Способ определения расстояний Советский патент 1992 года по МПК G01C3/08 

д со со со

о

правлении приближения к первоначальной интенсивности, выбирая при этом вводимые изменения длины пути опорного пучка и частоты, при которых разность хода интерферируемых пучков в 5-10 раз превышает

порог чувствительности измерения расстояния и не превышает 1/4-1/8 длины волны излучения, а расстояние определяют по полученному соотношению, в которое не входят значения изменения частот, 1 ил.

Изобретение относится к измерению расстояния оптическими средствами а именно для измерения расстояний до неподвижных или медленно движущихся объектов в системах управления промышленными роботами, позиционирования рабочих органов металлообрабатывающих центров, в операциях юстировки и других технологических операциях. Сущность изобретения: после регистрации интенсивности интерференционной полосы на исходной частоте измерения изменяют длину пути опорного пучка на калиброванную величину, изменяют частоту излучения в на- 14

Изобретение относится к измерению расстояний оптическими средствами и может быть йспользовано для измерений расстояний до неподвижных или медленно движущихся объектов, а также в системах управления промышленными роботами, позиционирования рабочих органов металлообрабатывающих центров, в операциях юстировки и других технологических операциях.

Известен способ определения расстояния с помощью оптического когерентного излучения, заключающийся в разделении излучения лазера на дистанционный и опорный пучки, из которых дистанционный пучок отражается от контролируемой плоскости, а опорный - от неподвижного зеркала или отражателя, совмещении пучков на фотоприемнике, регистрации результирующей интенсивности излучения от интерференции дистанционного и опорного пучков и определении расстояния по формуле

D (N+ AN) A/2,

где N - целое число порядка интерференции;

AN - дробное число порядка интерференции;

А- длина волны в среде распространения.

Недостатком интерференционного способа является невысокая точность измерения расстояния из-за непостоянства скорости распространения оптического излучения в среде, а, следовательно, и длины волны А v/v , где v - скорость распространения; V- частота колебаний. Кроме того, при расстояниях многим больше длины волны излучения возникает неоднозначность измерений из-за ошибок определения порядка интерференции.

Известен способ определения расстояний лазерным излучением (2), основанный на возбуждении между зеркалами, установленными на концах измеряемого расстояния, целого числа стоячих волн, создаваемых излучением лазера перестраиваемой частоты, измерении разности оптических частот, соответствующих целым числам волн на двух соседних частотах, и определении расстояний по формуле

D

у СТ

где v - скорость света в среде распространения;

Av - разность двух соседних резонансных частот.

Недостатком способа является влияние непостоянства скорости v, а также дополнительная погрешность измерения расстояния из-за дисперсии показателя преломления

среды распространения, обусловливающая зависимость скорости света в среде распространения от частоты излучения лазера. При больших расстояниях разностная частота Av « v/2D становится соизмеримой с флюктуационной нестабильностью перестраиваемого лазера, что значительно снижает точность измерения расстояний.

Наиболее близким к изобретению является способ измерения расстояний (3), основанный на разделении когерентного излучения на дистанционный и опорный лучки, совмещении пучков, отраженных от подвижного и неподвижного отражателей, в плоскости фотоприемника, плавном изменении частоты источника излучения и подсчете числа интерференционных полос, перемещение которых относительно фотоприемника достигается плавным изменением частоты источника излучения, а

расстояние определяют по формуле:

D

V2 -VI

Дт.

где Дт - изменение числа длин волн, перекрывающих расстояние D;

vi и V2 - начальная и конечная частоты источника излучения;

v - скорость света в среде распространения.

Однако известному способу присущи существенные недостатки. Так, результат измерения непосредственно зависит от значения скорости распространения v излучения в среде распространения, которая изменяется в широких пределах в зависимости от температуры, давления и влажности среды распространения. Поскольку излучение осуществляется при разных длинах волн когерентных пучков света, то на результат определения расстояния сказывается также дисперсия скорости распространения света из-за зависимости показателя преломления среды распространения от длин волны излучения.

Цель изобретения - повышение точности определения расстояния путем исключения влияния непостоянства скорости распространения излучения и дисперсии показателя преломления среды распространения за счет сжатия диапазона перестройки частоты источника излучения.

Поставленная цель достигается тем, что в способ определения расстояния до обьек- та, при котором разделяют оптическое когерентное излучение на дистанционный и опорный пучки, принимают отраженный дистанционный пучок от неподвижного отражателя, совмещают в одной плоскости отраженный дистанционный и опорный пучки, измеряют в поле зрения фотоприемника первоначальную интенсивность интерференционной полосы на исходной частоте излучения, плавно изменяют частоту источника излучения, регистрируют величину порядка интерференции в процессе изменения частоты и обрабатывают результаты измерений. Введены новые операции и условия их выполнения, а именно после регистрации первоначальной интенсивности интерференционной полосы на исходной частоте излучения изменяют длину пути основного пучка на измеренную величину; регистрируют второе значение интенсивности; сравнивают его с первоначальным значением интенсивности; изменяют частоту излучения в направлении приближения к первоначальной интенсивности с фиксированием длины пути опорного пучка и частоты, при которых разность хода интерферируемых пучков в 5.,.10 раз превышает порог чувствительности измерения расстояния и не превышает 1/4...1/8 длины волны излучения; регистрируют третье значение интенсивности, сравнивают его с предыдущим; восстанавливают первоначальную длину пути опорного пучка и регистрируют четвертое значение интенсивности, а расстояние определяют из выражения

-(„.-Д- д-МгД -т

(п, - т) - ( - nl.)

ДО.

где ДО - измеренное изменение длины пути опорного пучка;

щ - первоначальная интенсивность интерференционной полосы;

П2. П2 - вторая интенсивность интерференционной полосы, соответственно при положительном и отрицательном значении ДО; пз, пз - третья интенсивность интерференционной полосы, соответственно при положительном и отрицательном изменении частоты;

, гм - четвертая интенсивность интерференционной полосы, соответственно при положительном и отрицательном значении изменения частоты на ±Д) восстановленной начальной длине пути опорного пучка ( ДО 0).

Предложенный способ измерения расстояний осуществляется следующим образом.

Когерентное оптическое излучение исходной частоты разделяют на опорный и дистанционный пучки, из которых дистанционный пучок направляют на отражатель.

Отраженные пучки совмещают в плоскости фотоприемника, образуя интерференционные полосы. Преобразуют в поле зрения фотоприемника интенсивность интерференционной полосы, которая функционально связана с разностью фаз колебаний дистанционного и опорного пучков в электрическое напряжение

35

и 51(1+у1)-со52 Ц +б1, (1)

где Si - нормированная чувствительность фотоприемника;

yi AS/S - относительная погрешность

чувствительности, отражающая изменение наклона градуировочной характеристики:

5i AU0 - абсолютная погрешность нуля, отражающая смещение градуировочной характеристики;

10 - интенсивность оптического когерентного излучения;

р , начальная фаза колебаний зондирующего и опорного пучков.

Погрешности фотоэлектрического преобразователя у и di возникают из-за временной и температурной нестабильности параметров фотоприемника и дрейфа его нуля и изменяют его градуировочную характеристику,

Напряжение (1) преобразуют в цифровой код

п (1 + ya)Si(1 +yt)lox

X COS2 + 52)S3(1

X5)x

ff1 -да 2

+ 63.

(2)

где Em A - целая часть числа А; Ди - шаг квантования аналогового сигнала (напряжения); S3, УЗ ,5з - чувствительность (5з 1 / Ди) и погрешности аналого-цифрового преобразования; 5з SvSa - нормированная чувствительность преобразования интенсивности излучения в код, уз, из - суммарная мультипликативная (уз уз+уз) и аддитивная ( ) погрешности преобразования.

По характеру проявления погрешности и 3) являются случайными функциями времени, содержащими медленную нестационарную ($ , 3i) и быструю стационарную ($. 3j) составляющие. Если стационарные составляющие легко минимизировать времен- ным усреднением, то нестационарные составляющие трудно обнаружить и в дальнейшем скорректировать

Для коррекции медленно изменяющихся погрешностей $ ид| код щ, соответствующий начальной интенсивности, пропорциональной разности фаз р - , подвергают функциональному преобразованию для линеаризации зависимости код - разность фаз интерферирующих пучков

щ arc cos (n)1/2 S3-lo (1 + И) + & 1/2х

XЈL:LSЈ So о + и (w-tfi + d (3)

где So - результирующая чувствительность линеаризованного аналого-цифрового преобразования So V§j.|0/2;

у, о - медленно изменяющиеся результирующие мультипликативная и аддитивная погрешности измерительного преобразования с учетом непостоянства интенсивности излучения 10.

Код интенсивности (3) в зависимости от изменяемого расстояния и частоты когерентного излучения изменяется по линейно-периодической зависимости, причем каждый линейный участок преобразовательной характеристики соответствует изменению разности фаз интерферирующих пучков от О до2лг

щ 5о-(1 + И ( (2} + д So(1+y)x

х (р + q) 2я + д ,

(4)

где р - целое число фазовых циклов в 360° (2л);

q - дробное число фазового цикла. При расстоянии Dx, многим больше длины волны излучения (А« Dx), код щ соответствует одному из линейных участков преобразовательной характеристики. В пределах этого участка с учетом погрешностей преобразования расстояния DI, проходимого дистанционным пучком, имеем

m-So-d + iW,))15 - 2лр) + д

(5)

где vi - исходная частота источника излучения;

v - скорость распространения пучков излучения в среде распространения;

D2 - расстояние по которому проходит опорное излучение.

Регистрируют начальную интенсивность щ интерференционной полосы. Далее уменьшают длину пути, по которому проходит пучок опорного излучения, на калиброванную величину Л D, которую выбирают из условия

30

(5...10)...A,

(б)

где А- длина волны оптического излучения вереде распространения; АО0-минимальное изменение расстояния, которое может быть обнаружено интерференционным способом (порог чувствительности).

Минимальное измеряемое расстояние интерференционного способа зависит от

уровня фазовых флюктуации. Поэтому значение калиброванного перемещения ДО можно выразить через дополнительно вносимый сдвиг

45

(5...10)-Дсъ 27П г2ДД...Д)я. v ц zy

(7)

где Доь - среднеквадратичное отклонение флюктуирующей разности фаз.

Нижний предел неравенства (6) выбран из соображения возможности обнаружения и регистрации минимального изменения разности хода интерферирующих пучков на фоне фазовых флюктуации. При нормальном распределении фазовых флюктуации максимальная случайная погрешность при вероятности 0,997 не превышает утроенное значение средне- кеадратических отклонений величины Дуэь . Поэтому коэффициент 5... 10 достаточен для

достоверной регистрации минимального изменения разности хода Di - D2.

Верхний предел неравенства (6) обеспечивает преобразование разности хода Di - 02 (1/4...1/8) А в пределах одного линейного участка преобразовательной характеристики, т.е. в пределах одной интерференционной полосы.

При уменьшении разности хода интерферирующих пучков в соответствии с (6) код интенсивности изменяется в пределах одного линейного участка характеристики и возрастает до второго значения

П2

o( 15

-2лр).

(8)

Если разность фаз при первом преобра- 20 зовании (5) оказалась больше 270°, т.е.

Д01 У2Л ,

где Дуя- дробная часть первой разности фаз, то уменьшение опорного пути может вызвать не увеличение, а уменьшение кода за счет перехода на соседний линейный участок. Переход на соседний участок характе- ристики свидетельствует о выходе регистрируемой интерференционной полосы из поля зрения фотоприемника. Для исключения неоднозначности отсчетов и обеспечения работы в пределах одного ли- нейного участка характеристики сравнивают интенсивности гп и П2. При регистрации результата ni увеличивают длину пути опорного пучка на ДО и фиксируют уменьшенный код интенсивности

n2 S0(1+ y)-(arvi

л

-2лр).

.ri.2(Di

Если же результат регистрации соответствует (8), т.е. П2 ni, то плавно уменьшают частоту излучения на величину Av, которую выбирают из условия приближения третьего кода интенсивности к первоначальному коду ni

пз-3.(1)-(Р -°г+йР)-

2лр)+(5.

(Ю)

где V2 -v - Ду - второе значение частоты излучения. При регистрации кода пз#гц приращение частоты соответствует условию (7), т.к. работа осуществляется в пределах того же линейного участка

(5...10) AP 27aV2(

-4p

(11)

Неравенство (11) выполняется при этом автоматически даже при отсутствии информации о приближенном значении измеряемого расстояния, т.е. о величине разности хода Di - D2, в процессе плавного изменения частоты.

Если результат второй регистрации соответствует соотношению (9), то по результату сравнения увеличивают частоту излучения на ДУ и фиксируют увеличенный код интенсивности

пз оО+уИ пИ01- - 0)-- -2лр)+д ,(12)

где V3 vi + ДУ - третье значение частоты излучения.

Восстанавливают первоначальную длину пути опорного пучка (ДО 0) и фиксируют четвертый код интенсивности

П4 50(1+й-()- 2лр) + 6.

(13)

или в зависимости от знака приращения частоты

45 п

USo(1+yK2 -2 D rD2)- 2лр) + д.

(14)

Из зарегистрированных значений кодов (5). (8), (9). (10). (12), (13) и (14) вычисляют разности кодов первого (5) и четвертого (13), (14) преобразований, а также кодов второго (8), (9) и третьего (10), (12) преобразований

щ - П4 ги1 - щ So (1 + у)х X(2.,.(15)

П2 - пз 50(1 + у)-(2л:-ДУХ ..2(Di -D2 -AD) (16)

пз1 - nz1 - So (1 + у) -(2л:-Av х х2(Р1-В2-ДВ)(1)

Далее определяют отношение разности кодов (15) к разности разностных кодов (15) и (16) или (15) и (17) в зависимости от последовательности выполненных операций

DI - Da (щ -04) -(па -пз) 3D

П1 - П4

. (18)

П4 - щ

(П4-П1)-(ПЗ-П2)

-P1-D2 ,19)

Я5 (1У)

Из соотношений (18) и (19) определяют разность хода дистанционного и опорного пучков

Di-Da

П1 - П4

(П1 -П4)(П2 Пз)

ДО (20)

ИЛИ

Di-D2

п -щ

(п4-П1)-(пз-п2)

AD. (21)

Если представить путь, проходимый дистанционным пучком, в виде Di Doi + Dx, где Doi расстояние до референтной плоскости (Doi D2), где Dx - определяемое расстояние, то результаты вычислений (20) и (21) можно представить в виде

Dx

m - П4

(Щ -П4)-(П2 - Пз)

до

П4 -П1

(nl, - щ) - (пз - п2)

до

(22)

где AD - калиброванное изменение длины пути опорного пучка.

Дополнительное изменение длины пути опорного пучка АО осуществляют смещением неподвижного отражателя, например, воздействием электрического напряжения на пьезокерамический держатель этого отражателя. Калибровку этого смещения осуществляют по известной разности расстояний, проходимых дистанционным и опорным пучками. Для этого с помощью образцовой меры длины, например, плоскопараллельной концевой меры 1 м с относительной погрешностью 2-10 , устанавливают известную разность хода интерферируемых пучков Do Di - D2. Затем смещают неподвижный отражатель по условию (6) с помощью приложенного напряжения. Фактическое значение изменения длины пути опорного пучка АО определяют из соотношений (20) или (21) в зависимости от последовательности выполняемых операций (5), (8), (10) и (13) или (5), (9), (12) и (14)

ДО(ПЮ-П40)-(П20-ПЗО)1 {23)

П / - П

то - П4о

15

или

Др(П40-П1о)-(пзО-П21

П40 - П10

(24)

5

0

5

0

5

0

5

где пю, гад, пзо, П40 или то, п2о . изо , П4° коды интенсивностей 4-х измерений при калибровке.

Фиксируют напряжение, создающее смещение неподвижного отражателя на калиброванную величину ДО, которое в даль- нейшем используют для создания калиброванного изменения длины пути опорного пучка и определения расстояния до контролируемого объекта.

Таким образом, по результатам измерения четырех интенсивностей интерференционной полосы, соответствующих кодам ni, П2, пз, П4 и калиброванному изменению пути опорного пучка AD определяют расстояние до отражателя объекта Ох независимо от скорости распространения v и медленных погрешностей преобразования (у,о) разности фаз оптических излучений в цифровой код. Быстрые погрешности уменьшаются за счет повторных измерений и статистической обработки результатов измерений.

По сравнению со способом (3) исключено влияние на результат измерения непостоянства скорости распространения (v). Точное определение расстояния до отражателя контролируемого объекта может быть осуществлено с высокой точностью без знания приблизительного значения расстояния. Благодаря малым изменениям частоты

излучения (Av/v AD/D /4 дчр «1))

исключено влияние дисперсии показателя преломления среды распространения на точность измерения.

Так, по способу (3) необходимое изменение частоты при измерении расстояния Ох определяется выражением

Av1 ъ -vi -Am .(25)

Здесь Дт - изменение числа длин волн, перекрывающих расстояние Dx; v и vz - начальная и конечная частоты источника излучения; v ,с/п - скорость света в среде распространения, где с - скорость света в вакууме, п - средний показатель преломления среды распространения.

Минимальное изменение частоты имеет место при Дт « 1. Поэтому с учетом (25) имеем

д. V С

мин-ш-ж.

(26)

По данному способу для определения того же значения расстояния согласно неравенству (11) минимальное.изменение частоты источника излучения определяется условием

2яДу

.2(Р1-Р2)

(5...10)Лрь, (27)

где Дуъ - среднеквадратичное отклонение флюктуирующей разности фаз, которое определяет порог чувствительности интерферометра по фазе.

Из выражения (27) следует, что

д., (5...10) 4л67

(28)

Коэффициент сжатия диапазона перестройки частоты источника излучения

ДУмин 4JT

5С (5...ю)лро

(29)

Современные двухлучевые интерферометры имеют порог чувствительности по оптической разности фаз порядка 10 ...10 радиан. С учетом этого значения по данному способу диапазон перестройки частот источника излучения можно уменьшить в

Ал

2r;s(3-l01...1flP)paa

(5...10)(10-ъ...10-4)

Возможность столь большого сжатия диапазона изменения частоты, а следовательно, малого изменения длины волны излучения, позволяет дисперсией показателя преломления, например, атмосферы, практически пренебречь.

На прилагаемом чертеже представлена структурная схема дальномера.,

Дальномер является примером реализации способа.

Дальномер содержит лазер 1. блок 2 перестройки частоты излучения лазера, коллиматор 3, выход которого оптически связан через светоделительный куб 4 с уголковыми отражателями 5 и 6. Отражатель 5 является опорным и может сдвигаться только на калиброванное перемещение ±ДО, а отражатель 6 установлен на объекте, расстояние до которого от референтной плоскости 7 Dx

подлежит измерению. Со светоделитель- ным кубом 4 оптически связаны линза 3. диафрагма 9 и фотоприемник 10, к выходу которого подключен аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 11. соединенный кодовыми выходами с шиной данных микроЭВМ 12. К шине данных через соответствующие порты ввода подключены цифроаналоговые преобразователи (ЦАП) 13 и 14, аналоговые выходы которых соединены с управляющим

входом генератора 15 электрических колебаний, и пьезокерамической втулкой (держателем) 16 из титаната бария, воздействующие соответственно на блок 2 перестройки частоты и отражатель 5, Результаты вычислений

выводятся на цифровой индикатор 17.

Дальномер работает следующим образом. Излучение лазера 1 разделяется с помощью куба 4 на опорный и дистанционный пучки. Опорный пучок отражается от отражателя 5, а дистанционный - от отражателя 6, связанного с контролируемым объектом. Отраженные пучки совмещаются линзой 8, диафрагмой 9 и кубом 4 в плоскости фотоприемника 10, с помощью которого интенсивность выбранной точки интерференционной полосы преобразуется в напряжение и далее в код посредством АЦП 11. Этот код вводится в микроЭВМ 12 и подвергается функциональному преобразованию. Результат преобразования (5) запоминается в оперативной памяти (ОЗУ) микроЭВМ 12.

По команде ЭВМ 12, записанной в ее постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), через ЦАП 14 на держатель 16 подается управляющее напряжение, которое перемещает отражатель 5 на величину ±ДО, соответствующий результат преобразования (8) или (9) интенсивности полосы после функционального преобразования в ЭВМ

12 запоминается ОЗУ. Затем по команде ЭВМ 12 через ЦАП 13 формируется управляющее воздействие на генератор 15, частота которого изменяет частоту излучения лазера 1 на величину ±Ду, которая удовлетворяет условию (11). Соответствующий результат преобразования (10) или (12) интенсивности полосы после функционального преобразования в ЭВМ 12 запоминается ОЗУ. Очередной командой ЭВМ 12

восстанавливается первоначальное положение отражателя 5, и соответствующие результаты (13) и (14) после функционального преобразования запоминаются ОЗУ. После выполнения вычислений по формуле (22) ре- зультат измерения расстояния до отражателя 6 контролируемого объекта регистрируется цифровым индикатором 17.

В программу ЭВМ 12 введен алгоритм выбора знака приращения частоты излуче- ния лазера и перемещения опорного отражателя из условий работы в пределах одного линейного участка преобразовательной характеристики, т.е. в пределах одной интерференционной полосы. В па- мяти ЭВМ 12 также введено в виде константы калиброванное перемещение опорного отражателя 5 ±ДО.

Рассмотренный способ использован в технологических операциях юстировки пре- цизионных механизмов, в частности, настройки ПЗУ на винчестерских дисках. В качестве источника когерентного излучения использован лазер типа ЛГ-52-1, фотоприемником служит диодная линейка на фото- диодах ФД-271, а блок перестройки частоты представляет собой акустооптиче- ский модулятор типа МЛ-201. Диапазон измеряемых расстояний 0,001-1 м, погрешность измерения не более +0,2 мкм, при работе в среде с изменяющейся температурой и влажностью.

Формула изобретения

Способ определения расстояния до обьекта, при котором разделяют оптическое когерентное излучение на дистанционный и опорный пучки, принимают отраженный дистанционный пучок от обьекта и опорный пучок от неподвижного отр ажателя. совмещают в одной плоскости отраженный дистанционный и опорный пучки, измеряют в поле зрения фотоприемника первоначальную интенсивность интерференционной по- лосы на исходной частоте излучения, плавно изменяют частоту источника излуче

ния, регистрируют величину порядка интерференции в процессе изменения частоты и обрабатывают результаты измерений, отличающийся тем, что, с целью повышения точности после регистрации первоначальной интенсивности интерференционной полосы на исходной частоте излучения, изменяют длину пути опорного пучка на измеренную величину, регистрируют второе значение интенсивности, сравнивают его с первоначальным значением интенсивности, изменяют частоту излучения в направлении приближения к первоначальной интенсивности с фиксированием длины пути опорного пучка и частоты, при которых разность хода интерферирующих пучков в 5-10 раз превышает порог чувствительности и не превышает 1/4-1/8 длины волны излучения, регистрируют третье значение интенсивности, сравнивают его с предыдущим, восстанавливают первоначальную длину пути опорного пучка и регистрируют четвертое значение интенсивности, а расстояние определяют из выражения

Dx

ni -гм

Щ -П4)-(П2 -Пз)

Д0

ni - m

(П4 -ГЦ)-(ПЗ-Г)

ДО,

где ДО - измеренное изменение длины пути опорного пучка; щ - первоначальная ин- тенсивность интерференционной полосы; П2, ла вторая интенсивность интерференционной полосы соответственно при положительном и отрицательном значениях АО; пз, пз1 - третья интенсивность интерференционной полосы соответственно при положительном и отрицательном значениях

отрицательном изменения частоты; Л4, П4 - четвертая интенсивность интерференционной полосы соответственно при положительном и отрицательном значениях изменения частоты при сдвиге частоты на ±Av и восстановленной начальной длине опорного пучка (ДО 0).