Оптико-электронное устройство для измерения линейных перемещений Советский патент 1988 года по МПК G01B21/00 

4 4

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является расширение диапазона измерений за счет обеспечения возможности измерения линейных перемещений с лю

;О

00

бой скоростью. Оптико-электронное устройство для измерения линейных перемещений содержит оптически связанные источник 1 когерентного излучения и интерферометр 2, в одном из плеч которого расположен фазовый модулятор 3, при подаче на вход которо- :го гармонического модулирующего напряжения и смещении подвижного отражателя интерферометра 2 первый и второй фотоприемники 5,6 регистрируют смещение интерференционных полос. С выходов фотоприемников 5,6 сигналы поступают через ключи 7,8 на низкочастотные блоки 9,13 и на входы фильтров 17,21 верхних частот соответственно. Фильтры 12,16 нижних частот, расположенные в соответствующих низкочастотных блоках 9, 13, и фильтры 17,21 верхних частот являются фильтрами первого порядка с оди1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений.

Целью изобретения является расти- рение диапазона измерений за счет обеспечения возможности измерения линейных перемещений с любой скоростью.

На фиг. 1 приведена блок-схема предложенного устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы работы его элементов .

Оптико-электронное устройство для измерения линейных перемещений содер- жит оптически связанные источник 1 когерентного излучения и интерферометр 2, фазовый модулятор 3, расположенный на одном из. плеч интерферометра 2, генератор 4, выход которого связан с вхбдом фазового модулятора 3, первый и второй фотоприемники 5 и 6, оптически связанные с интерферометром 2 и расположенные со смещени ем в пределах одной интерференционной полосы, первый и второй аналоговые ключи 7, 8, входы которых связаны соответственно с выходами первого и второго фотоприемников 5,6, первый

наковыми частотами полюсов. Работой реверсивного счетчика 25 управляют сигналы с выходов сумматоров 19,23, которые при частотах, меньших частот полюсов фильтров, определяются преимущественно сигналами с выходов низкочастотных блоков 9,13, а при частотах, больших частот полюсов фильтров, - сигналами с выходов фильтров 17,21 верхних частот, при частотах, равных частотам полюсов, - суммарным сигналом с выходов блоков 9,13 и фильтров 17521. Для исключения искажения полезного сигнала за счет низкочастотных биений при частоте, равной частоте модулирующего напряжения, сигналом с выхода компаратора 29 закрьшаются ключи 7,8 и отключаются соответствующие низкочастотные блоки 9,13. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

низкочастотный блок 9, содержащий последовательно связанные первый усилитель 10, вход которого является входом первого низкочастотного блока 9 и связан с выходом первого аналогового ключа 7р первый синхронный детектор 11, второй вход которого связан с выходом генератора 4, и первый фильтр 12 нижних частот, выход которого является выходом первого низкочастотного блока 9, второй низкочастотный блок 13, содержащий последовательно связанные второй усилитель 14, вход которого является входом второго низкочастотного блока и связан с выходом второго аналогового ключа 8, второй синхронный детектор 15, второй вход которого связан с выходом генератора 4, и второй фильтр 16 нижних частот, выход которого является выходом второго низкочастотного блока 13, последовательно связанные первый фильтр 17 верхних частот, вход которого связан с выходом первого фотоприемника 5, первый широкополосный усилитель 18, первый сумматор 19, второй вход которого связан с выходом второго низкочастотного блока 13, и первый компаратор 20, последовательно связанные второй фильтр 2 Г верхних частот, вход которого связан с выходом второго фотоприемника 6, второй широкополосный усилитель 22, второй сзгмматор 23, второй вход которого связан с выходом первого низкочастотного блока 9, и второй компаратор 24, реверсивный счетчик 25, первьй и второй входы которого связаны соответственно с выходами первого -и второго компараторов 20, 24, последовательно связанные третий фильтр 26 верхних частот, вход которого связан с выходом первого фо- топриемника 5, детектор 27, сглаживающий фильтр 28 и третий компаратор 29, выход которого связан с вторыми входами первого и второго аналоговых ключей 7,8, источник 30 опорного на- пряжения, выход которого связан с вторым входом третьего компаратора 29.

Устройство работает следующим образом.

При подаче на вход фазового модулятора 3 гармонического модулирующего напряжения с круговой частотой U0 и смещении подвижного отражателя интерферометра 2 первьш 5 и второй 6 фотоприемники регистрируют смещение интерференционных полос. При этом напряжение на их выходе может быть представлено в виде (соответственно фиг. 2 а, б):

Г) с

А.,+ А sin( + ZsinWflt);

0/

и-.п

А„2+ A2Cos(-|-S + Zsinw t),

де , Pipy - постоянные составляющие выходного напряжения фотоприемников; А,, А2 - амплитуды полезных составляющих напряжений на выходе первого и второго фото- приемников ;

X - смещение подвижного

отражателя интерферометра;

п - кратность прохождения опорным лучом измеряемого отрезка перемещения;

Z - глубина модуляции фазы;

Л - длина волны света.

с o 5. 0

5

5

С выхода фотоприемников 5 и 6 через ключи 7 и 8 сигналы поступают на входы первого и второго низкочастотных блоков 9 и 13 соответственно, где усиливаются усилителями 10, 14 (фиг. 2 в, г), детектируются синхронными детекторами 11, 15, фильтруются фильтрами 12, 16 нижних частот соответственно. При условии В л I где В - полоса пропускания усилителей 10, 14; U/JJ - верхняя граничная частота фильтра нижних частот, комплексная часть коэффициентов передачи первого и второго низкочастотных блоков 9, 13 полностью определяется коэффициентом передачи фильтров 12, 16 нижних частот соответственно. Сигналы на выходе низкочастотных блоков 9, 13 имеют вид (фиг. 2 д):

и. lK7(w)H K,(u;)(A,| I, (Z)cos --P;

и9 STnv

U,5 i Kg(u;)l-|K,j(u;) I (Z)sin -,

I . -

где I. (Z ) - функция Бесселя первого порядка;

K,.(w), Kg(w) - коэффициенты передачи первого и второго ключей 7 и 8 соответственно;

KO(W), (uj) - коэффициенты передачи первого и второго низкочастотных блоков 9, 13 соответственно;

. ,

где - скорость движения подвижно- го отражателя интерферометра 2.

Зависимость напряжения на выходе второго низкочастотного блока 13 аналогична зависимости на фиг. 2 д, но сдвинута по отношению к ней по фазе 2.

Кроме того, выходные сигналы первого 5 и второго 6 фотоприемников

Q фильтруются первым и вторым фильтрами 17, 21 верхних частот соответственно. При этом отфильтровываются постоянные составляющие в выходных сигналах фотоприемников, а также их

С флуктуации при условии ША //; itJp , где Шф верхняя частота флуктуации постоянной составляющей выходного сигнала фотоприемника, (О - частота полюса фильтра верхних частот. Выход-.

частот усиливаются соответственно первым и вторым широкополосными усилителями 18, 22. При этом сигналы на выходе перво-го и второго усилителей 18, 22 имеют вид (фиг. 2 е):

U,,3,(Z)8in ,(w)/./ Vw)/;

V.(Z)coB -l-lK /wX-l К(ш)1,

где К; (ш), (cf) - коэффициенты передачи фильтров

нальной частоте информационного си:- нала, и сравнивается на компараторе

29с опорньм сигналом от источника

30опорного напряжения так, что при достижении некоторой частоты it/ ;

UJn 4 it/0 компаратор 29 вырабатывает ступенчатый сигнал, управляющий клю- 0 чами 7 и 8.

Ключи размыкаются и запрещают прохождение сигнала на вход низкочастотных блоков 9 и 13 до тех пор, пока частота сигнала на выходе фотоприем17 21 верхних 15 ников 5, 6 не станет меньще, т.е. ис- частот ключ ена зависимость предельной скорости перемещения объекта от частоты

К, (w), К„ (о;) - коэффициенты

передачи усилителей 18 и 22.

Зависимость напряжения на выходе первого широкополосного усилителя 18 аналогична зависимости на фиг. 2е, но сдвинута по отношению к ней по

фазе на -.

Значения коэффициентов передачи входящих элементов подбираются так, что амплитуды сигналов на входах сумматоров 19, 23 в полосе равномерного пропускания фильтров имеют одинаковое значение.

Искажений в обрабатываемом сигнале на частотах, близких к частоте UJfsg , ке будет, если как фильтры

сти перемещения объекта от частоты

модуляции.

20 Ф.ормула изобретения

25 ник когерентного излучения и интерфе рометр, первый и второй фотоприемники, оптически связанные с интерферо метром и размещаемые со смещением в пределах одной интерференционной по30 лосы, последовательно соединенные ге нератор и фазовый модулятор, расположенный в одном из плеч интерферометра, первый и второй низкочастотны измерительные блоки, каждый из котоверхних частот, так и фильтры нижних зв выполнен в виде последовательно частот являются фильтрами первого порядка .с одинаковыми частотами полюсов (jjpg Ш(н , где ujpif - частота полюса фильтра нижних частот.

При выполнении этих требований на выходах сумматоров 19, 23 при it ф присутствуют гармонические сигналы (фиг. 2 з,ж соответственно):

соединенных усилителя, вход которого является выходом соответствующего низкочастотного измерительного блока, синхронного детектора и фильтра Q нижних частот, выход которого являет ся выходом соответствующего низкочас тотного измерительного блока, первый и второй компараторы, реверсивный счетчик, первый и второй входы которого связаны соответственно с вьпсода ми первого и второго компараторов, выход генератора связан с вторыми входами синхронных детекторов каждог

и

19

,, . 2Fnx

Up sin

2Fnx

Ugj - однако при a/i;W(,сигнал будет искажен за счет низкочастотных биений между опорным сигналом синхронных детекторов И, 15 и сигналом с выходом фотоприемников 5,6, усиленных усилителями 10 и 14.

Чтобы исключить эти искажения сиг- 55 низкочастотных блоков, последователь- нал с выхода одного из фотоприемников но связанными первым фильтром верхних подается через фильтр 26 верхних час- частот, вход которого связан с выхо- тот и детектор 27 на сглаживающий дом первого фотойриемника и первым фильтр 28, где преобразуется в .посто- входом первого аналогового ключа.

нальной частоте информационного си:- нала, и сравнивается на компараторе

29с опорньм сигналом от источника

30опорного напряжения так, что при достижении некоторой частоты it/ ;

UJn 4 it/0 компаратор 29 вырабатывает ступенчатый сигнал, управляющий клю- чами 7 и 8.

Ключи размыкаются и запрещают прохождение сигнала на вход низкочастотных блоков 9 и 13 до тех пор, пока частота сигнала на выходе фотоприемсти перемещения объекта от частоты

модуляции.

Ф.ормула изобретения

соединенных усилителя, вход которого является выходом соответствующего низкочастотного измерительного блока, синхронного детектора и фильтра нижних частот, выход которого является выходом соответствующего низкочас- тотного измерительного блока, первый и второй компараторы, реверсивный счетчик, первый и второй входы которого связаны соответственно с вьпсода- ми первого и второго компараторов, , выход генератора связан с вторыми входами синхронных детекторов каждого

низкочастотного блока, о т л и ч а - ю щ е е с я тем, что, с целью расширения диапазона измерений, оно снабжено первым и вторым аналоговыми ключами, выходы которых связаны соответственно с входами первого и второго

14

первым широкополосным усилителем и первым сумматором, выход которого связан с входом первого компаратора, второй вход - с выходом второго низкочастотного блока, последовательно связанными вторым фильтром верхних частот, вход которого связан с выходом второго фотоприемника и первым входом второго аналогового ключа, вторым широкополосньм усилителем и вторым сумматором, выход которого связан с входом второго компаратора, второй вход - с выходом первого низ- кочастотного блока, последовательно, связанными третьим фильтром верхних

988

частот, вход которого связан с выходом первого фотоприемника, детектором, сглаживающим фильтром и третьим компаратором, выход которого связан вторыми входами первого и второго . аналоговых ключей, источником опорного напряжения, выход которого связан с вторьм входом третьего компаратора,

2, Устройство по п, 1, отличающееся тем, что в качестве фильтров верхних и нижних частот используются фильтры первого порядка с одинаковыми постоянными времени.

-t