УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ОБЪЕКТА Советский патент 1973 года по МПК G01B11/14 G01B9/02 

1

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к области интереференционных измерений линейных величин, преимущественно к системам прецизионного отсчета перемещения столов в координатпоизмерительных и делительных машинах, координатно-расто4ных станках и микроскопах.

Известны устройства для линейных измерений, например для измерения перемещения объекта, содержащие источник когерентного света - лазер, интерферометр, имеющий эталонное и измерительное плечи, и систему преобразования выходного сигнала с интерферометра.

Использование лазеров в таких устройствах в сочетании с соответствующим преобразованием и обработкой выходного сигнала принципиально позволяет достигать дискретности отсчета до 10- мкм при диапазоне из.мерения до 1000 м и достаточно высокой надежности работы, особенно при использовании специальных двухчастотных лазеров.

Однако подавляющее больщинство измерений производится в воздущной среде, показатель преломления которой изменяется с изменением давления, температуры, влажности и ряда других факторов. Это приводит к изменению оптической длины измерительного плеча интерферометра и появлению погрещности измерения, достигающей в реальных условиях несколько микрометров на 1 м.

Для уменьщения погрешности измерений в ряде устройств используют ручную или автоматическую коррекцию показаний, производимую в соответствии с сигналами датчиков давления, а иногда и температурой воздуха. Это позволяет при некотором усложнении системы обработки выходного сигнала достичь

точности измерений 0,5 MKMJM в лабораторных условиях, что в настоящее время недостаточно. Ручная коррекция не обеспечивает достаточной точности в связи с тем, что оператор не успевает вводить поправки на быстрые изменения параметров, особенно давления.

Для повышения точности измерения в некоторых случаях используют два лазера или лазер, работающий на двух достаточно разнесенных длинах волн одновременно. Пропуская два таких луча через одни и те же плечи интерферометра, можно оценить показатель преломления среды, внести соответствующую коррекцию и в некоторых случаях на два порядка повысить точность измерения. Однако такая система оказывается весьма дорогой и во многих случаях неприемлемой.

Целью изобретения является создание устройства, обеспечивающего точность измереПИЯ перемещения до значений порядка 0,05 MKMJM при использовании наиболее простых элементов и сохранении стоимости на том же уровне, что и для устройств с коррекдней по давлению или температуре. Предлагаемое устройство отличается от из- 5 вестного тем, что интерферометр имеет дополнительное измерительное плечо, длина которого и длина основного измерительного плеча различна на постоянную величину Это отличие позволяет повысить точность 0 измерения путем коррекции по показателю преломления среды. На чертеже изображена принципиальная схема предлагаемого устройства. Луч от лазера / расщепляется полупрозрачной пластинкой 2 на два пучка. Первый пучок, в свою очередь, расщепляется призмой - куб 3 на луч эталонного плеча, включающего зеркало 4, и луч основного измерительного плеча длиной /, включающего зер- 20 кало 5. Аналогично второй пучок расщепляется призмой - куб 6 на луч индентичного эталонного плеча, включающего зеркало 7, и луч дополнительного измерительного плеча длиной (/+/i), включающего зеркало 8. Зеркало 7 и 8 при этом жестко закрепляют на перемещающемся столике, так что I меняется, а /i остается постоянным. Интерференционная картина, возникающая при сбивании луча эталонного плеча с лучом измерительного плеча, регистрируется двумя фотоприемниками 9 и 10, картина же от луча другого эталонного плеча и луча дополнительного измерительного плеча может регистрироваться одним фотоприемником 11. Лазер, эталонные плечи интерферометра и фотоприемники (обычно с предусилителями) размещены на неподвижной станине. Электрические сигналы с фотоприемников направляются в систему преобразования вы- ходного сигнала, включающую в себя следующие основные элементы: логическую ячейку 12, определяющую направление счета; реверсивный счетчик 13 с системой пересчета числа полос в линейные величины, цифровое табло 45 14, блок коррекции 15 и устройство 16 для оценки текущего значения общей длины основного измерительного плеча. Работает предлагаемое устройство следующим образом. При перемещении столика с зеркалами 5 и S в направлении х длина дополнительного измерительного плеча и основного измерительного плеча изменяется, что приводит к смещению интерференционных полос, регистрируемых и пересчитываемых, например, в микроны счетчиком 13. Поскольку длина дополнительного измерительного плеча изменяется на такую же величину, как и длина основного измерительного плеча, в блоке кор- 0 рекции 15, сравнивающем сигналы от основного и дополнительного измерительных плеч, не вырабатывается никакого сигнала. Если же изменяется показатель преломлеНИИ среды, то оптическая длина дополнитель- 65 50 ного измерительного плеча меняется больше, чем длина основного измерительного плеча, поскольку дополнительное плечо на величину /i больше, чем основное плечо. Это вызывает различие в числе полос, регистрируемых по основному и дополнительному каналам. Это различие и используется в блоке 15 для выработники сигнала коррекции. Однако такой сигнал не может быть прямо использован для коррекции пересчета числа полос в счетчике 13, поскольку длина / может меняться на большую величину (обычно до 1-2 ж). При этом начало рабочего отсчета и нулевые показания счетчика могут быть выбраны при любом положении столика, в то время, как умножать на откорректированное значение цены полосы (или пересчитывать любым другим упрош;енным методом) необходимо число полос, соответствуюндее полному расстоянию ;. Поэтому код коррекции должен изменяться пропорционально расстоянию I, что и достигается путем введения устройства 16 для оценки текущего значения длины измерительного плеча. Для такой оценки может быть использовано число полос, регистрируемое по основному каналу. Тогда коррекция может быть произведена с весьма высокой точностью. Однако в связи с тем, что при возможном перемещении столика с выключенным счетчиком информация об этом перемещении по данному каналу не поступает, такой режим работы возможен только при непрерывном процессе измерения и при предварительном вводе исходного значения /. Поэтому может быть целесообразным использование более грубого отсчета перемещения, например путем счета числа оборотов ходового винта, перемещающего столик. Точность оценки / порядка 0,1 лш достаточна для внесения коррекции с точностью 0,01 мкм. Для больщинства практических задач этого вполне достаточно. Таким образом, в предложенном устройстве вручную можно вводить исходное значение длины волны в данных условиях и длину измерительного плеча. Далее в процессе измерения коррекция осуществляется автоматически. Точность коррекции, вносимой с помощью предложенного устройства, ограничивается относительными смещениями зеркал 5 и 8, которые могут иметь место при тепловой деформации столика, на котором они неподвижно закреплены. Однако массивный корпус столика имеет большую тепловую инерцию, и его температура меняется значительно медленнее температуры воздуха. Кроме того, столь точные измерения вообще целесообразны лишь при очень малых колебаниях температуры, и поэтому в помещении, где производятся измерения, почти во всех случаях работает система стабилизации температуры с точностью порядка 0,1°С. Следует также учитывать, что в случае необходимости li может поддерживаться с помощью установки отражателей на моноблоке, изготовленном из материала с малым коэффициентом термического расширения, например из ситалла.

Предложенное устройство может быть выполнено в различиых модификациях: с использованием одночастотного или двухчастотного лазеров; с прямой или изогнутой траекторией луча в измерительных плечах; с отражателями различного типа; с частичным совмещением пути луча в основном и дополнительном измерительном плечах при использовании поляризационных характеристик и т. д. Это обеспечивает достаточно широкую область применения таких устройств.

Предмет изобретения

Устройство для измерения перемещения объекта, содержащее источник когерентного света, интерферометр, имеющий эталонное и измерительное плечи, и систему преобразоваиня выходного сигнала с интерферометра, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, интерферометр имеет дополнительное измерительное плечо, длина которого и длина основного измерительного плеча различны на постоянную величину.