Устройство для измерения линейных перемещений Советский патент 1984 года по МПК G01B11/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение при измерении линейных перемещений объектов. Преимущественно изобретение может быть использовано при создании высок точных измерительных систем, координатно-измерительных машин, инструментальных микроскопов и прецизионны металлорежущих станков, а также для научных исследований. Известно устройство для измерения линейных перемещений, содержащее лазер, двухлучевой интерферометр с интерференционным светоделительным элементом, референтньм отражателем, информационным отражателем и светоделительным элементом, фотопреобразователи и схему счета полос lj . Недостатком известного устройства является узкий (малый) диапазон изме рений при использовании в качестве и точника когерентного оптического излучения нестабилизированного по част те одномодового лазера. Этот недостаток обусловлен тем, что в указанны условиях диапазон измерений ограниче половиной длины резонатора используе мого лазера. Наиболее близким к изобретению является устройство для измерения ли нейных перемещений, содержащее лазер двухлучевой интерферометр, включающий референтный и информационный отражатели, образзтощие измерительный канал, и светоделительный интерференционный элемент, фотопреобразователи и схему счета 2J . Недостатком известного устройства является ограниченный диапазон измерения в случае использования в схеме нестабилизированного одномодового лазера, поскольку при разности плеч интерферометра, равной длине резонатора лазера, контрастность интерфере ционной картины равна нулю, что и ог раничивает диапазон измерений. Цель изобретения - расширение диапазона измерения. Поставленная цель достигается тем что устройство для измерения линейных перемещений, содержащее лазер, двухлучевой интерферометр, включающий референтный и информационный отражатели, образующие измерительный канал, и светоделительный интерфе.ренционный элемент, фотопреобразователи и схему счета, снабжено дополнительными референтным отражателем и интерференционным элементом, образующими в совокупности с информационным отражателем второй измерительный канал, волоконно-оптическим преобразователем, оптически связывающим оба измерительных канала, интерференционньм элемент выполнен в виде призмы с тремя светоделительными поверхностями, а длина резонатора лазера связана с разностью ходов лучей в первом и во втором измерительных каналах следующим соотношением L,-l-2) где L, Lg разности ходов лучей в первом и во втором измерительных каналах соответственноi Ь - длина резонатора лазера; h - целое число. На фиг.1 показана оптическая схема устройства для измерения линейных перемещений, на фиг.2 - зависимость контраста интерференционной картины пт разности хода лучей с основным референтным отражателем, на фиг.З то же, с дополнительным референтным отражателем; на фиг.А - результирующая зависимость контраста от разности хода с двумя референтными отражателями на выходе волоконно-оптического преобразователя. Устройство содержит лазер 1, светоделительный интерференционный элемент 2 с тремя светоделительными поверхностями (Х, |5 и у , инфор|мационный отражатель 3, закрепляемый на объекте 4, референтный отражатель 5, отражающие элементы 6, дополнительный референтный отражатель 7, интерференционньш элемент 8, волоконно-оптический преобразователь 9, фотопреобразователи 10 и схему 11 счета полос. Призма 12 светоделительного интерференционного элемента 2, информационный отражатель 3 и референтный отражатель 5 образуют первый измерительный канал; призма 12 светоделительного интерференционного элемента 2, отраающие элементы 6, информационный тражатель 3, дополнительный рефеентный отражатель 7 и интерференционный отражатель 8 образуют второй змерительный канал. В месте локализации интерференционой картины обоих измерительных каалов установлены входные торцы бло3ков волоконно-оптического преобразо вателя 9. Измерительное плечо интерферомет первого измерительного канала образ вано ходом луча между точкамиabcjjв референтное плечо образовано ходом луча между точками а h 1 б Разность хода лучей 1ц. двух плеч интерферометра составляет ... L,4abfgeV(abc(ieV. Измерительное плечо интерферометра параллельного измерительного нала образовано ходом луча между точками о Ь с j Ео , референтное пле чо образовано ходом лучей между точ ками aHkmno. Разность хода лучей Ьл двух пле этого интерферометра составляет l,-(abkyn по )-(.С1 jcj6o). Основной и Дополнительный референтные отражатели 5 и 7 расположен таким образом, что разность хода лу чей референтного и измерительного плечей в интерферометрах двух измерительных каналов отличаются на вел чину, кратную половине длины резонатора используемого лазера, т.е. -длина резонатора лазера;-целое число (П 1, 2, 3, ... i ). Устройство работает следующим об разом Луч лазера 1 разделяется светоде тельной поверхностью об призмы 12 в точке а на два пучка. Один из них направляется к информационному отражателю 3 в точку b и, отразившись в точках Ьс , возвращается к призме 12, где на светоделительной поверхности |3 в точке (J делится также на две части. Одна часть пучка, отражаясь в точке 5 отражающего элемента 6, направляется в точку О к интерференци- 5 онному элементу 8, а вторая часть пучка направляется в точку С светоделительной поверхности у призмы.12. Часть пучка от лазера 1, прошедшая светоделительную поверхность (К приз- 5 мы 12 в точке о , направляется к светоделительной поверхности р в точку .h призмы 12, где также делится надвое 344 Одна часть пучка направляется к референтному отражателю 5 интерферометра первого измерительного канала и отравозвращаетсязившись в точках светоделительной поверхности J призмы 12 в точку е . Вторая часть пучка, отразившись от светоделительной поверхности р призмы 2 в точке h , направляется в точку k отражающего элемента 6 и далее приходит к дополнительному референтному отражателю 7 второго «интерферометра параллельного измерительного канала. Отразившись от него в точках (Т1 h , пучок попадаёт в точку о дополнительного интерференционного элемента 8. В точке е на светоделительной поверхности У призмы 2 и в точке О дополнительного интерференционного элемента 8 информационный пучок и референтные пучки, рекомбинируя между собой, образуют две системы интерференционных полос. Контрастность дан ных интерференционных полос в первом измерительном канале является периодической функцией от разности хода лучей в референтном и информационном плечах интерферометра (фиг.2), (aVifg-eVCabcJe) i(u,); где V - Контрастность; L, - разность хода лучей в первом измерительном канале. Период функции зависит от длины L резонатора лазера 1. В точках, кратных длине резонатора лазера, функция обращается в ноль, а в точках, кратных половине длины резонатора, имеем максимум, т.е. функция равна единице. Контрастность интерференционной картины во втором параллельном измерительном канале также имеет вид периодической функции с периодом, равным длине резонатора лазера. но в отличии от первой функции, сдвинутой на величину, равную половине длины L резонатора лазера Ч (фиг.З) |k-i(()-l(L7V Суммарный оптический сигнал на выходе волоконно-оптического преобразователя 9 будет иметь контрастность описываемую периодической функцией, показанной на фиг.4. Она получена путем сложения функций зависимости контраста от пути, пройденного информационным отражателем 3. Эта функция также периодическая с периодом, равным половине длины резонатора лазера. Максимальный контраст будет равен 0,8 и минимальный 0,5, что вполне достаточно для чувствительности фотоэлектрических фотопреобраэователей 10, На фотопреобразователи 10 поступают оптические сигналы с выходных торцов волоконно-оптического преобразователя 9, сдвинутые по фазе на /4 ширины интерференционной полосы. Далее они преобразуются в соответствующие электрические сигналы и подаются в схему 1.1 счета полос.

Использование изобретения позволяет увеличить диапазон измерения устройства при применении в нем в качестве источника когерентного оптического излучения нестабилизированого по частоте одномодового лазера, так как суммарная контрастность интерференционных полос никогда не будет равна нулю. Диапазон измерения ограничивается лишь побочными факторами: турбулентностью среды, где распространяется излучение в измерительном плече интерферометра, чувствительностью Фотопреобразователей, качеством усилителей и т. д.

Фиг.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащее лазер, двухлучевой интерферометр, включающий референтный и информационный отражатели, образующие измерительный канал, и светоделительньй интерференционный элемент, фотопреобразователи и схему счета, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона измерения, оно снабжено дополнительным референтным отражателем -и интерференционным элементом, образунщими в совокупности с информационным отражателем второй измерительный канал, волоконно-оптическим преобразователем, оптически связывающим оба измерительных канала, интерференционный элемент выполнен в виде призмы с тремя светоделительными поверхностями, а длина резонатора лазера сеязана с разностью ходов лучей в первом и во втором измерительных каналах следушцим соотношением . , U , где L , I 2 - разности ходов лучей (О в первом и во втором измерительных каналах соответственно; L п -длина резонатора лазера, д -целое число.

0.8 0.5

(-г

f L2