Устройство для измерения перемещений объекта Советский патент 1992 года по МПК G01B11/02 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано для отсчета линейных перемещений.

Известно устройство для измерения перемещений, содержащее источник света, коллиматор, две прозрачные дифракционные решетки, одна из которых индикаторная, а другая измерительная, связанная с объектом, объектив, двухщелевую диафрагму, два фотоприемника, два усилителя и счетчик.

Недостатком указанного устройства является низкая точность измерения, определяемая периодом решеток и погрешностями их изготовления.

Известно устройство для оптической регистрации величины смещения дифракционной решетки, содержащее лазер, коллиматор, синусоидальную дифракционную решетку, зеркало, светоделительный кубик, фотоэлемент и счетчик.

Недостатком данного устройства является низкая точность измерения, определяемая погрешностями шага решетки, погрешностями из-за непрямолинейности движения решетки при ее неизбежных угловых перекосах.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для измерения перемещений объекта, содержащее расположенные последовательно и связанные оптической связью индикаторную дифракционную решетку, корректирующий элемент, включающий неподвижный и два подвижных узла, измерительную решетку, выполненную в виде волоконного растра, установленного в пересечении пучков в плоскости, параллельной плоскости решетки, объектив, двухщелевую диафрагму и два фотоприемника, счетчик, два усилителя, электрически связанные по входам с соответствующими фотоприемниками, а по выходам - со счетчиком.

о

СА) Л

Известное устройство имеет недостаточную точность измерения, обусловленную невозможностью определения дробной части интерференционной полосы оптическими средствами.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержащее источник света, расположенные по ходу его излучения волоконный растр и объектив, и два фотоприемника, снабжено светоделителем, установленным между источником света и волоконным растром, коллиматором, установленным между источником све- та и светоделителем, первой призмой, расположенной по пути прошедшего светоделитель излучения, первым пьезо- корректором, оптически связанным с первой призмой, первым зеркалом, оптически связанным с первой призмой и с волоконным растром, второй призмой, расположенной на пути одной части отраженного светоделителем излучения, вторым пьезо- корректором, оптически связанным с вто- рой призмой, вторым зеркалом, оптически связанным с второй призмой и с волоконным растром, третьим зеркалом, расположенным на пути второй части отраженного светоделителем излучения и оптически свя- занным с волоконным растром, и третьим фотоприемником, расположенным в плоскости изображения интерференционной картины, образующейся при пересечении излучения, прошедшего светоделитель, с второй частью отраженного светоделителем излучения, волоконный растр размещен на пересечении прошедшего светоделитель излучения с двумя частями отраженного светоделителем излучения, а в качестве источника света использован лазер.

За счет введения новых элементов и оптических связей обеспечена трехпучко- вая схема освещения волоконного растра. Один пучок является опорным, а два других направлены к нему под углами а и Д незначительно отличающимися друг от друга на величину в, т.е. ft - а в.

В плоскости анализа формируются две интерференционные полосы (основная и дополнительная), сформированные соответственно пучками первой и второй, первой и третьей ветвей устройства. Ввиду того, что /3 & а, цена интерференционных полос так- же будет различна и будет отличаться на небольшую величину Л, характеризующую дискретность отсчета перемещений:

Д Ј1 -Ј2,(1)

где Ј1 А/2 sin (о/2) и Ј2 А/2 X х sin (Ј/2).

В процессе перемещения волоконного растра происходит периодическое нониус- ное совпадение текущих фаз интерференционных картин. В интервале между совпадениями дробная часть полосы находится путем подсчета целых периодов дополнительной интерференционной картины между моментом появления импульса старт/стоп (начало и конец измерения) и моментом нониусного совпадения, умноженным на разность А . Чем меньше разность А , тем выше дискретность дробной части интерференционной полосы:

Р

Т2

A- N2,

(2)

где Ti - временной интервал между одноименными точками в интерференционных картинах;

Та - временной интервал между моментом старт/стоп и текущим импульсом основной интерференционной картины;

N2 - число периодов дополнительной интерференционной картины между моментом старт/стоп и моментом совпадения.

Полная измеренная длина складывается из целого числа периодов основного интерферометра NI умноженного на цену полосы БЧ, и двух дробных частей И и i.

1 N1 Ј1 + И + г.

(3)

Условие нониусного сопряжения записывается как

Ni-N2 1.

И)

где N1 и N2 Lo/Ј2, и означает, что на некоторой длине LO число импульсов с интерферометров (основного и дополнительного) отличается на единицу. Величина может быть произвольно задана и определяется установленной дискретностью отсчета А.

Из выражения (4) найдем, что

2Losin(a/2) 2Lpsin(/3/2)

1,(5)

Если известен угол сходимости пучков а, то второй угол находится из выражения

Ј 2arcsin sin(o/2)--Ј-. (6)

Из выражения (3) видно, что точность отсчета величины перемещений определяется погрешностью нахождения дробных величин И и la. Очевидно, что если исключить из формулы (3) одну из дробных частей, то погрешность измерения ввиду случайного закона распределения умножится в V1T раз.

Если исключить величину 2, возникающую в конце измерения с приходом импульса Стоп, не представляется возможным, то исключить из результата измерения И можно путем синхронизации начала отсчета (Старт) с началом интерференционной полосы основного интерферометра.

Это достигается за счет введения пьезокорректоров, обеспечивающих ав- тематическую синхронизацию обоих интерферометров в момент прихода импульса начала отсчета Старт.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства для измерения пере- мещений объекта на волоконном растре; на фиг. 2 - временная диаграмма, поясняющая способ определения дробной части интерференционной полосы и работу предлагаемого устройства.

На фиг. 1 обозначены: 1 - лазер; 2 - коллиматор; 3 - светоделитель; 4 - первая призма; 5 - первый пьезокорректор; б - первое зеркало; 7 - вторая призма; 8 - второй пьезокорректор; 9 и 10-второе и третье зеркала; 11 - волоконный растр; 12 - объектив; 13, 14 и 15 - первый, второй и третий фотоприемники; So коллимированный пучок; Si и За - соответственно прошедший и отраженный светоделителем пучки; Зз - пу- чок третьей ветви устройства; а и fi - углы соответственно между пучками первой и второй и первой и третьей ветвями устройства ( - а).

На фиг. 2 обозначены: И и la импульсы, формируемые по каждому периоду обеих интерференционных картин; N - импульсы нониусного совпадения; S/S - импульсы Старт/Стоп ; п и тг - длительности, иллюстрирующие варианты взаимного времен- ного состояния интерференционных картин и импульсов S/S.

Устройство (фиг. 1) содержит следующие элементы, связанные оптической связью; лазер 1, коллиматор 2 и светоделитель 3, за которым в первой ветви установлены первая призма4, первый пьезокорректор 5 и первое зеркало 6. Во второй ветви в отраженном от светоделителя пучке размещены вторая призма 7, второй пьезокорректор8 и второе зеркало 9, а третье зеркало 10 установлено в третьей ветви устройства. Вторая и третья ветви образованы за счет фронтального деления отраженного от светоделителя пучка

на два равных вторичных пучка. В точке пересечения оптических осей первой, второй и третьей ветвей размещен волоконный растр 11, за которым размещен объектив 12 и в плоскости изображения соответственно первой интерференционной картины первый и второй фотоприемники 13 и 14, а второй интерференционной картины - третий фотоприемник 15.

Устройство работает следующим образом.

С помощью лазера 1 и коллиматора 2 создается параллельный пучок света So, который делится светоделителем 3 по амплитуде на пучки Si, Sz и Зз. Пучок Si, пройдя призму 4, пьезокорректор 5 и зеркало 6, интерферируете пучком S2, который проходит вторую призму 7, второй пьезокорректор 8 и второе зеркало 9, и с пучком 5з, отраженным от третьего зеркала 10, в плоскости волоконного растра 11. Пучки, пересекающиеся под углом а, формируют основную интерференционную картину с ценой полосы Ј1, а пересекающиеся под углом / - дополнительную интерференционную картину с ценой полосы Ј2. Так как Р а, то Ј2 Ј1. Например, при а 7,26° и Р 7,4° Ј1 5 мкм, а Ј2 4,9 мкм, следовательно, дискретность отсчета устройства А 0,1 мкм.

Увеличенные объективом 12 интерференционные картины считываются соответ-

ственно: основная - первым 13 и вторым 14 фотоприемниками , дополнительная - третьим фотоприемником 15.

В общем случае фазовое соотношение обоих интерференционных периодов отлично от 0°, поэтому перед началом измерения (движением волоконного растра, связанного с объектом, перемещение которого измеряется) определяется абсолютная величина фазового сдвига Ду и ее знак. Это достигается путем подачи на пьезокорректор,5 переменного напряжения с частотой f i 1 кГц и считывания обеих интерференционных полос, которые за счет изменения оптического хода пучка Si в первой ветви приходят в возвратно-поступательное движение. Пьезокорректор 5 вызывает изменение оптической длины пучка Si на 0,75 А. Фаза сигналов определяется по фототокам с фотоприемников 13 и 15, а знак - по очередности их прихода.

После нахождения Ду вырабатывается аналоговый сигнал в виде напряжения U, пропорционального , которое подается на второй пьезокорректор 8, который изменяет оптическую длину пути пучка S2 и, сле

довательно, уменьшает начальную разность фаз до тех пор, пока не станет равной 0°.

После этого приходит команда Старт - начало измерения, волоконный растр 11 приходит в движение и осуществляется процесс измерения искомого перемещения объекта. Одновременно с командой Старт с пьезокорректора 5 снимается питающая частота fi.

В процессе измерения величины перемещения подсчитывается целое число полос NI основной интерференционной картины. Любое измерение длины или величины перемещения связано с фиксацией начала и окончания отсчета, которые в силу подчинения случайному закону могут попасть в любую точку периода интерференционной полосы. Так как начало отсчета синхронизировано с началом интерференционной полосы, необходимо найти только дробную часть периода по приходу команды Стоп - окончание процесса измерения. В этом случае определяются длительности п и гг соответственно между последними соседними импульсами с основной и дополнительной интерференционных картин и между временем прихода последнего импульса с основной интерференционной картины и импульсом конца отсчета (Стоп) (фиг. 2).

Дробная часть Ј находится из уравнения

fc

Г2 Т

N2 -А,

(7)

где N2 - число целых периодов дополнительной интерференционной картины, подсчитанных до момента нониусного совпадения, Общая измеренная длина L с учетом формул (3) - (7) находится из выражения

L Niei

N2 А при fi 0.

Очевидно, что команда Стоп предназначена только для окончания подсчета числа NI, движение же волоконного растра еще продолжается некоторое время до момента прихода импульса нониусного совпадения. Например, для приведенного случая при Ј1 5 мкм и Д 0,1 мкм максимальная величина дополнительного перемещения составит еще 49 периодов интерференционной полосы или 49 А/2 15,5 мкм. После этого сбрасывается напряжение с второго пьезокорректора 8, подается частота fi на первый пьезокорректор и фаза вновь выводится на 0°, после чего устройство готово для следующего измерения.

Электронная схема обработки фотоэлектрических импульсов может состоять из стандартных усилителей фототока, компараторов, срабатывающих при переходе синусоидального сигнала через ноль, и ЦАП управления пьезокорректором, схемы совпадения (один элемент И), двоичных счетчиков (например, серии К155ИЕ7) и измерителей длительностей.

Волоконная решетка изготовлена на жесткой основе из одножильных световодов, имеющих диаметр 0,73 мм. В качестве источника света применен малогабаритный одномодовыйлазерЛГИ-207АсА 0,63 мкм.

Коллиматор имеет коэффициент деления 0,5. Зеркала выполнены с внешним покрытием. В качестве объектива применена отрицательная линза диаметром 10 мм и f 5мм, в качестве фотоприемников фотодиоды типа ФД256. Пьезокорректоры использованы серийные от лазера ЛГ-77. Заданные углы а и/ выставлены путем соответствующего поворота зеркал. Эти параметры котировочные.

Таким образом, благодаря введению новых элементов и их связей, на одном волоконном растре получены две интерферен- ционные картины с незначительно отличающейся ценой полосы, что позволяет, используя принцип нониусного сопряжения, с высокой точностью находить дробную часть интерференционной полосы. Пьезокорректоры обеспечивают автоматический поиск фазового сдвига интерференционных

полос и синхронизацию с импульсом Старт, что обеспечивает повышение точности за счет исключения ошибки, связанной с конечной величиной дискретности отсчета и равной одному счетному импульсу. Шаг нониуса А Ј1 - Ј2 можно получить достаточно малым (0,1-0,01) мкм при цене интерференционной полосы 5-10 мкм, что не только снижает аппаратурные затраты при подсчете импульсов, так как, чем ниже

цена, тем меньше счетных импульсов, особенно при измерениях больших длин, но и повышает виброустойчивость всей системы. Изобретение может найти широкое применение в машиностроении, метрологии и измерительной технике для высокоточных измерений линейных и криволинейных перемещений любой технически оправданной длины.

Формула изобретения

Устройство для измерения перемещений объекта, содержащее источник света, расположенные по ходу его излучения волоконный растр и объектив и два фотоприемника, отличающееся тем, что, с целью

повышения точности, оно снабжено светоделителем, установленным между источником света и волоконным растром, коллиматором, установленным между источником света и светоделителем, первой призмой, расположенной на пути прошедшего светоделитель излучения, первым пье- зокорректором, оптически связанным с первой призмой, первым зеркалом, оптически связанным с первой призмой и с волоконным растром, второй призмой, расположенной на пути первой части отраженного светоделителем излучения, вторым пьезокорректором, оптически связанным с второй призмой, вторым зеркалом, оптиче0

5

ски связанным с второй призмой и волоконным растром, третьим зеркалом, расположенным на пути второй части отраженного светоделителем излучения и оптически связанным с волоконным растром, и третьим фотоприемником, расположенным в плоскости изображения интерференционной картины, образующейся при пересечении излучения, прошедшего светоделитель, с второй частью отраженного светоделителем излучения, волоконный растр размещен на пересечении прошедшего светоделитель излучения с двумя частями отраженного светоделителем излучения, а в качестве источника света использован лазер.

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано для отсчета линейных перемещений. Целью изобретения является повышение точности измерения. Пучками, пересекающимися под углом а, формируют основную интерференционную картину с ценой полосы Ј-|, а пересекающимися под углом /3 - дополнительную интерференционную картину с ценой полосы Ј2 ,/3 а. а Ј2 Ј1. Двумя фотоприемниками считывают основную интерференционную картину, а третьим - дополнительную. Подсчитывают число полос основной картины. Дробную часть полосы находят путем подсчета целых периодов дополнительной картины между моментом появления импульса Старт/Стоп и моментом нониусного совпадения. По полученным данным определяют величину перемещения объекта. 2 ил. i

9 ю

«

2 е

//

я

//

фиг./

Фиг. 2