Способ измерения смещений объекта Советский патент 1992 года по МПК G01B21/00 

1

(21)4816509/28

(22) 19.04.90

(46) 30.09.92. Бюл. № 36

(71)Московский станкоинструментальный институт

(72)В.Й.Телешевский и Н.А.Яковлев

(56)Авторское свидетельство СССР Мг 572646, кл. G 01 В 11/00, 1977.

Авторское свидетельство СССР Ns 1610252, кл. G 01 В 11/00, 1988. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТА

(57)Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности за счет использования частоты в качестве информационного параметра. На сформированную в прозрачной среде движущуюся периодическую структуру направляют опорный и отраженный от объекта измерительный потоки когерентного излучения, ориентируя их из условия обеспечения многопорядковой дифракции потоков. Измерительный поток разделяют на три пучка, ориентируя их из условия пространственного совмещения порядков дифракции этих пучков на периодической структуре таким образом, что алгебраичеА

екая разность частот, совмещенных в одном из направлений движения периодической структуры, пропорциональна частоте периодической структуры в этом направлении, интерферирующие порядки дифрагирующих излучений преобразуют в электрические сигналы. Каждую составляющую периодической структуры, движущуюся в одной из двух взаимно перпендикулярных плоскостей, охватывают положительной обратной связью в временной задержкой, используя указанные электрические сигналы в качестве управляющих формированием соответствующей периодической структурой. Показано, что осуществление указанной положительной обратной связи обеспечивает пропорциональную зависимость смещения объекта по оси, связанной с направлением движения периодической структуры от изменения частоты соответствующего электрического сигнала, т.е. позволяет для смещений по координатам, связанным с направлениями движения периодической структуры, в качестве информативного параметра использовать частоту, чем и обеспечивается положительный эффект в виде повышения точности. 4 ил.

сл

с

XI а сл о о

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля точности линейных перемещений объектов, например рабочих органов станков и измерительных приборов,

Известен способ измерения фазового сдвига световых волн, заключающийся в том, что монохроматические когерентные излучения опорного и измерительного каналов интерферометра направлят на периодическую структуру, созданную излучателем в среде распространения ультразвуковых волн под углом, обеспечивающим многопорядковую дифракцию от каждого излучения и преобразуют интерферирующие порядки дифрагированных излучений в электрический сигнал, частота которого определяется алгебраической разностью номеров интерферирующих порядков, а фазовый сдвиг равен фазовому сдвигу световых волн.

Недостатком способа является невозможность измерения пространственных перемещений.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ измерения пространственного перемещения объекта, заключающийся в том, что формируют когерентное излучение, которое разделяют на измерительный и опорный потоки, формируют в прозрачной среде периодическую структуру, движущуюся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, опорный и отраженный от объекта измерительный потоки излучения направляют на прозрачную среду с движущейся периодической структурой под углом, выбираемым из условия многопорядковой дифракции от каждого из потоков, при этом измерительный поток излучения разделяют на три пучка, ориентированные так, что один из пучков образует с двумя другими в двух взаимно перпендикулярных плоскостях равные углы, величину которых выби- рают из условия пространственного совмещения порядков дифракции этих пучков на периодической структуре таким образом, что алгебраическая разность частот дифракционных порядков, совмещенных в одном из направлений движения периодической структуры, пропорциональна частоте периодической структуры в этом направлении, преобразуют интерферирующие порядки дифрагированных излучений в электрические сигналы, по параметрам которых судят о смещении объекта.

Однако недостатком указанного способа является низкая разрешающая способность устройств для измерения перемещения в направлениях движения периодической структуры.

Целью изобретения является повышение точности измерений перемещений.

Это достигается тем, что когерентное излучение разделяют на измерительный и опорный потоки, формируют в прозрачной среде периодическую структуру, движущуюся в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, опорный и отраженный от объекта измерительный потоки излучения направляют на прозрачную среду с движущейся периодической структурой под углом, выбираемым из условия многопорядковой дифракции от каждого из потоков, при этом измерительный поток излучения разделяют на три пучка, ориентированные так, что один из пучков образует с двумя другими в двух взаимно перпендикулярных плоскостях равные углы, величину которых выбирают из условия пространственного совмещения порядков дифракции этих пучков на периодической структуре таким образом, что алгебраическая разность частот дифракционных порядков, совмещенных в одном из направлений движения периодической структуры, пропорциональна частоте периодической структуры в этом направлении, преобразуют интерферирующие порядки дифрагированных излучений в электрические сигналы, каждую из составляющих периодической структуры, движущуюся в одной из двух взаимно перпендикулярных плоскостей, охватывают положительной обратной связью с временной задержкой, используя в качестве сигнала, управляющего формированием соответствующей составляющей периодической структуры, электрический сигнал, полученный в результате преобразования дифрагированного на этой составляющей периодической структуры измерительного потока излучения, а о смещении объекта по оси, связанной с направлением движения периодической структуры, судят по пропорциональному изменению частоты электрического сигнала.

На фиг.1 представлена схема распространения пучков излучения; на фиг.2 - схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство содержит монохроматический источник 7 света, коллиматор 8, светоделитель 9, формирователь 10 излучения, измерительный отражатель 11, опорный отражатель 12, оптический клин 13, ограничительную диафрагуму 14, светомодулятор 15, оптическую систему 18, фотоприемники 4,5, 6, узкополосные усилители 19, 20, 21, фазо- метрическое устройство 20, измерители частоты 21, 22, электронный генератор 15 и ключ 16.

Способ осуществляется следующим образом.

Излучение лазера 7 через коллиматор 8 направляется на светоделитель 9 интерферометра Майкельсона и делится на два световых пучка измерительного и опорного каналов - ЕЙ и ЕО. Излучение измерительного канала проходит через формирователь 10, где разделяется на три световых потока: Е1, Е2, ЕЗ и направляется на измерительный уголковый отражатель 11, установленный на объекте 30,

Отраженные от измерительного 11 и опорного 12 уголковых отражателей, световые излучения ЕЙ и ЕО пространственно совмещаются на светоделителе 9 под углом а,задаваемым двойным оптическим клином 13 опорной световой волне и направляются через диафрагму 14 на светомодулятор 17, в

котором излучателями 2 и 3 создается движущаяся периодическая структура 1 в виде двух ультразвуковых волн, движущихся в прозрачной среде взаимно перпендикулярно на частоте О), задаваемой генератором 15.

Сигнал Uo генератора 15 через ключ 16 подается на излучатели 2 и 3 ультразвука. Один из световых потоков - Е1 образует с двумя другими Е2 и ЕЗ в двух взаимно пер- пендикулярных плоскостях равные углы а, обеспечивающие пространственное совмещение дифракционных порядков выходных спектров Е1, Е2 и Е1, ЕЗ, алгебраическая разность частот которых пропорциональна частоте возбуждения периодической структуры по осям X и Y соответственно.

В данной схеме коэффициент пропорциональности равен единице. Интерферирующие порядки дифракционных спектров Е3(0), Е1(-1) и Е2(0), Е2(+1) направляют на фотопреобразователи 4 и 5, которые выделяют электрические измерительные сигналы U3 и U2 на соответствующей частоте Q).

Излучение опорного канала ЕО направ- ляют на периодическую структуру 1 под углом а к излучению измерительного канала в одной из плоскостей, а интерферирующие порядки дифракционных спектров опорного и измерительного каналов Е0(0) и Е1(-1) направляют на фотопреобразователь 6, который выделяет электрический сигнал U1 с частотой QD.

На фиг.З показано расположение нулевых порядков дифракции излучений, сфоку- сированных на плоскость фотоприема оптической системой 18. Темными точками обозначены фотоприемники, установленные в зонах совмещения нулевых и первых порядков. Оси X и Y показывают направле- ние движения периодических структур.

На фиг.4 показана оптическая схе ма формирователя излучения 10. Он содержит два светоделительных куба 25, 26, четыре триппель-призмы 27, два оптических клина 28, 29. Клиньями 28 и 29 задают углы между лучами Е1, Е2 и Е1, ЕЗ в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Лучи совмещаются на светоделительных гранях кубов 25 и 26 и направляются на объект измерения.

В процессе измерения перемещений объекта по оси Z изменение фазы измерительного канала интерферометра составит:

d (p 2 p d Z:, где dZ - приращение координаты Z;

Я-длина волны излучения монохроматического источника.

При перемещении объекта 30 по осям X и Y происходит поперечное смещение измерительного луча ЕЙ, отраженного от измерительного уголкового отражателя 11. При этом возникает поперечное смещение световых пучков Е1, Е2, ЕЗ измерительного канала по периодической структуре 1, направления распространения которой совпадают с осями X и Y. Фазовые сдвиги d p x и d p у, возникающие в первых порядках, измерительного канала при изменении координат X и Y акустооптического взаимодействия на величину dX и dY соответственно равны:

v3B

,

V3B

где V3e скорость ультразвуковых волн в прозрачной среде модулятора;

Q) - частота возбуждения периодической структуры.

В результате интерференции (оптического гетеродинирования) разночастотных с вётовых волн на вьГходах ф бтЪприемникЪв 6, 5 и 4 появятся электрические сигналы, изменение фазы которых пропорционально изменению координат Z,X и Y соответственно. Электрические сигналы описываются выражениями:

U1 Uosin(Q,t + dpz + dpx), (4)

U2 Uosin( + d (p x), (5)

U3 UQSin(Јit + dpy), (6) где Uo - амплитудное значение напряжения выходного электрического сигнала.

При переключении ключа 16 во второе положение, генератор 15 отключается, электрические сигналы U2 и U3 через усилители 20 и 19 по цепям обратных связей через ключ 16 поступают на возбуждение излучателей 2 и 3, создающих периодическую структуру, движущуюся в направлениях X и Y соответственно, и образуют замкнутый контур преобразования измерительной информации в виде накопителя (сумматора) частотных сдвигов, вызванных изменением координат X и Y во времени:

Qo dX Q УХ

v3B d t

V3B

(7)

Qo d Y ° Y z iт:;ri-

,d t v3B dtv3B

(8)

где Vx,Vy - скорости перемещения объекта в направлениях X и Y;

d Qx, d Q у - изменения круговой частоты периодической структуры в направлениях X и Y.

Обозначим через Тх и Ту время прохождения ультразвуковой волной расстояний Хо и YO от излучателей 2 и 3 до зоны акустооп- тического взаимодействия. Умножая числитель и знаменатель выражений (7) и (8) на Тх и Ту соответственно, получим:

, (9)

АО

, (1Q)

о

где Хо, YO - расстояния от излучателей 3 и 2 до зоны акустооптического взаимодействия.

Электрические сигналы U1, U2, U3 можно описать выражениями:

U1 Uosin(Q3t + dQxt+- pdZ), (11)

U2 Uosin(Q,t + dQxt), (12) U3 Uosin( + dQyt). (13) Как видно из формул (11), (12), (13) для измерения координаты dZ можно измерять фазу электрического сигнала U1, используя в качестве опорного сигнал U2. Изменение фазы сигнала U1 умножают на величину Я/2 л и получают соответствующее изменение координаты dZ. Для этого сигнал U1 через узкополосный усилитель 21 подается на фазометрическое устройство 24 вместе с сигналом U2.

Измеряя частоты сигналов U2 и U3 до и после перемещений по координатам X и Y находят перемещения dX и dY

(14)

,

О,

(15)

Сигналы U2 и U3 подаются на частотомеры 23 и 22,

Использование способа обеспечит повышение точности и размещающей способности измерителя линейных перемещий в направлении распространения ультразвука за счет повышения точности измерения информативного параметра-частоты.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

Способ измерения смещений объекта, заключающийся в том, что формируют когерентное излучение, которое разделяют на измерительный и опорный потоки, формируют в прозрачной среде периодическую структуру, движущуюся во взаимно перпендикулярных плоскостях, опорный и отраженный от объекта измерительный потоки излучения направляют на прозрачную среду

с движущейся периодической структурой под углом, выбираемой из условия многопорядковой дифракции от каждого из потоков, измерительный поток излучения разделяют на три пучка, ориентированные так, что

один из пучков образует с двумя другими в двух взаимно перпендикулярных плоскостях равные углы, величину которых выбирают из условия пространственного совмещения порядков дифракции этих пучков на периодической структуре таким образом, что алгебраическая разность частот, совмещенных в одном из направлений движения периодической структуры, пропорциональна частоте периодической структуры в

этом направлении, преобразуют интерферирующие порядки дифрагирующих излучений в электрические сигналы, по параметру которых судят о смещении объекта, отличающийся тем, что, с целью повышения

точности, каждую из составляющих периодической структуры, движущуюся в одной из двух взаимно перпендикулярных плоскостей, охватывают положительной обратной связью с временной задержкой, используют

в качестве сигнала, управляющего формированием соответствующей составляющей периодической структуры, электрический сигнал, полученный в результате преобразования дифрагированного на этой составляющей периодической структуры измерительного потока излучения, а о смещении объекта по оси, связанной с направлением движения периодической структуры, судят по пропорциональному изменению частоты электрического сигнала.

Фиг. 2

Ь,Л;

Фиг.

зо

«

ЕО

27 25 2726

Фиг. 4

О f/

/ Ј

Фиё.З

27 29 Ю