генератора, выходы балансных смесителей связаны через формирователи прямоугольных импульсов с блоком цифровой индикации.

Недостатком указанного способа и устройства является невысокая точность и разрешающая способность.

Целью изобретения является повышение точности и разрешающей способности, а также упрощение электрической схемы для получения необходимой разрешающей способности.

Цель достигается тем, что частота n гармонических сигналов в нечетное число К раз больше частоты гармонической модуляции в интерференционном преобразователе, а из полученных в результате умножения n электрических сигналов формируют 2nК импульсов на каждый период фазового сдвига световых волн.

Устройство, реализующее способ, снабжено делителем частоты с нечетным коэффициентом деления, генератор стабильной частоты связан через делитель с оптическим модулятором.

Изобретение поясняется фиг. 1 и 2.

На фиг. 1 представлена схема, поясняющая способ автоматической интерполяции фазового сдвига в лазерных интерферометрах.

Согласно схеме, световой сигнал интерференционного преобразователя 1, пропорциональный измеряемому перемещению Х, преобразуется оптическим модулятором 2 и фотоприемником 4 в гармонический сигнал:
U_ф(t) = U_m cos( ω_o t + kX), (1) где U_m - амплитуда напряжения;
ω_o - частота гармонической модуляции;
k = ,λ - оптическое волновое число и длина волны света;
Х - перемещение.

Генератор электрических колебаний 3 синтезирует синхронные сигналы, сдвинутые по фазе на π /n, где n - число сигналов:
U_o1(t) = U_m cos( Ω_o t),
U_o2(t) = U_m cos( Ω_ot + π/n),
U_o3(t) = U_m cos( Ω_ot + ),
. . . . . . . .

U_on(t) = U_m cos( Ω_o t + ). (2)
Один из этих сигналов, например U_o1, делится в делителе 5 по частоте на нечетное число К раз и подается на оптический модулятор.

U_м(t) = U_m cos( ω_o t), (3) где ω_o = .

Вместе с сигналом фотоприемника синхронные сигналы (2) подаются на n балансных смесителя 6, на выходах которых появляются сигналы
U₁ = U_m cos(kX) ˙ K,
U₂ = U_m cos{(kX) ˙ K + π/n},
U₃ = U_m cos{(kX) ˙ K + 2 π/n},
. . . . . . . .

U_n = U_m cos{(kX) ˙ K + π}. (4)
Сдвинутые по фазе на π /n сигналы (4) поступают на логический блок 7, где из n сигналов получают 2n импульса на период интерференционной полосы (период фазового сдвига световых волн). Импульсы поступают на реверсивный счетчик 8, который в зависимости от направления перемещения производит сложение или вычитание импульсов и представляет информацию о перемещении в соответствующих дробных долях длин волн λ/2nK в виде цифрового кода. Направление перемещения анализируется в логическом блоке 6, который формирует сигналы для реверсивного счетчика. Анализ направления производится по опережению или запаздыванию любых двух сигналов (4), поступающих в логический блок 7.

На фиг. 2 показана схема устройства, реализующего способ автоматической интерполяции при n=2.

Устройство работает следующим образом. Излучение монохроматического источника 1 разделяется на светоделительной грани куба 2 на два пучка - измерительный и опорный. Отразившись от измерительного 3 и опорного 4 отражателей, световые пучки совмещаются на светоделительной грани куба под углом α , задаваемым оптическим клином 5. Угол α выбирается равным углу дифракции световых волн на ультразвуке. После прохождения измерительного и опорного каналов интерферометра световые волны падают на акустооптический модулятор 6, в котором один из световых потоков, предположим, опорного канала, получает сдвиг оптической частоты (2 π ν_o + ω_o), а затем вместе с измерительным потоком частота (2 π ν_o) подается на фотоприемное устройство 10, где на частоте модуляции выделяется электрический сигнал
U_ф(t) = U_m cos( ω_o t + kX). (5)
Генератор 7 стабильной частоты вырабатывает электрические сигналы опорной частоты Ω_o =ϕ ω_o . На выходах генератора сигналы описываются выражениями
U cos(t) = U_m cos(Ω_o t),
U sin(t) = U_m cos( Ω_o t + ) = U_m sin( Ω_ot). (6)
Один из сигналов (6) подается через делитель 8 частоты с коэффициентом деления 9 на излучатель 9 волн, создающий в акустооптическом модуляторе бегущие звуковые волны.

Сигналы (6), сдвинутые на π /2 по фазе, подаются на входы балансных смесителей 11, на вторые входы которых подается сигнал (5) с фотоприемника. С выходов балансных смесителей сигналы, сдвинутые по фазе на π /2, подаются через формирователи 12 в виде квадратурных сигналов на вход устройства 13 цифровой индикации К525, представляющего информацию о перемещении объекта с дискретностью λ/36 в цифровом виде. За счет двойного хода луча дискретность отсчета перемещений составляет λ/72.

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности и разрешающей способности, а также упрощение электрической схемы для получения необходимой разрешающей способности устройства. Измеряемое перемещение преобразуют с помощью интерференционного преобразователя с применением гармонической модуляции в электрический сигнал на частоте гармонической модуляции, фазовый сдвиг которого относительно сигнала модуляции пропорционален измеряемому перемещению, из сигнала гармонической модуляции получают n синхронных сигнала, сдвинутых на Π/n по фазе, исходный электрический сигнал перемножают с n синхронными сигналами в n балансных смесителях соответственно, частота n гармонических сигналов в нечетное число K раз больше частоты гармонической модуляции в интерференционном преобразователе, а из полученных в результате умножения n электрических сигналов формируют 2nK импульсов на каждый период фазового сдвига световых волн. Устройство, реализующее способ, содержащее лазер, светоделительный кубик, опорный и измерительный отражатели, модулятор 2, генератор 3 стабильной частоты, фотоприемник 4 два балансных смесителя, связанных с фотоприемником, на вторые входы балансных смесителей подаются сигналы от генератора, сдвинутые на 2 Π/2 по фазе, выходы балансных смесителей связаны через формирователи прямоугольных импульсов с устройством цифровой индикации, генератор стабильной частоты связан через делитель 5 частоты с нечетным коэффициентом деления с оптическим модулятором. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ автоматической интерполяции фазового сдвига в лазерных интерферометрах, заключающийся в том, что измеряемое перемещение преобразуют с помощью оптико-электронного интерференционного преобразователя с гармонической модуляции в электрический сигнал, частота которого связана с частотой гармонической модуляции, а фазовый сдвиг относительно сигнала модуляции пропорционален измеряемому перемещению, из сигнала гармонической модуляции получают n синхронных сигналов, сдвинутых на π / n по фазе, исходный электрический сигнал перемножают с синхронными сигналами и получают n электрических сигналов, из которых формируют пачку импульсов, на каждый период фазового сдвига световых волн, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и разрешающей способности, частота n гармонических сигналов в нечетное число K раз больше частоты гармонической модуляции в интерференционном преобразователе, а из полученных в результате умножения n электрических сигналов формируют 2nK импульсов на каждый период фазового сдвига световых волн. 2. Устройство автоматической интерполяции фазового сдвига в лазерных интерферометрах, содержащее лазер, светоделительный кубик, опорный и измерительный отражатели, модулятор, генератор стабильной частоты, фотоприемник, два балансных смесителя, связанных с фотоприемником, вторые входы балансных смесителей связаны с выходами сигналов, сдвинутых на π / 2 генератора, выходы балансных смесителей связаны через формирователи прямоугольных импульсов с блоком цифровой индикации, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и разрушающей способности, оно снабжено делителем частоты с нечетным коэффициентом деления, генератор стабильной частоты связан через делитель с оптическим модулятором.