ИЗМЕРИТЕЛЬ АБСОЛЮТНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Российский патент 1997 года по МПК G01B11/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных размеров, величины перемещений, углов поворота изделий.

Известно устройство измерения перемещения объекта, содержащее лазерный интерферометр, состоящий из зеркала, связанного с перемещаемым объектом, и неподвижного зеркала. Выход интерферометра оптически связан с входом фотоприемника, выход которого электрически связан со счетчиком импульсов, отображающим число пробежавших через плоскость фотоприемника интерференционных полос. Величина перемещения определяется по формуле
X = nλ/2 (1)
где n число пробежавших полос;
λ - длина волны излучения лазера.

Недостатком данного устройства является невозможность определения абсолютных значений перемещений объектов [1]
Известно устройство для измерения линейных или угловых величин [2] содержащее несколько измерительных линеек с различной ценой деления, а также считывающее устройство с соответствующим числом устройств считывания, равным числу линеек. На базе сигналов от считывающего устройства образуется кодовая таблица выходных сигналов, соответствующих абсолютному перемещению объекта. Устройство отличается тем, что длина первой линейки равна P₁T₁, а обратные величины T_n других линеек, за исключением обратной величины 1/P₁ образуют конечный геометрический ряд вплоть до n 1 членов для N линеек.

Недостатком устройства является сложность конструкции.

Кроме того, известно устройство измерителя перемещений, являющееся прототипом предлагаемого изобретения и содержащее измерительный растр и параллельный ему расположенный в непосредственной близости индикаторный растр, блок осветителя, оптически последовательно связанный с индикаторным и измерительным растром и блоком фотоприемника, выход которого соединен с блоком синусно-косинусного преобразователя, выход которого соединен с входом индикатора перемещения объекта [4] Точность измерения перемещения определяется точностью изготовления растра и количеством самих растров. Так, для определения с точностью 1 мкм расстояния в 1 м необходимо применение как минимум 20 растровых шкал, изготовленных с точностью 0,5 мкм. Недостатком данного измерителя является большое количество растров и сложность конструкции.

Анализ приведенного уровня техники свидетельствует о том, что задачей изобретения является создание измерителя абсолютных перемещений с более простой конструкцией за счет уменьшения количества растровых шкал.

Это достигается тем, что в известное устройство измерителя абсолютных перемещений, содержащее осветитель, измерительный растр и расположенный в непосредственной близости от него параллельный ему индикаторный растр и фотоприемник, последовательно оптически связанные между собой, блок индикации перемещения, введен аналогово-цифровой преобразователь, выход которого связан с входом блока целочисленной обработки, выход которого соединен с входом блока индикации перемещений, вход цифро-аналогового преобразователя связан с выходом фотоприемника.

На чертеже представлена схема предлагаемого измерителя перемещений.

Измеритель содержит: 1 измерительный растр, 2 индикаторный растр, 3 - осветитель, 4 фотоприемник, 5 аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 6 - блок целочисленной обработки, 7 блок индикации.

Осветитель 3 оптически последовательно связан с измерительным 1 и индикаторным 2 растром и фотоприемником 4. Выход фотоприемника 4 электрически связан с входом АЦП 5, а его выход соединен с входом блока целочисленной обработки 6, выход которого соединен с входом блока индикации 7.

Устройство работает следующим образом.

Свет, излучаемый осветителем 3, проходит через измерительный 1 и индикаторный 2 растры, расположенные в непосредственной близости. Модулированный по амплитуде световой поток поступает на фотоприемник 4, который вырабатывает пропорциональный по освещенности фототок. Фототок поступает на вход АЦП 5, где преобразуется в цифровой код, который поступает в блок целочисленной обработки 6, где производится расчет перемещения и выдача результатов в блок индикации 7.

При перемещении измерительного растра 1 относительно индикаторного растра 2 происходит модуляция амплитуды светового потока за счет перекрытия прозрачных и непрозрачных участков. Выбором соответствующей геометрии и размера растров можно добиться синусоидальной формы сигналов, снимаемых с фотоприемника. Для устранения неоднозначности в определении направления перемещения блок фотоприемника выполняют таким образом, чтобы выдавать сигналы, амплитуды которых равны J₁(x) AsinФ(x) и J₂(x) AcosФ(x), где фаза Ф(x) определяется величиной перемещения. Значение фазы определяется как
Ф(x) arctan{J₁(x)/J₂(x)} (2)
Измеряя амплитуды J₁(x) и J₂(x) с выхода фотоприемника и вычисляя arctan выражения (2), можно определять величину перемещения в пределах одного периода растра. Таким образом можно измерить перемещение с точностью до сотой доли растра [1]
Предлагается использовать метод целочисленного определения абсолютной фазы [3] позволяющий при сохранении высокой точности значительно расширить динамический диапазон. Это позволит при том же динамическом диапазоне измерения абсолютных перемещений, что и у прототипа, значительно сократить число используемых растровых шкал.

Сигнал с фотоприемника 4 поступает на вход АЦП 5. Выходной сигнал с блока АЦП представляет квантованный сигнал синусоидальной и косинусоидальной формы, период которого равен используемому растру, а число квантов определяется максимальной точностью устройства.

В блоке целочисленной обработки 6 определяется фаза, соответствующая перемещению измерительного растра по формуле (2). Фаза представляет собой линейную периодическую функцию, изменяющуюся пропорционально перемещению. Период этой функции соответствует размеру растра. При измерении фазы с несколькими различными растрами, размеры которых связаны определенными соотношениями, наборы этих значений не повторяются в некотором диапазоне [3] Использование растров с периодами, в соответствии которым поставлены взаимно простые числа, позволяет достичь диапазона, равного произведению этих чисел. В соответствии с периодом ставится целое число точек квантования, определяемых в пределах периода.

Можно составить таблицу решений, просчитав все возможные сочетания, но более удобно найти аналитическое решение. Это можно сделать, воспользовавшись теоремой об остатках, известной в теории целых чисел [4]
Ищется решение целочисленной системы сравнений.

где знак (≡) обозначает сравнение, OPD_i остатки от деления значений искомого перемещения на соответствующую величину периода;
m_i целые значения, соответствующие каждому из растров. Решить систему (3), т. е. найти все решения, ей удовлетворяющие, можно, применяя следующую теорию (Гл. 4) [4]).

Пусть числа M_S и определены из условий:

и пусть

Тогда совокупность значений X, удовлетворяющая системе сравнений (3), определяется сравнением
X ≡ X_o(modm₁m₂...m_n). (7)
Допустим, что используется два растра. Первый растр имеет величину периода 5, второй 3. Область, в которой решение единственно, определяется произведением этих чисел, и решение имеет вид
OPD ≡ 6OPD₁+ 10OPD₂(mod 15) (4)
В пределах 15 квантованных значений перемещение будет определяться однозначно.

Если использовать три шкалы с периодом растра порядка 100 мкм и при этом в пределах периода измерять не менее 100 точек, то возможно измерение абсолютных перемещений порядка 1 м. При этом точность измерения составит 1 мкм. Точное значение периодов определяются из условий взаимной простоты и технологии изготовления растровых шкал.

При использовании четырех шкал размер растра должен быть порядка 30-40 мкм для измерения абсолютного перемещения в пределах 1 м. В качестве примера можно выбрать шкалы с размерами растров 29, 31, 37, 41. При этом точность измерения перемещений должна составить не менее 1 мкм. Диапазон измерения абсолютных перемещений составит 1,363 м.

Из вышеизложенного следует, что предлагаемое устройство позволяет в несколько раз снизить количество прецизионных измерительных растровых шкал по сравнению с прототипом при одинаковой точности и динамическом диапазоне измерений абсолютных перемещений.

Использование: контрольно-измерительная техника. Сущность изобретения: измеритель абсолютных перемещений содержит осветитель 3, измерительный растр 1 и расположенный в непосредственной близости от него параллельный ему индикаторный растр 2 и фотоприемник 4, оптически связанные между собой, блок индикации перемещения 7, а также аналогоцифровой преобразователь 5, выход которого связан с входом блока целочисленной обработки 6, выход которого соединен с входом блока индикации перемещений 7, вход аналогоцифрового преобразователя 5 связан с выходом фотоприемника 4. 1 ил.

Измеритель абсолютных перемещений, содержащий осветитель, измерительный растр и расположенный в непосредственной близости от него параллельный ему индикаторный растр и фотоприемник, последовательно оптически связанные между собой, блок индикации перемещения, отличающийся тем, что в него введен аналого-цифровой преобразователь, выход которого связан с входом блока целочисленной обработки, выход которого соединен с входом блока индикации перемещений, вход цифроаналогового преобразователя связан с выходом фотоприемника.