ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ ЛИНЕЙНЫХ И УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Советский патент 1973 года по МПК G01B9/02 G01B9/08 G01B17/00 

1

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам построения фотоэлектрических интерферометров, предназначенных для измерения величины линейных и угловых перемещений подвижных органов прецизионных металлорежущих станков, измерительных приборов и машин, систем и устройств автоматического управления.

Известен интерференционный способ измерения величины линейных и угловых перемещений, заключающийся в том, что монохроматическое излучение направляют на ультразвуковой светомодулятор, регистрируют результаты интерференции полученных на выходе светомодулятора потоков нулевого и первого порядков и по параметрам регистрации судят о величине перемещения.

Однако точность измерения известным способом недостаточна, так как при его реализации используются высокочастотные фазометры, которые без дополнительного преобразования частот имеют относительно высокую погрещность.

Целью изобретения является повышение Точности измерения.

Для этого из монохроматического излучения предварительно выделяют второй поток оптическим элементом и воздействуют им на второй ультразвуковой светомодулятор. Последний возбуждают на частоте, отличной от

частоты возбуждения первого ультразвукового светомодулятора, и регистрируют результаты интерференции потоков дифракции первого и второго светомодуляторов.

Па фиг. 1 изображена схема, поясняющая явление дифракции света на ультразвуковой волне; на фиг. 2 - схема, поясняющая одноканальный способ осуществления интерференционного снособа измерения величины перемещений; на фиг. 3 - двухканальная схема осуществления интерференционного способа измерения величины перемещений.

Монохроматическнй параллельный пучок света 1 освещает акустический модулятор 2, где распространяется бегущая ультразвуковая волна 3, возбуждаемая пьезоизлучателем 4 на частоте f.

Если освещающий пучок 1 составляет с фронтом ультразвуковой волны 3 угол фв,

1 А

удовлетворяющий условию sin фв

2 L

L

глубина звукового поля / -, где L - длина

ультразвуковой волны, А - длина световой волны, то вследствие брэгговской дифракции освещающий пучок 1 расщепляется на выходе из акустооптического модулятора на два пучка: неотклоненный пучок 5, совпадающий по направлению с освещающнм пучком и соответствующин нулевому порядку дифракции; и отклоненный пучок 6, соотвегсгвующнй пер вому порядку днфракцни.

Угол отклонения нучка 6 от первоначального нанравлення нучка 1 9 2 ц:-в ----f,

C:,s

где Слв - скорость ультразвука в среде модулятора 2, / - частота ультразвуковой волны.

Чем выше частота ультразвуковой вол1п, тем больн е нространстве1Н1ое разделение иучков О н 1-го порядков днфракций. Практически достнжимые частоты ультразвука 30- 60 МГЦ для жидкостных модуляторов 11 до 1000 МГЦ для твердотельных.

В зависимости от зиака угла падения ерв освещающего пучка на ультразвуковую волну возможны две схемы брэгговской дифракции. При положительном угле падения фл отклоиенный пучок также составляет положительный угол с фронтом акустической волны и является нлюс 1-ым порядком дифракции.

При отрицательном угле падения Цв отклоненный пучок составляет отрицательный угол с фронтом акустической волны и представляет собой минус 1-ый порядок дифракции.

Оптические частоты в плюс 1-ом и мипус 1-ом дифракционных порядках смещены относительно оптической частоты в нулевом порядке на плюс f и минус f соответственно, т. е. на величину частоты ультразвука.

Пучок света одночастотного стабилизированного лазера 7 при помощи зеркал 8 и 9 разделяется на два пучка 10 и 11 (фиг. 2). Пучок света 10, являющийся сигнальным, отражаясь от подвижной призмы 12, освещает акустооптический модулятор 13. В последнем пьезоизлучателем 14 от генератора 15 возбуждается бегущая ультразвуковая волна на частоте fi и поглощается поглотителем 16. В результате дифракции на ультразвуке пучок 10 на выходе акустоонтического модулятора 13 расщепляется па два: пучок света 17, соответствующий нулевому порядку дифракции, и пучок 18, соответствующий минус 1-ому порядку дифракции.

Пучок света 11, являющийся опорным, отражаясь от неподвижной призмы 19, освещает акустооптический модулятор 20. В последнем пьезоизлучателем 21 от генератора 22 возбуждается бегущая ультразвуковая волпа на частоте /9 и поглопхается поглотителем 23. В результате дифракции иа ультразвуке пучок И иа выходе акустооптического модулятора 20 расщепляется на два: нучок света 24, соответствующий нулевому норядку дифракции, и пучок 25, соответствующий минус 1-ому порядку дифракции.

Модуляторы 13 и 20 расположены так, что пучки 18 и 25 в пространстве за модулятором 20 совмещаются, причем пучок 18 (частично) проходит через модулятор 20 без отклонений, так как в этом случае он падает на модулятор 20 под углом Брэгга. Поле интерференции совпадающих пучков 18 и 25 воспринимается

фотоприемником 26. Фо оприемник 26 работает в режиме фотосмещепия и, так как оптические частоты интерферирующих пучков 18 и 25 различ 1ы, выделяет на своем выходе гармонический электрический сигнал, частота которого равна разности оптических частот интерферирующих пучков 18 и 25.

Р1нтерферирующие пучки пространственно совмещены, поэтому выдерживаются условия

для эффективного фотосмещения (совмещение волновых фронтов интерферирующих пучков).

В интерференционно.м поле на фотоприемнике 26 содержится переменная составляющая, частота которой равна разности оптических частот интерферирующих пучков 18 и 25, а фаза изменяется пропорционально изменению оптической длины L. При перемещении

, „ л , призмы 12 на - фаза переменной составляю2

птей изменяется на 360. Устанавливая за фотоприемником 26 избирательный усилитель, настроенный на частоту (/2-fi), можно выделить гармонический электрический сигнал,

фаза которого соответствует перемещению призмы 12.

В качестве опорного электрического сигнала используется выделеппый фильтром 27 сигнал с частотой (/2-fi) па выходе смесителя 28.

Пучок света одночастотного лазера 7 при помощи зеркал 8 и 9 разделяется на два пучка: сигнальный 10 и опорпый И (фиг. 3). Сигнальный пучок 10 проходит акустооптический модулятор 13 и, отражаясь от подвижного зеркала 29, связанного с измеряемым перемещением, проходит через модулятор 13 в том же месте звукового поля и создает дифракционный пучок 18, являющийся минус

1-ым порядком с оптической частотой (у-fi), где /) - частота генератора 15.

Опорный пучок света 11 проходит акустооптический модулятор 20 и, отражаясь от пеподвижпого зеркала 30, проходит через модулятор 20 в том же месте звукового поля. При этом возникает дифракционный пучок 25, являющийся минус 1-ым порядком дифракции с оптической частотой (у-/г), где /2 - частота геиератора 22. Пучки 18 и 25, как и на

фиг. 2, совмещены в пространстве, причем пучок света 18 проходит, не отклоняясь, модулятор 20. Фотоприемник 26, установленный в ноле интерференции лучей 18 и 25, выделяет гармоннческий электрический сигиал с частотой (/2-/i), фаза которого пропорциональна измеряемому перемещению.

Сигнальный пучок света 10, проходя модулятор 13 в прямом направлении, также подвергается дифракга-ш. В этом случае возникает нучок света 31, соответствующий нлюс 1-ому порядку дифракции с онтической частотой (Y+/I)Онорный пучок 11, падая на модулятор 20, также создает дифракционный пучок 32 плюс

Ьго норядка, но с частотой (Y+/I)Так как падающие и отраженные лучи сигнального и опорного пучков соответственно совмещены и проходят в одном и том же месте звукового поля, то пучки света, соответствующие порядкам дифракции плюс 1-ого и минус 1-ого порядков, лежат на одной оси и имеют противоположные направления. При этом совмещены пучки 18 и 25 минус 1-ых порядков дифракнии и пучки 31 и 32 плюс 1-ых порядков.

Фотоприемник 33, установленный в поле интерференции лучей 31 и 32, выделяет гармонический электрический сигнал с частотой (/2-/i). Фаза этого сигнала постоянна, так как разность хода между интерферирующими пучками 31 и 32 неизменна во времени.

Сигнал фотонриемника 33 используется в качестве опорного при измерении фазы сигнала фотоприемника 26.

Получение опорного электрического сигнала методом оптического гетеродинирования дифракционных максимумов, т. е. тем же способом, что и измерительного электрического сигнала, является преимуществом, так как позволяет существенно повысить стабильность фазометрических измерений.

Это обусловлено тем, что при этом способе фазовые нестабильности световых волн, связанные с прохождением через акустоонтический модулятор и воздущную среду, одинаково влияют на опорный и измерительный сигналы и при их фазовом сравнении взаимно компенсируются.

Предмет изобретения

Интерференционный способ измерения величины линейных и угловых перемещений, заключающийся в том, что монохроматическое излучение направляют на ультразвуковой светомодулятор, регистрируют результаты интерференции полученных на выходе светомодулятора потоков дифракции и по параметрам регистрации судят о величине перемещения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, из монохроматического

излучения предварительно выделяют второй поток оптическим элементом, воздействуют этим потоком на второй ультразвуковой светомодулятор, который возбуждают на частоте, отличной от частоты возбуждения первого ультразвукового светомодулятора, и регистрируют результаты интерференции потоков дифракции первого и второго светомодуляторов.

/-i/u порядон

/в

5 Нулебой порядок

Нулевой порядок

порядок

Фиг,-1