Устройство для измерения смещений Советский патент 1992 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано для измерения смещений, например, в инженерной геодезии, а также при создании высокоточных систем автоматического контроля уникальных объектов.

Известно устройство для измерения смещений, содержащее источник света, систему формирования опорного светового луча, акустооптический модулятор (АОМ), генератор несущей частоты, соединенный с АОМ, генератор, модулирующий колебания, фотоприемник и фазометр.

Недостатком известного устройства является низкая точность, обусловленная флюктуациями направления опорного светового луча.

Известно также устройство для измерения смещений, содержащее последовательно установленные и оптически связанные источник света, систему формирования опорного светового луча, акустооптический модулятор, генератор несущей частоты, соединенный с АОМ, генератор опорного сигнала, выход которого соединен с модуляционным входом генератора несущей частоты, фотоприемник и фазометр.

Недостатком известного устройства является то, что измерение смещений производится совместно с флюктуациями направлен1/1я опорно-светового луча,, что снижает точность измерения смещения контролируемого объекта.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения смещений, содерж ;.иее оптически связанные источник опорного светового луча, акустооптический модулятор, ретроотражатель и фотоприемник, генератор несущей частоты, выход которого подключен к выходу акустооптического модулятора, генератор опорной частоты, выход которого подключен к модуляционному входу генератора несущей частоты, и фазометр, входы которого подключены к выходам фотоприемника и генератора опорной частоты соответственно.

Недостатком известного устройства является низкая точность, вызванная тем, что оно обеспечивает измерение смещений суммарно с флюктуациями направления опорного светового луча.

В известном устройстве АОМ работает только с падающим на ретроотражатель опорным световым лучом, т.е. с лучом, несущим одновременно информацию и о смещении объекта и о флюктуациях опорного светового луча, что снижает точность измерений.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для измерения смещений, содержащее оптически связанные источник опорного светового луча, акустооптический модулятор, ретроотражатель и фотоприемник, генератор несущей частоты, выход которого подключен к входу акустооптического модулято Ьа, генератор опорной частоты, выход которого подключен к модуляционному входу генератора несущей частоты, и фазометр, входы которого подключены к выходам фотоприемника и генератора опорной частоты соответственно, снабжено вторым фотоприемником ивторым фазометром, входы которого подключены к выходам первого и второго фотоприемников соответственно,- при этом акустооптический .модулятор установлен с возможностью взаимодействиях отраженным от ретроотражателя лучом, а второй фотоприемник установлен по ходу дифрагированного на акустооптическом модуляторе отраженного от ретроотражателя луча.

Установление АОМ в области как отраженного от ретроотражателя, так и прямо падающего на него опорного светового луча с обеспечением дифракции от обоих лучей, и введение дополнительно фотоприемника и фазометра позволяет измерить флюктуации направления опорного светового луча и исключить их влияние на результаты измерения собственно смещения объекта, чем повышается точность этих измерений.

На чертеже представлена структурная схема устройства для измерения перемещений.

Устройство для измерения смещений (фиг. 1) содержит последовательно установленные и оптически связанные источник 1 опорного светового луча (например, гелийнеоновый лазер)акустооптический модулятор (АОМ) 2, установленный на объекте, фотоприемник 3, расположенный по ходу дифракционного луча от падающего на АОМ опорного светового луча, ретроотражатель 4, выполненный в виде зеркальной триппель-призмы, фотоприемник 5, расположенный по ходу дифракционного луча от отраженного ретроотражателем 4 опорного светового луча, генератор б несущей частоты, выход которого связан с входом АОМ 2, генератор 7 опорного сигнала, выход которого соединен с модуляционным входом генератора 6 несущей частоты и входом фазометра 8, другой вход которого соединен с выходом фотоприемника 3, фазометр 9, входы которого соответственно соединены с выходами фотоприемников 3 и 5.

Акустооптический модулятор установлен между источником 1 опорного светового луча и ретроотражателем 4 в области как отраженного от ретроотражателя 4, так и прямо падающего на него опорного светового луча.

Устройство работает следующим образом.

Световой поток от источника 1 представляет собой тонкий луч с плоским врлновым ф|зонтом. в качестве источника 1 в данном случае применен гелий-неоновый лазер. В случае применения другбго источника света (светодиод, полупроводниковый лазер и т.д.) в его состав должна входить оптическая система (коллиматор), формирующая опорный световой луч с необходимыми параметрами. В случае, -если объект удален на значительное .расстояние, в состав источника 1 также должна входить такая оптическая система.

Опорный световой луч проходит через АОМ2.

В результате акустооптического взаимодействия падающий опорный световой луч испыть1вает дифракцию, продифрагированная часть луча падает на фотоприемник 3. Отраженный от ретроотражателя 4 опорный световой луч возвращается параллельно падающему лучу и вновь проходит ДОМ 2, В результате акустооптического взаимодействия отраженный опорный световой луч испытывает дифракцию, продифрагированная часть луча падает на фотоприемник 5. Опорный синусоидальный сигнал с выхода генератора 7 опорного сигнала поступает на модуляционный вход генератора 6 несущей частоты и на один из входов фазометра 8. Генератор б несущей частоты работает в режиме амплитудной модуляции, В результате генератор 6 генерирует АМ-сигнал, преобразуемый в АОМ 2 в ультразвуковую волну, которая через промежутки времени, равные времени ее пробега от входного торца АОМ 2 до пересечения падающего опорного светового луча и отраженного ретроотражателем 4 опорного светового луча, вызывает дифракцию этих лучей.- Дифрагированные лучи формируют сигналы на выходах фотоприемников 3 и 5, на частоте огибающей АМ-сигнала генератора 6, задержанные во времени. Эта временная задержка пропорциональна линейному смещению относительно торца АОМ 2 падающего опорного светового луча и отраженного опорного светового луча. Временная задержка приводит к появлению фазового сдвига. Сигнал с фотоприемника 3 передается на в торой вход фазометра 8 и на один из входов фазометра

9, на другой вход которого подают сигнал с фотоприемника 5. Таким образом, фазометр 8 измеряет смещение торца. АОМ 2 относительно падающего луча, которое может быть определено по формуле

XM3M. V -Q;(1)

где (р - показания фазометра 8;

V - скорость ультразвуковых волн в АОМЗ;

Q- частота генератора опорного сигнвла.

Фазометр 9 измеряет расстояние между падающим и отраженным световыми лучами, которое может быть рассчитано по формуле

А .(2),

Началом отсчета для измерения смещений служит оптическая ось, проходящая через центр излучения источника 1 света и вершину трип л ель-призмы 4. Угол а отклонения направления опорного луча от оптической оси может быть рассчитан по формуле Д

(3)

а-2Z

где Z - расстояние между источником 1 света и ретроотражателем 4.

Смещение объекта Хист. относительно оптической оси при любых флюктуациях а равно

Хист. Хизм.-а1:(4)

где I - расстояние от источника 1 света до

АОМ 2.

Подставляя (1) - (3) в (4), окончательно получим

Хист. -Q ().(5)

Таким образом предлагаемое устройство позволяет в отличие от известного получить точное значение смещения, из которого исключена ошибка, обусловленная флюктуациями направления опорного светового луча. ,.

Вычисления по формуле (5) могут производиться вручную оператором или на мини-ЭВМ в автоматическом режиме.. При этом ЭВМ может быть состыкована с выходами фазометров 8 и 9.

Дополнительным преимуществом предлагаемого устройства является возможность контроля смещений одновременно двух объектов. При этом на одном из них

должен быть установлен АОМ 2, а на другом ретроотражатель 4.

Формула изобретения Устройство для измерения смещений содержащее оптически связанные источнии опорного светового луча, акустооптическиР

модулятор, ретроотражатель и первый фотоприемник, генератор несущей частоты, выход которого подключен к входу акустооптического модулятора, ген1ератор опорной частоты, выход которого подключен к модуляционному входу генератора несущей частоты, и первый фазометр, входы которого подключены к выходам фотоприемника и генератора опорной частоты соответственно, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено вторым

фотоприемником и вторым фазометром, входы которого подключены к выходам первого и Btoporo фотоприемников соответственно, при этом акустооптический модулятор установлен с возможностью взаимодействия с отраженным от ретроотражателя лучом, а второй фотоприемник установлен по ходу дифрагированного на акустооптическом модуляторе отраженного от ретроотражателя луча.

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности за счет уменьшения влияния флуктуации направления опорного пучка. Устройство состоит из источника 1 опорного светового луча, акустооптического модулятора 2, фотоприемника 3, ретроотра- жателя 4 и фотоприемника 5i Фазы сигналов на фотоприемниках 3 и 5 зависят от положения модулятора 2 относительно опорного луча и от угла распространения опорного луча. Измеряя фазовые задержки сигналов с фотоприемников относительно друг друга и относительно сигнала опорной частоты, компенсируют влияние флуктуации направления опорного луча. 1 ил.VI ^OJо о