Устройство для измерения параметров движения объекта Советский патент 1983 года по МПК G01B11/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть исполь- зовано для измерения параметров движения (.перемещений, вибрации). - По основному авт. ев. СССР 756194 известно устройство для измерения параметров движения объекта, содержащее источник монохроматического излучения, расположенный последовательно с ним светоделитель, на одном выходе излучения из которого последовательно установлены фильтр, диафрагма, фотопреобразователь и электрически связанный с ним блок регистрации, на другом - нейтральный фильтр, опорное зеркало с механизмом линейного перемещения опорного зеркала в направлении оптической оси излучения, а на третьем - микрообъектив, а также второй светоделитель,расположенный между микрообъективом и первым светоделителем под углом 45® к оптической оси излучения из первого светоделителя, третий светоделитель, последовательно установленный на. выходе излучения из второго светоделителя, вторую и третью диафрагмы, второй и третий фотопреобразователи, второй и третий блоки регистрации, последовательно установленные на каждом из двух выходов излучения из третьего светоделителя, и механизм углового перемещения, скрепленный с опорным зеркалом через механизм линейного перемещения, выходы второго и третьего блоков регистрации связаны с механизмом углового перемещения, а третья диафрагма и

10 третий фотопреобразователь уста:овлены с возможностью перемещения в двух взаимно перпендикулярных направлениях относительно оси излучения из третьего светоделителя tl

15

Недостатком известного устройства является низкая точность измерений, обусловленная тем, что при угловом смет1ении .объекта фотопреобра20 эователь, регистрирующий составляющую углового смещения объекта по одной из координатных осей, будет также регистрировать составляющую смещения по другой оси вследствие

25 изменения интенсивности светового потока, обусловленного смещением рабочей точки в плоскости, параллельной этой оси.

Цель изобретения - повтдиелие

30 точности измерения путем полной комсенсации угловых составляющих перемещений объекта. Поставленная цель достигается тем что устройство снабжено четвертым и пятым фотопреобразователями с диафрагмами, установленными попарно соответственно с вторым и третьим ф6 топреобразователями так, что образо ванные две пары фотопреобразователей расположены во взаимно перпенди кулярных плоскостях относительно оси пучка излучения, а в каждой паре фотопреобразователи расположены симметоично относительно этой оси, двумя расширителями пучка излучения установленными перед каждой из пар фотопреобразоватёлей, и двумя блоками вычитания, каждый из которых входами подключен к выходам одной из пар фотопреобразователей, а выходом к соответствующему входу механизма углового перемещения и соответствен но к входам второго и третьего блоко регистрации. На фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства на фиг,-2 - расположение диафрагм от носительно пучка излучения ; на фиг.З нормальное сечение пучка св-ета, гауссовское распределение интенсивности пучка в нормальном сечении и диаграмма работы устройства по преобразованию угловых смещений пучка по осям X и У в электрический сигнал. Устройство содержит источник 1 монохроматического света, первый светоделитель 2, на одном выходе излучения из которого последовательно расп1эложены нейтральный фильтр 3, опорное зеркало 4, жестко закрегшенное на механизме 5 линейного перё1мещения опорного зеркала 4 по оси излучения. Надругом выходе излучения из светоделителя 2 последовательно установлены фильтр б на длину волны источника 1 света, первая диафрагма 7, первый фотопреобразова тель 8 и первый блок 9 регистрации, электрически связанный с первым фотопреобразователем 8 и механизмом 5 линейного перемещения. На третьем выходе расположен второй светоделитель 10, на одном выходе излучения из которого установлен микрообъектив 11, а надругом - третий светоделитель 12, установленный под углом 45° к пучку излучения. На одном выходе излучения из третьего светоделителя 12 последовательно расположены первый расширитель 13 пучка излучения, вторая и четвертая диафрагмы 14 и 15 второй и четвертый фотопреобразователи 16 и 17 электрически связанные выходами с входами первого блока 18 вычитания электрических сигналов, вы ход которого электрически связан с входом второго блока 19 регистрации и с первым входом механизма 20 угло вых перемещений, на котором закреплен механизм 5 линейного перемещения опорного зеркала 4. На втором выходе излучения из третьего светоделителя 12 последовательно расположены второй расширитель 21 оптического излучения, третья и пятая диафрагма 22 и 23, третий и четвертый фотопреобразователи 24 и 25, подключенные выходами к входам второго блока 26 вычитания электрических сигналов, который, в свою очередь,подключен выходом к входу третьего блока 27 регистрации и к второму входу механизма 20 углоЬых перемещений. Исследуемый объект 28 находится в фокальной плоскости мик рообъектива 11. J. .По сути устройство представляет собой фотоэлектрический интерферометр. Устройство работает следующим образом. При смещении объекта 28 в направлении оптической оси пащакщего на него сигнального, пучка света интерферометра происходит изменение интенсивности интерференционной картины на выходе интерферометра, пропорциональное величине смещения. Изменение интенсивности интерференционной картины преобразуется при помощи фотопреобразователя 8 в переменный электрический сигнал, изменяющийся по закону, изменения амплитуды смещения объекта 28. Этот электрический сигнал поступает на механизм 5 линейного перемещения опорного зеркала 4 и смещает опорное зеркало 4 на величину, равную амплитуде смещения объекта 28, но обратную по фазе. Это позволяет скомпенсировать движение объекта 28. Одновременно этот сигнал измеряется при помощи блока 9 регистрации. При угловых смещениях объекта 28 происходит расхождение опорного и сигнального пучков на выходе интерферометра на угол, равный углу пово- рота объекта 28. Это приводит к изменению интенсивности интерференционной картины и к погрешности измерения. Последняя устраняется за счет компенсации угловых смещений, кото.рая осуществляется при помощи схемы, образованной светоделителями 10 и 12, расширителями 13 и 21, диафрагмами 14 и 15, 22 и 23, фотопреобразователями 16 и 17, 24 и 25, блоками 18 и 26 вычитания электрических сигналов и механизмом 20 углового смещения опорного зеркала 4. Компенсация происходит следукицим образом. При угловых перемещениях объекта 28 происходит смещение пучка света, отраженного светоделителем 10 относительно диафрагма; 14 и 15, 22 и 23, которые попарно установлены в двух взаимно перпендикулярных плоскостях относительно оси пучка излучения- (фиг. 2), а в парах диафрагкы расположены симметрично относительн этой оси, например в диаметрально противоположных точках середин линейных участков зависимости гауссовского распределения интенсивности пучка излучения, по нормальному сечению (фиг, 3 ). Угловое смещение пучка, вызванное угловым смещением объекта, раскладываётся по двум координатным осям X и У (фиг, 3), при этом изменение интенсивности при помощи фо топреобразователей 16 и 17, 24 и 25 преобразуется в электрические сигналы XoW-i пропорциональ ные составляющим углового смещения о X и У, При- смещении объекта по оси X ве личина напряжения на фотопреобраэова телях 16 и 17 определяется из выражений: . ч ). где Wj( , и - электрическое напряже ние на выходах-фотопре образователей ; RH - сопротивление нагрузки фотопреобразователей, Зф sinuj-t- ток фотопреобразовател .соответствующий изменению интенсивности на выходах диафрагм 14 и 15. При смещении пучка по оси X на фо-1. топреобразователях 24 и 25, регистри рующих угловое смещение по оси У, величины электрического напряжения будут определяться из выражений: где ; (J - сигналы на выходах фо 2 топреобразователей; RH - сопротивление нагрузки фотопреобразователей; Зф Sinw-t,- токи фотопреобразоваЗф sinu)i телей, соответствующие изменению интенсивности на выходах диафрагмы 22 и 23. Электрическое напряжение, снимаемое с фотопреобразователей 16 и 17, подается на блок 18 вычитания электрических сигнёшов, с которого снимается разностный сигнал поступающий, на механизм 20 углового смещения, Аналоги но напряжение с фотопреобразователей 24 и 25 подается на блок 26 вычитания электрических сигналов, а разностный, сигнал с блока 26 - на механизм 20 углового смещения. Но так как смещение объекта происходило только по оси X, то разностный сигнал на блоке 26 вычитания электрических сигналов равен О, и смещение опорного зеркала 4 происходит только в плос,кости XOZ за счет Е азностного сигнала с первого блока 18 вычитания электрических сигналов. Аналогично при смещении объекта только по оси У происходит смещение опорного зеркала 4 лишь в плоскости Y02, Угловое смещение объекта 28 приводит к угловому смещению опорного зеркала 4, и угловое расхождение сигнального и опорного пучков на выходе интерферометр при угловых смещениях объекта сводится к нулю. Изменение интенсивности интерференционной картины на выходе интерферометра прюисходит только при нормальном смицении объекта 28, блок 9 регистрации ра- . гистрирует только амплитуду перемещений объекта, происходящих по нормали к его поверхности. Эффективность изобретения заклю.чается в повышении точности измерения за счет более точной компенсгщии угловых смещений объекта, обуслов ;.ленной регистрацией угловых смещений ;в плоскостях XOZ и VOZ парами фотопреобразователей с последв/ющим измерением электрических.сигналов фо.топреобразователей в каждой паре. Формула изобретения Устройство для измерения параметров движения объекта по авт. св. № 756194, отличаю щ е е с я тем, что, с целью повышения точное т и измерений, оно снабжено четвертым и пятым фотопреобразователями с диафрагмами, установленными попарно соответственно с вторым и третьим фотопреобразователями так, что образованные две пары фотопреобразователей расположены во взаимно перпендикулярных плоскостях относительно оси пучка излучения, а в каждой паре фотопреобразователи расположены симметрично относительно этой оси, двумя расширителями пучка излучения, установленными перед каждой из пар фотопреобразователей, и двумя блоками вычитания, каждый из которых входами подключен к выходам одной из пар фотопреобразователей, а выходом к соответствунвдему входу механизма углового перемещения и соответственно к входам второго и третьего блоков регистрации. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР 756194, кл, ( 01 в11/00, 1978 (.прототип %.

7 L

mmtt

9

Z

г4

(pua.i

го

D p

fffl 2S

Фи8.г

(pu8.i

(J

г

vy

у

//affpaB ff ue cSemoffoeo (a

,x,

/л /л

xz

v

и

OfrrSepamu/f

ч

r иа Урог8М

фиг 5