Интерференционное устройство для измерения линейных перемещений Советский патент 1992 года по МПК G01B9/02 G01B11/24 

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения параметров линейных перемещений и может быть использовано для измерения ли.нейных перемещений и отклонения от прямолинейности направляющих и других элементов станков и машин.

Известно фотоэлектрическое устройств во для измерения контроля отклонений от прямолинейности, состоящее из источника света, измерительной каретки, акусто-оптической ячейки, ультразвукового генератора, позиционно-чувствительного фотопрёобразователя, электронной схемы, фазового детектора и регистрирующего прибора. В процессе контроля отклонения от прямолинейности измерительная каретка прокатывается по исследуемому объекту и в местах отклонения от прямолинейности смещается вверх-вниз вместе с акусто-оптической ячейкой, что изменяет фазу качения выходящего из нее луча. Недостатком устройства является невысокая точность измерения, вызванная чувствительностью к помехам, обусловленным турбулентностью воздушного тракта.

Наиболее близким гго технической сущности к изобретению является устройство, содержащее одночастотный лазер, установленные последовательно по ходу его излучения расщепитель лазерного излучения на два пучка и устройство сдвига частоты излучения, выполненное в виде дифракционного фазового модулятора, плоские отражатели, светоделители, уголковые отражатели, фотоприемники, призму и электронный блок обработки сигналов,

Недостатком устройства является невозможность измерения отклонения от прямолинейности линейных перемещений.

Целью изобретения является повышение чувствительности к линейным поперечным смещениям и производительности измерений.

На чертеже изображена схема одного из возможных вариантов интерферометрического устройства.

Интерференционное устройство содержит одночастотный лазер 1, установленные по ходу излучения и оптически связанные с лазером акустический модулятор 2, первый отражатель 3 и последовательно за ним расположенные светоделитель 4. призму 5 и фотоприемник 6, образующие опорный канал, второй отражатель 7, второй светоделитель 8, два уголковых отражателя 9 и 10, один из которых (уголковый отражатель 9) предназначен для установки на объекте и второй фотоприемник 11, образующие измерительный канал, первый 3 и второй 7 отражатели оптически связаны с акустическим модулятором 2, и электронный блок 12, подключенный входами к выходам фотоприемников, цилиндрическую линзу 13, плоское зеркало 14, расположенное в фокальной плоскости цилиндрической линзы 13, третий отражатель 15, третий светоделитель 16 и третий фотоприемник 17, последовательно установленные и образующие второй измерительный канал, последовательно установленные и оптсиески связанные четвертый отражатель 18 и четвертый светоделитель 19, а также пятый отражатель 20 и пятый светоделитель 21 и уголковый отражатель 10.

.Интерференционное устройство работает следующим образом.

Акустический модулятор 2 расщепляет излучение лазера 1 на два пучка, распространяющиеся под углом дифракции друг к другу, сдвигает -частоту одного из них по отношению к частоте излучения другого пучка и модулирует излучение обеих пучков по фазе. Один из пучков (с нулевым порядком дифракции) попадает на отражатель 3, а другой, сдвинутый по частоте, направляется на отражатель 7, после отражения от которых оба пучка направляются в опорный и измерительные каналы, интерферуютдругс другом и попадают на фоточувствительные площадки фотоприемников б, 11 и 17.

В результате интерференции разностных световых волн на фоточувствительных площадках фотоприемников возникают интерференционные полосы бесконечной ширины, которые пульсируют с частотой, равной .частоте модуляции, и вследствие этого на выходах соответствующих фотоприемников появляются электрические сигналы с частотой, равной частоте модуляции.

В предлагаемом устройстве с помощью точной настройки можно добиться такого значения угла между опорным и из1 ерительным лучами, при котором ширина полосы будет значительно превышать размеры фоточувствительной площадки фотоприемника и, следовательно, отпадает необходимость установки щелевой диафрагмы перед фотоприемником с размером, равным ширине интерференционной картины. Фотоприемник 6 фо|эмирует на своем выходе электрический сигнал, частота которого зависит от величины сдвига частоты излучения в пучках, выходящего из акустооптического модулятора 2. который принимается за опорный. На выходе этого фотоприемника появляется сигнал

Ui Uocos 2 л ft.

где Uo амплитуда сигнала;

f - частота ультразвуковой волны в акустооптическом модуляторе.

Фотоприемник 11 формирует иа своем выходе электрический сигнал, полная фаза которого зависит от величины сдвига частоты потоков излучения, выходящих из акустического модулятора 2,и от скорости перемещения уголкового отражателя 9, установленного на измеряемом объекте, тем самым частота сигнала на выходе фотоприемника 11 отличается от опорной и несет информацию о линейном перемещении уголкового отражателя 9; Амплитуда сигнала определяется выражением

Uy Uo cos (2 я f t-kzy),

где k 2 я/Я- волновое число;

zy - оптическая длина пути светового поля между светоделителем 19 и уголковым отражателем 9.

Путем сравнения сигналов Ui и Uy в электронном блоке 12 обработки сигналов получают информацию о линейном перемещении измеряемого объекта.

Фотоприемник 17 формирует на своем выходе электрический сигнал с частотой, зависящей от сдвига чactoты потока излучения в акустическом модуляторе 2, от

скорости перемещения уголкбвого отражателя 9, от величины поперечных смещений уголкового отражателя 9. Наличие в канале последовательно расположенных цилиндрической линзы 13 и плоского зеркала 14 приводит к дополнительному увеличению оптического пути в зависимости от высоты падения пучка лучей относительно оптической оси цилиндрической линзы 13. При этом электрический сигнал на выходе фотоприемника будет равен

Ux Uocos(2 Jtft-kzy-kzx)l.

где zx - разность оптических путей световой волны от уголкового отражателя 9 досветоделителя 19, до и после смещения уголкового отражателя.

Сравнивая электрические сигналы Ui, Uy и Ux в электронном блоке 12 обработки сигналов, получают информацию о поперечных смещениях уголкового отражателя 9.

Формула изобретения Интерференционное устройство для измерения линейных перемещений, содержащее одночастотный лазер, установленные по ходу излучения и оптически связанные с лазером акустический модулятор, первый отражатель и последовательно за ним расположенные первый светоделитель, призму и первый фотоприемник, образующие опорный канал, второй отражатель, второй светоделитель, два уголковых отражателя, один из которых предназначен для установки на объекте, и второй фотоприемник,образующие измерительный канал, первый и второй

отражатели оптически связаны с акустическим модулятором, и электронный блок, входы которого подключены к выходам фотоприемников, отличающееся тем. что, с целью повышения чувствительности к

линейным поперечным смещениям и производительности измерений, оно снабжено последовательно установленными по 5(оду излучения и оптически связанными цилиндрической линзой, плоским зеркалом, расположенным в фокальной плоскости цилиндр лческой линзы, третьим отражателем, третьим светоделителем и третьим фотоприемником, образующими второй измерительный канал, последовательно установленными и оптически связанными четвертым отражателем и четвертым светоделителем, пятым отражателем м пятым светоделителем, цилиндрическая линза оптически связана с первым уголковым отражателем, третий светоделитель оптически связан через пятый светоделитель с вторым уголковым отражателем, установленным за второй выходной гранью оторого светоделителя, отражатель оптически связан с входом второго фотоприемнмка через четвертый светоделитель, а выход третьего фотоприемника подключен ктретьему входу эяектрокного блока.

TtV

SI ч

'Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения параметров линейных перемещений и может быть использовано для измерения: перемещений и отклонений от прямолинейности направляющих станков и машин. Целью изобретения является повышение чувствительности к линейным поперечным смещениям и производительности измерений. Устройство содержит отночастотный лазер, установленные по ходу излучения и оптически связанные с лазером акустический модулятор, плоские отражатели, светоделители и уголковые отражатели, светоделители и отражатели, обеспечивающие разделение и суммирование оптических сигналов, призму, оптически связанную со светоделителем и отражателем, цилиндрическую линзу, установленную на оптическом выходе уголкового отражателя последовательно с плоским зеркалом, фотоприемник, оптически связанные с призмой, фотоприемник, оптически связанный с уголковыми отражателями через одни из светоделителей и от- ражатель, фотоприемник, оптически связанный через вторые светоделители и отражатели с цилиндрической линзой, и электронный блок, подключенный входами к выходам фотоприемников. 1 ил.(Лс