Устройство для измерения перемещений объекта Советский патент 1985 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к оптико-интерференционным устройствам, и предназначено для автоматического измерения смещений интерференционных полос.

Целью изобретения является повышение точности, чувствительности и расширение диапазона измеряемых перемещений.

На чертеже приведена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит оптический интерферометр 1, гальванометр 2, находящийся на выходе интерферометра дискриминатор 3 в виде одной щели, соединенные последовательно фотоприемник 4 и узкополосный усилитель 5, генератор 6 переменного напряжения, фазовый детектор 7, усилитель 8 постоянного напряжения, подключенные к генератору 6, измеритель 9 напряжения и систему 10 сброса, подключенную параллельно .усилителю 8.

Устройство работает следующим рбразом.

Интерференционная картина в виде нескольких интерференционных полос отражается от зеркала гальванометра и после прохождения дискриминатора 3 регистрируется фотоприемником 4. Световой поток, поступающий на фотоприемник 4, модулируется по гармоническому закону, для чего на гальванометр 2 подается гармоническое напряжение от генератора 6, осуществляющее угловые колебания зеркала гальванометра 2 по гармоническому закону, что приводит после прохождения дискриминатора 3 к периодическим колебаниям светового потока на фотоприемнике 4.

Для получения максимального интерференционного сигнала ширина щели дискриминатора 3 выбирается раеной половине ширины интерференционных полос в плоскости дискриминатора 3. Для работы системы в плоскости дискриминатора 3 должно быть спроецировано как минимум три интерференционные полосы. Электрический сигнал U на выходе фотоприемника 4 имеет вид

f2Et + 2lJ

(1)

U UoC08 1л

где и - амплитуда электрического

сигнала с фотоприемника 4; .А - длина световой волны;

I - разность оптической длины

в плечах интерферометра; Л - период интерференционной

картины в плоскости дискриминатора 3{.

X - линейное перемещение интерференционной картины. Линейное перемещение интерференционной картины происходит перпендикулярно направлению щели дискриминатора 3 при повороте зеркала гальванометра 2 под действием приложенного к нему напряжения. При гармоническом напряжении, подаваемом на гальванометр 2, имеет

, Sinnt, (2) где Xg - некоторое смещение интерференционной картины; х - амплитуда смещения интерференционной картины;

Л - частота гармонического напряжения, подаваемого на гальванометр 2; t - время.

Учитывая выражения (2) и (1), получаем

,, sinfttj, (3)

Узкополосным усилителем 5 вьщеляется сигнал первой гармоники. Из выражения (3) следует, что сигнал первой гармоники на выходе узкополосного ус.илителя 5 имеет вид

1 01 SLn(-|I+-д-Xo)J (-Д-Х, )sinflt,

(4)

,2Т

где J (х) - функция Бесселя 1-го

порядка.

Для получения,максимального сигнала первой гармоники подбирается x vA/4,

,,2f , при этом величина J() достигает

своего максимального значения. Сигнал с выхода узкополосного усилителя 5 и сигнал с генератора 6 поступают на вход фазового детектора 7. В зависимости от разности оптических длин в плечах интерферометра 1 сигнал с узкополосного .усилителя 5 оказьгаает ся в фазе или в поотивофазе с. сигналом генератора 6. Фазовый детектор 7, усилитель 8 постоянного тока вьфабатывают напряжение отрицательной обратной связи, увеличение или уменьшение которого зависит от того, в фазе или в противофазе находятся сигналы с генератора 6

и узкополосного усилителя 5, Напрйжение отрицательной обратной связи с выхода усилителя .8 постоянного напряжения подается на гальванометр 2 и приводит к повороту зеркала. Сигнал с усилителя 8 постоянного напряжения подается и на систему 10 сброса.

Система 10 сброса работает следующим образом. Пусть в начальный момент разность хода в плечах интерферометра и сигнал на выходе уси лителя 8 постоянного тока . При изменении разности хода в плечах интерферометра 1 сигнал на выходе усилителя 8 принимает значения

UH .

(5)

где t - изменение разности хода

в плечах интерферометра 1; в( - коэффициент связи между напряжением и величиной перемещения .

Знак плюс или минус зависит от направления перемещения. При изменении разности хода в плечах интерферометра 1 на Л/2, т.е. на одну интерференционную полосу, сигнал на выходе усилителя 8 постоянного напряжения обращается в нуль, при этом зеркало гальванометра 2 поворачивается, и захватывается следую2016814

щая интерференционная полоса. Система 10 сброса позволяет расширить диапазоны измеряемых перемещений теоретически неограниченно, а практически ограничиваемые длиной волны когерентного источника излучения, т.е. используемого лазера, I

Таким образом, при перемещении,

to одного из зеркал интерферометра 1 интерференционная картина смещается, но при этом вырабатывается сигнал отрицательной обратной связи, который поворачивает зеркало гальваJ5 нометра 2 так, что на дискриминаторе 3 оказывается один и тот же участок интерференционной картины. При каждом изменении оптической разности хода в плечах интерферометра 1

20 1 срабатывает система сброса и происходит удержание в пределах следующей полосы. Измерителем 9 .измеряется величина напряжения обратной связи, которая прямо пропорциональна изменению длины оптического пути в плечах интерферометра и углу поворота, зеркала гальванометра 2, служащего для удержания минимума интерференционной полосы на щели

,- дискриминатора 3 и модуляции светового потока.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТА, содержащее оптический интерферометр, генератор переменного напряжения, фотоприемник, узкополосный усилитель, фазовый детектор, усилитель постоянного напряжения, измеритель напряжения, отличающееся тем, что. с целью повьшения точности, чувствительности и расширения диапазона измеряемых перемещений, оно снабжено зеркальным гальванометром, расположенным на выходе интерферометра и соединенньм с генератором переменного напряжения и усилителем постоянного напряжения, дискриминатором, расположенным между гальванометром и фотоприемником, и системой сброса, подключенной параллельно усилителю постоянного напряжения, фотоприемник, узкополосный усилитель, фазовый детектор, усилитель постоянного напряжения и измеритель напряжения соединены последовательно, а генератор подключен к второму входу фазо(Л вого детектора.