ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Советский патент 1973 года по МПК G01B11/00 

1

Изобретение отнаоится к области измерительной техники, 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 преобразовывают оптико-акустическим узлом в два KoreipeHTHbix монохроматических потока, связывают оптический узел с измеряемым объектом и по интерференции потоков судят о результатах контроля.

Однако точность измерения известным способо.м недостаточна из-за нестабильности соотношения параметров каналов.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Для этого монохроматическое излучение направляют ,на ультразвуковой оветомодулятор, один из потоков после светомодулятора направляют на фотопрИемник, а другой через полупрозрачное зеркало - на отражающий элемент и фотоприемник.

Таким образом, в предлагаемом спо.собе используется один одпочастотпый стабилизированный лазер. Это позволяет получить исходную оптическую частоту с предельно достижимой стабильностью. Формирование интерферирующих нучков с различными оптическими частота.ми осуществляется посредством дифракции излучения лазера на акусто-оптическом модуляторе, расположенном вне резонатора лазера. Акусто-оптический модулятор представляет собой оптически прозрачное тело, например, из фотоупругого кристалла (плавленого кварца, ниобата линия и других), -в ко-, тором возбуждается бегущая ультразвуковая волна. В результате дифракции света на ультразвуке на выходе акусто-оптического модулятора возникают дифрагированные световые пучки - порядки дифра.кционного спектра, оптические частоты которых отличаются от частоты прямого недифрагированного- пучка на величину, кратную частоте ультразвуковой

волны. .

Иа фиг. 1 представлена схема, поясняющая дифракцию света на ультразвуке; на фиг. 2-- одноканальная схема осуществления интерференционного способа измерения величины перемещений; на фиг. 3 - .то же, двухканальная схема.

Сущность предлагаемого способа- -заключается в следующем.

При освещении бегущей ультразвуковой

волпы, распространяющейся в упругой прозрачнои среде, параллельным пучком монохроматического светового потока, возникает явление дифракции, схематически представленное на фиг. 1. Световая волна 0 - амплитуда, v - частота, в виде параллельного пучка 1 апертуры L освещает бегущую гармоническую ультразвуковую волну 2 частотой 1, распространяющуюся в оптически прозрачной упругой среде по оси У. В результате фазовой модуляции световой волны на вариациях показателя преломления среды, (вызываемых упругой волной 2, на выходе 43 нее возникает несколько параллельных световых пучков, распространяющихся под различными углами к первоначальному направлению света (оси Х. Эти пучки являются порядками спектра ди|фракции света на ультразвуке. Учитывая, что интенсивность ультразвуковой волны достаточно мала, можно ограничиться нулевым плюс-минус первым порядками. Нулевой порядок сохраняет первоначальное направление пучка 1, пучки плюс первого и минус первого порядков направлены яод углами , XX Пг + Y -1 -Т к оси X соответственно, где Я - длина световой волны, Л - длина ультразвуковой волны. Один из дифракционных порядков используется в качестве сигнального пучка интерферомецрЗ) оптическ-ая длнна его пути изменяется в соответствии с контролируемым перемещением:, а другой - в качестве опорного -пучка, -оцтическая длина пути которого неизМерна-. В качестве интерферирующих можно щб«рат- любую п-ару пучков из дифракционЛ0гс( сп&ктра.. При этом за сигнальный предпочтите ьйее принимать пучок, обладающий «аибольшей инТенси1вно ;тью, т. е. нулевого порядка. На фиг. 2 и фиг. 3 представлены различные Эарнааты осуществления способа. Фиг. 2 илД1ОсТ;рирует одноканальный вариант осуществдения спосойа при котором интерферируют ручкн нулевого и -{- 1 порядков. Источник света - стабилизированный лазер 1 освещает куетич кий модулятор, в котором расррострайяется бегущая ультразвуковая волна. лн возбуждается в модуляторе 2 ньезоизлучателем 3 от электронного генератора 4 и йоглощ-ается поглотителем 5. Если освещающий -вучок 6 наклонен -к фронту ультразвуКдаОЙ ВОЛЙЫ под углом fй -И ВЫПОЛ2 л нябтся условие 1 - то вследствие так и-З-зываемой брэ-гговской дифракции света на ультразвуке и дифракционном спектре солержатсз только цучки нулевого и плюс первого торядка. Нулевой порядок, являясь сигнальным пучком 7, проходит через полупрозрачное зеркало 8 и направляется на подвижный отражатель 9, перемещающийся в процессе измерения. Отразившись от отражателя 9 сигнальный пучок 7 возвра1Щается назад после отражения от зеркала 8, падает па приемную поверхность фотоприемника 10. Плюс первый дифракционный порядок, представляющий собой опорный пучок 11, на поверхности фотоприемника 10 интерферирует с сигнальным. Сигнал с фотоприемника 10 поступает на вход усилителя 12. Измерение фазы сигнала, пропорциональной перемещению подвижного зеркала 9, и счет числа фазовых циклов, соответствующих изменению фазы на 180°, осуществляется известными фазометричесхими способалш. Опорным электрическим сигналом при измерении фазы сигнала может служить сигнал с выхода генератора 4 ультразвуковых колебаний. Для случая, когда спектр дифракции света на ультразвуке симметричен, имеются как положительные, так и отрицательные дифракционные порядки, реализуется двухканальная схема осуществления способа (фиг. 3). Такой случай имеет .место при рамаиовской дифракции света на ультразвуке, когда освещающий пучок направлен строго нормально к направлению бегущей ультразвуковой волны и фиг. 3 позиции с 1 по 12 полностью повторяют элементы, указанные на фиг. 2. Как и в предыдущем случае, сигнальным пучком 7 является пучок нулевого порядка, который разделяется на полупрозрачном зеркале 8. Часть пучка 7, прошедшая через зеркало 8, направляется на подвижное зеркало 9 и, отразившись от него, а затем от зеркала 8, попадает на фотоприемник 10, где интерферирует с пучком плюс первого порядка дифракции. Последний является опорным пучком 11 и его интерференция с сигнальным пучком 7 позволяет выделить измерительный сигнал описанным выше образом. Наличие .минус первого порядка в спектре дифракции, оптическая частота которого равна (v - /), т. е. сдвинута тоже на величину ультразвуковой частоты, позволяет, получить опорный сигнал также фотоэлектрическим путем. Это достигается тем, что часть пучка нулевого порядка, отраженная от полупрозрачного зеркала 8, интерферирует с минус первым дифракционным порядком - пучком 13 на фотоприемнике 14. Так как разность оптических частот интерферирующих пучков равна /, то на выходе избирательного усилителя 15, настроенного на эту частоту, выделяется опорый гармонический сигнал. Измерение фазы сигнала, пропорциональой перемещению, осуществляется известныи фазометрическими способами посредством равнения его с опорным сигналом.

Предмет изобретения

Интерференционный способ измерения величины линейных н угловых перемещений, заключающийся в том, что монохроматическое излучение преобразовывают оптико-акустическим узлом в когерентные монохроматические потоки различной частоты, один из которых направляют на подвижный отражательнын элемент оптического узла, который связывают с перемещающимся объектом, и по соотногнеH1IIO фаз сьгнлпов, выделенных в ноле интерференции когерентных потоков, судят о результатах измерения, отличающийся тем, что, с целью новышення точности измерения, монохроматическое излучение направляют на ультразвуковой светомодулятор, один из потоков носле светомодулятора - на фотоприем ник, а другой через полупрозрачное зеркало - на отражаюощй элемент н фотопр1 смник.

-;

Uu3Mf-t)

I 9

fpiii Z

Перемещение

Van It)