Интерференционное устройство для измерения перемещений (его варианты) Советский патент 1983 года по МПК G01B11/00 

канал, второй отражатель, установленный на основании, и второй фотоприемник , образующие компенсационный канал, электромеханический преобразователь, подключенный своим входом к выходу второго фотоприемни ка, и блок регистрации, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, оно снабжено второй платформой, установ ленной на основании между светорасщепителем и отражателями с возможностью поворота вокруг оси, параллельной оси поворота первой платформы, компенсатором оптической раз ности хода лучей измерительного и компенсационного каналов, помещенны на второй платформе, вторым светорасщепителем, расположенным на осно вании между источником излучения и плоским зеркалом так, что плоскость главного сечения первого свет расщепителя. составляет прямой угол с плоскостью главного сечения вто7рого светорасщепителя, датчиком нуля, вход которого подключен к выходу второго фотоприемника, и дифференциальным усилителем, выход которого подключен к входу блока регистрации, второй отражатель выполнен с двумя гранями, образующими прямой угол, и усеченным плоекостыо, перпендикулярной к плоскости главного сечения второго отражателя, и ориентирован так, что плоскость его главного сечения параллельна плоскости главного сечения второго светорасщепителя, а грани второго отражателя расположены по разные стороны общей плоскости главного сечения отражателя, скрепляемого с объектом, и первого отражателя, выходы фотоприемниковэлектрически связаны с входами дифференциального усилителя, блок регистрации выполнен с вторымвходом, к которому подключен выход датчика нуля,а электромеханический преобразователь связан с второй платформой.

1. Интерференционное устройство для измерения перемещений, (содержащее основание и платформу, установленную на основании с возможностью поворота, оптически связанные источник монохроматического излучения, размещенные на платформе параллельно друг другу и оси ее поворота плоское зеркало и саеторасщепит.ель, отражатель, скрепляемый с измеряемом объектом, первый отражатель, установленньЕй на основании, и первый фотоприемник, образующие измерительный канал, второй отражатель, установленный на основании, и второй фотоприемник, образующие компенсационный кан;:)л, электромеханический преобразователь, связанный с платфомой и подключенный своим входом к выходу второго фотоприемника, и блок регистрации, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, оно снабжено вторым светорасщепителем. расположенным на основании между источником излучения и плоским зеркалом так, что плоскость главного сечения первого светорасцепителя составляет прямой угол с плоскостью главного сечения второго светорасщепителя, датчиком нуля, вход которого подключен к выходу второго фотоприемника, и дифференциальным усилителем, выход которогр подключен к входу блока регистрации, второй отражатель выполнен с двумя гранями, образующими прямой угол, и усеченным плоскостью, перпендикулярной к плоскости главного сечення второго отражателя, и ориеитировлн так, 8 что плоскость его главного сечения параллельна плоскости главного сечения второго светорасцепителя, а грани второго отражателя расположены по разные стороны общей плоскости главного сечения отражателя,скрепленного объектом,и первого отражателя,выходы ;фотоприемников электрически связаны с входами дв| ференциального усилите:л ля, а блок регистрации выполнен с вторым входом, к которому подключен ч| выход датчиса нуля. ч 2. Интерференционное устро ство для измерения перемещений, содержащее основате и платформу, установленную на основашш с возможностью поворота, оптически связанш) источник монохроматического излучения, размещённые на платформе параллельно друг другу и оси ее поворота плоское зе1жало и светорасщепитель, .отдражатель, скрепляемый с измеряемым объектом, первый отражатель, установленный на основании, и первый фотоприемник, образующиеизмерительный .

1

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, предназначено для измерения величины малых перемещений и может быть использовано при проведении научных исследований, например, при изучении реакции биологических объектов на воздействие различных физико-химических раздражителей.

Известно устройство для измерения Перемещений, содержащее оптически связанные источник монохроматического излучения и светорасщепитель, первый отражатель, сжрепляемый.с измеряемым объектом, и первый фотоприемник, образующие измерительный канал, второй отражатель и второй фотоприемник, образующие ком пенсационный канал, третий отражатель, оптический элемент, электромеханический преобразователь, подключенный к выходу второго фотоприемника, и блок регистрации, связанный с выходом первого фотоприемника I.

Недостаток указанного устройства - низкая точность измерений, обусловленная влиянием неконтролируемых условий смещений оптических элементов устройства и температурного градиента в направлении, перпендикулярном измерительному кан,алу

Наиболее близким по технической сущности К предлагаемому является интерференционное устройство для измерения перемещеиий, содержащее основание и платформу, установленную на основании с возможностью поворота, оптически связанные источник монохроматического излучения, размещенные на платформе параллельно друг другу и оси ее поворота плоское зеркало и светорасщепитель, отражатель, скрепляемы с измеряемым объектом, первый отражатель, установленный на основании, и первый фотоприемник, образующие измерительный канйл, второй отражатель, установлен ый на основании, и второй фотоприемйик, образующие компенсационный канал, электромеханический преобразователь, связанный с платформой и подключенный своим.в ходом к выходу второго фотоприемника, и бло регистрации 2 . Недостатком известного устройств является сравнительно низкая точность контроля, обусловленная тем, что хотя оно и позволяет скомпенсировать случайные угловые смещения оптических элементов устройства, но не обеспечивает полной компенсации температурного градиента в направлении, перпендикулярном измерительному каналу. Кроме того,- точность измерений снижается за счет динамической погрешности компенсации дестабилизирующих факторов. Цель изобретения - повышение точ ности измерений. Цель по первому варианту выполнения достигается тем, что интерференционное устройство для измерения перемещений, содержащее основание и платформу, установленную на о новании с возможностью поворота, оп тически связанныеисточник монохроматического излучения, размещенные на платформе параллельно друг другу и оси ее поворота плоское зеркало и светорасщепитель, отражатель, скрепляемый с измеряемым объектом, первый отражатель, установленный на ос новании, и первый фотоприемнис, образующие измерительный канал, вто рой отражатель,установленный на основании, и второй фотоприемник, об.разующие компенсационный канал, эле тромеханический преобразователь, связанный с платформой и подключенный своим входом к выходу второго фотоприемника, и блок регистрации, снабжено вторым светорасщепителем, расположенным на основании между ис точником излучения и плоским зеркалом так, что плоскость главного .сеч ния первого светорасщепителя составляет прямой угол с плоскостью главного сечения второго светорасщепителя, датчиком нуля, вход котор го подключен к выходу второго фотоприемника, и дифференциальным усили телем, выход которого подключен к входу блока регистрации, второй отражатель выполнен с двумя гранями, образующими прямой угол, и усеченным плоскостью, перпендикулярной к плоскости главного сечения второго отражателя, и ориентирован так. что плоскость его главного сечения параллельна плоскости главного сечения второго светорасщепителя, а грани второго отражателя расположены по разные стороны общей плоскости главного сечения отражателя, скрепляемого с объектом, и первого отражателя, выходы фотоприемников электрически связаны с входами дифференциального усилителя, а ёлок регистрации выполнен с вторым входом; к которрму подключенвыход датчика нуля, I . Указанная цель по второму варианту достигается тем , что интерференционное устройство для измерения перемещений, содержащее основание и платформу, установленную на основании с возможностью поворота, оптически связанные источник монохроматического излучения, размещенные на платформе параллельно друг другу и оси ее поворота плоское зеркало и светорасщепитель, отражатель, скрепляемый с измеряемь1м объектом, первый отражатель, установденный на основании, и первый фотоприемник, образующие измерительнь канал, второй отражатель, установленный на основании, и второй фотоприемник, образующие компенсационный канал, электромеханический преобразователь, подключенный своим входом к выходу второго фотоприемнжа, и блок регистрации, снабжено второй платформой, установленной а основании маащу светорасщепителем, и отражателями с возможностью поворота вокруг оси, параллельной оси поворота первой платфор и, компенсатором оптической разности хода лучей измерительного и компенсационного каналов, помещённым на второй платформе, вторым светорасщепителем, расположенным на основании между источником излучения и плоским зеркалом так, что плоскость главного сечения первого светорасщепителя составляет прямой угол с плоскостью главного сечения второго светорасщепителя, датчиком нуля, вход которого подключен к выходу второго фотоприемника, и дифференциальным усилителем, выход которого подключен к входу блока регистрации, второй отражатель выполнен с двумя гранями, образующими прямой угол, и усеченным плоскостью, перпендикулярной к плоскости главного сечения второго отражателя, и орлентирован так, что плоскость ег главного сечения параллельна плоскости главного сечения второго све торасщепиталя, а грани второго, отражателя расположены по разные сто роны общей плоскости главного сечения отражателя, скрепляемого с объектом и первого отражателя, выходы фотоприемников электрически связаны с входами дифференциального усилителя, блок регистрации выполнен с вторым входом, к которому подключен выход датчика нуля, а электромеханический преобразователь связан с второй платформой. На фиг, 1 показана принципиальная схема первого варианта устройства; на фиг. 2 - принципиальная схема второго варианта. . Первый вариант устройства (.l содержит основание (не показано) и платформу 1, оптически связанные ис точник 2 монохроматического излучения, второй светорасщепитель 3, пло кое зеркало 4, первый светорасщепитель 5, отражатель 6, скрепляемый с объектом, первый 7 и второй 8 отраж тели, светоделители 9 и 10, первый второй фотоприемники 11 и 12 и элек трически связанные с фотоприемниками 11 и 12 и один с другим дифференциальный усилитель 13, датчик 14 нуля, блок 15 регистрации и электро механический преобразователь 16. Второй вариант устройства (фиг.2 кроме того, содержит вторую платформу 17 и компенсатор 18 оптической разности хода лучей измерительного и компенсационного каналов. Платформа 1 установлена на основа нии с возможностью поворота. Плоское зеркало 4 и первый светорасщепитель 5 размещены на платформе 1 параллель но друг другу и оси ее поворота. Отражатель 6 скрепляется с измеряемым объектом 19, а первый и второй отражатели 7 и 8 -установлены на основании. Второй светорасщепитель 3 распо ложен на основании между источником 2 и плоским зеркалом 4 так, что плос кость главного сечения первого светорасщепителя 5 составляет прямой угол с плоскостью главного сечения второго светорасщепителя 3. Элементы устройства 6, 7, 5, 4, 9и11 образуют измерительный канал, а элементы 8, 5, 4, )0и12- компенсационный канал. Второй отражатель 8 выполнен с .двумя гранями, образующими прямой угол, усечен плоскостью, перпендикулярной к плоскости его главного сечения, и ориентирован так, что плоскость главного сечения второго отражателя 8 параллельна плоскости главного сечения второго светорасщепителя 3, а грани второго отражателя 8 расположены по разные стЬроны общей плоскости главного сечения отражателей 6 и 7. Первый и второй светорасщепители 5 и 3 выполнены идентичными в виде плоекопараплельной стеклянной пластины, на одну из поверхностей которой нанесено отражающ1ее покрытие. Отражатели 6 и 7 выполнены в виде плоских зеркал. Однако возможны и другие варианты выполнения указанных элементов. Гак, например, один или оба светорасщепителя 3 и 5 могут осуществлять деление пучка лучей от источника 2 не по амплитуде, а по фронту, а один или оба отражателя 6 и 7 могут быть двугранными. Фотоприемники И и 12 выполнены дифференциальными, а их выходы подключены к входам дифференциального усилителя 13, а выход фотоприемника 12, кроме того - к входу датчика 14 нуля и к входу электромеханического преобразователя 16. Блок 15 регистрации выполнен с двумя входами, к одному из которых подключен выход дифференциального усилителя 13, а к другому - выход датчика 14 нуля. В перв.ом варианте устройства (фиг. 1) электромеханический преобразователь 16 скреплен с платформой 1, а отражающее покрытие отражателя 8 (плоское зеркало) имеет ступеньку высотой Я/2, где - длина волны излучения источника 2. Во втором варианте устройства фиг. 2) электромеханический преобазователь Г6 скреплен с второй латформой 17, установленной на осовании между светорасщеоятелем 5 отражателями 6, 7 и 8 с возможостью поворота вокруг оси, параллельой оси поворота первой платформы 1, компенсатор 18 оптической разности оДа лучей измерительного и компенационного каналов размещен на второй платформе 17. Компенсатор 18 вы полнен в виде одиночной призмы, но возможны и другие варианты его выпол нения, например и виде системы призм или зеркал. Пучок излучения источнж а 2 падает на светорасщепитель 3, который делит его на два параллельных один другому пучка одинаковой интенсивности и направляет их на зеркало 4, Зеркало 4 направляет оба пучка на светорасщепитель 5, который делит каждый пучок на два параллельных оди другому пучка и направляет их на отражатели 6, 7 и 8. Отражатели 6, 7 и 8 возвращают пучки лучей в направлении светорасщепителя 5, который объединяет эти пучки с образованием двух интерференционных картин. одна из которых переносится светоделителем 9 в плоскость чувствительной площадки фотоприемника 1I измерительного канала, а другая - светоделителем 10 в плоскость чувствительной площадки фотоприемника 12 компенсационного канала. Поступательное смещение отражателя 6, обусловленное воздействием измеряемого объекта 19у изменяет разность хода интерферирующих пучков в измерительном канале, что вызы вает перемещение интерференционной картины на чувствительной площадке ф топриемника Н, а следовательно, и появление на его выходе электрическо го сигнала, который при отсутствии д стабилизирующих факторов пропорциона лен смещению отражателя 6. Изменение разности хода интерферирующих пучков в измерительном и компенсационном каналах, обусловленное влиянием дестабилизирующих факто ров, вызывает перемещение интерферен ционных картин на чувствительных плО щадках фотоприемников II и 12, а еле довательно, и появление на их выходах злектрических сигналов рассогласования, пропорциональных воздействи деста билизирующих факторов. Дифференциальный усилитель 13 уси ливает сигнал с выходов фотог}риемников 11 и 12 и осуществляет их вычита ние, а блок 15 регистрации фиксирует .разностный сигнал, который в случае малости сигнала рассогласования пропорционален воздействию только измеряемого объекта. Одновременно сигнал рассогласования с выхода фотоприемника 12 компенсационного канала поступает на вход злектромеханического преобразователя 16,.который разворачивает платформу 1, обеспечивая тем самым уменьшение сигналов рассогласования в измерительном и компенсационном каналах до нуля. Сигнал рассогласования с выхода фотоприемника 12 компенсационного канала поступает также и на вход датчика 14, который позволяет блоку 15 регистрации выделить из всей серии измерений те из них, которые соответствуют нулевому сигналу рассогласования (или сигналу рассогласования, значение которого меньше наперед заданного), что обеспечивает высокую точность измерений даже при наличии интенсивного фона дестабилизирующих воздействий. Устройство по второму варианту (фиг. 2) работает аналогично. Отличие состоит в том, что компенсация влияния дестабилизирующих факторов осуществляется путем разворота второй платформы 17 с установленным на ней компенсатором 18. А так как масса элементов 17 и 18 второго варианта устройства меньше массы злементов 1, -4 и 5, то меньше и их момент инерции относительно оси вращения, НТО снижает динамическую погрешность |сомпенсации и, следовательно, позполяет проводить измерения при более быстрых флуктуациях внешних дестабилизирующих факторов по сравнению с первым вариантом устройства. В обоих вариантах устройства целесообразно использовать дифференциальные фотоприемники. В зтом случае интерференционная картина на чувствительной площадке каждого из фотоприемников должна состоять из двух частей, смещенных одна относительно другой на половину ширины интерференционной полосы. Необходимое смещение может быть достигнуто за счет введения для члсти лучей каждого из каналов фазовой з щержки в и рад, например, путем выполнения со ступенькой соответствующих оптических злементов. В первом варианте устройства т.якими элементами могут быть отражатели 7 и 8. Во втором варианте устройства ступеньку целесообразно выполнить на одной из отражающих граней светорасщепнтеля 5, так как в этом случае можно не предъявлять жестких требований к выдерживанию необходимой высоты ступеньки, поскольку смещение двух частей интерференционной картины на каждом из фотоприемников можно регулировать путем разворота платформы I.

Оба варианта устройства допускают использование дополнительного интерференционного канала в обратном ходе лучей за светорасщепителем 3, например,в качестве рефракционного канала.

P&(ppat(i /ГОГУ/ЙУ

5

W

Н

Второй вариант устройства имеет более высокие эксплуатационные характеристики, Что достигается в результате его усложнения.

Снабжение устройства вторым светорасщепителем 3, дифференциальным усилителем 13 и датчиком 14 в совокупности с соответствующим выполнением остальных элементов позволяет повысить точность измерений путем снижения влияния внешних дестабилизируюнщх факторов.

А7

иг.1

Рефракц. канал

фиг.2

19