СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТКЛОНЕНИЙ ОТ ПРЯМОЛИНЕЙНОСТИ Российский патент 2001 года по МПК G01B11/00 G01B21/00 

Изобретение относится к измерительной технике" а именно к лазерной интерферометрии и может быть использовано для контроля точности перемещений объектов, например рабочих органов станков и измерительных приборов.

В настоящее время определение отклонений от прямолинейности может осуществляться как методом визирования, так и коллимационным методом. В первом случае определяются расстояния от проверяемой поверхности до выбранной исходной прямой, а во втором - измеряются углы наклона участков, равных шагу измерения, по отношению к выбранной исходной прямой [1].

Известен способ измерения фазового сдвига световых волн [2, аналог], относящийся к методу визирования, заключающийся в том, что монохроматические когерентные излучения опорного и измерительного каналов интерферометра направляют на периодическую структуру, созданную излучателем в среде распространения ультразвуковых волн, под углом, обеспечивающим многопорядковую дифракцию от каждого излучения, и преобразуют интерферирующие порядки дифрагированных излучений в электрический сигнал, частота которого определяется алгебраической разностью номеров интерферирующих порядков, а фазовый сдвиг равен фазовому сдвигу световых волн.

Недостатком этого способа является ограничение функциональных возможностей, вызванное невозможностью измерения параметров непрямолинейности - пространственных смещений и угловых поворотов.

Известен способ измерения пространственного перемещения объекта [3, аналог] , относящийся к методу визирования, заключающийся в том, что формируют когерентное излучение, которое разделяют на измерительный и опорный потоки, формируют в прозрачной среде периодическую структуру, движущуюся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, опорный и отраженный от объекта измерительный потоки излучения направляют на прозрачную среду с движущейся периодической структурой под углом, выбираемым из условия многопорядковой дифракции от каждого из потоков, при этом измерительный поток излучения разделяют на три пучка, ориентированные так, что один из пучков образует с двумя другими в двух взаимно перпендикулярных плоскостях равные углы, величину которых выбирают из условия пространственного совмещения порядков дифракции этих пучков на периодической структуре таким образом, что алгебраическая разность частот дифракционных порядков, совмещенных в одном из направлений движения периодической структуры, пропорциональна частоте периодической структуры в этом направлении, преобразуют интерферирующие порядки дифрагированных излучений в электрические сигналы, по параметрам которых судят о смещении объекта.

Однако недостатком указанного способа являются низкая точность измерений перемещения в направлениях движения периодической структуры, низкое соотношение сигнал/шум при фазометрических измерениях и отсутствие опорного канала, приводящее к нескомпенсированности погрешностей от акустооптического преобразования частоты и изменений оптических свойств среды, а также сложная схема измерений, свойственная для метода визирования.

Наиболее близким по количеству общих признаков и по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ измерения смещений объекта [4, прототип] , также относящийся к методу визирования, который заключается в том, что когерентное излучение разделяют на измерительный и опорный потоки, формируют в прозрачной среде периодическую структуру, движущуюся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, опорный и отраженный от объекта измерительный потоки излучения направляют на прозрачную среду с движущейся периодической структурой под углом, выбираемым из условия многопорядковой дифракции от каждого из потоков, при этом измерительный поток излучения разделяют на три пучка, ориентированные так, что один из пучков образует с двумя другими в двух взаимно перпендикулярных плоскостях равные углы, величину которых выбирают из условия пространственного совмещения порядков дифракции этих пучков на периодической структуре таким образом, что алгебраическая разность частот дифракционных порядков, совмещенных в одном из направлений движения периодической структуры, пропорциональна частоте периодической структуры в этом направлении, преобразуют интерферирующие порядки дифрагированных излучений в электрические сигналы, каждую из составляющих периодической структуры, движущуюся в одной из двух взаимно перпендикулярных плоскостей, охватывают положительной обратной связью с временной задержкой, используя в качестве сигнала, управляющего формированием соответствующей составляющей периодической структуры, электрический сигнал, полученный в результате преобразования дифрагированного на этой составляющей периодической структуры измерительного потока излучения, а о смещении объекта по оси, связанной с направлением движения периодической структуры, судят по пропорциональному изменению частоты электрического сигнала.

Недостатками, присущими этим способу, являются во-первых, ограничение точности измерений из-за отсутствии компенсации погрешностей, вносимых акустооптическим преобразованием частоты, изменений параметров (температуры Т, давления Р, влажности Н) оптической среды и нелинейностью измерений при смещениях объекта в направлениях движения периодической структуры из-за переменной временной задержки и влияния АЧХ пространственного фильтра акустооптического модулятора, как в [5].

Во-вторых, сложная схема измерений, свойственная для метода визирования из-за необходимости использования ортогональных мер длины в виде бегущей ультразвуковой волны акустооптических модуляторов.

Предлагаемое изобретение относится к коллимационному методу измерения и направлено на достижение технического результата, который заключается в повышении точности измерений и упрощении схемы измерений.

Согласно изобретению указанный результат достигается тем, что в предлагаемом способе определения отклонений от прямолинейности, заключающемся в том, что формируют световой поток, формируют в прозрачной среде бегущую периодическую структуру с периодом Λ₁, которой подвергают световой поток акустооптической модуляции, получают набор разночастотных дифракционных порядков, направляют разночастотные дифракционные порядки на объект, преобразуют интерферирующие порядки дифрагированных излучений в электрические сигналы, о смещении объекта судят по пропорциональному изменению частоты этого электрического сигнала, из набора выделяют пять разночастотных дифракционных порядков, четыре из которых ориентируют в двух плоскостях и направляют на объект, создают две интерференционные картины, для образования которых используют по два совмещенных разночастотных дифракционных порядка, отраженных от объекта, и по соответственно одному и двум из пяти разночастотных дифракционных порядков путем пространственного совмещения добиваются в последней периода бегущих интерференционных полос Λ₂ и освещают ею неподвижную периодическую структуру с периодом Λ₃, формируют бегущую интерференционную картину с периодом Λ₄, осуществляют разделение электрических сигналов по частоте, кратной частоте акустооптической модуляции, производят компенсацию изменений параметров среды распространения дифракционных порядков и прозрачной среды периодической структуры, при этом осуществляют фазочастотное преобразование, а об угловых поворотах объекта судят по пропорциональному изменению частоты выходных сигналов.

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

Осуществление способа поясняется чертежами.

На фиг. 1 и 2 представлены схемы устройства, реализующего предлагаемый способ при измерении перемещения Δ1_x вдоль оси ОХ, угловых поворотов Δβ вокруг оси OZ (фиг. 1) и Δγ, вокруг оси OY (фиг. 2).

Фиг. 3 иллюстрирует измерительную схему, преобразующую входные оптические сигналы в выходные электрические сигналы: Δf_вых(Δ1_x),Δf_вых(Δβ),Δf_вых(Δγ).
На фиг. 4. изображена пространственная схема оптических пучков, приходящих и выходящих от блока отражателей.

Устройство для реализации способа (фиг, 1,2,4) содержит следующие элементы: источник монохроматического излучения (лазер) 1, коллиматор 2, акустооптический модулятор (АОМ) 3, генератор 4, оптический блок 5, блок отражателей 6, выполненный на основе триппель-призм 7 и 8, фотоприемники 9 и 10, измерительная схема 11, состоящая из четырех узкополосных усилителей 12 - 15, фазового детектора (ФД) 16 и трех подобных друг другу фазочастотных преобразователей (ФЧП) 17-19, первый из которых состоит из ФД 17.1 и частотного детектора (ЧД) 17.2, дифференциального усилителя 17.3, фильтра низких частот 17.4, генератора, управляемого напряжением 17.5, (устройство блоков ФЧП 18 и 19 на фиг. 3 не показано), зеркала 20 - 23, 26, 27, дифракционная решетка 25, линзы 24 и 28.

Вершина триппель-призмы 8 смещена на расстояние d/2 относительно оси, проходящей через вершину триппель-призмы 7. Выходная боковая грань триппель-призмы 7 выполнена полупрозрачной.

Устройство работает следующим образом.

Излучение лазера 1 преобразуется коллиматором 2 в коллимированный пучок и направляется на АОМ 3. Генератор 4 формирует набор электрических сигналов стабилизированной частоты причем U₁ поступает на электрический вход АОМ 3, a U₁, U₂ и U₃ на третий, четвертый и пятый входы измерительной схемы 11. В АОМ 3 формируются бегущие ультразвуковые волны с периодом Λ₁ , на которых лазерное излучение дифрагирует в режиме Рамана-Ната и формирует пространственно разнесенные разночастотные дифракционные порядки в плоскости XOY: E(+2), E(+1), E(0), E(-1), E(-2).

Оптический блок 5 преобразует входной набор расходящихся дифракционных порядков E(+2), E(+1), E(0), E(-1), E(-2) в набор параллельных пучков, при этом в плоскости XOY формируется набор из дифракционных порядков E(+2), E(0), E(-1), а в плоскости XOZ - E(+2), E(+1), E(-1), E(-2).

Как видно из фиг.1, выходя из оптического блока 5, дифракционные порядки (оптические пучки) E(+2) и E(0) смещены друг от друга на расстояние d. Оптический пучок E(0) отражается от боковой грани триппель-призмы 7. Пучок лучей E(+2) отражается от боковых граней триппель-призмы 8, проходит через полупрозрачную боковую грань триппель-призмы 7 и, совместившись с пучком лучей E(0), следует по пути: зеркало 26 ---> линза 28 ---> фотоприемник 9.

Дифракционный порядок E(-1) выходит из оптического блока 5, отражается от зеркала 27, проходит через линзу 28 и также освещает фотоприемник 9.

При движении по непрямолинейной траектории движения блок отражателей 6 будет совершать наклоны, что будет приводить к изменению длины оптического хода лучей, которое в свою очередь будет приводить к изменению фазы [6].

Фиг. 2 показывает, что в плоскости XOZ с выхода оптического блока 5 следует четыре дифракционных порядка E(+2), E(+1), E(-1), E(-2). При этом пучки E(+1) и E(-1), сдвинутые друг относительно друга на расстояние d, направляются на блок отражателей 6, а пучки E(+2), E(-2) используются для создания опорного канала.

Пространственное совмещение оптических пучков E(-1) и E(+1) в блоке отражателей 6 происходит так же, как описано для пучков E(+2) и E(0) (фиг. 1). После блока отражателей 6 оптические пучки E(-1) и E(+1) следует по пути: зеркало 21 ---> линза 24 ---> дифракционная решетка 25 ---> фотоприемник 10.

Дифракционный порядок E(+2) выходит из оптического блока 5 и после отражений от зеркала 20 на линзу 24 на вход фотоприемника 10.

Пространственное совмещение дифракционных порядков E(+2), E(0), E(-1) (фиг. 1,3) формирует результирующую интерференционную картину на входе фотоприемника 9, который генерирует электрический сигнал U₄, состоящий из трех составляющих

где U₄₁(Δ1_x) - сигнал, образующийся от интерференции пары E(0) - E(-1), фаза которого связана с линейным смещением Δ1_x вдоль оси ОХ,
U₄₂(Δβ) - сигнал, образующийся от интерференции пары E(0)-E(+2), фаза которого связана с угловым поворотом Δβ вокруг оси OZ,
U₄₃(Δγ) - сигнал, образующийся от интерференции пары E(-1)-E(+2), фаза которого связана с линейным смещением Δ1_x вдоль оси ОХ.

Электрический сигнал U₄ поступает на первый вход измерительной схемы 11 и далее на входы узкополосных усилителей 12 и 13, которые настроены соответственно на частоты f_м и 2f_м. С помощью этих узкополосных усилителей 12 и 13 происходит частотное разделение сигналов. Сигнал (частотная составляющая) U₄₁(Δ1_x), выделяемая узкополосным усилителем 12, поступает на первый вход ФЧП 17 и далее на первый вход ФД 17.1. Сигнал U₄₂(Δβ), выделяемый узкополосным усилителем 13, поступает на первый вход ФЧП 18, а сигнал U₄₃(Δ1_x) подавляется обоими узкополосными усилителями 12 и 13 и на их выходах не превышает уровня шума.

На второй вход ФЧП 17, на второй вход ФД 17.1 и первый вход ЧД 17.2 поступает сигнал U₁, который, воздействуя на ФД 17.1 входным фазовым рассогласованием Δϕ(Δ1_x) = ϕ(Δ1_x)-ϕ_o, формирует выходной сигнал
U₇(Δ1_x) = k_фд17.1Δϕ(Δ1_x), (2)
где k_фд - коэффициент преобразования ФД.

В описании принимается, что коэффициенты преобразования ФД 16 и всех фазовых детекторов, а также всех частотных детекторов в ФЧП 17-19 должны быть одинаковы между собой:
k_фд = k_фд16 = k_фд17.1 = k_фд18.1 = k_фд19.1;
k_чд = k_чд17.2 = k_чд18.2 = k_чд19.2
Блок ФД 16 определяет фазовый набег опорного канала ϕ_оп на частоте 4f₀ (от изменений оптических свойств окружающей среды и АОМ 3) и формирует опорный сигнал U₆ поступающий на третьи входы всех ФЧП 17-19
U₆= k_фд[ϕ(1_оп)-ϕ_o] = k_фдΔϕ_оп, (3)
где k_фд - коэффициент преобразования ФД 16.

Сигнал U₇(1_x) подается на неинвертирующий вход дифференциального усилителя 17.3, на его первый инвертирующий вход приходит сигнал с выхода ФД 16 U₆ а на второй инвертирующий вход поступает сигнал с выхода частотного детектора 17.2 U_чд(Δ1_x), который пропорционален разности частот входных сигналов
U_чд(Δ1_x) = k_чд[Δf_вых(Δ1_x)-f_м], (4)-
Блоки - дифференциальный усилитель 17.3, фильтр низких частот 17.4, генератор, управляемый напряжением 17.5 и частотный детектор 17.2 образуют цепь автоподстройки частоты, которая отслеживает изменения входного U₇(Δ1_x) и опорного U₆ сигналов.

При большом коэффициенте усиления дифференциального усилителя 17.3 и равновесном следящем состоянии ФД 17.1 выполняется равенство U_чд(Δ1_x) = U₇(Δ1_x)-U₆, приводящее к выражению:

где Δψ(Δ1_x) - фазовый набег от линейных перемещений вдоль оси ОХ с компенсацией изменений параметров АОМ и среды.

После аналогичных преобразований получается выражение для угловых поворотов Δβ

где Δψ(Δβ) - фазовый набег от угловых поворотов вокруг оси OZ с компенсацией изменений параметров АОМ и среды.

Пространственное совмещение дифракционных порядков E(+2), E(+1), E(-1), E(-2) приводит к формированию сложной интерференционной картины, которая проходит через дифракционную решетку 25 и освещает фотоприемник 10, формирующий сигнал U₅. Минимальный период формируемой бегущей интерференционной картины Λ₂ зависит от угла η, возникающего между сходящимися пучками E(+2)и E(-2)
Λ₂= λ/sinη. (7)
Освещение бегущей интерференционной картиной с периодом Λ₂ дифракционной решетки с периодом Λ₃ приводит к созданию бегущих комбинационных полос, период Λ₄ которых определяется выражением:
Λ₄= Λ₂Λ₃/(Λ₂-Λ₃). (8)
При подборе значений угла η и периода Λ₃ дифракционной решетки для выполнения условия Λ₂≈Λ₃ период Λ₄ увеличивается до значений, сопоставимых с размером фотоприемника 10. Этим обеспечивается помехоустойчивость фотопреобразования [7] . Ввиду малости угловых наклонов период бегущей интерференционной картины, образованной порядками E(+1) и E(-1), сопоставим с размером фотоприемника 10 и не влияет на качество сигнала U₅.

В результате пространственного совмещения дифракционных порядков E(+2), E(+1), E(-1), E(-2) на выходе фотоприемника 10 образуется сигнал U₅

где U₅₁(Δγ) - сигнал, образующийся от интерференции пары E(+1)-E(-1), соответствующий угловому повороту Δγ вокруг оси OY,
U₅₂(Δϕ_оп) - сигнал, образующийся от интерференции пары E(-2)-E(+2), для фазового набега Δϕ_оп в опорном канале,
U₅₃(Δ1_x) - сигнал - сумма частотных составляющих U(f_м;Δ1_x), образующихся от взаимной интерференции порядков E(+1), E(+2), E(-1), E(-2), соответствующих линейному смещению Δ1_x вдоль оси ОХ, частота которых отлична от 2f_м и 4f_м.

Электрический сигнал U₅ поступает на второй вход измерительной схемы 11 и далее на входы узкополосных усилителей 14 и 15, настроенных на частоты 2f_м и 4f_м. Далее происходит частотное разделение сигналов. Частотная составляющая U₅₁(Δγ), выделяемая узкополосным усилителем 14, поступает на первый ФЧП 19. Частотная составляющая U₅₂(Δϕ_оп), выделяемая узкополосным усилителем 15, поступает на первый вход фазового детектора 16. Сигналы U₅₃(Δ1_x) и U₅₄(Δ1_x) подавляются узкополосными усилителями 14 и 15 и на их выходах не превышают уровня шума.

Зависимость выходной частоты от угловых наклонов Δf_вых(Δγ) выводится для блока ФЧП 19 подобно приведенной выше цепочке выражений (2)-(5):

Полученные выражения (5), (6) и( 10) показывают линейность преобразования всего процесса преобразования и, следовательно, повышается точность измерений.

Устройство оптического блока 5 конструктивно может быть реализовано как на основе отдельных оптических элементах, так и в интегральном исполнении. Такое техническое решение упрощает схему измерений.

Сущность способа заключается в следующем.

1. Для упрощения оптической схемы предлагается совместить использование однокоординатного АОМ и оптического блока. Последний осуществляет формирование двух дифракционных порядков в плоскостях XOY и XOZ. Это позволяет проводить измерения смещений объекта как вдоль направления луча света - ось X, так и вокруг ортогональных осей Y и Z.

2. Использование режима акустооптической модуляции в режиме Рамана-Ната, формирует симметричный оптический спектр дифракционных порядков. Частотный сдвиг между соседними дифракционными порядками равен частоте модуляции f_м, а угол дифракции α = sinλ/Λ, где λ - длина волны света, Λ- длина ультразвуковых волн. При применении комбинаций из пяти дифракционных порядков E(-2) - E(+2) удается сформировать две разные интерференционные картины, причем первая (для измерения смещений Δ1_x и углового поворота Δβ состоит из трех дифракционных порядков E(-1), E(0) и E(+2), а вторая (для измерения смещений Δ1_x и изменений по опорному каналу l_оп) состоит их четырех E(-1)- E(+1), E(-2) - E(+2).

После фотоэлектрического преобразования каждой интерференционной картины создаются электрические сигналы U₄ и U₅, в которых содержатся по два разночастотных сигнала, выражения (1) и (9).

Такое техническое решение с частотным уплотнением и разделением сигналов (оптического, электрического) позволяет уменьшить количество фотоприемников при одновременном увеличении числа контролируемых координат.

3. В предлагаемом способе используется линейный режим работы фотоприемников, обеспечивающий при фотосмешении нескольких разночастотных оптических сигналов исключение нелинейных эффектов.

4. Для повышения точности измерений в измерительной схеме предлагается применить фазочастотные преобразователи таким образом, чтобы высокоточное преобразование "фаза-частота" осуществилось в электронном канале.

Кроме этого, повышение точности измерений осуществляется при преобразовании "фаза-частота" без положительной обратной связи с временной задержкой, а в электронном канале посредством использования фазочастотных преобразований. Это устраняет как нелинейность преобразования при угловых поворотах Δβ и Δγ из-за переменной временной задержки, так и влияние АЧХ пространственного фильтра акустооптического модулятора [5] . Применение высокостабильного кварцевого генератора [8] по показателям максимальной девиации частоты ±0,005% и температурным коэффициентом частоты <1•10^-6 в диапазоне температур -30...70^oC значительно превосходит стабильность генератора на основе положительной обратной связи.

Источники информации
1. Медянцева Л.Л., Горбачева В.В., Шарова E.E. Контроль прямолинейности и плоскостности поверхностей. М.: Издательство стандартов. 1972. - 119 с.

2. A.c. N 572646, МПК G 01 В 11/00. 1977 (аналог).

3. A. c. N 1610252, МПК G 01 В 11/00. Способ измерения пространственных перемещений объекта. // Телешевский В.И., Яковлев Н.А., Игнатов С.А. Опубл. в Б.И.N 44, 1990 (аналог).

4. A.c. N 1765691, МПК G 01 В 21/00. Способ измерения смещений объекта. Телешевский В.И., Яковлев Н.А. //Опубл. в Б.И. 1992, N 36 (прототип).

5. Бабкина Т. В., Григорьянц В.В., Ильин Ю.Б., Лобанов А.А. Применение лазерного генерирующего гетеродинного интерферометра в качестве оптического датчика микроперемещений. Квантовая электроника. 18, N 12 (1991), с. 1498-1502.

6. A.c. N 1696851, МПК G 01 В 9/02. Интерферометр для измерения отклонений от плоскостности. Базыкин С.Н., Базыкина Н.И., Капезин С.В., Телешевский В.И., Яковлев Н.А. Опубл.в Б.И, N 45, 1989.

7. Положительное решение по заявке N 99102921/28 (003020), МПК G 01 В 11/02. Способ определения положения границы объекта. Леун E.В. Приоритет от 12.02.99.

8. Рыжков А.В., Попов В.Н. Синтезаторы частот в технике радиосвязи. -М.: Радио и связь, 1991.- 264 с.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения отклонений от прямолинейности. В способе за счет преобразования лазерного излучения формируется набор разночастотных дифракционных порядков, из которого создают две группы дифракционных порядков. Каждая группа дифракционных порядков формирует две интерференционные картины. В результате преобразования интерференционных картин получают два выходных сигнал. О смещении объекта судят по пропорциональному изменению частоты выходных сигналов. Изобретение позволяет уменьшить количество фотоприемников при одновременном увеличении числа контролируемых координат. 4 ил.

Способ измерения смещений объекта, заключающийся в том, что формируют световой поток, создают в прозрачной среде периодическую структуру с периодом которой подвергают световой поток акустооптической модуляции, получают набор разночастотных дифракционных порядков, направляют разночастотные дифракционные порядки на объект, преобразуют интерферирующие порядки дифрагированных излучений в электрические сигналы, отличающийся тем, что из набора выделяют пять разночастотных дифракционных порядков, четыре из которых ориентируют в двух плоскостях, создают две интерференционные картины, для образования которых используют по два совмещенных разночастотных дифракционных порядка, отраженных от объекта, и по, соответственно, одному и двум из пяти разночастотных дифракционных порядков, путем пространственного совмещения добиваются в последней периода бегущих интерференционных полос и освещают ею неподвижную периодичную структуру с периодом формируют бегущую интерференционную картину с периодом осуществляют разделение сигналов по частоте, кратной частоте акустооптической модуляции, производят компенсацию изменений параметров среды распространения дифракционных порядков и прозрачной среды периодической структуры, при этом осуществляют фазочастотное преобразование, а о смещении объекта судят по пропорциональному изменению частоты выходных сигналов.