Интерференционное устройство для измерения перемещений Советский патент 1984 года по МПК G01B11/00 

Изобретение относится к контроль но-измерительной технике, предназна чено для измерения перемещений, и может быть использовано при проведе нии научных исследований, например при изучении реакции биологических объектов на воздействие различных физико-химических раздражителей. По основному авт.св. № 911142 известно интерференционное устройст для измерения перемещений, которое содержит оптически связанные источн монохроматического излучения, свето расщепитель, предназначенный для формирования параллельных пучков лучей5 светоделительный блок, первы и второй отражатели и первый дифференциальный фотоприемник, образую щие измерительный канал, третий отражате,пьэ выполненньш усеченным двугранным, и второй дифференциальн фотоприемник, образующие компенсационньй канал, компенсатор разности хода, общий для обоих каналов, поворотную платформу, несущую компенсатор разности хода, электромеханический преобразователь, скрепленный с поворотной платформой и подключен ный к вьпсоду второго фотоприемника, датчик нуля, подключенный к выходу второго фотоприемника, и блок регистрации, вьшодненньй с дифференциальным входом, подключенным к выт ходам первого и второго фотоприемников , и связанный с выходом датчик нуля. Недостатками устройства являются малый диапазон измерений и относительно невысокая точность, так как абсолютная погрещность измерений, обусловленная дрейфом и флуктуациям чувствительности фотодатчиков и интенсивности источника излучения, пропорциональна абсолютному значению измеряемой величины. Цель изобретения - повьщ1ение точ ности и расширение диапазона измерений. Указанная цель достигается тем, что интерференционное устройство снабжено вторым измерительным каналом, содержащим третий фотоприемник второй электромеханический преобразователь, выполненный с дифференциальным входом, подключенным к вых дам первого и второго фотоприемников и с двумя кинематически связанными зеркально-симметричными выхода ми, две поворотные платформы, связанные с выходами второго электромеханического преобразователя, две Т-образные пластины одинаковой толщины, установленные на платформах в ходе лучей компенсационного и первого измерительного каналов и одного из плеч второго измерительного канала симметрично относительно плоскости, равноотстоящей от осей поворота платформ и перпендикулярной к проходящим через нее лучам, две П-образные пластины, каждая из которых установлена со стороны стойки соответствующей Т-образной пластины в ходе лучей другого плеча второго измерительного канала, Т-образные пластины вьтолнены с одинаковыми по высоте ступеньками, расположенными на одном из торцов в ходе лучей одного из плеч первого измерительного канала, оси поворотов платформ расположены в плоскостях ступенек соответствующих Т-образных пластин на пересечении ступенек с проходящим через них пучком лучей, усеченньш двугранный отражатель выполнен общим для компенсационного и второго измерительного каналов, датчик нуля выполнен с дифференциальным входом, подключенным к выходам первого и второго фотоприемников, первый фотоприемник вьтолнен с дополнительным фотодатчиком, а блок регистрации выполнен с двумя счетными входами, один из которых связан с выходом третьего фотоприемника, а второй - с вторым выходом первого фотоприемника. На фиг.1 показана принципиальная схема интерференционного устройства для измерения перемещений; на фиг.2 - то же, вид сбоку, на фиг.З светорасщепители. Интерференционное устройство содержит источник 1 монохроматического излучения, светорасщепитель 2, плоское зеркало 3, второй светорасщепитель 4, поворотную платформу 5, компенсатор 6 оптической разности хпда, установленный на платформе 7, П-образную пластину 8 и Т-образную пластину 9, укрепленную на платформе 10, П-образную пластину 11 и Т-образную пластину 12, укрепленную на платформе 13, двугранньй отражатель 14, отражатель 15 и отражатель 16, установленный на основании 17, отклоняющие зеркала 18-20, щелевые иафрагмы 21-23, первый, второй и

третий фотоприемники 24-26, первый и второй электромеханические преобразователи 27 и 28, датчик 29 нуля и блок 30 регистрации.

Отражатель 14 и фотоприемник 25 образуют компенсационный канал.

Отражатель 15, скрепляемый с измеряемым объектом 31, размещаемым на основании 17, отражатель 16 и фотоприемник 26 образуют первый измерительный канал.

Отражатель 14, Т-образные пластины 9 и 12, укрепленные на платформах 10 и 13, и фотоприемник 24 образуют второй измерительный канал.

Светорасщепители 2 и 4 вьтолнены в виде плоскопараллельных пластин, на каждую из граней которых нанесено отражающее покрытие, при этом светорасщепитель 4 вьшолнен со ступеньками для образования двух интерференционных картин, смещенных относительно друг друга на Л/2 во втором измерительном канале, на 7Г - в компенсационном канале и на Я и Л /2 - в первом измерительном канале. Необходимое смещение достигается соответствующим поворотом платформы 5 с укрепленными на ней плоским зеркалом 3 и светорасщепителем 4.

Каждая из платформ 5,7,10 и 13 выполнена с возможностью поворота вокруг оси, параллельной зеркалу 3 и перпендикулярной оптической оси источника 1.

Компенсатор 6 оптической разности хода выполнен в виде ромбической призмы с острым углом равньм ЛЗ.

Каждая из Т-образных пластин 9 и 12 выполнена со ступенькой в ходе лучей одного из плеч первого измерительного канала, обеспечивающей при поворотах платформ 10 и 13 изменение разности хода в этом канале на величину, пропорциональную высоте ступеньки.

Отражатель 14 является общим для компенсационного и второго измерительного каналов и вьшолнен усеченным двугранным. .

Фотоприемник 24 состоит из двух фотодатчиков, смещенных по фазе относительно друг друга на л /2, и подключен к счетному входу блока 30 регистрации.

Фотоприемник 25 состоит из двух , парных фотодатчиков, включенных по балансной схеме и смещенных относительно друг друга по фазе на Л и подключен к датчику 29 нуля, электромеханическим преобразователям 27 и 28 и к дифференциальному входу блока 30 регистрации (подключение к дифференциальному входу блока 30 регистрации на фиг.1-2 не показано)

Фотоприемник 26 состоит из трех фотодатчиков, последовательно смещенных относительно друг друга по фазе на Л /2. При этом фотодатчики смещенные на Л образуют первый (дифференциальный) приемный канал, выход которого подключен к датчику 29 нуля, электромеханическому преобразователю 28 и дифференциальному входу блока 30 регистрации (подключение к дифференциальному входу блока 30 на фиг.1-2 не показано) а фотодатчики, смещенные по фазе на Л/2, образуют второй.(счетный) приемный канал, выход которого подключен к второму счетному входу блока 30 регистрации.Введение второго приемного канала обеспечивает определение целого порядка интерференционной полосы и позволяет исключить просчет целого числа полос при быстром изменении разности хода, вызывающем кратковременньй срыв слежения, т.е. позволяет отличать быстрое приращение длины измеряемог объекта от воздействия вибраций.

Датчик 29 нуля выполнен с дифференциальным входом, связанным с выходом фотоприемии1:са 25 и с первым выходом фотоприемника 26, подключен к блоку 30 регистрации и предназначен для автоматического вьщеления результатов измерений, соответствую щих нулевой разности сигналов рассогласования с фотоприемника 25 и первого выхода фотоприемника 26.

Электромеханический преобразователь 28 вьшолнен с дифференциапьным входом, связанным с выходом фотоприемника 25 и первым выходом фотоприемника 26, и двумя кинематически связанными зеркально-симметринь№Ш выходами, связанными с поворотными платформами 10 и 13. Использование двух кинематически связанных платформ 10 и 13 с взаимно противоположными направлениями угловых перемещений исключает боковое смещение лучей при повороте платформы. Так как действие дестабилизирующих факторов вызывает одинаковые по величине изменения сигналов на выходе фотоприемника 25 и первом вы ходе фотоприемника 26, вьшолнение электромеханического преобразовател с дифференциальным входом допускае угловые перемещения платформ 10 и связанные только с компенсацией ра ности хода, обусловленной перемеще ем отражателя 15. При этом поворот платформ 10 и 13 обеспечивая компенсацию разности хода, обусловленную перемещением отражателя 15, не приводит к изменению разности хо в компенсационном канале, т.е. не вызывает изменения сигнала на выходе фотоприемника 25, так как.через Т-образные пластины проходит каждый из интерферирующих пучков компенсационного канала. Отражатели 15 и 16 целесообразно выполнять двугранными. Блок 30 регистрации вьшолнен с возможностью реверсивного счета целого числа интерференционных полос и регистрации дробной части полосы например, с использованием тригонометрического преобразования на осно электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). П-образные плоскопараллельные пластины 8 и 11 компенсируют разнос хода, вносимую Т-образными пластина ми во втором измерительном канале. Устройство работает следующим оё разомо Пучок излучения источника 1 пада ет на светорасщепитель 2, который делит его на три параллельных друг другу пучка. Зеркало 3 направляет пучки в светорасщепитель 4, которьй делит каждьй пучок на два параллель ньж друг другу пучка. Пучки лучей, падающие на двугранный отражатель 14s образуют компенсационный и второй измерительный каналы. Пучки лучей, падающие на отражатели 15 и 16, образуют первый измерительный канал. При обратном ходе лучей свет расщепитель 4 объединяет попарно пу ки лучей, с образованием трех интер ференционных картин, а отклоняющие зеркала 18-20 направляют их на фото приемники 24-26 соответственно. Поступательное смещение отражателя 15, обусловленное воздействием измеряемого объекта 31, изменяет разность хода интерферирующих пучко в первом измерительном канале, что вызывает перемещение полос на чув06ствительной площадке фотоприемника 26 и следовательно, появление на его первом выходе электрического сигнала рассогласования, пропорционального смещению отражателя 15. Сигнал рассогласования приводит в действие электромеханический преобразователь 28, который разворачивает платформы 10 и 13с установленными на них Т-образными пластинами в положение, обеспечивающее уменьшение сигнала рассогласования до нуля, компенсируя тем самым разность, хода, обусловленную перемещением измеряемого объекта. Одновременно с этим поворот платформ 10 и 13 вызыйает изменение разности хода интерферирующих пучков во втором измерительном канале, и обусловленное этим перемещение полос интерференционной картины на чувствительной площадке фотоприемника 24, а следовательно, появление на его выходе электрического сигнала, пропорционального величине смещения отражателя 15 и фиксируемого блоком 30 регистрации. Если толщина Т-образной пластины больше высоты ступеньки в N раз, то разность хода интерферирующих пучков во втором измерительном канале, вносимая поворотом платформ 10 и 13, больше компенсируемой разности кода, обусловленной смещением отражателя 15, в такое же число раз. Таким образом, реализуется измерение дробной части интерференционной полосы, равное и /N, где Л дробная часть полосы, реализуемая, например, тригонометрическим преобразованием. Изменение разности хода интерферирующих пучков в компенсационной канале,обусловленное влиянием дестабилизирующих факторов среды, вызывает перемещение полос на чувствительной площадке фотоприемника 25, а следовательно, появление на его выходе электрического сигнала рассогласования. Сигнал рассогласования приводит в действие электромеханический преобразователь 27, который разворачивает платформу 7 с установленным на ней компенсатором 6 оптической разности хода в положение, обеспечивающее уменьщенче сигнала рассогласования до нуля. Так как воздействие дестабилизирующих факторов вызывает одинаковую разность хода во всех йнтерференц юнных каналах, а компенсатор 6 является общим для них, то разность хода интерферирующих пучков, обусловленная воздействием дестабилизирующих факторов, компенсируется во всех каналах, при этом имеет место и компенсация практически неизбежной клиновидности Т-образных пластин, так как пучки лзгчей,лежащие в одной плоскости (например, проходящие через компенсатор 6), расположены, симметрично относительно среднего, а клиновидность является линейной величиной, то поворот платформы 10 вызьшает одинаковые изменения разности хода во всех каналах независимо от направления клиновидности. Благодаря зтому, можно испол зовать ступеньки практически сколь угодно малой высоты, т.е. задаватьс сколь угодно большим отношением тол щины Т-образной пластины к высоте ступеньки. Предел определяется толь ко нелинейностью рабочих поверхностей пластин. При работе устройства в статичес ком режиме измерений, после предварительной установки нуля в каждом 1 8 из каналов злектромеханический преобразователь 28 выключается. Счет целого числа полос обеспечивается вторым счетным каналом устройства, связанного с вторым приемным каналом фотоприемника 26. После счета целого числа полос включается электромеханический преобразователь 28, и вторым измерительным каналом устройства регистрируется дробная часть интерференционной полосы. Светорасщепитель 2, откпоняющяе зеркала 18-20, диафрагмы 21-23 и фотоприемники 24-26 жестко связаны между собой и выполнены в виде единого блока, а щелевце диафрагмы 21-23 ориентированные так, что щели диафрагм параллельны плоскости интерферирующих пучков, целесообразно выполнять в виде одной, общей для всех интерферирующих пучков, щелевой диафрагмы. В отличие от прототипа погрешность измерений для предлагаемого устройства не зависит от абсолютного значения измеряемой величины/ Использование изобретения позволяет повысить точность и расширить диапазон измерений.

13

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ по авт.-св. № 911142, отличающееся тем, что, с целью повьшения точности и расширения диапазона измерений, оно снабжено вторым измерительным каналом, содержащим третий фотоприемник, второй электромеханический преобразователь, выполненный с дифференциальным входом, подключенным к выходам первого и второго фотоприемников и с двумя кинематически связанными зеркальносимметричными выходами, две поворотные, платформы, связанные с выходами второго электромеханического преобразователя, две Т-образные пластины одинаковой толщины, установленные на платформах в ходе лучей компенсационного и первого измерительного каналов и одного из плеч второго измерительного канала симметрично относительно плоскости, равноотс тоящей от осей поворота платформ и перпендикулярной к проходящим через нее лучам, две П-образные пластины, каждая из которых установлена со стороны стойки соответствующей Т-образной пластины в ходе лучей другого плеча второго измерительного канала, Т-образные пластины вьшолнены с одинаковыми по высоте ступеньками, расположенньми на одном из торцов в ходе лучей одного из плеч первого измерительного канала, оси поворотов платформ расположены в плоскостях ступенек соответствующих Т-образных пластин на пересечении ступенек с проходящим через них пучком лучей, усеченный двугранньй отражатель вьшолнен общим для компенсационного и второго измерительного каналов, датчик нуля вьшолнен с дифференциальным входом подключенным к выходам первого и второго фотоприемников, первый фотоприемник выполнен с дополнительным фотодатчи30 ком, а блок регистрации вьтолнен с :о двумя счетными входами, один из которых связан с выходом третьего фотоприемника, а второй - с вторым выходом первого фотоприемника.

ГП/v

(pat.z

(риг. 3