УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОТКЛОНЕНИЙ ОТ ПРЯМОЛИНЕЙНОСТИ Российский патент 1997 года по МПК G01B21/20 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к лазерной интерферометрии, и может быть использовано для контроля отклонений формы направляющих элементов станков и измерительных приборов.

Известно устройство для контроля прямолинейности /1/ (аналог), которое состоит из монохроматического источника, коллиматора, светоделительного блока, триппель-призмы, установленной на измерительной каретке, диафрагмы, акустического модулятора с излучателем и генератором ультразвуковой частоты, оптической системы, фотоприемника, резонансного усилителя, нормирующего преобразователя, блока индикации.

Недостатком устройства является ограничение диапазона измерения, определяемое периодичностью статической характеристики устройства. Максимальное значение диапазона измерения не превышает значения длины ультразвуковой волны Λ
Известно устройство для измерений отклонений от прямолинейности /2/ (аналог), которое содержит источник монохроматического излучения и оптически связанные с ним коллиматор, светоделительный блок, триппель-призму, установленную на измерительной каретке, акустический модулятор с излучателем и генератором ультразвуковой частоты, афокальную оптическую систему и расположенные в ее фокусе два фотоприемника, электрически связанные с выходами двух фазовых детекторов, вторые входы детекторов связаны с выходом генератора ультразвуковой частоты, выходы детекторов связаны с вычислительным и индицирующим устройствами.

Это устройство позволяет повысить точность измерения за счет исключения составляющей погрешности, определяемой нестабильностью оси диаграммы направленности источника света. Однако в нем диапазон измерения также не превышает значения длины ультразвуковой волны L, что является недостатком и ограничивает область применения устройства.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для реализации способа измерения смещений объекта /3/ (прототип), которое содержит монохроматический источник света, коллиматор, светоделитель, формирователь излучения, измерительный отражатель, опорный отражатель, оптический клин, ограничительную диафрагму, светомодулятор, оптическую систему, три фотоприемника, три узкополосных усилителя, фазометрическое устройство, два измерителя частоты, электронный генератор и ключ.

Это устройство позволяет измерять пространственные перемещения с высокой точностью за счет образования акустооптоэлектронной обратной связи (АОС) и частотной индикации входного поперечного перемещения. Однако точность измерения функционально зависит от диапазона измерения и повышение точности измерения требует уменьшения диапазона измерения. Такая особенность измерительного устройства является существенным недостатком и ограничивает его область использования.

Изобретение направлено на достижение технического результата, который заключается в повышении точности и расширении диапазона измерений.

Указанный результат достигается тем, что предлагаемое устройство для измерения отклонений от прямолинейности содержит источник монохроматического излучения и оптически связанные с ним уголковый отражатель, установленный на каретке, акустический модулятор с оптическим и электрическим входами, коллиматор, фотоприемник с электрическим выходом, между выходом фотоприемника и электрическим входом акустического модулятора последовательно включены система фазовой автоподстройки частоты и линия задержки с переменным значением задержки.

Полученное новое качество от данной совокупности признаков ранее не было известно и достигается только в данном устройстве.

На чертеже представлена схема предлагаемого измерительного устройства.

Устройство содержит источник монохроматического излучения (лазер) 1, зеркало 2, триппель-призму 3, подвижную каретку 4, акустический модулятор (АОМ) 5, пьезоизлучатель 6, коллиматор 7, фотоприемник 8, систему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) 9, линию с переменным значением задержки сигнала (в дальнейшем линия задержки) 10.

Устройство работает следующим образом.

Излучение лазера 1, отразившись от зеркала 2, направляется на триппель-призму 3, установленную на подвижной каретке 4.

Отразившись от триппель-призмы 3, лазерный луч проходит через АОМ 5, где дифрагирует на три дифракционных порядка E(+1), E(0) и E(-1). Коллиматором 7 выделяются два дифракционных порядка E(+1) и E(0), пространственно совмещаются и следуют на выход фотоприемника 8.

Оптическое гетеродинирование на плоскости фотоприемника разночастотных оптических потоков приводит к появлению на выходе фотоприемника 8 электрического сигнала U₁= U_1m•cos(2πf_мt + Φ₁) Этот сигнал поступает на вход системы ФАПЧ 9. Выходной частотный сигнал системы ФАПЧ 9 следует на линию задержки 10, после которой поступает электрический вход АОМ 5.

Работа устройства заключается в следующем.

Функциональные возможности системы ФАПЧ позволяют реализовать такой режим работы, в котором для определенного частотного диапазона изменения фазы модулятора ΔΦ_аом могут быть скомпенсированы изменениями фазы линии задержки ΔΦ_з в соответствии с выражением
ΔΦ_аом + ΔΦ_з = 0 (1)
Первая компонента формулы (1) определяется смещением лазерного луча относительно пьезоизлучателя, а выражение для нее можно записать в следующем виде:

где ΔL_аом изменение расстояния между лазерным лучом и пьезоизлучателем модулятора;
v_зв скорость распределения ультразвуковых волн.

В данном устройстве перед электрическим входом акустооптического модулятора используется линия задержки. Особенность ее работы заключается в том, что фазовая характеристика ΔΦ_з(Δω) зависит от частоты сигнала /4/
ΔΦ_з(Δω) = Φ_o+ΔΦ_з(Δω) = ωt_o- Δω²K, (3)
где Φ_o = ωt_o постоянная составляющая, обуславливающая запаздывание выходного сигнала как единого целого;
ΔΦ_з(Δω) переменная составляющая, которая определяет различные фазовые сдвиги для отдельных спектральных составляющих частотного сигнала;
К коэффициент пропорциональности, зависящий от внутренних свойств линии задержки.

Уравнения выражение (2) и переменную составляющую выражения (3), получаем

После упрощения выражения (4) имеем Это выражение показывает, что между изменениями частоты и смещениями лазерного луча существует линейная связь.

Таким образом, повышение точности обеспечивается за счет исключения нелинейной компоненты в выражении между выходной частотой и смещением лазерного луча. Расширение диапазона реализуется изменением значения коэффициента пропорциональности К.

В качестве линии с переменным значением задержки сигнала могут использоваться как электронные устройства, так и отдельные дискретные элементы.

В качестве электронных устройств могут использоваться фильтры (активные или пассивные), фазочастотная характеристика которых в некотором диапазоне является линейной (или квазилинейной) функцией /4/.

В дискретных элементах с переменным значением задержки сигнала часто используют физическое явление дисперсии упругих ультразвуковых волн в твердых телах зависимость скорости распространения волн от частоты.

Дисперсная линия задержки может быть создана как за счет распространения ультразвуковых волн, так и поверхностных акустических волн в звукопроводах. В первом случае в качестве звукопровода могут применяться пластины из стали, алюминиевых и магнитных сплавов, плавленного кварца и других материалов. Для второго случая обычно используются пластины из кварца, ниобата лития /4, 5, 6/.

Источники информации, используемые при составлении описания:
1. А.с. N 1464037 (СССР), кл. G 01 B 11/00. Акустооптическое устройство для измерения отклонений от прямолинейности. Телешевский В.И. Игнатов С.А. Яковлев Н.А. //Опубл. в Б.И. -1989, N 9. (аналог).

2. А.с. N 1717957 (СССР), кл. G 01 B 11/26. Устройство для измерения отклонений от прямолинейности. Телешевский В.И. Яковлев Н.А. //Опубл. в Б. И. 1992, N 9. (аналог).

3. А. с. N 1765691 (СССР), кл. G 01 B 11/26. Способ измерения смещений объекта. Телешевский В.И. Яковлев Н.А. //Опубл. в Б.И. 1992, N 36. (прототип).

4. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. для вузов по спец. "радиотехника". -2-е изд. перераб. и доп. М. Высш. шк. 1988 448 с.

5. Электроника: Энциклопедический словарь. /Гл. ред. В.Г. Колесников, - М. Сов. энциклопедия, 1991. 688 с.

6. Радиоприемные устройства. /Под ред. проф. А.П. Жуковского, Уч. изд-е. -М. "Высшая школа", 1989. 342 с.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к лазерной интерферометрии, и может быть использовано для контроля отклонений формы. Технический результат -повышение точности и расширение диапазона измерений. Результат достигается тем, что устройство содержит источник монохроматического излучения и оптически связанные с ним уголковый отражатель, установленный на каретке, акустический модулятор, коллиматор и фотоприемник, между входом фотоприемника и электрическим входом акустического модулятора последовательно включены система автоподстройки частоты и линия задержки с переменным значением задержки. 1 ил.

Устройство для измерения отклонений от прямолинейности, содержащее источник монохроматического излучения и оптически связанные с ним уголковый отражатель, установленный на каретке, акустооптический модулятор с оптическим и электрическим входами, коллиматор, фотоприемник с электрическим выходом, отличающееся тем, что между выходом фотоприемника и электрическим входом акустооптического модулятора последовательно включены система фазовой автоподстройки частоты и линия задержки с переменным значением задержки.