Устройство для измерения малых перемещений Советский патент 1989 года по МПК G01B11/02 

Фи9.1

Изобретение относится к измери- . тельной технике и может быть использовано для измерения малых перемещений.

Цель изобретения - повышение точ- ности и расширение функциональных возможностей путем измерения знакопеременных перемещений,

На фиг. представлена блок-схема предлагаемого устройства для измере- ния малых перемещений; на фиг. 2 - выходные сигналы фотоприемников; на фиг. 3 - векторная диаграмма комплексных амплитуд световых сигналов, поступающих на фотоприемник.-

Устройство для измерения малых перемещений состоит из последовательно расположенных и оптически связанных источника 1 когерентного света,фазовой субрешетки 2 и амплитудной субрешетки 3, второй фазовой субре- шетки 4 и второй амплитудной субрешетки 5, причем субрешетки 2,3 и 4,5 имеют одинаковый период и скреплены попарно со смещением на часть перио- да, пара субрешеток 2 и 3 закрепле- на неподвижно, а пара субрещеток 4 и 5 имеет возможность перемещаться в своей плоскости перпендикулярно направлению штрихов. Далее устройство содержит фотоприемники 6-8, установленные в направлении распространения +1,0-1 порядков дифракции соответственно и блок 9 обработки сигналов фотоприемников 6-8.

Устройство работает следующим образом.

Пучок света когерентного источника 1 направляют на дифракционные суб рещетки 2-5. Фотоприемники 6 и 7 ре- гистрируют интенсивность света в l и -I порядках дифракции.

При перемещении объекта 10, связанного с субрешетками 4 и 5, выходные сигналы I, и Ij фотоприемников 6 и 7 изменяются по гармоническому закону со смещением друг относительно друга по фазе А f (фиг.2). Велоти- на перемещения объекта 10 определяется по сигналу одного из фотоприемни- ков 6-8, у которого производная сиг- ,нала имеет большую величину. Переключение фотоприемников 6-8 осуществляется при помощи блока 9 обработки

сигналов.

При перемещении одной решетки 4 и 5 относительно другой изменение направления движения объекта 10 совпадает с экстремумом одного из фотоприемников, например 6 и 8 (точки А и В на фиг.2), в сигнале другого фотоприемника 8 наблюдается сбой. Когда же изменение направления движения объекта Ю не совпадает с экстремумами сигналов точка С , сбой наблюдается в сигналах обоих фотоприемников 6 и 8. Блок 9 обработки сигналов по сигналам сбой изменяет соответствующим образом направление счета величины перемещения.

Относительный сдвиг сигналов фото- приемйиков 6 и 8 I/ и 1 определяется величиной сдвига фазовой и амплитудной решеток 4,5 и 2,3. Векторные диаграммы на фиг.З поясняют зто. Пусть амплитудная и фазовая субрешетки 2 и 3 имеют малую дифракционную эффективность соответственно , и j и пусть амплитудная субрешетка 3 смещена относительно фазовой на величину V(,. Известно,-что при дифракции световой волны на фазовой решетке 2 волны +1 и -1 дифракционных порядков имеют множитель П/2 относительно фазы прошедшей волны вектора Ф и Ф (на фиг.З). Прошедшая волна дифрагирует далее на смещенной амплитудной субрешетке 3. При этом световая волн + порядка дифракции имеет фазу а волна первого порядка - фазу см (а, и а- на фиг. 3). Эти четыре волны попарно интерферируют и как следует из фиг. 3, результирующие амплитуды волн +1 и -1 порядков дифракции будут иметь неравные амплитуды и фазы г, и t/ , гг. и . соответственно. Пусть теперь за этой составной решеткой 2 и 3 установлена подвижная амплитуда или фазовая решетка 4 и 5. Легко показать, что интенсивности световых волн +1 и -1 порядков и соответственно выходные сигналы фотоприемников 6 и 8 If и I определяются следующими выражениями

I,rjtr%2r, r cosCV -V); Т r +rf+2rjrjCOs( / 2.+ 4),

(1)

где rg- амплитуда световой волны в дифракционных порядках .подвижной решетки 4 и 5, а 1/ - ее фазовый сдвиг. Формулы () показывают, чю выходные сигналы фатоприемникев 6 и 8 смещены, друг относительно друга на величину 4 У/ //+Vf

Полагая, что амплитуды дифракционных волн пропорциональны квадратным

корням из величины дифракционной эффективности решеток имеем из геометрических соотношений

, sinVc., .

.

/

,

/, sinVc

г cos Используя 2 легко получить, что

-, ,./,arctg 2E%t(3)

2. (-1

Если подвижная решетка состоит из двух аналогичных субрешеток 4 и 5 с суммарным фазовым смещением ЛЧ -V + f то аналогично можно показать.

рентного излучения, дифракционную решетку, вторую дифракционную решетку, предназначенную для связи с объ ектом, фотоприемник и электрически связанный с ним блок обработки информации, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения и определения направления

10 перемещения, оно снабжено двумя фо- трприемниками, установленными симметрично относительно нулевого поряд ка дифракции в направлении распространения плюс первого и минус первого

Г5 порядков дифракции, а каждая дифракционная решетка выполнена в виде совмещенных амплитудной и фазовой субрешеток с одинаковым периодом и

что суммарный сдвиг сигналов фотопри- смещенных друг относительно друга емников 6 и 8 будет 4«/,-4Уг .20 на часть периода.

Устройство работает при любой в е-2. Устройство по п. 1 , о т л и тшчине ассиметриии измерительньккйна- /чающееся тем, что с целью

рентного излучения, дифракционную решетку, вторую дифракционную решетку, предназначенную для связи с объектом, фотоприемник и электрически связанный с ним блок обработки информации, отличающееся i тем, что, с целью повышения точности измерения и определения направления

перемещения, оно снабжено двумя фо- трприемниками, установленными симметрично относительно нулевого порядка дифракции в направлении распространения плюс первого и минус первого

порядков дифракции, а каждая дифракционная решетка выполнена в виде совмещенных амплитудной и фазовой субрешеток с одинаковым периодом и

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повьгление точности и расширение функциональных возможностей путем измерения знакопеременных перемещений, а также повьшение надежности работы устройства. Источник 1 когерентного света освещает две состав ные дифракционные решетки, состоящие из фазовых 2,3 и амплитудных 4,5 суб- рещеток с одинаковым периодом, сме 5 щенных относительно друг друга на часть периода. Фотоприемники 6,7,8 регистрируют интенсивность излучения в О, -И и - д ||ракционных порядках. Измерение перемещения осуществляют с помощью того фотоприемника, производная сигнала которого больще, переключение фотоприемников осущег; г ствляется с помощью блока обработки. Соотношение между дифракционной эффективностью 1j фазовый субрешетки 2, дифракционной эффективностью амплитудной субрешетки 3 и их относи- тельным сдвигом Vc, а также дифракционными эффективностями 1j t фазовой и амплитудной субрешеток 4,5 соответственно и их сдвигом „ имеет вид arctgC2f ; cos fc,, ) -arctg:2/ cosye« / L -,)y/4+ns где п - целое число. 1 з.п, ф-лы 3 ил. (Л СП iNd

лов (т.е. величине 4V) не кратной П/2.

Наиболее оптимальным для работы устройства является выбор результирующего фазового сдвига 4 V ify-4 2 Jr/4+n / , где n - целое число. В этом случае минимум производной выходного

сигнала одного фотоприемншса, напри- 30 тивности 1 и t4 Фазовой и амплитудмер 6 совпадает с максимумом производной сигнала другого фотоприемника 3, что обеспечивает максимальную точность измерения перемеще1йия и повьш1ает надежность работы устройства.

.Формула изобретения 1. Устройство для измерения налах. перемещений, содержащее последова-, тельно расположенные источник когеповьппения надежности работы устройства, параметры дифракционных субре- 25 щеток выбраны так, что дифракционные э1)фективности П фазовой субрешетки, 4f амплитудной субрешетки первой дифракционной решетки и их относительный сдвиг Тем/ и дифракционные эффек35

40

ной субрешеток соответственно, второй дифракционной решетки и их относительный сдвиг fcMj удовлетворяют соотношению:

arctg(

-arctgC if 5|p)f .п., где n - целое число.

f

Ф.,Ф4

фагЗ