Интерференционный измеритель перемещений Советский патент 1982 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к оптической интерферометрии и может быть использовано для измерения малых угловых колебаний и крутиз- ны амплитудной характеристики ультразвуковых и электроакустических преобразователей, в частности оптических фазовых модуляторов с пьезоэлектрическим, электромагнитным, электродинамическим, магнитострикционным и т.д. приводом.

По основному авт. св. 0877325 известен интерференционный измеритель перемещений, содержащий источник излучения, установленную по ходу светового луча интерференционную систему, включающую в себя зеркало, связываемое с исследуемым объектом, две диафрагмы и два фотоприемника, схему обработки сигналов, состоящую из двух идентичных каналов, содержащих соединенные последовательно избирательный усилитель, детектор, триггер Щмидта и дифференцирующий блок, генера7ор, отсчетный блок,, соединенные последовательно триггер, блок формирования импульсов запрета, генератор-пилообразного напряжения и электрический модулятор, предназначенный для подключения к исследуемому

о«5ъекту,, вход каждого из каналов схемы обработки сигналов подключен к соответствующему фотоприемнику, а выход - к триггеру который подключен к отсчетному блоку, а вход электрического модулятора подключен к выходу генератора 1.

Недостаток известно.го -устройства заключается в низких функциональных

10 возможностях, так .как с его помощью нельзя производить измерение крутизны амплитудной характеристики испытуемого преобразователя путем измерения лннейных перемещений отражателя.

15

Целью 11зобретения является расширение функциональных возможностей интерференционного измерителя перемещений.

Поставленная цель достигается

20 тем, что интерференционный измеритель перемещений снабжен соединенными последовательно сумматором, вторым триггером и вторым отсчетным блоком, второй вход второго триггера подключен

25 к выходу блока формирователя импульсов запрета, а каждый из входов сумматора к выходу соответствующего канала схемы обработки сигналов,

На фиг. 1 представлена схема ин30терференционного измерителя перемещений ; на фиг. 2 - временные диаграм мы напряжений. Предлагаемый интерференционный из меритель перемещений состоит из исто ника 1 излучения, установленного по ходу светового луча интерференционно системы 2, включающий в себя оптически связанные отражатель 3, первый оптический телескопический узел, составленный из длиннофокусного и ко роткофокусного объективов 4 и 5,Полу(прозрачное зеркало 6, второй оптичес кий телескопический узел составлены из короткофокусного и длиннофокусног объективов 7 и 8, третий оптический телескопически узел, составленный из короткофокусного и длиннофокусно го объективов 9 и 10 и зеркала 11, овязываемого с исследуемым объек том 12, двух фотоприемников 13 и 14 установленных на выходе интерференционной системы 2, двух диафрагм 15 и 16 соответственно, и схемы обрабо ки сигналов содержащей два избирательных усилителей 17 и 18, два детектора 19,и 20, триггеры 21 и 22 Шмидта и два дифференцирующих блока 23и 24, дифференцирующие блоки 23 24подключены к первому и второму входам триггера 25, выход которого соединен со входом отсчетного блока 26, соединенные последовательно сум матор 27 триггера 28 и отс етный блок 29, входы сумматора 27, соединены с выходами дифференцирующих бл ков 23 и 24 к третьему входу триггера 25 и к втором входу триггера 28 подключен выход блока 30 формирования импульса запрета, вход которого соединен с выводом генератор 31 пилообразного напряжения, -второ выход которого подключен к входу электрического модулятора 32, друго вход электрического модулятора 32 соединен с выходом генератора 33 мо дулирующей частоты, а выход - с исследуемым объектом 12, угловые коле I ния и крутизна амплитудной характеристики которого измеряются. Интерференционный измеритель перемещений работает следующим обра. Поток излучения от источника 1 де лится на два потока с помощью полупрозрачного зеркала 6. Полученные таким образом два потока излучения направляются в оптические телескопи ческие системы, состоящие из объективов 4, 5 и 9, 10 соответственно. Каждая из этих телескопических систем расширяет падающие на них потоки .излучения и направляет их на отражатели 3 и 1, связываемые с исследуемЕлм объектом 12. Оптическая телескопическая система, содержащая объективы 9 и 10 расширяет поток излучения таким образом, чтобы он освещал всю поверхность отражателя 11 или достаточно большой ее участок, что необходимо для обеспечения требуемой точности измерения угловых колебаний этой поверхности. Оптическая телескопическая система содержащая объективы 4 и 5 по своим параметрам аналогична системе содержащей объективы 9 и 10 и используется для выравнивания аберрационных искажений волновых фронтов обоих потоковизлучения. После отражейия от.отражателей 3 и 11 разделенные потоки излучения возвращаются в телескопические системы, содержащие объективы 4, 5 и 9, 10 соответственно, после прохождения через которые они сужаются до первоначального азмера в поперечном сечении и совмемещаются в полупрозрачном зеркале 6. Совмещенные потоки излучения направляются зеркалом 6 в третью оптическую телескопическую систему, содержащую объективы 7 и 8,которая расширяет их до тех же размеров, к оторые они имеют в плоскости отражателей 3 и 11. В интерференционной системе 2 измерителя перемещений, таким образом, применены три телескопические системы, чем обеспечивается устранение влияния отражения от второй поверхности полупрозрачного зеркала на точность измерений. Интерференционная система 2 юстируется таким образом, чтобы в плоскости точечных диафрагм 15 и 16 образовалась интерференционная картина в виде колец (полосы равного наклона ). При этом центральный максимум освещенности в интерференционной картине должен занимать практически все поле интерференции. Настройка интерференционной системы производится при отсутствии модулирующего сигнала на. выходе электрического модулятора 31. Генератор 32 модулирующей частоты вырабатывает электрическое напряжение гармонической формы с той частотой, на которой испытывается исследуемый объект 12, используемый совместно с отражателем 11 в качестве интерференционного модулятора. Напряжение с выхода генератора 32 подаетсяна электрический модулятор 31, на второй вход KOTOpdro подается сигнал от генератора 30 пилообразного напряжения. На выходе электрического модулятора 31, имеет место гармоническое напряжение, модулированное по амплитуде по пилообразному закону, которое подается далее.на исследуемый объект 12, осуществляющий совместно с отражателем 11 модуляцию разности фаз потоков излучения, интерферирующих в плоскости диафрагм 15 и 16 {фиг.2а). С помощью диафрагм 15 и 16 и фотоприемников 13 и 14 осуществляется преобразование изменений интенсивно в интенференционной картине в элект .рнческйй сигнал. Сигналы с выходов фотоприемников 13 и 14 поступают на входы избирательных усилителей 17 и 18, настроенных на частоту сигнала, вырабатываемого генератором модулирующей частоты 32. В соответствии с принципом работы двухлучевого интер ферометра, при модуляции разности фаз интерференцирующих лучей по гар моническому закону, амплитуда перво гармоники модулирующей частоты на выходе избирательного усилителя,, включенного после фотоприемника и настроенного на частоту модуляции, пропорциональна функции Бесселя пер вого рода первого порядка, т.е. для сигнала на выходе избирательного усилителя можно записать следующее соотношение J Mlj sinu-ot- (1 « т. где U - амплитудный множитель,определяемый чувствительностью фотоприемника и коэффициентом усиления из g , бирательного усилителя, 4lf-j - - функция Бесселя первого р да первого порядка от . аргумента ;tг мoд(t)(мп итyдa , колебаний от- ражателя 11, связанного с испытуемым объектом 12, изменяющаяся во времени в соответствии с законом изменения амгг литуды напряжения на вы ходе электрического модулятора 31 (фиг.2а)1 К , крутизна амплитуднрйГ ха - рактеристики исследуемог преобразователя) MOAit) - а1йш1итуда напряжения на выходе электрического I модулятора 31(фиг.2а), - длина волны излучения источника 1) модуляции, и)д - частота Как изв естно, при определенных значениях аргумента, отличных от ну ля-, функция Бесселя обращается в .нул причем при ПОСТОЯННОЙ Л указанное значение определяется только величи ной (t) что позволяет определять ее с высокой степенью точности. На выходе каждого из избирательных усилителей 17 и 18 имеет место сигнал вида (1). В случае строго поступательных движений отражателя 11 и идентичности фотоприемников 13 и 14, диафрагм 15 и 16 и избирательных усилителей 17 и 18, а также одинаковом.расположении диафрагм 15 и 16 относительно интерференционных полос, эти сигна.пы будут полностью идентичны. При неидентичности фотоприемников 13 и 14, диафрагм 15 и 16 и усилителей 17 и 21 сигналы будут отличаться только амп.1итудами и.При наличии угловых колебаг- ний отражателя 11 амплитуды его линей ых (вдоль оптической оси ) перемещений в различных точках колеблющейся поверхности будут различны. Это приведет к тому, что амплитуды сигналов на выходе избирательных усилителей 17 и 18 будут обращаться в нуль в различные моменты времени. При этом, чем меньше крутизна амплитудной характеристики исследуемого . преобразователя 12, тем через больший промежуток времгэни от начала нарастания амплитуды модулирующего сигнала на выходе электрического модулятора 31 по пилообразному закону сигналы на выходах избирательных усилителей 17 и 18 и обратятся в нуль, k чем больше амплитуда угловых колебаний отражателя 11, тем больший промежуток времени будет разделять моменты равенства ну.гао амплитуд сигналов на выходах избирательных усилителей 17 и 18. Таким образом, указанные промежутки времени служат мерой крутизны амплитудной характеристик и амплитуды угловых колебаний отражателя 11 исследуемого преобразователя 12 соответственно. С выходов избирательных усилителей 17 и 18 сигналы поступают на детекторы 19 ,и 20 соответственно.(фиг. 26 и 2 в|. С выхода детекторов 19 и 20 сигналы поступают на входы триггеров 21 и 22 Шмидта, которые осуществляют формирование напр жений прямоугольной формы в соответствии (фиг. 2г и 2д. После дифференцирования этих напряжений с помощью дифференцирующих блоков 23 и 24 получаем короткие импульсы, соответствующие моментам времени, в которые амплитуды сигналов на выходах избирательных усилителей 17 и 18 равны нулю. Эти импульсы подаются далее на входы сумматора 27, ас его выхода на один из раздельных входов триггера 28. На другой вход триггера 28 подается сигнал с выхода блока 30 формирования импульсов запрета, соответствующий-обратному ходу пилообразного напряжения (фиг. 2ж). . Таким образом, с началом нарастания напряжения на выходе электрического модулятора 32 по пилообразному закону триггер 28 устанавливается в- одно из устойчивых состояний, а при равенстве нулю одного из сигналов на выходах избирательных уси лителей 17 или 18 переводится в другое устойчивое состояние, т.е. на выходе триггера 28 формируется импульс напряжения, начало которого совпадает с начгшом нарастания мод лирующего напряжения на выходе эле трического модулятора 32 по пилообразному закону, а окончание - с моментом равенства нулю одного из сигналов на выходах избирательных усилителей 17 или 18,или обоих одновременно (фиг. 2э). Полученный импульс измеряется с помощью отсче ного блока 29, в качестве которого может быть использован например,ци ровой измеритель временных интерва лов. Измеренное значение длительности импульса на выходе триггера |28 связано с крутизной амплитудной характеристики К исследуемого преобразователя следующим соотношением ./Т, , (ц;; где Л - длина волны источника излучения 1 ; у - первый корень функции Бесс ля первого рода первого порядка; MOAWuT максимальное значение ампл туды модулирующего напряже ния на выходе электрического модулятовра 32/ f Длительность прямого хода пилообразного напряжения, подаваемого на электрический модулятор 32 с генератора 31 пилообразного напряжения I Ту, - измеренная отсчетным блоком 29 длительность импульса на выходе триггера 28 (фиг. 2з). В соответствии с формулой (2)отсчетиый блок 29 может быть програду рован непосредственно в единицах измеряемой величины, т.е. крутизна амплитудной, характеристики преобразователя. С выхода дифференцирующих блоков 23 и 24 сигналы, соответствующие мо |ментам равенства нулю выходных сигналов избирательных усилителей 17 и 18, поступают так же на входы триггера 25, который первым из приходящих сигналов устанавливается в одно состояние, а вторым - возвращается в исходное. В.качестве триггера 25 может быть использован триггер с двумя счетными входами и с входной логикой, обеспечивающей отсутствие срабатывания триггера 25 при одновременном поступлении сигналов на его входы. На триггер 25 подается также сигнал с выхода блока 30 формирования импульсов запрета, соответствующий обратному ходу пилообра ного напряжения генератора 31 пило образного напряжения и исключающий срабатывание триггера 25 во время обратного хода пилообразного напряжения (фиг. 2а-2д. Таким образом, на выходе триггера 25 формируется импульс, длительность которого пропорциональна угловому отклонению отражателя 11, связанного с исследуемым дбъектом 12 (фиг. 2е Длительность этого импульса измеряется при помощи отсчетного блока 26, в качестве которого также Может быть испбльзован цифровой измеритель интервалов времени. Величина углового отклонения отражателя 11 связана с измеренной отсчетным блоком 26 длительностью импульса следующим соотношением V-liK -i li3bl - , (3) L 1-п гд;е (Ь - коэффициент увеличения оптической системы, состоящей из оптических телескопических . систем, содержащих объективы 9 и 10 и 7 и в; L - расстояние между центрами точечных диафрагм 13 и 14, Т, - длительность импульса, изме- ренная отсчетньвй блоком 26 величины К, (и„д max „ же, что ив вырс1жении (2). I ,- Таким образом, за счет использования соединенных последовательно сумматора, триггера и отсчетного блокд и их подключения, наряду с измерением угловых колебаний исследуемого преобразователя, можно производить измерение крутизны его амплитудной хара стеристики, которая является одним из основных параметров преобразователей. При зтом, для измерения крутизны используется то, что равенство нулю первой гармоники модулирующего сигнала, на выходе избирательного усилителя, подключенного к фотоприемнику имеет место при вполне определенной величине амплитуды линейных перемещений преобразователя однозначно связанной с длиной волны оптического излучателя. Тем самым обеспечивается, крайне малое влияние на результаты Измерений различных дестабилизирующих факторов, таких как посторонние вибрации и т.п., что позволяет производить измерение крутизны амплитудных характеристик преобразователей с высокой точностью, следовдтельно, расширить функциональные возможности устройства Формула изобретения Интерференционный измеритель перемещений по авт. св. № 877325, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, он снабжен соединенными последовательно сумматором,вторым триггером и вторым отсчетным блоком, второй вход второго триггера подключен к выходу блока формирования импульсов запрета, а. каждый из входов сумматора - к выходу

соответствующего канала схемы обработки сигналов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1 Авторское свидетельство СССР №877325, кл. G 01 В 21/00, 1980 fпрототип).