Устройство для измерения линейных перемещений объекта Советский патент 1992 года по МПК G01B21/00 

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

Известно оптико-электронное устройство для измерения линейных перемещений объектов, содержащее систему формирования интерференционных или муаровых полос, линейку фотоприемников, установленную на выходе системы, соединенные последовательно блок формирователей, подключенный к линейке фотоприемников, блок пространственной селекции фотоприемников с анализатором и сумматором, и блок индикации. Блок формирователей выполнен с дополнительными управляющими входами и дополнительными информационными выходами, анализатор блока пространственной селекции фотоприемников выполнен в виде соединенных последовательно схемы сравнения, компаратора, узла управления и коммутатора, выходы схемы сравнения соединены с информационными входами коммутатора, входы являются входами блока пространственной селекции фотоприемников, соединенными с дополнительными информационными выходами блока формирователей, выходы коммутатора являются выходами блока пространственной селекч

ю

ho

ции фотоприемников и соединены с дополнительными управляющими входами блока формирователей.

Недостатком этого устройства является узкий диапазон измеряемых перемещений, так как данное устройство предназначено для измерения виброперемещений объекта, а также влияние разброса параметров фотоприемников и усилителей постоянного тока, их дрейф во времени на точность измере-

НИИ.

.Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для измерения линейных перемещений, содержащее двухлучевой интерферометр с двумя фото- электрическими преобразователями,состоящий из оптически связанных источника когерентного излучения, светоделительно- го элемента, зеркала, установленного на опорной ветви, зеркала, связанного с объек- том, установленного в измерительной ветви, сзетоделительного элемента, диафрагм, Фотоприемников, блок определения направления перемещения, реверсивный счетчик, информационный и управляющий входы которого соединены с выходами блока определения направления перемещения и первый блок коррекции, вход которого соединен с выходом первого фотоэлектрического преобразователя, в устройство так- же входит частотный дискриминатор, вход которого соединен с информационным входом реверсивного счетчика, делителем частоты, информационный и установочные входы которого соединены соответственно с информационными и управляющими входами реверсивного счетчика, блоком задержки, вход которого соединен с выходом делителя частоты, вторым блоком коррек- ции, вход которого соединен с выходом второго фотоэлектрического преобразователя, выходы блоков коррекции связаны с входами блока определения направления перемещения, управляющие входы блоков коррекции соединены с выходами частотного дискриминатора, делителя частоты и блока задержки.

Недостатком данного устройства является низкая точность измерения за счет не- избежных погрешностей оптической системы и схемы обработки сигналов, необходимость юстировки оптической системы в процессе сборки для обеспечения сдвига фаз информационных сигналов, снимаемых с фотоприемников, близким к 90°. Кроме того, в процессе эксплуатации необходимо периодически проводить проверку этого сдвига фаз и его подстройку, что снижает производительность измерений.Цель изобретения - повышение точностных характеристик и производительности за счет упрощения регулировки устройства и уменьшения влияния погрешностей путем адаптивной их компенсации.

Указанная цель достигается тем, что устройство для измерения линейных перемещений объекта, содержащее двухлучевой интерферометр, состоящий из оптически связанных источника когерентного излучения, светоделительного элемента, зеркала, установленного на опорной ветви, зеркала, установленного на измерительной ветви и связываемого с объектом измерения, с двумя фотоприемниками на выходе и схему обработки сигналов снабжено (л-2) фотоприе.мниками, при этом все п фотоприемников располагаются произвольно в зоне контроля интерференционных полос, формируемых светоделительным элементом, а схема обработки сигналов выполнена в виде блока управления процессом адаптации, блока формирования сигнала, содержащего п каналов, схем ортогонализации, число которых на единицу меньше числа фотоприем- ников, инверторов полярности, число которых на единицу меньше числа фотоприемников, сумматора, блока нормировки, блока вычисления дробной части числа периодов, блока вычисления и хранения целой части числа периодов, каждый из п каналов блока формирования сигнала состоит из последовательно соединенных усилителя, аналого-цифрового преобразователя и схемы компенсации постоянной составляющей сигнала, при этом входы каждого из усилителей подключены к выходам соответствующих фотоприемников, а выходы схем компенсации, кроме выхода первой из них соединены со вторыми входами схем орто- гонализации, а выход первой схемы компенсации - косинусный, соединен с первым входом каждой схемы ортогонализации, первым входом каждой схемы инверторов полярности и первым входом блока нормировки, а выходы схем ортогонализации связаны со вторыми входами инверторов полярности, выходы последних связаны со входами сумматора, выход которого связан со вторым входом блока нормировки - синусным, оба выхода которого соединены со входами .блока вычисления дробной части числа периодов,- выход которого подключен ко входу блока вычисления и хранения целой части числа периодов, а вход блока управления процессом адаптации связан с зеркалом, установленным на измерительной ветви интерферометра, а ,-го первый выход соединен с тактовыми входами схем компенсации постоянной составляющей сигнала, схем ортогонализации, блока нормировки, а второй выход соединен с третьими входами инверторов полярности.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - структура схемы компенсации постоянной составляющей сигнала; на фиг. 3 - структура схемы ортогонализации; на фиг. 4 - функциональная схема инвертора полярности; на фиг. 5 -функциональная схема блока нормировки; на фиг. 6 - функциональная схема блока вычисления дробной части числа периодов.

Устройство содержит двухлучевой интерферометр 1, состоящий из оптически связанных источника 2 когерентного излучения, светоделительного элемента 3, зеркала 4, установленного на опорной ветви, зеркала 5, установленного на измерительной ветви и связанного с объектом измерения, фотоприемников 6, расположенных произвольным образом в зоне контроля интерференционных полос, формируемых све- тоделительным элементом 3, блока 7 формирования сигнала, состоящего из по- канально размещенных и последовательно соединенных усилителей 8, аналого-цифровых преобразователей 9, и схем 10 компенсации постоянной составляющей сигнала, причем входы усилителей соединены с выходами фотоприемников б, схем ортогонализации 11, число которых на единицу меньше числа фотоприемников, при этом первые входы схем ортогонализации 11 соединены с выходом одной из схем 10 компенсации постоянной составляющей сигнала (этот выход является опорным - косинусным), а вторые входы схем 11 ортогонализации попарно соединены с выходами оставшихся схем 10 компенсации постоянной составляющей сигнала, схем 12 инверторов полярности, число которых на единицу меньше числа фотоприемников 6, причем первые входы инверторов полярности 12, соединены с косинусным выходом схемы 10 компенсации постоянной составляющей сигнала, а вторые входы попарно соединены с выходами схем ортогонализации 11, сумматора 13, входы которого соединены с выходами инверторов полярности 12, блока 14 нормировки,один вход которого соединен с косинусным выходом схемы 10 компенсации постоянной составляющей сигнала, а другой вход - с выходом сумматора 13, блока 15 вычисления дробной части числа периодов, входы которого соединены с выходами блока нормировки 14, блока 16 вычисления и хранения целой части числа периодов, вход которого соединен с выходом блока 15 вычисления дробной части числа периодов, блока 17 управления процессом адаптации, который связан с зеркалом 5, установленным на измерительной ветви и связанным с объектом измерения, а его первый выход соединен с тактовыми входами схем 10 компенсации постоянной

составляющей сигнала, схем ортогонализации 11, блока 14 нормировки, а второй выход соединен с третьими входами инверторов 12 полярности.

Блок 17 управления процессом адаптации выдает тактовые импульсы, управляющие процессом адаптации во время линейных перемещений зеркала 5, определяет направление перемещения зеркала 5 и передает информацию об этом на третьи

входы инверторов полярности 12.

Структура схемы 10 компенсации постоянной составляющей си гнала содержит сумматор 18, один из входов которого соединен со входом схемы. 10 компенсации постоянной составляющей сигнала. Выход сумматора 18 соединен с выходом схемы 10 компенсации постоянной составляющей сигнала и со входом умножителя 19, на второй вход которого подается небольшое отрицательноечисло-(5 1. Выход умножителя 19 соединен с одним из входов сумматора 20, второй его вход соединен с выходом регистра 21 задержки на один такт, вход которого соединен с выходом сумматора

20, который также соединен с вторым входом сумматора 18. Блоки 19,20, 21 соединены с тактовым входом схемы 10 компенсации постоянной составляющей сигнала.

Схема 11 ортогонализации содержит блок 22 умножения, на один вход которого подается опорный косинусный сигнал, а второй вход связан с выходом блока 11 ортогонализации, выход умножителя 22 соединен со входом второго умножителя 23, на второй вход которого подается малое отрицательное число - д 2- Выход умножителя 23 соединен с одним входом сумматора 24, другой вход сумматора 24 подключен к выходу регистра 25 задержки на один такт, вход которого подключен к выходу сумматора 24. Выход сумматора 24 соединен также с одним из входов умножителя 26, второй вход умножителя 26 соединен с первым входом схемы 11 ортогонализации, на который поступает опорный косинусный сигнал. Выход умножителя 26 соединен с одним из входов сумматора 27, второй вход сумматора 27 соединен со вторым входом схемы 11

ортогонализации, выход сумматора 27 является выходом схемы 11 ортогонализации. Блоки 22-25 соединены с тактовым входом схемы 11 ортогонализации.

Функциональная схема инвертора 12 полярности содержит преобразователь Гильберта 28, соединенный с первым входом инвертора 12 полярности. Выход преобразователя 28 соединен с первым входом умножителя 29, второй вход умножителя 29 соединен со вторым входом инвертора 12 полярности. Выход умножителя 29 соединен со входом анализатора 30, второй вход которого соединен с третьим входом инвер- тора 12 полярности. Анализатор 30 управляет работой переключателя, который либо соединяет выход инвертора полярности 12 со вторым входом непосредственно, либо через блок 31, который подключен своим входом ко второму входу инвертора полярности 12 и умножает входной сигнал на -1.

Функциональная схема блока 14 нормировки содержит умножитель 32, соединенный одним своим входом с косинусным (синусным) входом блока 14 нормировки, а его выход соединен со входом квадратора 33, выход которого в свою очередь соединен с одним из входов сумматора 34. Выход сумматора 34 соединен с одним из входов сумматора 35, на другой вход этого сумматора поступает -1. Выход сумматора 35 подключен ко входам умножителей 36, другие входы которых подключены к выходамумпо- жителей 32, которые являются одновремен- но косинусным (синусным) выходами блока нормировки. Выходы перемножителей 36 соединены со входами умножителей 37, вторые входы которых соединены с косинусными (синусными) входами блока 14 нормировки. Выходы умножителей 37 соединены со входами умножителей 38, на вто- рые входы которых подается малое отрицательное число -д з Выходы умножителей 38 соединены со входами сумматоров 39, вторые входы которых соединены с выходами регистра 40 задержки на один такт, входы которых соединены с выходами сумматоров 39, которые соединены также со входами умножителей 32. Блоки 33-40 сое- динены с актовым входом блока 14 нормь ровки.

Фун идиочальная схема блока 15 вычисления дробной части числа пеоиодов содержит а-:ал 1затор 41, соединенный своими входами лосмнусным и синусным входами блока 1о вычисления дробной пасти исла периодов. Два выхода анализатора 41 соединены с управляющими входами функциональных преобразователей 42 и 43, входы которых также соединены с косинусным и синусным входами блока 15 вычисления дробной части числа периодов.

Выходы функциональных преобрззоз телей 42, 43 соединены с двумя входа -ui

сумматора 44, с третьим входом которого соединен третий выход анализатора 41. Выход сумматора 14 является выходом блока 15 вычисления дробной части числа периодов.

Устройство для измерения линейных перемещений работает следующим образом.

Световой луч, излучаемый источником 2 когерентного излучения, делится светоде- лительным элементом 3 на два луча - опор- ный и измерительный, которые, отразившись от зеркал 4 и 5, в обратном ходе интерферируют на светоделительном элементе 3 и попадают на фотоприемники 6.

Сигналы, снимаемые с фотоприемников б, представляющие собой суммы постоянных составляющих и синусоид, сдвинутых друг относительно друга на различные углы, поступают на входы блока 7 формирования сигнала В блоке 7 сигналы подвергаются усилению усилителями 8, преобразованию в цифровую форму в блоках 9. Блоки 10 осуществляют компенсацию постоянной составляющей сигнала.

При перемещении зеркала 5 на выходе схемы компенсации формируются отсчеты синусоиды, не содержащие постоянной составляющей. Фазы этих синусоид в различных каналах различны. Сигнал одного из каналов принимается за опорный - косинусный. Сигналы других каналов подаются на вторые входы схемы 11 ортогонализации. Пусть выходной сигнал опорного канала равен

(KV).

Сигнал другого канала имеет вид

Vmx B|COS(KV+ (f)),

где V - скорое i ь перемещения зеркала;

К - коэффициент пропорциональности.

Схема 11 ортогонализации осуществляет операцию

VBMx- VJBX+ О- Von,

где коэффициент а, автоматически подстраивается до-тех пор, пока не будет выполнено условие

V,Bbix- Von О,

где ... - обозначение ycpt-днения по времени.

В этом случае а принимает значение, раврное а - -тг COS (p . При этом сигнал на

выходах схемы 11 ортогонализации оказывается сдвинутым на 90° относительно опорного сигнала, Однако сдвиг может быть равен как +90° так и -90°. Для получения одинакового знака фазового сдвига введены инверторы 12 полярности. Эти устройства получают информацию от блока 17 управления процессом адаптации о направлении перемещения зеркала 5. Если знак фазового сдвига не соответствует направлению перемещения, то сигнал инвертируется. Выходные сигналы инверторов полярности суммируются сумматором 13, выходной сигнал сумматора является синусным. Сигналы синусного и косинусного каналов могут существенно отличаться по амплитуде. По этой причине они обрабатываются в блоке 14 нормировки. Блок 14 адаптивно подстраивает коэффициенты передачи обоих каналов таким образом, чтобы амплитуда сигнала на квадратурных выходах схемы нормировки была равна единице. Эти сигналы поступают на входы схемы 15 вычисления дробной части числа периодов. Схема 15 вычисляет текущие значения угла, задаваемые мгновенными значениями квадратурных компонент. Значения угла подаются на вход блока 16 вычисления и хранения целой части числа периодов. Блок подсчитывает количество переходов угла через 0°. Переход 360°-Н)° учитывается со знаком плюс, а переход - со знаком минус.

Блок 17 управления процессом адаптации выдает тактовые импульсы, управляющие процессом адаптации, во время линейных перемещений зеркала 5.

Таким образом, устройство автоматически компенсирует нестабильность работы фотопреобразователей 6, дрейф и нестабильность коэффициентов усиления усилителей8,аналого-цифровых преобразователей 9, изменения мощности излучения когерентного источника света 2, изменения контрастности интерференционных полос, термических деформаций несущей конструкции интерферометра 1 и т. п.

В процессе работы устройства блок 10 компенсации постоянной составляющей сигнала осуществляет следующее. Входной сигнал суммируется в сумматоре 18 с компенсирующим сигналом, поступающим из сумматора 20. Выходной сигнал сумматора 18 умножается в блоке 19 на малое отрицательное число - д 1 (модуль этого числа определяет скорость процесса адаптации и величину остаточной ошибки), затем поступает на один из входов сумматора 20, на другой вход которого поступает сигнал с выхода сумматора 20, но задержанный на один такт в регистре задержки 21. Блоки 20,

21 осуществляют интегрирование входного сигнала схемы компенсации. В случае, если постоянная составляющая отлична от нуля, она интегрируется и подается с противоположным знаком на вход сумматора I8. Та0 ким образом осуществляется ее компенсация,

Схема 11 ортогонализации обеспечивает следующее. Опорный косинусный сигнал поступает на один из входов перемножите5 ля 22, на второй вход которого поступает выходной сигнал схемы ортогонализации. Выходной сигнал умножителя умножается на малое отрицательное число - д а (величина его модуля влияет как на скорость сходи0 мости, так и на остаточную ошибку компенсации), интегрируется в сумматоре 24 и регистре 25 задержки на один такт. Если выходной сигнал схемы ортогонализации не ортогонален опорному - косинусно5 му сигналу, то на выходе сумматора 24 изменяется напряжение, которое затем подается на перемножитель 26, при этом меняется его коэффициент передачи, изменяется величина косинусного сигнала,

0 поступающего на один вход сумматора 27, компенсируя тем самым косинусную составляющую выходного сигнала схемы ортого нализации. Когда процессы в схеме устанавливаются, выходной сигнал схемы

5 11 ортогонализации ортогонален опорному сигналу.

Входной сигнал инвертора 12 полярности поступает на вход преобразователя Гильберта 28, при этом на выходе преобра0 зователя 28 формируется сигнал, сопряженный входному, т. е. синусный сигнал. Этот сигнал поступает на один из входов умножителя 29, на второй вход которого подается сигнал с выхода схемы 11 ортогонализации.

5 Анализатор 30 производит усреднение выходного сигнала умножителя 29 и сравнивает его знак со знаком направления перемещения, поступающего от блока 17 управления процессом адаптации. Если эти

0 знаки различны, то сигнал на выход инвертора полярности поступает от блока 31, умножающего входной сигнал инвертора полярности на -1.

Входные сигналы блока нормировки 14

5 - косинусный и синусный умножаются соответственно на коэффициенты Wi и Л/2 в умножителях 32, при этом значения коэффициентов подстраиваются таким образом, чтобы сумма квадратов выходных сигналов была равна 1, Блоки 33 возводят

сигналы в квадрат, они суммируются в сумматоре 34 и поступают на сумматор 35, на другой вход которого поступает напряжение, равное -1. Таким образом, на выходе блока 35 формируются отсчеты сигнала

V (W lAcos (p )2+ (W 2BsIn (p )2-1,

где V1 - сигнал на выходе блока 35; р - мгновенное значение фазы;

А и В - амплитуды косинусного и синусного сигнала соответственно.,

Необходимо найти коэффициенты Wi и Л/2, минимизирующие целевую функцию

li (V )2 ((Wi A cos (p )2+ ( W 2 В sin (p l )2 -1)2

где верхний индекс I обозначает значение функции на i-ом такте. Градиент этой функции определяется из уравнений;

9l1%

(()/14W2S5;nq 1)

2lw;Acosq ;)Acosq 1,

О г1,

((w;Acosq ;)2+(wiB5in H)

(

xefWa&s mcp J&sinL 1.

Искомые значения Wi и Wa определяются из рекуррентных уравнений.

(WJ Acosq ;) Acosq ; WJ Wj-cV/Hw Beinq Bslncf,

где W t,1 и - коэффициенты следующего такта. Блок 14 нормировки является аппаратным средством для решения этих уравнений. Умножитель 36 умножает значение Л полученное на выходе блока 35 на W lAcos p (на p в синусном канале). Умножитель 37 умножает выходной сигнал блока 36 на Acos p (Bsin p в синусном канале). Умножители 38 умножают отсчеты градиента на малое отрицательное число - 5 з (модуль этого числа оказывает влияние как на скорость сходимости, так и на величину остаточной ошибки нормировки). Регистр 40 задержки на один такт хранит значение W. На выходе сумматора 39 формируется значение Wi+1

В блоке 15 вычисления дробной части числа периодов блоки 42 и 43 выполняют

функциональное преобразование arctg( ),

v

arctg( ), где х - сигнал опорного (косинусного) канала, а у - сигнал синусного канала. Блок 42 работает при условии -К

( 1. Блок 43 работает при условии-1 ,

XX

4 1. Анализатор 41 включает необходимый функциональный преобразователь 42 или 43 в зависимости от соотношения входных

5 сигналов, а также выдает значение сдвига на половину периода при переходе угла через значения 135° и -45. Выходной сигнал блока 15 вычисления дробной части числа периодов пропорционален значению угла р

0 взятого по модулю 360°. Он поступает на вход блока 16 вычисления и хранения целой части числа периодов. Данный блок отсчитывает количество переходов угла р через 0°. Переход 360°- Ю° учитывается со знаком

5 плюс, а переход 0°-«6600 - со знаком минус. Использование предлагаемого устройства по сравнению с прототипом позволяет повысить точность измерений линейных перемещений объектов, повысить производи0 тельность за счет упрощения регулировки устройства и уменьшения влияния погрешностей путем адаптивной их компенсации. Кроме того, упрощается оптическая схема устройства за счет исключения одного све5 тоделительного элемента и двух диафрагм, упрощается сборка за счет произвольного расположения фотоприемников в зоне формирования интерференционных полос. При этом появляется возможность выполнить

0 всю схему обработки сигнала (включая фотоприемники) в виде одной интегральной схемы.

Формула изобретения Устройство для измерения линейных

5 перемещений объекта, содержащее двухлу- чевой интерферометр, состоящий из оптически связанных источника когерентного излучения, светоделительного элемента, зеркала, установленного на опорной ветви,

0 зеркала, установленного на измерительной ветви и связываемого с объектом измерения, с двумя фотоприемниками на выходе, и схемы обработки сигналов, отличающее- с я тем, что, с целью повышения точности и

5 производительности за счет упрощения регулировки и уменьшения влияния погрешностей путем адаптивной их компенсации, оно снабжено (п-2) фотоприемн- ками, при этом все п фотоприемников располагаются произвольно в зоне контроля интерференционных полос, формируемых светодели- тельным элементом, а схема обработки сигналов выполнена в виде блока управления процессом адаптации, блока формирования сигнала, содержащего п каналов, схем орто- гонализации, число которых на единицу меньше числа фотоприемников, инверторов полярности, число которых на единицу меньше числа фотоприемников, сумматора, блока нормировки, блока вычисления дробной части числа периодов, блока вычисления и хранения целой части числа периодов, каждый из п каналов блока формирования сигнала состоит из последовательно соединенных усилителя, аналого-цифрового преобразователя и схемы компенсации постоянной составляющей сигнала, при этом входы каждого из усилителей подключены к выходам соответствующих фотоприемников, а выходы схем компенсации, кроме выхода первой из них, соединены с вторыми входами схем ортогонализации, а выход первой схемы компенсации - коси0

5

0

нусный- соединен с первым входом каждой схемы ортогонализации, первым входом каждой схемы инверторов полярности и первым входом блока нормировки, а выходы схем ортогонализации связаны с вторыми входами инверторов полярности, выходы последних связаны с входами сумматора, выход которого связан с вторым входом блока нормировки - синусным, оба выхода которого соединены с входами блока вычисления дробной части числа периодов, выход которого подключен к входу блока вычисления и хранения целой части числа периодов, а вход блока управления процессом адаптации связан с зеркалом,установленным на измерительной ветви интерферометра, а его первый выход соединен с тактовыми входами схем компенсации постоянной составляющей сигнала, схем ортогонализации, блока нормировки, а второй выход соединен с третьими входами инверторов полярности.

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности и производительности за счет упрощения регулировки и уменьшения влияния погрешностей путем адаптивной их -сомпенсации. Устройство содержит двухлучевой интерферометр, состоящий из источника когерентного излучения, свето- делительного элемента, двух зеркал, установленных на опорной и измерительной ветвях интерферометра. В зоне формирования интерференционных полос расположены фотоприемники, на выходах которых сигнал представляет собой суммы постоянных составляющих и синусоид с различными начальными фазами. Сигналы поступают на входы блока формирования сигнала, где компенсируются постоянные составляющие, и сигналы преобразуются в цифровую форму. Один из сигналов принимается за опорный - косинусный. Из оставшихся сигналов схемы ортогонализации формируют сигналы, ортогональные опорному, т. е. синусные. Инверторы полярности обеспечивают их синфазное суммирование в сумматоре. На выходах блока нормировки формируются отсчеты синусоиды и косинусоиды с единичной амплитудой. Эти отсчеты используются для вычисления угла и, соответственно, перемещения в блоках. 6 ил, СО

ЩигМ

Cosff

Фиг. 5

Sin Ч