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

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано длл измерения линейных перемещений.

Известно устройство для измерения перемещений, содержащее оптически связан- ные между собой одночастотный лазер, электрооптический преобразователь, светоделитель, подвижный и неподвижный отражатели, пластину Я /4, фотоприемник и блок регистрации. В известном устройстве электрооптический преобразователь, состоящий из кристалла ниобата лития и пластины Я/4, преобразует одночастотное излучение лазера в двухчастотное с разностью частот, определяемой частотной на- пряжения, питающего кристалл ниобата лития. С помощью светоделителя излучение с одной частотной направляется на подвижный, а излучение с другой частотой - на неподвижный отражатель. После отраже- ний излучения объединяются в светоделителе, образуя бегущую интерференционную картину, которая регистрируется фотоприемником. На точность измерений в известном устройстве значительное слияние оказывают флюктуации амплитуды и фазы напряжения, питающего кристалл ниобата лития. Чтобы уменьшить это влияние и, тем самым, повысить точность измерений, необходимо осуществить фильтрацию выход- ного сигнала фотоприемника, но это, в свою очередь, уменьшает пределы измерений интерферометра по скорости.

Таким образом, недостатками известного устройства являются низкие точность и быстродействие.

Известно устройство для измерения перемещений, которое по совокупности существенных признаков является наиболее близким к предлагаемому и принято за про- тотип.

Известное устройство содержит двухча- стотный лазер, последовательно установленные в пучке излучения лазера коллиматор, отводной светоделитель, сое- тоделитель, подвижный и неподвижный уголковые отражатели и установленные перед ними поляризационные фильтры; фотоприемник, оптически связанный с лазером через отводной светоделитель, и фотопри- емник, оптически связанный с лазером через светоделитель и уголковые отражатели; поляризационные фильтры, установленные перед фотоприемниками, два формирователя, подключенные к фотоприемникам и ре- версивный счетчик с блоком индикации, подключенный к выходам формирователей. В качестве лазера используют зеема- новский двухчастотный лазер езонатор которого изотропен, а активная среда помещена в аксиальное магнитное поле.

Известное устройство работает следую- ц|им образом,

Зеемановский лазер испускает излучение в виде двух ортогонально поляризованных мод круговой поляризации с частотами v и V2. Коллиматор преобразует излучение в широкий пучок нужного диаметра с плоским волновым фронтом. Отводной светоде- литель ответвляет небольшую часть излучения в опорный канал. В измерительном канале с помощью светоделителя и поляризационных фильтров излучения с частотами разделяются и поступают: одно - на подвижный уголковый отражатель, другое - на неподвижный уголковый отражатель. Отразившись от отражателей и вновь объединившись в светоделителе, излучения интерферируют и через поляриза- ционнВ1й фильтр поступают на фотоприемник измерительного канала. При этом интерференционная картина на фотоприемнике колеблется с частотой (v - vi + ±AXt)), где A v (t) - добавка к разности частот излучений лазера, пропорциональная скорости перемещения подвижного уголкового отражателя. Фотоприемник опорного канала регистрирует изначальную разность частот двух мод лазера (опорную частоту) ( v - -V2 ). Формирователи преобразуют поступающие на них с фотоприемников сигналы в две импульсные последовательно; одна-с частотой следования (v -V2+Ar(t)), другая - с опорной частотой следования (vi - ). Две оти сформированные последовательности подаются на суммирующий и вычитающий входы реверсивного счетчика, который производит алгебраическое суммирование частот этих последовательностей. Если при этом в формирователях каждый новых счетный импульс образуется при перемещении подвижного отражателя на Я/2 (где Я - длина волны излучения), то есть один импульс из одной интерференционной полосы, то измеряемая длина L определяется по числу зарегистрированных реверсивным счетчиком импульсов в соответствии с выражением МЯ II. Результата измерений представляется на блоке индикации.

Быстродействие известного устройства определяется двумя факторами -частотной расщепления двух мод лазера (vi - -vz ) и полосой пропускания блока регистрации. При движении отражателя к опорной частоте добавляется частота полезного сигнала A(t), пропорциональная скорости перемещения подвижного отражателя. При движении отражателя в одну сторону

результирующий сигнал следует иметь частоту (v-i - V2 +А К)),а при движении в противоположную сторону - частоту - I vi - vz Ai{t ). Таким образом, с одной стороны, частота полезного сигнала Av(t) не может быть больше (v- - ), а с другой стороны, высокочастотный сигнал с частотой (vi - V2+Ai{(t)) должен попадать в полосу пропускания блока регистрации.

В известном устройстве точность измерений перемещений равна А/2, что соответствует одной интерференционной полосе, Для повышения точности измерений известное устройство снабжают интерполятором, обеспечивающим вырабатывание счетных импульсов при перемещении подвижного отражателя на величинуА/2п, где п - коэффициент интерполяции, или же используют систему регистрации на основе кумулятивного фазометра, позволяющего регистрировать фазу сигнала в пределах одной интерференционной полосы. Регистрация малой доли интерференционной полосы возможна лишь тогда, когда фаза сигнала линейно зависит от измеряемого перемещения. Это верно лишь тогда, когда имеется идеальное разделение излучений двух частот в двух плечах интерферометра. В известном устройстве разделение двух частот с круговыми поляризациями происходит поляризационным способом. С помощью пластин А/4 излучения с круговыми поляризациями преобразуются в излучения с линейными взаимно ортогональными поляризациями. Далее две частоты разделяются с помощью скрещенных поляроидов. Неидеальность пластин и поляроидов приводит к неполному разделению излучений с частотами v wi . Вследствие этого на полезный сигнал с частотой (v - vi ±t±v (t)) накладывается паразитный сигнал с частотой (у -V2.} небольшой амплитуды, зависящей от качества поляризационных элементов. Это, в свою очередь, приводит к тому, что зависимость фазы интерференционного сигнапа от перемещения перестает быть линейной. А это ограничивает возможности измерения перемещений в пределах одной интерференционной полосы и, тем самым, снижает точность известного устройства.

Таким образом, недостатками известного устройства являются низкие быстродействие и точность.

Цель изобретения - повышение быстродействия и точности.

. Этз цель достигается тем. что устройство для измерения перемещений, включающее лазер, коллиматор, светоделитель,

подвижный уголковый и неподвижный отражатели и блок регистрации с фотоприемниками опорного и измерительного каналов и двумя формирователями, подключенными к 5 ним, реверсивным счетчиком и блоком индикации, снабжено входящими в блок регистрации дополнительным фотоприемником измерительного канала, третьим формирователем, подключенным к нему, компарато0 ром, мультиплексором и коммутатором, выходы формирователей измерительных каналов подключены к входам компаратора и мультиплексора, ЕШХОД мультиплексора и выход формирователя опорного канала че5 рез коммутатор подключены к входам реверсивного счетчика, а выход компаратора подключен к управляющим входам мультиплексора, лазер выполнен кольцевым с не- взаимным элементом в резонаторе и

0 смесителем встречных волн на одном из выходов и оптически связанным с фотоприемником опорного канала, коллиматор выполнен в виде системы из короткофокусного объектива, фокус которого совмещен с

5 центром излучения на поверхности выходного зеркала лазера, и двух длиннофокусных объективов, фокусы которых совмещаются с изображениями центра пятна в выходной фокальной плоскости корот0 кофокусного объектива, а неподвижный отражатель выполнен в виде двух жестко связанных двух с другом уголковых отражателей.

Предлагаемое техническое решение по5 зволяет обеспечить формирование и автоматическую коммутацию двух измерительных каналов - прямого и зеркального в мгновенной зависимости от направления движения подвижного

0 отражателя, а также полную фильтрацию излучений двух частот друг от друга, тем самым снижая частоты сигналов на входах блока обработки за счет уменьшения начальной разности частот и устраняя нели5 нейнуюзависимостьфазы

интерференционного сигнала от измеряемого перемещения повысить быстродействие и точность.

На фиг. 1 изображена блок-схема пред0 латаемого устройства; на фиг. 2 - оптическая схема коллиматора; на фиг. 3 - вариант блок-схемы компаратора.

Устройство для измерения перемещений (фиг. 1) состоит из кольцевого лазера 1

5 с невзаимным элементом 2 внутри резонатора и смесителем 3 встречных волн, уста- новлзнного на выходе лазера 1 коллиматора 4, включающего0 короткофокусный 5 и два длиннофокусных 6, 7 объектива, светоделителя 8, двух связанных неподвижных 9,10

уголковых отражателей, подвижного 11 уголкового отражателя и блока регистрации. В блоке регистрации содержится три фотоприемника. Один фотоприемник 12 оптически связан с лазером 1 через смеситель 3, два других фотоприемника 13, 14 оптически связаны с лазером 1 через светоделитель 8 и отражатели 9-11. К выходам фотоприемников 12-14 подключены соответственно формирователи 15-17. К выхо- дам формирователей 16, 17 подключены компаратор 18 и двухвходовый мультиплексор 19, управляющий вход которого подключен к выходу компаратора 18. К выходам формирователя 15 и мультиплексора 19 под- ключей коммутатор 20, управляющий вход которого подключен к выходу компаратора 18. К выходам коммутатора 20 подключен реверсивный счетчик 21 с блоком 22 индикации,

Устройство для измерения перемещений работает следующим образом (фиг. 1),

В кольцевом лазере 1 генерируются две волны встречного направления. На выходе лазера 1 одна волна распространяется по пути 23, а встречная волна - по пути 24. Невзаимный элемент 2, установленный п резонаторе лазера 1, создает частотное расщепление встречных волн, Оба пучка 23 и 24 с частотами v и V2 преобразуются коллиматором 4 в два параллельных широких пучка сплоскими волновыми фронтами и поступают на светоделитель 5, где они разделяются. Часть излучения с частотой v поступает на неподвижный отражатель 9, а часть - на подвижный отражатель 11. Часть излучения с частотой V2 поступает на неподвижный отражатель 10, а часть - на подвижный отражатель 11. Часть излучения с частотой иг поступает на неподвижный отражатель 10, а часть - на подвижный отражатель.11. Отразившись от отражателей 9-11, пучки объединяются в светоделителе 8 и интерферируют, образуя два измеритель- ных канала 25 и 26. При этом пучок с частотой (vi ± Д v (t)), отраженный от подвижного отражателя 11, объединяется с пучком с частотой V2, отраженным от неподвижного от

ражателя 10, образуя измерительный канал

25. Пучок с частотой (щ ± A v (t)), отражен- .ный от подвижного отражателя 11, объединяется с пучком с частотой , отраженным от неподвижного отражателя 9, образуя вто- рой измерительный канал 26. Пучок излучения с частотой (vi - V2) на выходе смесителя 3 образует опорный канал. Излучения опорного и двух измерительных каналов поступают на фотоприемники 12-14, Блок

0 5 0

5 0 5 0 5

0

регистрации осуществляет преобразование сигналов с фотоприемников 12-14 в счетные импульсные последовательности, процедуру выбора из двух измерительных каналов одного, частота сигнала в котором больше, чем в другом, перекрестную коммутацию избранного измерительного канала и опорного канала между входами реверсивного счетчика 21, алгебраический счет импульсов, соответствующих искомому перемещению, и индикацию результатов измерений в удобной форме блоком 22.

Коллиматор 4 состоит из короткофокусного 5 и двух длиннофокусных 6, 7 (фиг. 2) объективов. Объектив 5 установлен так, что его фокус совмещен с центром пятна излучения на выходном зеркале лазера 1. Два пучка 23 и 24 излучения лазера 1, проход через объектив 5, фокусируются, формируя в выходной фокальной плоскости объектива 5 два изображения центре пятна излучения на выходном зеркале лазера. С этими изображениями совмещениями совмещены фокусы объективов 6 и 7. На выходе коллиматора 4 излучение лазера 1 представляет собой два широких параллельных пучка с плоскими волнооыми фронтами.

В блоке регистрации сигналы с фотоприемников 12-14 преобразуются формирователями 15-17 в счетные импульсные последовательности. Частота следования импульсов на выходе формирователя 15 равна опорной частоте ( v -vzj, а частоты следования на выходах формирователей 16, 17 равны соответственно vy, wvq . При движении уголкового отражателя 11 в направлении к светоделителю 8 величина частотной добавки Av(t), пропорциональной скорости перемещения отражателя 11, положительная, при удалении отражателя 11 от светоделителя 8 добавка Av (t) отрицательна. Рассмотрим случай, когда отражатель 11 приближается к светоделителю 8. В канале 26 частота колебаний интерференционного поля равнз УЗ IV2 + A v (i) - v I , а во втором канале 25 она равная lvs2i+Av(t)-t$l . Обозначим v -V2 -v0 и без ограничения общности, допустим что VQ О.Тогда

Va, VQ + Ai (t)

Г ) - VQ , при I A v(t) I v0 |

Ъ

Iv0 - Af(t), при I Ai (t) I 10 Отсюда видно, что в этом режиме, во-первых, VA V3 и, во-вторых, при большой скорости движения отражателя 11, создающей добавку Av(t) большую, чем оперная частота и, величина 1% не соответствует измеряемому перемещению, поскольку она проходит через нуль и меняет знак, а формирователь вырабатывает счетную последовательность пропорционально абсолютному значению частоты па его входе (без учета знака). Таким образом, истинную информацию об измеряемом перемещении несет только канал 25, частота сигнала в котором 4 по абсолютной величине больше, чем в канале 26. При удалении отражателя 11 от светоделителя 8 каналы 25 и 26 меняются местами:

V3 V0 +Av(t)

v0 - Дг{т.), при I Д v(t) I v0 № Д ЦТ) - v0 , при I Ai-(t) I 10

При этом верную информацию об измеряемом перемещении содержит лишь канал 26 с частотой V3 Таким образом, из (1) и (2) следует, что для того чтобы иметь истинную информацию о перемещении отражателя 11 независимо от скорости его перемещения, необходимо в каждый момент времени регистрировать сигнал лишь одного канала, частота сигнала в котором больше, чем в другом.

Компаратор 18 и мультиплексор 19 обеспечивают сравнение частот сигналов двух измерительных каналов 25 и 26 и подачу на вход коммутатора 20 только одного сигнала, частота которого равна тах( , 4). Коммутатор 20, в свою очередь, обеспечивает подачу сигналов опорного и выбран- ного измерительного каналов на суммирующий и вычитающий входы реверсивного счетчика 21 в зависимости от направления движения отражателя 11.

Компаратор 18 при подаче на его выходы двух сигналов с выходов формирователей 16, 17 вырабатывает логический сигнал в зависимости от знака разности частот импульсных последовательностей в каналах 25, 26. Например, если частота в канале 25 больше, то вырабатывается логическая единица, в противном случао-логический нуль. Если частоты последовательностей совпадает (отражатель неподвижен), то логический сигнал определяется предысторией движения отражателя 11 и не влияет на работу устройства, так как при этом безразлично, какая из двух равных частот выбирается. Компаратор 18 может иметь различные варианты конкретного исполнения. Один из вариантов представлен на фиг. 3. Компаратор состоит из 4-разрядного двоичного реверсивного счетчика 30, на суммирующий вход которого через ключ 31 подается сигнал с формирователя 16, а на вычитающий вход через ключ 32 - с формирователя 17. Управляющие входы ключей 31, 32 подсоединены к выходам 33, 34 положительного и отрицательного переноса(переполнения) счетчика 30, которые соединены также с R- и S-входами RS-триггера 35, Выход триггера 35 является выходом компа- 5 ратора 18 частот.

Двухвходовый мультиплексор 19, на управляющий вход которого подан сигнал с компаратора 18, обеспечивает подключение выхода к одному из входов, на которые под0 аны сигналы с формирователей 16, 17.

На входы коммутатора 20 подаются два сигнала: один-с формирователя 15 опорного сигнала, другой - с выхода мультиплексора 19. На управляющий вход 29 коммутатора

5 20 подается управляющий логический сигнал с выхода компаратора 18. Когда на управляющий вход 29 подана логическая единица, коммутатор 20 соединяет выход мультиплексора 19с суммирующим входом

0 27 реверсивного счетчика 21, а выход формирователя 15 - с вычитающим входом 28. Если на входе 29 логический нуль, та выход мультиплексора 19 соединяется с вычитающим 28, а выход формирователя 15 - с сум5 мирующим входом 27 счетчика 21. Реверсивный счетчик 21 интегрирует разность частот опорной и измерительной импульсных последовательностей, учитывая направление движения отражателя 11. В

0 первом режиме эта разность равна (V4 - v0) Av , а во втором режиме (Кз - VQ ) Дv . Состояние счетчика отражается блоком 22 индикации.

В качестве источника излучения в дан5 ном устройстве в принципе может быть использован любой двухчастотный лазер. Однако, поскольку данное устройство позволяет снять ограничение на скорость перемещения отражателя 11, связанное с

0 частотой расщепления излучений лазера, то нет необходимости в большой разности частот (v - vz). Наоборот, расщепление частот целесообразно выбирать минимальным, так как при этом снижаются требования на

5 полосу пропускания блока обработки, поскольку регистрируется частота (vi - ) Д v (t)}. С другой стороны, чтобы сохранить основное достоинство интерферометров с переносом спектра сигнала 0 дискриминацию низкочастотных помех, связанных с целым рядом факторов (акустическими и механическими вибрациями, тур- булентностями среды, в которой проводятся измерения, флюктуациями мощности лазе5 ра и др.), необходимо, чтобы частота расщепления ( ) не попадала в полосу низкочастотных шумов. Низкочастотные флюктуации обычно занимают полосу от нуля до десятков, сотен Гц, Таким образом,

наиболее целесообразно иметь частотное расщепление излучений лазера в несколько единиц, десятков кГц. Это позволяет использовать в качестве источника излучения кольцевой лазер с невзаимным элементом внутри резонатора, обеспечивающим требуемое частотное расщепление. В отличие от зеемановского лазера, производство кольцевых лазеров налажено, поскольку они широко применяются в качестве прецизионных гироскопов, гониометров и т.д. Кроме того, кольцевой лазер позволяет снять ограничения на точность измерения дробной доли интерференционной полосы, связанные с неполным разделением излучений двух частот v и V2 в опорном и измерительном плечах интерферометра.

В отличие от линейного лазера, где поле в резонаторе образует стоячую волну, в кольцевом лазере имеются две бегущие волны, распространяющиеся в противоположных направлениях. Если внутри резонатора установлен невзаимный элемент, в котором оптические длины путей для встречных направлений неравны, то, во-первых, две бегущие волны будут иметь разные частоты, а во-вторых, устраняется связь встречных волн перекрытия беннетовских провалов и остается лишь слабая связь встречных волн через обратное рассеяние. В результате на выходе лазера уже имеются два пучка излучения с разными частотами v и vz , распространяющихся под некоторым углом один к другому, и не требуются дополнительные оптические элементы, как в зеема- новском лазере, для разделения пучков с различными частотами. Поскольку в каждом пучке имеется только одна частота, то фаза интерференционного сигнала в пределах одноТй полосы линейной зависит от измеряемого перемещения. Это позволяет регистрировать сколь угодно малую долю полосы, повышая при этом точность измерений.

Для осуществления устройства может быть применена следующая элементная база. В качестве лазера 1 может быть использован любой кольцевой лазер с невзаимным элементом 2 в резонаторе и смесителем 3 встречных волн. Элементы, входящие в оптическую схему (поз. 4-11 на фиг. 1), относятся к изделиям широкого выпуска в оптической промышленности. Электронная схема регистрации (поз. 12-22) может быть реализована на фотодиодах ФД 256 или

ЛФД-2М, транзисторах КТ316, КТ361 и микросхемах серий 500, 155, 555.

Таким образом, предлагаемое решение позволяет обеспечить формирование и автематическую коммутацию двух измерительных каналов в мгновенной зависимости от направления движения подвижного отражателя, а также полную фильтрацию излучений двух частот друг от друга и тем самым

снижая чистоты сигналов на входах блока обработки за счет уменьшения начальной разности частот и устраняя нелинейную зависимость фазы интерференционного сигнала от измеряемого перемещения,

повысить быстродействие и точность.

Формула изобретения Устройство для измерения перемещений, содержащее лазер, коллиматор, светоделитель, подвижный уголковый и неподвижный отражатели и блок регистрации с фотоприемниками опорного и измери- тельного каналов и двумя формирователями, подключенными к ним,

реверсивным счетчиком и блоком индикации, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и быстродействия, оно снабжено входящими в блок регистрации дополнительным фотоприемником измерительного канала, третьим формирователем, подключенным к нему, компаратором, мультиплексором и коммутатором, выходы формирователей измерительных каналов подключены к входам компаратора и мультиплексора, выход мультиплексора и выход формирователя опорного канала через коммутатор подключены к входам реверсивного счетчика, а выход компаратора подключен к управляющим входам мультиплексора и

коммутатора, лазер выполнен кольцевым с невзаимным элементом в резонаторе и смесителе встречных волн на одном из выходов и оптически связанным с фотоприемником опорного канала, коллиматор выполнен в

виде системы из короткофокусного обьекти- ва, фокус которого совмещен с центром пятна излучения на поверхности выходного зеркала лазера, и двух длиннофокусных объективов, фокусы которых совмещаются с

изображениями центра пятна в выходной фокальной плоскости короткофокусного объектива, а неподвижный уголковый отражатель выполнен в виде двух жестко связанных друг с другом уголковых отражателей.

Г

Составитель С.Синица Редактор А.МаковскаяТехред М.МоргенталКорректор А.Ворович

Заказ 2990ТиражПодписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения является повышение точности и быстродействия. Для этого устройство для измерения перемещений, включающее лазер 1, коллиматор 4, светоделитель 8, подвижный уголковый 11 и неподвижный 9 отражатели и блок регистрации с фотоприемниками опорного 12 и измерительного 13 каналов, двумя формирователями 15, 16, подключенными к ним, реверсивным счетчиком 21 и блоком индикации 22, снабжено входящими в блок регистрации дополнительным фотоприемником 14 измерительного канала, третьим формирователем 17, подключенным к нему, компаратором 18, мультиплексором 19 и коммутатором 20. Лазер 1 выполнен кольцевым с невзаимным элементом 2 в резонаторе и смесителем 3 встречных волн на одном из выходов и оптически связанным с фотоприемником 12 опорного канала. Коллиматор 4 выполнен в виде системы из короткофокусного объектива 5, фокус которого совмещен с центром пятна излучения из поверхности выходного зеркала лазера 1, и двух длиннофокусных объективов 6, 7, фокусы которых совмещены с изображениями центра пятна в выходной фокальной плоскости короткофокусного объектива 5, а неподвижный отражатель выполнен в виде двух жестко связанных друг с другом уголковых отражателей 9, 10. 3 ил. (Л ч ел 00 Јь ы