Интерференционный способ измерения линейных и угловых перемещений зеркальных элементов Советский патент 1980 года по МПК G01B9/02 G01P3/36 

девиация частоты, (V - скорость перемещения механического объекта, К целое число, определяемое схемой интерферометра, Л - длина волны одного из частотных компонентов двухчастотного источника); fo опорная частота, т.е. скорость огра яичена величиной Цель изобретения - расширение ди паэона скоростей перемещения в область высоких скоростей при сохранении точности измерения перемещени Указанная цель достигается тем, что преобразуют в дополнительный электрический сигнал интерференцион ную картину, сдвинутую наVg по прос ранственной фазе по отношению к упомянутой интерференционной картин определяют фазовое соотношение дополнительного и измерительного сигналов и при изменении знака указанного фазового соотношения направляю амплитудную последователь.ность изме рительного сигнала на суммирование с импульсной последовательностью опорного с последующим интегральньм накоплением полученной суммы, по которому судят о величине относительного перемещения названных зеркальных элементов. Измерение перемещения согласно предлагаемому способу производится следующим образом. Одним из известных способов разд ляют по поляризации два световых компонента двухчастотного источника разной оптической частоты, получают интерференционную картину в результате фочосмещения их после отражени от зеркальных элементов, относительное перемещение которых измеряется, извлекают опорный, измерительный и дополнительный электрические сигналы при фотоэлектрическом преобразовани излучения соответственно от источни ка света, указанной интерференционной картины и интерференционной картины, сдвинутой на /а по простран ственной фазе по отношению к указанной интерференционной картине, далее измеряют фазу измерительного сигнала относительно опорного путем вычитания и последующего интегрального накопления импульсных последовательностей, соответствукицих упомянутым сигналам, когда девиация частоты измерительного сигнала меньше частоты опорного. Мсмент превышения девиации частоты измерительного сигнала U sin 27t(fo-uf)t над величиной ча;стоты опорного сигнала определяется по знаку фазового соотнощения измерительного сигнала U и дополнительного (квадратурного - сдвинутого на четверть периода) ,.игнала и , 1гл(д-лЕ) flfiM fo-ut 0 ква сратурный сигнал гл: (t.,-дО j отстает по фазе на - от измерительного U.Sin ZTf. (.i а при fj,(tg-at) -(,д квадратурный ()-, ()t опережает измерительный сигнал 2K()t sm jct2TC()t на Ж При изменении знака фазового соотношения между дополнительньм и измерительным сигналами направляют импульсную последовательность измерительного сигнала на суммирование с импульсной последовательностью опорного сигнала с последующим интегральным получением суммы, по которой судят о величине относительного перемещения названных зеркальных элементов. Таким образом, при девиации частоты измерительного сигнала (когда fo+Af) состоян1 е реверсивного запоминающего устройства S определяется не интегральной разностью частот измерительного и опорного сигналов, а их схммой, т.е. s.jit - fidt4fodt l( t t t ° I(-VAf)dt if dt-UJvdt , ,ооо и соответствует перемешению объекта При реализации способа измерения перемещения частота опорного сигнала fo может быть выбрана произвольной, в частности такой, при которой погрешность фазовых измерений будет минимальной. При этом диапазон скоростей перемещения, поскольку он уже не определяется величиной частоты опорного сигнала, может быть произвольным, т.е. широким. На фиг. I изображена схема интерферометра для реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 - временные диаграммы сигналов электронной при девиациях допплеровской частоты в окрестности +-fo. Прибор представляет собой интерферометр Майкельсона с двухчастотньм источником 1 и содержит полупрозрачное зеркало 2, четвертьволновую пластину 3, полупрозрачное зеркало 4, неподвижный отражатель 5 и подвижный отражатель 6, связанный с механическим объектом, поляризационные фильтры 7, 8 и диафрагмы фотоприемников 9, 10 о Схема электронной обработки сиг- налов включает фотоприемник 11 опорного сигнала и, фотоприемник 12 измерительного сигнала U , фотоприемник 13 сдвинутого на четверть периода сигнала 13„ , формирователя прямоугольных сигналов 14, 15, 16, осушествляюшие клиппирование входных сигналов с фотоприемников, формирователи 17, 18 счетных импульсов на положительный перепад клиппированных сигналов блок управления коммутацией 19, сос тояние выходного сигнала которого определяется фазовым соотношением входных сигналов (либо + / либо -), блок суммирования импульсных последовательностей 20, исключающий потерю импульса при совпадении входных сигналов, электронный коммутатор 21 на два направления, реверсивный счетчик 22. Вход фотоприемника 11 через последовательно соединенные формирователи 14 и 17 соединен с одним из входов схемы суммирования 20, второй вход которой соединен с одним из выходов коммутатора 21. Выход фотоприемника 12 через последовательно соединенные формирователи 15 и 18 соединен с управляемым входом электронного коммутатора 21, управляющий вход которого соединен с выходом бло ка управления 19. Один из входов бл ка управления 19 соединен с выходом формирователя 16, вход которого сое динен с выходом фотоприемника 13. Выход схемы суммирования 20 и второ выход коммутатора 21 соединены со входами реверсивного счетчика 22. Устройство работает следующим образсм. Световое излучение двухчастотного лазера с частотой V левоциркулярно формы поляризации и частотой ijg пра воциркулярной формы поляризации раз деляется полупрозрачным зеркалом 2 на два пучка - опорный, который попадает на фотоприемник 11, на выходе которого выделяется опорный электрический сигнал &in27t{)2-)t sin2TCfotи измерительный, который после четвертьволновой пластины 3 становится комбинацией двух ли нейно-поляризованных компонентов и , ориентированс частотами ных ортогонально друг относительно, друга, и разделяется полупрозрачным зеркалом 4 на два направления: первый - к отражателю 5 и второй - к подвижному отражателю 6. Поляризационные фильтры 7 и 8 ориентированы так, что в первом пле че интерферометра (с отражателем 5) присутствует только компонент с час тотой , а во вторсм плече (с отр жателем 6) - только компонент с частотой ) . После фэтосмешения на квадратичном фотоприемнике 12 яы/ ляется сигнал u,-sin2-n: J -} -Af i sm2K() гдедf - девиация частоты, обусловленная изменением разности хода интерферирующих лучей в результате движения механического объекта,. д( В области небольших с:коростей перемещения, когда д , перемещение механического объекта, вызывающее разность фаз измерительного l и опорного UQ сигналов , определяется состоянием реверсивного счетчика 22, на инверсные входы которого поступают сформированные импульсные сигналы после схем 14, 17 и 15, 18 соответственно, т.е. поступление сигналов происходит как в известном :зпособе. Чтобы не происходило неверное накопление импульсных сигналов . измерительного канала в области скоростей, когда , т.е. т.1 (интервал времени t, t на фиг.2), поступление импульсной измерительной последовательности на положительный вход реверсивного запоминающего устройства прекращается и производится суммирование этой последовательности с опорной импульсной последовательностью, которая поступает на вычитающий вход реверсивного запоминающего устройства. С учетом этого при девиации частоты Af измерительного сигнала, большей по величине частоты опорного (Ед-Afl -fo+Af, состояние реверси.вного запс инающр-го устройства s.}|f - fldt+ ( Jvm соответствует перемещению объекта. В схеме обработки электрических сигналов (фиг.1) коммутатор 21 прерывает поступление импульсных сигналов 40 измерительного канала к суммис31рующему входу счетчика 22 и направляет их к схеме 20 для су 11мирования с импульсной последовательностью опорного канала. Для определения момента, когда девиация частоты измерительного сигнала будет больше fp, производится вьаделение дополнительного сдвинутого на четверть периода по отношению к измерительному электрического сигнала размещением дополнительного фотоприемника 13 в поле указанной интерференционной картины. Величина сдвига тс/2 между электрическими сигналами обеспечивается ориентировкой диафрагмы 9 и 10. Полученный в результате преобразования сигнал -,(rg-uf)t I I отстает по фазе на тм/2 от сигнала и., (см.фиг.2, временные диаграммы и и Uj для времени t t и ) при fo-uf 0, а при f(., (интервал вр&леня , и ,) сигна.п и,-- (5 5)1 - f . г-л ( {„ опережает сигнал (-л)1 ( 7Г/2По результатам измерения фазового соот ношения сигналов и и U (в интервале времени (fc,, tg на фиг.2) происходит изменение выходного сигн ла блока управления 19, который управляет схемой 21, подключающей измерительную последовательность импульсов - ко входу схема 20. Тем самым осуществляется поступлени и опорных и измерительных импульсны последовательностей к вычитающему входу реверсивного счетчика 22. Формула изобретения Интерференционный способ измерения линейных и угловых перемещений зеркальных элементов, заключающийся в разделении по поляризации двух компонентов и источника света разно оптической частоты, получении интерференционной картины в результат наложения этих компонентов после отражения от зеркальных элементов, преобразовании излучения от источни ка счета и от интеЕ)ференционной Кар ины соответственно в опорный и измерительный электрические сигналы, из которых формируют опорную и измерительную последовательности импульсов и получении разности числа импульсов этих последовательностей, отличающийс я тем, что, с целью расширения диапазона скоростей измеряемого перемещения в . область высоких скоростей при сохранении точности измерения перемещения, полученную интерференционную картину сдвигают по пространств.енной фазе на Va., преобразуют в дополнительный электрический сигнал, определяют фазовое соотношение между дополнительные и измерительным сигналами и ПРИ изменении знака указанного фазового соотношения суммируют число импульсов измерительной последовательности с числом импульсов опорной, а по результату суммкрования судят о величине относительного перемещения зеркальных элементов. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент Великобритании №.1292902, G 01 В 9/02, 1972. 2.Патент США № 3656853, G 01 В 9/02, 1972 (прототип).

Выход блока 16

()

Выход блока 15

(U,)

Выход блока 19

Счетные импульсы измерительHCkTO сигнала (блока 18)

dUtф

sr

j:(i)

Фиг. 2