Устройство для измерения перемещений Советский патент 1986 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в высокоточных измерителях линейных перемещений.

Целью изобретения является повышение точности измерения путем уменьшения влияния изменения постоянных составляющих в сигналах, снимаемых с фотоприемников.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2 оптическая схема интерферометра; на фиг. 3 - функциональная схема блока измерения временного интервала; на фиг. 4 - временные диаграммы сигналов на выходе отдельных блоков.

Устройство содержит оптически связанные источник 1 монохроматического излучения, интерферометр 2 с измерительным и опорным каналами, состоящий (фиг. 2) из полупрозрачных светоделительных пластин 3, 4, 5, зеркала 6, установленного в опорном канале, зеркала 7, установленного в измерительном Кс1нале и скрепленного с объектом, сканирующее зеркало 8, блок 9 сканирования со сканирующим зеркалом 8, фотоприемники 10, 11, установленные в плоскости формирования опорной и измерительной интерференционных картин, формирователь 12, состоящий из дифференцирующей цепочки 13, вход которой подключен к фотоприемнику 10, нуль-орган 14, вход которого подключен к выходу дифференцирующей цепочки 13, формирователь 15, состоящизЧ из дифференцирующей цепочки 16, вход которой подключен к фотоприемнику 11, нуль-Орган 17, вход которого подключен к выходу дифференцирующей цепочки 16, блоки 18, 19 выделения переднего и заднего фронтов опорного сигнала, входы которых подключены к выходу нуль-органа 14, блоки 20, 21 вьщеления переднего и заднего фронтов измерительного сигнала, входы которых подключены к выходу нуль-органа 17, генератор 22, генератор 23 пилообразного напряжения, выход которого соединен с блоком 9 сканирования, первый блок 24 измерения временного интервала, состоящий (фиг. 3) и триггера 25, вход С которого подключен к вькоду .блока 18 выделения переднего фронта опорного сигнала, триггера 26, вход С которого подключен к выходу блока 20 выделения переднего фронта измерительного сигна1237908

,ла, вход D триггера 26 подключен к прямому выходу триггера 25, элемента И 27,, входы которого подключены к прямому выходу триггера 25, ин- версному выходу триггера 26 и генератору 22, последовательно соединенных инвертора 28, дифференцирующей цепи 29, инвертора 30, вход инвертора 28 подключен к инверсному входу триг- гера 26, триггер 31, прямой вькод

которого соединен с R-входаму тригге- ров 25, 26, компаратор 32, первый вход которого подключен к выходу генератора 23 пилообразного напряжения, а выход соединен с входом С триггера 31, источник 33 опорного напряжения, выход которого соединен с вторым входом Компаратора 32, второй блок 34 измерения временного интерва- ла, первый, второй, третий и четвертый входы которого подключены соответственно к выходам блока 19 выделения заднего фронта опорного сигнала, блока 21 выделения заднего фрон- та измерительного сигнала, генератору 22 и генератору 23 пилообразного напряжения, сумматор 35, входы которого подключены к выходам первого и второго блоков 24, 34 измере- ния временного интервала, блок 36 измерения периода, первый, второй и третий входы которого подключены соответственно к выходу блока 18 вьщеления переднего фронта опорного сигнала, генератору 22, генератору 23 пилообразного напряжения.

Устройство работает следующим образом.

Монохроматический поток излучения, формируемый источником 1 монохроматического излучения, направляется на светоделительную пластину 3, входящую в интерферометр 2, делящую поток излучения на два пучка света.

Первый Пучок света падает на светоделительную пластину 4 и разделяется на два пучка. Пучок света, прошедший светоделительную пластину 4,

отражается от зеркала бив обратном ходе падает на светоделительную пластину 4. Пучок света, отраженный от светоделительной пластины 4, отражается от зеркала 8, связанного

с блоком 9 сканирования, и в обратном ходе падает на светоделительную пластину 4, на которой формируется опорная интерференционная картина, пре

образуемая фотоприемником 10 в электрический сигнал опорного канала.

Второй пучок света, полученный при отражении от светоделительной пластины 3, падает на светоделитель ную пластину 5 и разделяется на два пучка. Отраженные от зеркала 7, связанного с объектом, и зеркала 8 пучки света в обратном ходе падают на светоделительную пластину 5, на которой формируется измерительная интерференционная картина, преобразуемая фотоприемником 11 в электрический сигнал измерительного канала

Генератор 23 пилообразного напря жения формирует сигнал пилообразной формы, поступающий на блок 9 сканирования, осуществляющий перемещение зеркал а 8.

При перемещении зеркала 8 на выходе фотоприемников 10, 11 формируется изменяющийся по амплитуде

менной составляющих.

Сдвиг фаз переменных составляющих электрических сигналов измерительного и опорного каналов одна относително другой несет информацию о смещении интерференционных картин в измерительном и опорном каналах интер- ферометра 2 одна относительно другой т.е. о величине перемещения объекта.

Электрические сигналы, снимаемые с фотоприемников 10, 11, дифференцируются дифференцирующими цепочками 13, 16, входящих в формирователи 12, 15,

Сигналы, снимаемые с дифференцирующих цепочек 13, 16, формируются в прямоугольные сигналы нуль-органами 14,17.

Прямоугольный сигнал, снимаемый с нуль-органа 14, поступает на входы блоков Т8, 19 выделения переднего и заднего фронтов, формирующих передние импульсы по переднему и заднему фронтам с игнала, поступающего с

нуль-органа 14. I

Прямоугольный сигнал, снимаемый с

нуль-органа 17, поступает на входы блоков 20, 21 выделения переднего и заднего фронтов, формирующих короткие импульсы по переднему и заднему фронтам сигнала, поступающего с нуль-органа 17.

Блок 24 измерения временного интервала преобразует временной интервал t между импульсами, сформирован

ными блоками 18, 20 выделения передних фронтов в последовательность импульсов, число импульсов которых пропорциональна временному интерва- лу t.

Импульсный сигнал, поступакяций с генератора 23 пилообразного напряжения в начале сканирования интерференционной картины, поступает на первьш вход компаратора 32, на второй вход которого поступает опорное напряжение с источника 33 опорного напряжения.

После окончания переходных процессов компаратор 32 формирует импульсы, преобразукяцие триггер 31, формирующий на прямом выходе сигнал Логическая 1, поступающий на входы триггеров 25, 26.

Импульсный сигнал, формируемый блоком 18 выделения переднего фронта, перебрасывает триггер 25, формирующий на прямом выходе сигнал Логическая 1, поступающий на логический элемент И 27, на который также поступают сигнал Логическая 1 с инверсного выхода триггера 26 и импульсы с генератора 22. На выходе логического элемента И 27 формируе )-ся импульсная последовательность, поступающая на сумматор 35.

5

0

05

Импульсный сигнал, формируемый блоком 20 выделения переднего фронта, перебрасывает триггер 26, на D-вход которого поступает сигнал Логическая 1 с прямого Ы11хода триггера 25. йа инверсном выходе триггера 26 формируется сигнал Логический О, запирающий логический элемент И 27. Сигнал Логический О инвертируется инвертором 28, дифференцируется дифференцируклцей цепью 29, инвертируется инвертором 30 и поступает на вход R триггера 31, перебрасывая его. На прямом выходе триггера 31 формируется сигнал Логический О, сбрасывакнций триггеры 25, 26. На зтом цикл преобразования блока 24 измерения временного интервала заканчивается.

Аналогично работает блок 34 измерения временного интервала, осуществляющий преобразование временного интервала tj между импульсами, сформированными блоками 19, 21 вьщеления задних фронтов в последовательность импyльcoBj поступающую в сумматор 35.

Сумматор 35 формирует цифровой код, величина которого равна полусумме числа импульсов, поступающих на его входы, и связана с пространст- веньагм положением интерференционной полосы измерительного канала относительно пространственного положения интерференционной полосы опорного канала.

Величина кода, формируемого сумматором 35, в малой степени зависит от изменения начальной фазы смещения интерференционных полос, приводящего к изменению величины постоянной составляющей и изменению длительностей импульсов, снимаемых с выходов формирователей 12, 15. При изменении начальной фазы смещения интерференционных полос длительность одного из сигналов, формируемых, например, формирователем 14, возрастает, в то время как длительность сигнала, формируемого формирователем 15, убывает, а полусумма временных интервалов между передними и задними фронтами остается неизменной.

Цифровой код с выхода сумматора 35 поступает на вход Делитель блока 36 деления.

Период между импульсами опорного канала, формируемого блоком 18 выделения переднего фронта, преобразуется блоком 36 измерения периода в цифровойлитель

код,

и

поступающий на вход Де- блока 37 деления.

Блок 37 деления осуществляет деление цифрового кода, поступающего с сумматора 35, на цифровой код, поступающий с блока 36 измерения периода. Результат деления пропорционален смещению интерференционной картины измерительного канала относительно интерференционной картины опорного канала, т.е. величина перемещения объекта не зависит от скорости сканирования зеркала 8, входящего в интерферометр 2. I

Использование предлагаемого устройства позволяет повысить точность измерения за счет уменьшения влияния начальной фазы смещающихся интерференционных полос в сканирующих интерферометрах .

12379086

Формула изобретения

Устройство для измерения перемещений, содержащее оптически связанные источник монохроматического из- J пучения интерферометр с измерительным и опорным каналами, сканирующее зеркало, установленное в измерительном и опорном каналах интерферометра, блок осанирования, связанный со ска10 нирующим зеркалом, генератор пилообразного напряжения, подключенный к блоку сканирования, два фотоприемника, установленных в плоскостях формирования интерференционных картин,

15 два формирователя, входы которых подключены к фотоприемникам, два блока выделения переднего фронта опорного и измерительного сигналов, входы которых подключены к выходам

20 формирователей, генератор импульсов, первый блок измерения временного интервала, первый, второй, третий и четвертый входы которого подключены соответственно к выходам двух блоков

25 вьщеления переднего фронта опорного и измерительного сигналов, генератору импульсов и генератору пилообразного напряжения, блок измерения периода, первый, второй и третий входы

30 которого подключены соответственно к выходам первого блока вьщеления переднего фронта опорного сигнала, генератору импульсов и генератору пилообразного напряжения, блок деле35 ния, вход Делитель которого подключен к выходу блока измерения периода, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, оно снабжено двумя

40 блоками выделения заднего фронта

опорного и измерительного сигналов, входы которых подключены к выходам формирователей, вторым блоком измерения временного интервала, первый,

45 второй, третий и четвертый входы

которого подключены соответственно к выходам блоков выделения заднего фронта опорного и измерительного сигналов, генератору импульсов и генера5Q тору пилообразного напряжения, сумматором, входы которого подключены к выходам первого и второго блоков измер ;ния временного интервала, выход сумматора соединен с входом Делимое блока деления.

1-1

.1 J

л

О

10 фие.2

Устройство для измерения перемещений может быть использовано Для высокоточного измерения перемещений различных объектов. Целью изобретения является повьшение точности измерения за счет уменьшения влияния изменения постоянных составлякицих в сигналах, снимаемых с фотоприемников. Источник 1 монохроматического излучений направляет на интерферометр поток излучения. При сканировании опорной и измерительной интерференционных картин относительно фотоприемников 10 и 11 с помощью блока 9 сканирования, управляемого генератором 23 пилообразного напряжения, на фотоприемниках 10 и 11 формируются сигналы. Формирователи 12 и 15 формируют прямоугольные сигналы. Блоки 18, 19, 20 и 21 формируют короткие импульсные сигналы по передним и задним фронтам. Блок 24 измеряет временной интервал между передними фронтами сигналов, формируемых формирователями 12 и 15, а блок 34 - между задними фронтами. Полусумма временных интервалов, преобразованная в цифровой код, вычисляется сумматором 35. Блок 36 измеряет временной интервал, соответствуюпщй периоду опорных сигналов, снимаемых с фотоприемника 10, Блок 37 деления вычисляет отношение цифровых кодов, соответствующих смещению двух интерференционных картин друг относительно, друга, отнесенное к периоду опорной интерференционной картины. 4 ил. М ГО со со о 00