Интерференционный способ измерения перемещений и устройство для его осуществления Советский патент 1984 года по МПК G01B21/00 

00

со

ND

00

2. Устройство для измерения перемещений, содержащее интерферометр, три фотопреобразователя, два дифференциальных усилителя,два формирователя, вход каждого из которых соединен с выходом соответствующего дифференциального усилителя, и регистратор, соединенный с выходами формирователей, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и увеличения диапазона измерений, оно снабжено источником опорного напряжения, двумя сумматорами, инвертором, двумя сумматорами-выпрямителями и тремя перемножителями-делителями, выходы.первого и второго перемножителей-делителей подключены к инвертирующим входам соответствующих дифференциальных усилителей, а неинвертирующие входы последних соединены с выходом третьего перемножителя-делителя, первый множительный вхо которого соединен с выходом инвертора, вход которого подключен к выходу первого сумматора, один из входов первого сумматора соединен с выходом первого фотопреобразователя, с первым множительным входом первого перемножителя-делителя и с первым входом первого сумматора-выпрямителя, а второй вход первого сумматора подключен к выходу третьего фотопреобразователя, выход второго фотопреобразователя соединен с первым множительным входом второго перемножителяделителя и с первым входом второго сумматора-выпрямителя, а вторые входы сумматоров-выпрямителей соединены с выходом первого сумматора, источник опорного напряжения подключен к вторым множительным входам перемножителей-делителей, делительные входы которых соединены с выходом второго сумматора, входы которого подключены к выходам сумматоров-выпрямителей.

1. Интерференционный способ измерения перемещений, заключающийся в получении интерференционных картин, смещенных одна относительно другой по фазе, преобразовании оптических сигналов в электрические при анализе интерференционных картин и формировании прямоугольных импульсов, по количеству и последовательности поступления которых определяют перемещение, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности и увеличения диапазона измерений, получают три сдвинутых по фазе на 90 интерференционные картины и соответственно три электрических сигнала, определяют их постоянную и переменную составляющие и используют их для формирования двух сигналов со стабилизированными значениями постоянной i и переменной составляющих, а затем формируют прямоугольные импульсы. (Л

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в машиностроении и приборостроении для измерения с по мощью лазерных измерителей перемещеИзвестен интерференционный способ измерения перемещений, заключающийся в получении интерференционных картин, смещенных одна относительно другой по фазе, преобразование оптических сигналов в электрические при анализе интерференционных картин и формировании прямоугольных импульсов по количеству и последовательности поступления которых определяют пере мещение ij. Известно устройство для измерения перемещений, содержащее интерферометр, три фотопреобразователя, два , дифференциальных усилителя, два формирователя, вход каждого из которых соединен с выходом соответствующего дифференциального усилителя, и регистратор. Приемник излучения содержит также четвертый фотопреобразователь Недостатком известных способа и устройства является то, что при ба лансном методе компенсируются толь ко постоянные составляющие сигналов фотопреобразователей, а амплитуда переменной составляющей может изменяться в зависимости от уровня и глу бины модуляции сигнала фотопреобразо вателя, что, в частности, может быть вызвано нестабильностью мощности лазерного излучения при поперечных сме щениях отражателей интерферометра, при ослаблении луча измерительного плеча интерферометра загрязнениями и т.д., тем самым не устраняются основные погрешности, что ведет к снижению точности и уменьшению диапазона измерений. Цель изобретения - повышение точности и увеличение диапазона измерений , Поставленная цель достигается тем, что согласно интерференционному способу измерения перемещений, заключающемуся в получении интерференционных картин, смещенных одна относительно другой по фазе, преобразовании оптических сигналов в электрические при анализе интерференционных картин и формировании прямоугольных импульсов, по количеству и последовательности поступления которых определяют перемещение, получают три сдвинутых по фазе на 90° интерференционные картины и соответственно три электрических : сигнала, определяют их постоянную и переменную составляющие и используют их для формирования двух сигналов со стабилизированными значениями постоянной и переменной составляющих, а затем формируют прямоугольные импульсы . Устройство для измерения перемещений, содержащее интерферометр, три фотопреобразователя, два дифференциальных усилителя, два формирователя, вход каждого из которых соединен с выходом соответствующего дифФеренциапьного усилителя, и регистратор, соединенный с выходами формирователе снабжено источником опорного напряже ния, двумя сумматорами, инвертором, двумя сумматорами-выпрямителями и тре мя перемножителями-делителями выходы первого и второго перемножителей-делителей подключены к инвертирующим входам соответствующих дифференциальных усилителей, а неинвертирую щие входы последних соединены с выходом третьего перемножителяделителя, первый множительный вход которого соединен с выходом инвертора, вход которого подключен к выходу первого сумматора, один из входов пер вого сумматора соединен с выходом первого фотопреобраэователя, с -.первым множительным входом первого пере множителя-делителя и с первым входом первого сумматора-выпрямителя, а вто рой вход первого сумматора подключен к выходу третьего фотопреобразователя, выход второго фотопреобразовате ля соединен с первым множительным входом второго перемножителя-делителя и с первым входом второго суммато ра-выпрямителя, а вторые входы сумматоров-выпрямителей соединены с выходом первого сумматора, источник опорного напряжения подключен к вторым множительным входам перемножите.лей-делителей, делительные входы которых соединены с выходом второго су матора, входы которого подключены к выходам сумматоров-выпрямителей, На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для осуществления интерференционного способа измерения пере мещений; на фиг. 2 - эпюры сигналов на элементах схемы. Устройство состоит из фотопреобразователей 1, 2 и 3, источника 4 опорного напряжения, первого и второ го перемножителя-делителя 5 н 6, пер вого сумматора 7, первого н второго дифференциальных усилителей 8 и 9, инвертора 10, первого и второго сумматоров-выпрямителей 11, 12, первого и второго формирователей 13 и 14, соединенных с выходами соответствующих дифференциальных усилителей 8 и 9, третьего перемножителя-делителя 15, второго сумматора 16, регистрато ра 17, соединенного с выходами формирователей 13 и 14, выходы первого и второго перемножителя делителя 5 и б подключены к инвертирующим входам соответствующих дифференциальных уси лителей 8 или 9, а неинвертирующие входы последних соединены с выходом третьего перемножителя-делителя 15, первый множительный вход которого соединен с выходом инвертора 10, вхо которого подключен к выходу первого сумматора 7, один из входов первого сумматора 7 соединен с выходом первого фотопреобразователя 1, с первым множительным входом первого перемножителя-делителя 5 и с первым входом первого сумматора-выпрямителя 11, а второй вход первого сумматора 7 подключен к выходу третьего фотопреобразрвателя 3, выход второго фотопреобразователя 2 соединен с первым множительным входом второго перемножителя-делителя бис первым входом второго сумматора-выпрямителя 12, а втррые входы сумматоров-выпрямителей 11 и 12 соединены с выходом первого сумматора 7, источник 4 опорного напряжения подключен к вторым множительным входам перемножителей-делителей 5, б и 15, делительные входы которых соединены с выходом второго сумматора 16, входы которого подключены к выходам сумматоров-выпрямителей 11 и 12. С помощью предлагаемого устройства способ осуществляется следующим образом. С помощью интерферометра (не пока зан) получают три интерференционные картины, последовательно сдвинутые по фазе на 90°. После преобразования оптических сигналов в электрические с помощью фотопреобразователей 1, 2 и 3 получают сигналы вида и. К.1.1 + т;соз{л4.), где i - номер фотопреобразователей; К,- - коэффициент усиления фотопреобразователя;I,- - доля энергии лазерного излучения, приходящаяся на фотопреобразователь с номером i, m-- глубина модуляции сигнала фотопреобраз овс1тел я; - фаза сигнала, связанная с величиной измеряемого перемещения ЛЬ. Вследствие того, что сигналы фотопреобразователей одинаковым образом зависят от результата интерференции двух лучей опорного и измерительного плеч интерферометра, параметры выходных сигналов описываются одинаковыми функциями времени: K.I. ), m.mjt) ,/i4.A4.(t) , тогда U; (t)U(,(t) l+mp{t)co3 ЛЧ. (t) .. Текущие значения трех указанных параметров определяются по значениям трех сигналов фотопреобразователей и. (фиг, 2а). Формирование двух сигналов Од и Ug со стабилизированными значениями амплитуд и нулевыми постоянными составляющими (фиг. 26) осуществляется по алгоритму ))E, Jt)) ) ЕО- cosdMlt) , )0(tjEo/fUo tno -Ec/no(tl Ejj (t). Указанные операции и последовател ность их выполнения удовлетворяют д полнительному условию осуществления способа измерения заключающемуся в том, что все сигналы, над которыми производятся операции умножения и деления, должны быть знакоположител ными вследствие использования логарифмических перемножителей-делителей 5, 6 и 15. Стабилизированное значение Е вырабатывается, источником 4 опорного напряжения. Текущее значение -и(t) получают на выходе сумматора 7, на входы которого подаются сигналы U(t и Uj (t) с фотопреобразователей 1 и Выпрямленные значения .переменных составляющих сигналов U (t) и U (t) получают на сумматорах-выпрямителях 11 и 12, при этом сумматор 16 формирует сигнал UQ (t)га(t), Перемножив сигналы Ер и U(t) и разделив их произведение на U(,(t)m(t) с помощью перемножителя-делителя 15, получают величину Ep/mt. Используя полученные величины Eg Up,(t)m(t) и (t} , преобразуют сигнал и(t) в сигнал со стабилизированным значением амплитуды и нулевой постоянной составляющей U(t) по указанному алгоритму с помощью перемножителя-делителя 5 и дифференциального усилителя 8, Аналогичным образом формирует сиг нал U (t) на перемножителе-делителе б и дифференциальном усилиаеле 9. Амплитудная дискриминация сигналов UA(t) и ив() производится на формирователях 13 и 14 по установленным значениям Е, что благодаря стабилизированному значению Eg а:мплитуд сигналов U(t) и Og(t) обеспечивает высокую и устойчивую помехозащищенность измерений, равномерность распризделения счетных импульсов независимо от изменений уровня и глубины модуляции сигналов фотопреобразователей . В регистраторе 17 производится обработка выходных импульсов формирователей, определение величины и направления измеряемого перемещения и индикации результатов измерений. Таким образом, использование величины Uo(t)in{t) в качестве сигнала U(t)m.(t) и гальванической связи между всеми узлами схемы обеспечивает простоту схемной реализации определения параметра ro(t) и независимость амплитуд сигналов U(t) и Ug(t) от скорости измеряемого перемещения, . а также обусловливает близкую к треугольной форму сигналов Од(t) и Ug(t), что позволяет увеличить устойчивость измерителя к изменениям уровней и глуЬины модуляции сигналов фотоприемников, улучшить помехозащищенность измерителя, исключить систематическую ошибку измерений, что в совокупности обеспечивает значительное увеличение точности измерения перемещений . Достигнутая высокая точность интерференционных измерений в широком диапазоне не зависит от изменений мощности лазерного излучения, от искажений интерференционной картины, что обеспечивает увеличение диапазона измеряемых перемещений.

I /S

xx

/ jX

/ V

V

x:

в

1 I rtn LJ.

I I I I

/

„

x:/

x

/

л

/x

t

/

/

/

x

в

{ I I

I I I