Способ интерполирования интерференционных сигналов Советский патент 1993 года по МПК G01B21/00 

«

Ю

со

Изобретение относится к измерительной технике,-в частности к интерполированию интерференционных сигналов при измерении линейных перемещений и углов.

Целью изобретения является повышение точности интерполирования за счет исключения операции многократного выпрямления разностного сигнала с исключением его постоянного уровня,

На фиг. 1 и 2 представлены временные диаграммы сигналов, формируемых при некоторых операциях способа, для двух различных долей порядка интерференции ( для диаграмм на фиг. 1 и сН8 для диаграмм на фиг. 2); на фиг. 3 представлена блок-схема устройства, реализующего способ.

Устройство содержит источник 1 когерентного света; интерферометр 2-Майкель- сона. включающий в себя светоделители 3, 7 и зеркала 4, 5, пьезопрмвод 6 и точечные диафрагмы 8,9; усилитель 10; фотоприемники 11, 12; схемы 13 и 14 автоматической регулировки усиления; схемы 15 и 16 выпрямления; дифференцирующий усилитель 17 и индикатор 18 нуля.

Предлагаемый способ осуществляют следующей совокупностью операций,

Осуществляют интерференцию двух когерентных световых пучков с длиной волны Д. При этом разность хода интерферирующих вспомогательных пучков пвршдйчеекм- изменяют. Величина яершд® измерима разности хода равна пвяошне периода Т исходных мнтерференцйоимых сигналов U.1 (фиг. 1м 2}Г,Саму разность хода при этом иэменя ют в диапазоне О- Д-k/4. где ,2,3,4,... и зависит от требузшй величины d доли порядка интерференции.

Формируют два сдвинутых по фазе на п 11 сигнала U2 и УЗ вследствие фотоэлектрического преобразована® полученной после первой операции интерференционной картины. Допустим, что при максимальном значении напряжения исходного гармонического интерференционного сигнала (t-Ю на временных диаграммах фиг. 1 и 2) разность хода интерферирующих вспомогательных световых пучков равна нулю, В течение времени, равного половине периода Т интерференционных сигналов U1,-разность хода увеличивают от нуля до ЗА /4 для случая, представленного на фиг. 1; и до А для случая, представленного на фиг, 2. Формируемые при этом сигналы U2 и Ш являются гармоническими на указанном отрезке времени. С момента разность хода интерферирующих вспомогательных пучков начинает уменьшаться от своего максимального значения А (равного 3 А /4 для

случая, представленного на фиг, .1, и А для представленного на фиг, 2 случая) до нуля гфи , В момент времени происходит переворот фазы сигналов U2 и U3 на.

180°, Это объясняется изменением направления вектора оптической разности хода на

противоположное. Поэтому сигналы U2 и U3

в диапазоне Т/2, Т являются зеркальными

отображениями соответственно сигналов

U2 и U3 в диапазоне О, Т/2 относительно прямой линии, проходящей через точку Т/2 перпендикулярно оси t. При снова происходит переворот фазы сигналов U2 и U3 на 180°, вызванный повторным изменением направления-вектора разности хода на первоначальное направление. То есть в момент времени возникает вторая линия зеркальной симметрии, причем относительно нее зеркальные сигналы U2 и иЗ-для ,

т с соответствующими сигналами U2 и U3- для , 2TJ. Таким образом, операции формирования дэух сдвинутых по фазе на я /2 сигналов при периодически изменяющейся разности хода дает две последовательности

сигналов U2 и U3, каждая из которых представляет собой последовательность цуго гармонических сигналов с длительностью цуга Т/2, имеющих s точках рТ/2 (где р - любое целое положите льнов число) сдвиг

фазы относительно соседних цугов гармонических сигналов на 180°.

Выпрямляют полученные сигналы U2 и U3 (соответственно сигналы U4 и U5 на фмг. 1 и 2).

Вычитают полученные сигналы U4 и US один из другого, получая при этом разностный треугольный сигнал U6. Период сигналов U6 после выполнения этих операций в к раз меньше периода Т гармонических сигналов, характеризующих порядок интерференции.

Квантуют полученные сигналы U6 по уровням (на фиг. 1 и 2 показан лишь один уровень квантования, равный нулю).

Формируют по результату предыдущей операции последовательность U7 прямоугольных импульсов, период следования которых характеризует долю d порядка интерференции. Период импульсов U7- в общем случае в 2km-раз (т - число уровней квантования) меньше периода Т исходных интерференционных сигналов U1, поэтому доля порядка интерференции определяется по формуле

.

Величина k определяется максимальной ве- личиной 1 периодически изменяющейся, разности хода интерферирующих вспомогательных световых пучкоа по формуле

,

Таким образом, дискретно изменяя величину L периодически изменяющийся разности хода интерферирующих вспомогательных пучков, можно в широких пределах варьировать получаемую долю порядка интерференции. Кратность интерполирования предложенного способа определяется рядом 2km; где , 2, 3,...То есть она превышает кратность интерполирования способа-прототипа. Так как 8 предложенном способе устранена необходимость многократного выпрямления разностного электрического сигнала с исключением его постоянного уровня, точность интерполирования по предложенному способу превышает точность способа-прототипа и постоянна для любых получаемых с его помощью значений доли порядка интерференции.

Реализующее предложенный способ устройство работает следующим образом.

На светоделителе 3 интерферометра 2 осуществляется интерференция двух световых пучкоа, отраженных от плоских зеркэл 4 и 5. Зеркало 4 закреплено неподвижней а зеркало 5 - на пъезоприводе б, перемещающем его параллельно направлению падающего на него светового пучка. На пъезопривод поступают усиленные с помощью усилителя 10 интерференционные сигналы, период Т которых необходимо интерполировать. Таким образом, интерференция указанных пучков осуществляется с периодически изменяющейся разностью хода интерферирующих лучей, максимальная величина L которой равна удвоенной амплитуде колебаний пьезопривода б,

Фотоприемники 11 и 12 осуществляют фотоэлектрическое преобразование падающих на них интерференционных потоков, направляемых светоделителем 7, в две последовательности сигналов U2 и U3 (см. фиг. 1 и 2). Сдвиг фазы одной последовательности на/Г/2 относительно другой последовательности осуществляется выбором положений диафрагм 8 и 9 на сечениях соответствующих интерференционных картин.

Выходные сигналы фотоприемников 11 и 12 выравниваются по амплитуде с по- .мощью схем 14 и 13 автоматической регулировки усиления. Полученные сигналы выпрямляют при помощи схем 16 и 15 выпрямления. Выпрямленные сигналы вычитают дифференциальным усилителем 17, с выхода которого получают разностный треугольный сигнал 6 нулевым постоянным уровнем.

При пересечении этим сигналом нулевого уровня индикатор 18-нуля формирует короткие прямоугольные импульсы (диаграммы U7 на фиг. 1 и 2), период следования 5 которых в 2k раз меньше периода Т исходных интерполируемых сигналов (предложенное устройство реализует лишь один уровень квантования разностного треугольного сигнала по уровням. Для достижения 10 большего количества уровней квантования можно использовать известный блок квантования. Величина k определяется амплиту- дой колебаний пъезопривода 6, которая в свою очередь зависит от величины коэффи- 5 циента усиления усилителя 10..Изменяя величину этого коэффициента- усиления, можно изменять амплитуду колебаний пьезопривода 6, т.е. максимальную разность хода интерферирующих лучей, и следова0 тельно, величину доли порядка интерференции (коэффициент интерполяции периода исходных интерференционных сигналов). При этом необходимо отметить, что для правильной работы устройства необходимо

5 иметь максимум или минимум интерференции вспомогательных световых пучков в одном из крайних положений зеркала 5, укрепленного на пьезоприводе 6. Для того, чтобы это условие выполнялось npvi различ0- ных амплитудах колебаний пьеэоприсода, его положение относительно светоделителя 3 регулируется с помошвю микрометрического винта, не показанного на фиг. 3. Формула из.обретения

5 Способ интерполирования интерференционных сигналов, заключающийся в формировании двух сдвинутых по фазе на nil сигналов, выпрямлении их, вычитания одного выпрямленного сигнала из другого-, кван0 тования полученного сигнала по уровням, формировании по результатам квантования последовательности прямоугольных импульсов и определении доли порядка интерференции, отличающийся тем, что, с

5 целью повышения точности интерполирования за счет исключения операции многократного выпрямления разностного сигнала с исключением его постоянного уровня, для формирования сдвинутых по фазе сигналов

0 используют результат фотопреобразования интерференционной картины от двух вспомогательных световых пучков длиной волны ;Я, оптическую разность хода которых перио- - дически измеряют от нуля до значения А К/4,j

5 где , 2, 3,.., в соответствии с полуперйо- дом интерполируемых сигналов, а долю порядка интерференции определяют по формуле , где m - число уровней кван- - тования.

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности интерполирования за счет исключения операции многократного выпрямления разностного сигнала с исключением его постоянного уровня, что становится возможным в результате оптического интерполирования периода исходных интерференционных Сигналов осуществляе- мого путем интерференции двух вспомогательных световых пучков с оптической разностью хода, периодически изменяемой в соответствии с полупериодом интерполируемых сигналов на величину, пропорциональную требуемой доле порядка интерференции, с последующей обработкой двух сдвинутых по фазе на П/2 сигналов, полученных в результате фотоэлектрического преобразования вспомогательной интерференционной картины, Оптическое интерполирование осуществляется с помощью интерферометра 2 Май- кельсона, на светоделителе 3 которого интерферируют световые пучки, отраженные от плоских зеркал 4 и 5, из которых одно неподвижно, а другое закреплено на пье- зоприводе б, на который поступают предварительно усиленные интерполируемые интерференционные сигналы. Фотоприемники 11 и 12 преобразуют падающие на них от светоделителя 7 потоки в две последова- тельности сигналов, сдвинутые по фазе на П/2. Сдвиг фаз обеспечивается выбором положения диафрагмы 8 и 9. 3 ил, со с