ИНТЕРПОЛЯТОР СТОЯЧИХ ВОЛН Российский патент 1997 года по МПК G01C19/64 G01D5/26 

Изобретение относится к интерполятору стоячих волн, обладающему двумя токопроводящими линиями, каждая из которых соединена с последовательной схемой, состоящей из фотодиода, гибридного усилителя и сердечника с двумя отверстиями, относящийся к первой токопроводящей линии, предусмотрен для детектирования частоты межмодовых интервалов лазера, а фотодиод, относящийся ко второй токопроводящей линии, для детектирования частоты межмодовых интервалов плюс/минус доплеровский сдвиг интерферометра.

Известен интерполятор стоячих волн, первая токопроводящая линия которого имеет возрастающий пошаговым образом угловой растр, начинающийся при начальном угле и заканчивающийся при конечном угле, и все элементы и соединения которого размещены на носителе из керамического материала.

Изобретение может использоваться в измерительной технике. Оно может преимущественно применяться там, где имеют место высокие скорости объекта, как например, круговые и прямолинейные перемещения на сверхпрецизионных обрабатывающих станках, при высоком инкрементальном разрешении.

Все известные решения методов несущей частоты позволяют получать на основе высокой несущей частоты зеемановского гелийнеонового лазера с частотой около 2 МГц при высоких скоростях смещения объекта, например, при λ/256 около 50 мм/с [1] Тем самым разрешение λ/1024 при скорости перемещения объекта в 100 мм/с не может реализовываться. Кроме того, повышение разрешения путем умножения несущей частоты означает очень высокую схемную трудоемкость, причем в быстродействующих системах не может осуществляться обработка в реальном времени.

Известны решения, в которых эффекты времени пролета (задержки) возникают при смене направления перемещения объекта вследствие обусловленной гистерезисом ошибки регулирования петли регулирования фазы и оказывают отрицательное влияние. Вследствие этого повышение разрешения при обработке в реальном времени невозможно, так как время аналого-цифрового преобразования сигнала (интерполяция) сказывается отрицательно (последовательная обработка данных).

Цель изобретения создание интерполятора стоячих волн, посредством которого в быстродействующих системах может достигаться высокое разрешение в режиме реального времени (параллельная обработка сигнала).

Согласно изобретению задача по созданию вышеуказанного вида интерполятора стоячих волн решается тем, что несколько ВЧ-смесителей подключаются своим опорным входом к первой токопроводящей линии, опорный вход первого ВЧ-смесителя локализован в положении начального угла первой токопроводящей линии, а другие ВЧ-смесителяи подключены своими опорными выводами к первой токопроводящей линии с возрастающим до конечного угла растром, что ВЧ-смесители подключены своими измерительными входом ко второй токопроводящей линии, а выходы ВЧ-смесителей для вывода обладающей фазой доплеровской частоты подводятся к цифровому дискриминатору, что позволяет производить параллельную обработку, например, посредством заказных интегральных схем. ВЧ-смесители представляют собой обычные гибридные сети, позволяющие выдавать дифференциальные частоты двух входных частот.

В качестве диэлектрического материала предпочтительно использовать керамический материал.

Токопроводящие линии выполняются преимущественно в виде дугоообразных полосковых проводников, разделенных на участки в соответствии с растром. В соответствии с дуговой формой токопроводящих линий носитель должен иметь круговое сечение. Первая токопроводящая линия должна иметь длину, соответствующую значению λ/2 частоты межмодового интервала.

Предусмотрено не менее двух ВЧ-смесителей, подсоединенных своими опорными вводами к первой токопроводящей линии в позициях растра, соответствующих углам 0 и 90^o. Однако, предпочтительно сопряжение в позициях растра, эквивалентных углам 5,625^o или 11,25^o.

Вторая токопроводящая линия может формировать как симметричная сеть полосковых проводников.

При работе схемы согласно изобретению фотодиод, относящийся к первой токопроводящей линии, детектирует полученную от лазера частоту межмодового интервала f₁, f₂. Фотодиод второй токопроводящей линии детектирует поступающую от интерферометра в измерительный канал частоту межмодового интервала плюс/минус доплеровский сдвиг f₁; f₂± Δf₂ f₂. Амплитуды выходных сигналов фотодиода усиливаются соответствующим дополнительно включенным гибридным усилителем, так что последующие сердечники с двумя отверстиями работают в насыщении (амплитудная стабилизация). Стабилизация может также достигаться посредством постоянного диодного тока.

Усиленные и стабилизированные таким образом сигналы проводятся через токопроводящие линии к ВЧ-смесителям, где они смешиваются, а затем как параллельно обработанные в режиме реального времени сигналы поступают к цифровому дискриминатору для обработки.

Фотодиоды выполнены предпочтительно как лавинопролетные (лавинные) диоды.

Основные преимущества предложенного решения состоят в том, что ВЧ-смесители точно соответствуют фазовому углу стоячей волны, возникающей на первой токопроводящей линии, благодаря чему в быстродействующих системах, в частности, в лазерных системах измерения перемещения, достигается высокое разрешение в режиме реального времени. Посредством относительно простых средств могут регистрироваться быстрые перемещения объекта.

На фиг.1 показана принципиальная блок-схема интерполятора стоячих волн; на фиг.2 схема целесообразного примера реализации изобретения.

Принципиальная электрическая схема интерполятора стоячих волн включает (фиг.1) последовательную схему, состоящую из фотодиода 1, гибридного усилителя 2 и сердечника 3 с двумя отверстиями. Выход сердечника соединен линией 4 с первой токопроводящей линией 5, подключенной другим концом через линию 6 и сопротивление 7 к потенциалу корпуса.

Другая последовательная схема, состоящая из фотодиода 8, гибридного усилителя 9 и сердечника 10 с двумя отверстиями, соединена через линию 11 со второй токопроводящей линией 12. Первая токопроводящая линия 5 разделена на угловой растр от Φ_o до Φ_n, причем начальный угол Φ_o может свободно выбираться или задаваться. Возрастающий шаговым образом растр с шагом в ΔΦ заканчивается при конечном угле v_n. Возрастание ΔΦ соответствует углу или интервалу между двумя соседними делениями растров, например, v_o и Φ₁. Обе токопроводящих линии могут иметь дугообразное (кривизна с конечным радиусом, перпендикулярно к плоскости чертежа) или плоское (кривизна с бесконечным радиусом) исполнение. Аналогично этому носитель 13 из диэлектрического материала, на котором расположены все элементы и соединения, обладает изогнутой или плоской наружной поверхностью, так что он имеет круговое сечение. Токопроводящие линии соединены посредством нескольких параллельно включенных ВЧ-смесителей 14. Их опорные входы 15 соединены с первой токопроводящей линией 5, причем первый ВЧ-смеситель 14 подключается своим входом 15 при начальном угле Φ_o. Вследствие того, что для реализации изобретенного решения предусмотрено не менее двух смесителей, второй ВЧ-смеситель 14 должен подключаться своим опорным выходом 15 в позицию Φ_n.. Измерительные входы 16 ВЧ-смесителей соединены со второй токопроводящей линией 12, их выходы 17 приложены к цифровому дискриминатору 18, состоящему из сопряжения шестнадцати компараторов и EX-OR-вентилей, на выходе которых получают сигналы А-Quad-В. Сигнальный выход A-Quad-B может предусматриваться как интерфейс для сопряжения с ЭВМ. Кроме того, цифровой дискриминатор 18 выдает счетные цепочки для счетчика прямого и обратного направлений или аналогичных преобразователей информации, выдающих значение измерения.

На основе описанной схемы принципиально возможна реализация изобретения.

На фиг.2 представлено изобретение в наиболее выгодном исполнении. В этом случае токопроводящие линии 5, 12 связаны посредством шестнадцати параллельно включенных ВЧ-смесителей 14. В соответствии с данным количеством шаг растра на токопроводящей линии 5 имеет при Φ_o= 0^° и при Φ₁₆ 169,75^o величину ΔΦ 11,25^o. Токопроводящая линия 5 выполнена в виде полосковой линии с длиной, соответствующей значению l/2 частоты межмодового интервала f₁, f₂ лазера. Вторая токопроводящая линия 12 исполнена как симметричная сеть полосковых линий, с которой соединены измерительные входы представленных, а также другие измерительные входы не представленных здесь ВЧ-смесителей 14.

При работе схемы фотодиод 1, выполненный в данном примере как лавинопролетный диод, детектирует возникающую от лазера частоту межмодовых интервалов f₁, f₂. В то время, как фотодиод 8, также исполненный как лавинопролетный диод, регистрирует поступающую от интерферометра в измерительном канале частоту межмодовых интервалов плюс/минус доплеровский сдвиг f₁, f₂ ± Δf₂. Диодные напряжения смещения выбраны так, что оба фотодиода работают в максимальном диапазоне. Соответствующие, дополнительно подключенные гибридные усилители 2, 9 увеличивают амплитуду сигнала, так что последующие сердечники с двумя отверстиями 3, 10 работают в насыщении (регулирование амплитуды).

Вследствие этого лазерная мощность может изменяться по крайней мере на один порядок или соответственно плоские зеркала в оптической лазерной системе измерения могут быть значительно сильнее наклонены по сравнению с обычными лазерными интерферометрическими системами измерения.

Усиленные и отрегулированные сигналы f₁; f₂ и f₁; f₂ ± Δf₂ поступают через токопроводящие линии в ВЧ-смесителям 14, причем сигналы f₁, f₂ подводятся в соответствии с растром к опорным входам, представленным, а также и к другим опорным входам, не представленным здесь ВЧ-смесителей 14, в то время как сигналы f₁; f₂ ± Δf₂ поступают через токопроводящую линию 12 к измерительным входам ВЧ-смесителей 14. В ВЧ-смесителях 14 сигналы смешиваются.

В зависимости от смещения измерительного объекта (измерительное зеркало, не представлено) на выходах представленных, а также и других, не представленных здесь ВЧ-смесителей 14, снимаются параллельно в режиме реального времени шестнадцать сигналов от Δf₂+Φ_o до Δf₂+Φ₁₆ с соответствующими сдвигами фазы и подводятся к цифровому дискриминатору для обработки. Здесь осуществляется определение знака доплеровской частоты ± Δf₂ и подготовка счетных цепочек с правильным знаком.

ВЧ-смесители выдают переменный сигнал без постоянного напряжения, который запускается в нулевой точке амплитуды. Нарушения амплитуды, вызванные, например, разъюстировкой оптической системы, предвключенной интерполятору стоячих волн, или вследствие наклона измерительного зеркала в этой системе, не оказывают отрицательного влияния. В случае сверхбыстрых и высокоразрешающих систем целесообразно регулировать амплитуду посредством второго вентиля двухвентильного транзистора гибридного усилителя 2, 9. При колебаниях нулевой точки ВЧ-смесителей 14 во время быстрых перемещений измерительного зеркала можно при необходимости применить схемы обработки с коррекцией нулевой точки. Выходная частота смесителей, составляющая нуль Гц, в случае покоящегося измерительного объекта допускается. Коррекция нелинейных ошибок, обусловленных временем пролета, возможна посредством разделения доплеровской частотой ±Δf₂ на интервалы и изменения фактора деления в каждом интервале.

Интерполятор стоячих волн предназначен для регистрации очень быстрых перемещений объекта с высокой разрешающей способностью в режиме реального времени. К первой токопроводящей линии 5 подводится частота межмодовых интервалов лазера, ко второй токопроводящей линии 12 - частота межмодовых интервалов плюс/минус доплеровское смещение. Обе токопроводящие линии соединены параллельно включенными ВЧ-смесителями 14, причем их опорные выходы 15 приложены к первой токопроводящей линии 5, а их измерительные выходы 16 - ко второй токопроводящей линии 12. Выходы ВЧ-смесителей 14 подключены для вывода доплеровской частоты с фазой к цифровому дискриминатору 18. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Интерполятор стоячих волн, содержащий первый и второй измерительные каналы, выходами соединенные с соответствующими входами цифрового дискриминатора и имеющие на входах первый и второй фотодиоды, отличающийся тем, что в него введены двойные балансные смесители, первый и второй фотодиоды установлены с возможностью детектирования соответственно частоты межмодовых интервалов лазерного излучения и частоты межмодовых интервалов плюс/минус величина доплеровского смещения интерферометра, а каждый измерительный канал выполнен в виде расположенных на подложке из диэлектрического материала последовательно соединенных гибридного усилителя, вход которого подключен к соответствующему фотодиоду сердечника с двумя отверстиями и токопроводной линии, при этом первая токопроводная линия выполнена с угловым растром, размер которого возрастает от начального до конечного углов сдвига фаз, и отводами, соответствующими величинам таких углов в возрастающем порядке в интервале углового растра возрастающего размера, соединена с опорными входами соответствующих двойных балансных смесителей, измерительные входы которых подключены к соответствующим отводам второй токопроводной линии, а выходы представляют выходы соответствующих измерительных каналов. 2. Интерполятор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве диэлектрического материала подложки использован керамический материал. 3. Интерполятор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что токопроводные линии выполнены в виде дугообразных полосковых проводников. 4. Интерполятор по п. 3, отличающийся тем, что подложка имеет круговое сечение. 5. Интерполятор по любому из пп. 1 4, отличающийся тем, что длина первой токопроводной линии соответствует значению половины длины волны сигнала частоты межмодового интервала. 6. Интерполятор по любому из пп. 1 5, отличающийся тем, что в качестве фотодиодов использованы лавинные диоды. 7. Интерполятор по любому из пп. 1 6, отличающийся тем, что вторая токопроводная линия выполнена как симметричная сеть полосковых проводников. 8. Интерполятор по любому из пп. 1 7, отличающийся тем, что каждый двойной балансный смеситель состоит из гибридных модулей.