Гетеродинный интерференционный способ измерения перемещения и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01B9/02 

сл

с

Изобретение относится к лазерной интерферометрии и может быть использовано для измерения перемещения. Цель изобретения - повышение точности измерения за счет использования гетеродинного метода обработки сигналов. Последние получают посредством лазерного интерферометра с акустооптическим модулятором; он управляется генератором сигналов с делителями частоты на выходе. На выходе фотоприемника включены балансные смесители, с которыми связан блок цифровой индикации и указанные делители частоты. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к лазерной интерферометрии, и может быть использовано для измерения точных перемещений.

Известен способ измерения перемещения, заключающийся в формировании из п интерференционных сигналов, сдвинутых по фазе на л:/п, 2п импульсов на каждый порядок интерференции.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ измерения перемещения, заключающийся в том, что измеряемое перемещение преобразуют с помощью оптико-электронного интерференционного преобразователя с применением гармонической модуляции в п интерференционных сигналов, сдвинутых на л/п по фазе, и формируют из п интефе- ренционных сигналов 2п импульсов на каждый порядок интерференции, которые используют для оценки перемещения.

Устройство для измерения перемещения, содержит оптически связанные лазер, светоделительный кубик, опорный и измерительный отражатели, модулятор, фотоприемник, электрически связанные с управляющим входом модулятора генератор сигналов, причем с выходом фотоприемника соединены формирователи с блоком цифровой индикации.

Недостатком указанного способа и устройства является невысокая точность, вызванная необходимостью применения п фотоприемных устройств и п оптических фа- зосдвигающих устройств.

Цель изобретения - повышение точности измерения за счет использование одного общего оптического интерференционного сигнала, а также упрощение электрической схемы.

Указанная цель достигается тем, что из сигнала гармонической модуляции получают асинхронных сигналов, сдвинутых на лУп

XI

О

со со оо

ю

по фазе, исходный электрический сигнал перемножают с п синхронными сигналами, а полученные в результате умножения п электрических сигналов используют для формирования 2п импульсов на каждый порядок интерференции.

Устройство для измерения перемещения снабжено двумя делителями частоты, один из которых включен между выходом генератора сигналов и управляющим вхо- дом модулятора, двумя балансными смесителями, включенными между выходом фотоприемника и блоком цифровой индикации, а входы этих смесителей связаны с выходами делителей частоты,

На фиг.1 представлена схема, поясняющая предлагаемый способ; на фиг.2 - то же при п 2.

Световой сигнал интерференционного преобразователя 1, пропорциональный из- меряемому перемещению АХ, преобразуется оптическим модулятором 2 и фотоприемником 4 в гармонический сигнал:

иф(г) итсо5(Оэг+КАХ),(1)

где ит - амплитуда напряжения; Оз - частота гармонической модуляции; К 2л/А, А- оптическое волновое число и длина волны света;

Д X - перемещение.

Генератор электрических колебаний 3 синтезирует синхронные сигналы, сдвинутые по фазе на тг/n, где п - число сигналов:

U01(t)UmCOS(Јit),

U02(t) UmCos(Q t-7r/n),(2)

U03(t) Umcos( + 2 л:/п),

U0n(t) UmCOs( Ш + (П - 1) TT/n),

Один из этих сигналов, например U01, подается на оптический модулятор и явля- ется сигналом модуляции.

Вместе с сигналом (1) фотоприемника синхронные сигналы (2) подаются на п балансных смесителей 5, на выходах которых появляются сигналы

U1(t) Umcos(KAX),

U2(t) - Umcos(K AX + тг/n),(3)

U3(t) Umcos(K AX + 2 лУп),

Un(t) UmCOS(K A X + (П - 1) 7Г/П).50

Сдвинутые по фазе на лУп сигналы (3) поступают на логический блок 6, где из п сигналов получают 2п импульсов на период интерференционной полосы (период фазового сдвига световых волн).

Импульсы поступают на реверсивный счетчик, который в зависимости от направления перемещения производит сложение или вычитание импульсов и представляет

информацию о перемещении в соответствующих дробных долях длин волн А/2п в виде цифрового кода.

Направление перемещения анализируется в логическом блоке 6, который формирует сигнал прямой и обратный ход для реверсивного счетчика. Анализ направления производится по опережению или запаздыванию любых двух сигналов (3), поступающих в логический блок 6.

На фиг.2 показана схема устройства, реализующая данный способ измерения перемещений при п 2.

Устройство работает следующим образом. Излучение монохроматического источника 1 разделяется на светоделительной грани куба 2 на два пучка - измерительный и опорный.

Отразившись от измерительного 3 и опорного 4 отражателей, световые пучки совмещаются на светоделительной грани под углом а, задаваемым оптическим клином 5. Угол а выбирается равным углу дифракции световых волн на ультразвуке. После прохождения измерительного и опорного каналов интерферометра световые волны падают на акустооптический модулятор 6, в котором одни из световых потоков, например опорного канала, получает сдвиг оптической ч астоты на QO, а затем вместе с измерительным потоком подается на фотоприемное устройство 10, где на частоте модуляции выделяется электрический сигнал

иф(т.) Umcos(Qot + К А X),(4)

Генератор 7 стабильной частоты вырабатывает электрические сигналы опорной частоты QO. Прямой и инверсный выходы генератора 7 связаны с входами делителей 8 частоты на два. В результате на выходах делителей 8 сигналы описываются выражениями

UCOS + UmCOS(Qj t),

Usin Umcos( + л/2) Umsin( Qo). (5)

Один из сигналов (5) подается на излучатель 9 ультразвуковых волн, создающий в акустооптическом модуляторе бегущие зву- крвые волны.

Сигналы (5), сдвинутые на nil по фазе, подаются на входы балансных смесителей 11, на вторые входы которых подается сигнал (4) с фотоприемника. С выходов балансных смесителей сигналы, сдвинутые по фазе на л/2, на нулевой частоте подаются через формирователи 12 в виде квадратурных сигналов на вход устройства 13 цифровой индикации К524, представляющего информацию о перемещении объекта с дискретностью л/4 в цифровом виде. За счет

двойного хода луча дискретность отсчета перемещений составляет А/8,

Таким образом, применение оптического гетеродинирования для получения измерительного электрического сигнала и последующая автоматическая интерполяция фазового сдвига электрического сигнала относительно сигнала модуляции путем формирования синхронных электрических сигналов, сдвинутых на , позволяет по- высить точность существующих лазерных измерительных устройств, упростить электрическую схему,

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

АХ

точности измерения, из сигнала гармонической модуляции получают п синхронных сигналов, сдвинутых на л/n по фазе, исходный электрический сигнал перемножают с п синхронными сигналами, а полученные в результате умножения п электрических сигналов используют для формирования 2п импульсов на каждый порядок интерференции.

8ь/х. код

ФигЛ

7

Фиг. 2.