Интерференционное устройство для измерения перемещений

Интерференционное устройство для измерения перемещений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ по авт.-св. № 911142, отличающееся тем, что, с целью повьшения точности и расширения диапазона измерений, оно снабжено вторым измерительным каналом, содержащим третий фотоприемник, второй электромеханический преобразователь, выполненный с дифференциальным входом , подключенным к выходам первого и второго фотоприемников и с двумя кинематически связанными зеркальносимметричными выходами, две поворотные , платформы, связанные с выходами второго электромеханического преобразователя, две Т-образные пластины одинаковой толщины, установленные на платформах в ходе лучей компенсационного и первого измерительного каналов и одного из плеч второго измерительного канала симметрично относительно плоскости, равноотс тоящей от осей поворота платформ и перпендикулярной к проходящим через нее лучам, две П-образные пластины, каждая из которых установлена со стороны стойки соответствующей Т-образной пластины в ходе лучей другого плеча второго измерительного канала, Т-образные пластины вьшолнены с одинаковыми по высоте ступеньками, расположенньми на одном из торцов в ходе лучей одного из плеч первого измерительного канала, оси поворотов платформ расположены в плоскостях ступенек соответствующих Т-образных пластин на пересечении ступенек с проходящим через них пучком лучей, усеченный двугранньй отражатель вьшолнен общим для компенсационного и второго измерительного каналов, датчик нуля вьшолнен с дифференциальным входом подключенным к выходам первого и второго фотоприемников , первый фотоприемник выполнен с дополнительным фотодатчи30 ком, а блок регистрации вьтолнен с :о двумя счетными входами, один из которых связан с выходом третьего фотоприемника , а второй - с вторым выходом первого фотоприемника.

СООЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

3(5D 01 В 11/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 911142 (21) 3306617/18-28 (22) 18.06.81 (53) 531. 715. 1 (088. 8) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬГГИЙ (46) 30. 03. 84. Бюл. В 12 (72) В.И. Гуляев и Л.А. Чуча (54)(57) ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ по авт;св. У 911142, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измерений, оно снабжено вторым измерительным каналом, содержащим третий фотоприемник, второй электромеханический преобразователь, выполненный с дифференциальным входом, подключенным к выходам первого и второго фотоприемников и с двумя кинематически связанными зеркальносимметричными выходами, две поворотные. платформы, связанные с выходами второго электромеханического преобразователя, две Т-образные пластины одинаковой толщины, установленные на платформах в ходе лучей компенсационного и первого измерительного каналов и одного из плеч,Л „„1083070 А второго измерительного канала симметрично относительно плоскости, равноотстоящей от осей поворота платформ и перпендикулярной к проходящим через нее лучам, две П-образные пластины, каждая из которых установлена со стороны стойки соответствующей Т-образной пластины в ходе лучей другого плеча второго измерительного канала, Т-образные пластины выполнены с одинаковыми по высоте ступеньками, расположенными на одном из торцов в ходе лучей одного из плеч первого измерительного канала, оси поворотов платформ расположены в плоскостях ступенек соответствующих Т-образных пластин на пересечении ступенек с проходящим через них пучком лучей, усеченный двугранный отражатель выполнен общим для компенсационного и второго измерительного каналов, датчик нуля выполнен с дифференциальным входом подключенt ным к выходам первого и второго фотоприемников, первый фотоприемник выполнен с дополнительным фотодатчиком, а блок регистрации выполнен с двумя счетными входами, один из которых связан с выходом третьего фотоприемника, а второй — с вторым выходом первого фотоприемника.

070 1 эанные с выходами второго электромеханического преобразователя, две

Т-образные пластины одинаковои толщины, установленные на платформах в ходе лучей компенсационного и первого измерительного каналов и одного из плеч второго измерительного канала симметрично относительно плоскости, равноотстоящей от осей поворота платформ и перпендикулярной к проходящим через нее лучам, две

П-образные пластины, каждая из которых установлена со стороны стойки соответствующей Т-образной пластины в ходе лучей другого плеча второго измерительного канала, Т-образные пластины выполнены с одинаковыми по высоте ступеньками, расположенными на одном из торцов в ходе лучей одного из плеч первого измерительного канала, оси поворотов платформ расположены в плоскостях ступенек соответствующих Т-образных пластин на пересечении ступенек с проходящим через них пучком лучей, усеченный двугранный отражатель выполнен общим для компенсационного и второго измерительного каналов, датчик нуля выполнен с дифференциальным входом, подключенным к выходам первого и второго фотоприемников, первый фотоприемник выполнен с дополнительным фотодатчиком, а блок регистрации выполнен с двумя счетными входами, один из которых связан с выходом третьего фотоприемника, а второй — с вторым выходом первого фотоприемника.

На фиг.t показана принципиальная схема интерференционного устройства для измерения перемещений, на фиг.2 — то же, вид сбоку; на фиг.3 светорасщепители.

Интерференционное устройство содержит источник 1 монохроматического излучения, светорасщепитель 2, плоское зеркало 3, второй светорасщепитель 4, поворотную платформу 5, компенсатор 6 оптической разности х да, установленный на платформе 7, П-образную пластину 8 и Т-образную пластину 9, укрепленную на платформе 10, П-образную пластину 11 и

Т-образную пластину 12, укрепленную на платформе 13, двугранный отражатель 14, отражатель 15 и отражатель

16, установленный на основании 17, отклоняющие зеркала 18-20, щелевые диафрагмы 21-23, первый, второй и

1 1083

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, предназначено для измерения перемещений, и может быть использовано при проведении научных исследований, например при изучении реакции биологических объектов на воздействие различных физико-химических раздражителей.

По основному авт.св. 9 911142 известно интерференционное устройство 1О для измерения перемещений, которое содержит оптически связанные источник монохроматического излучения, светорасщепитель, предназначенный для формирования параллельных пучков лучей, светаделительный блок, первый и второй отражатели и первый дифференциальный фотоприемник, образующие измерительный канал, третий отражатель, выполненный усеченным

?О двугранным, и второй дифференциальный фотоприемник, образующие компенсационный канал, компенсатор разности хода, общий для обоих каналов, поворотную платформу, несущую компенсатор разности хода, электромеханический преобразователь, скрепленный с поворотной платформой и подключенный к выходу второго фотоприемника, датчик нуля, подключенный к выходу второго фотоприемника, и блок регистрации, выполненный с дифференциальным входом, подключенным к выл ходам первого и вторoro фотоприемников, и связанный с выходом датчика нуля.

Недостатками устройства являются малый диапазон измерений и относительно невысокая точность, так как абсолютная погрешность измерений, 40 обусловленная дрейфом и флуктуациями чувствительности фотодатчиков и интенсивности источника излучения, пропорциональна абсолютному значению измеряемой величины.

Цель изобретения — повышение точности и расширение диапазона измерений.

Указанная цель достигается тем, что интерференционное устройство снабжено вторым измерительным каналом, содержащим третий,фотоприемник, второй электромеханический преобразователь, выполненный с дифференциальным входом, подключенным к выходам первого и второго фотоприемников и с двумя кинематически связанными зеркально-симметричными выходами, две поворотные платформы, свя3 10830 третий фотоприемники 24-26, первый и второй электромеханические преобразователи 27 и 28, датчик 29 нуля и блок 30 регистрации.

Отражатель 14 и фотоприемник 5

25 образуют компенсационный канал.

Отражатель 15, скрепляемый с измеряемым объектом 31, размещаемым на основании 17, отражатель 16 и фотоприемник 26 образуют первый измерительный канал.

Отражатель 14, Т-образные пластины 9 и 12, укрепленные на платформах

10 и 13, и фотоприемник 24 образуют второй измерительный канал. 5

Светорасщепители 2 и 4 выполнены в виде плоскопараллельных пластин, на каждую из граней которых нанесено отражающее покрытие, при этом светорасщепитель 4 выполнен со ступенька- ми для образования двух интерференционных картин, смещенных относительно друг друга на Л/2 во втором измерительном канале, на Т вЂ” в компенсационном канале и на Jl и Л /2 — в первом измерительном канале. Необходимое смещение достигается соответствующим поворотом платформы 5 с укрепленными на ней плоским зеркалом

3 и светорасщепителем 4. 30

Каждая из платформ 5,7,10 и 13 выполнена с возможностью поворота вокруг оси, параллельной зеркалу 3 и перпендикулярной оптической оси источника 1.

Компенсатор 6 оптической разности хода выполнен в виде ромбической призмы с острым углом равным 45 .

Каждая из Т-образных пластин 9 и

12 выполнена со ступенькой в ходе 40 лучей одного из плеч первого измерительного канала, обеспечивающей при поворотах платформ 10 и 13 изменение разности хода в этом канале на величину, пропорциональную высоте 45 ступеньки.

Отражатель 14 является общим для компенсационного и второго измерительного каналов и выполнен усеченным двугранным. 50

Фотоприемник 24 состоит из двух фотодатчиков, смещенных по фазе относительно друг друга на Л /2, и подключен к счетному входу блока

30 регистрации. 55

Фотоприемник 25 состоит из двух . парных фотодатчиков, включенных по балансной схеме и смещенных отно70 4 сительно друг друга по фазе на JI и подключен к датчику 29 нуля, элен" тромеханическим преобразователям

27 и 28 и к дифференциальному входу блока 30 регистрации (подключение к дифференциальному входу блока 30 регистрации на фиг.1-2 не показано).

Фотоприемник 26 состоит из трех фотодатчиков, последовательно смещенных относительно друг друга по фазе на Л /2. При этом фотодатчики, смещенные на Л образуют первый (дифференциальный) приемный канал, выход которого подключен к датчику

29 нуля, электромеханическому преобразователю 28 и дифференциальному входу блока 30 регистрации (подключение к дифференциальному входу блока 30 на фиг.1-2 не показано) а фотодатчики, смещенные по фазе на Р /2, образуют второй . (счетный) приемный канал, выход которого подключен к второму счетному входу блока 30 регистрации. Введение второго приемного канала обеспечивает определение целого порядка интерференционной полосы и позволяет исключить просчет целого числа полос при быстром изменении разности хода, вызывающем кратковременный срыв слежения, т.е. позволяет отличать быстрое приращение длины измеряемого объекта от воздействия вибраций.

Датчик 29 нуля выполнен с дифференциальным входом, связанным с выходом фотоприемника 25 и с первым выходом фотоприемника 26, подключен к блоку 30 регистрации и предназначен для автоматического выделения результатов измерений, соответствуют щих нулевой разности сигналов рассогласования с фотоприемника 25 и первого выхода фотоприемника 26.

Электромеханический преобразователь 28 выполнен с дифференциальным входом, связанным с выходом фотоприемника 25 и первым выходом фотоприемника 26, и двумя кинематически связанными зеркально-симметричными выходами, связанными с поворотными платформами 10 и 13. Использование двух кинематически связанных платформ 10 и 13 с взаимно противоположными направлениями угловых перемещений исключает боковое смещение лучей при повороте платформы. Так как действие дестабилизирующих факторов вызывает одинаковые

1083070 по величине изменения сигналов на выходе фотоприемника 25 и первом выходе фотоприемника 26, выполнение электромеханического преобразователя с дифференциальным входом допускает угловые перемещения платформ 10 и 13, связанные только с компенсацией разности хода, обусловленной перемещением отражателя 15. При этом поворот платформ 10 и 13 обеспечивая ком- 10 пенсацию разности хода, обусловленную перемещением отражателя 15. не приводит к изменению разности хода в компенсационном канале, т.е. не вызывает изменения сигнала на выходе фотоприемника 25, так как,через

Т-образные пластины проходит каждый из интерферирующих пучков компенсационного канала.

Отражатели 15 и 16 целесообраз- 20 но выполнять двугранными.

Блок 30 регистрации выполнен с возможностью реверсивного счета целого числа интерференционных полос и регистрации дробной части полосы, например, с использованием тригонометрического преобразования на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ).

П-образные плоскопараллельные пластины 8 и 11 компенсируют разность 30 хода, вносимую Т-образными пластинами во втором измерительном канале.

Устройство работает следующим образом.

Пучок излучения источника 1 падает на светорасщепитель 2, который делит его на три параллельных друг другу пучка. Зеркало 3 направляет пучки в светорасщепитель 4, который делит каждый пучок на два параллельных друг другу пучка. Пучки лучей, падающие на двугранный отражатель

14, образуют компенсационный и второй измерительный каналы. Пучки лучей, падающие на отражатели 15 и 45

16, образуют первый измерительный канал. При обратном ходе лучей светорасщепитель 4 объединяет попарно пучки лучей, с образованием трех интерференционных картин, а отклоняющие зеркала 18-20 направляют их на фотоприемники 24-26 соответственно.

Поступательное смещение отражателя 15, обусловленное воздействием измеряемого объекта 31, изменяет разность хода интерферирующих пучков в первом измерительном канале, что вызывает перемещение полос на чувствительной площадке фотоприемника

26 и следовательно, появление на его первом выходе электрического сигнала рассогласования, пропорционального смещению отражателя 15.

Сигнал рассогласования приводит в действие электромеханический преобразователь 28, который разворачивает платформы 10 и !3 с установленными на них Т-образными пластинами в положение, обеспечивающее уменьшение сигнала рассогласования до нуля, компенсируя тем самым разность хода. обусловленную перемещением измеряемого объекта. Одновременно с этим поворот платформ 10 и 13 вызывает изменение разности хода интерферирующих пучков во втором измерительном канале, и обусловленное этим перемещение полос интерференционной картины на чувствительной площадке фотоприемника 24, а следовательно, появление на его выходе электрического сигнала, пропорционального величине смещения отражателя 15 и фиксируемого блоком 30 регистрации.

Если толщина Т-образной пластины больше высоты ступеньки в N раз, то разность хода интерферирующих пучков во втором измерительном канале, вносимая поворотом платформ

10 и 13, больше компенсируемой разности хода, обусловленной смещением отражателя 15, в такое же число раз. Таким образом, реализуется измерение дробной части интерференционной полосы, равное Д /N, где дробная часть полосы, реализуемая, например, тригонометрическим преобразованием.

Изменение разности хода интерферирующих пучков в компенсационной канале, обусловленное влиянием дестабилизирующих факторов среды, вызывает перемещение полос на чувствительной площадке фотоприемника

25, а следовательно, появление на г его выходе электрического сигнала рассогласования. Сигнал рассогласования приводит в действие электромеханический преобразователь 27, который разворачивает платформу

7 с установленным на ней компенсатором 6 оптической разности хода в положение, обеспечивающее уменьшение сигнала рассогласования до нуля. Так как воздействие дестабилизирующих факторов вызывает одинако10830

7 вую разность хода во всех интерференцЬонных каналах, а компенсатор

6 является общим для них, то разность хода интерферирующих пучков, обусловленная воздействием дестабилизирующих факторов, компенсируется во всех каналах, при этом имеет место и компенсация практически неизбежной клиновидности Т-образных пластин, так как пучки лучей, лежа- 10 щие в одной плоскости (например, проходящие.через компенсатор 6), расположены, симметрично относительно среднего, а клиновидность является линейной величиной, то поворот плат- 15 формы. 10 вызывает одинаковые изменения разности хода во всех каналах независимо от направления клиновидности. Благодаря этому, можно использовать ступеньки практически сколь 20 угодно малой высоты, т.е. задаваться сколь угодно большим отношением толщины Т-образной пластины к высоте ступеньки. Предел определяется только нелинейностью рабочих поверхнос- 25 тей пластин.

При работе устройства в статическом режиме измерений, после предварительной установки нуля в каждом

70 8 из каналов электромеханический преобразователь 28 выключается, Счет целого числа полос обеспечивается вторым счетным каналом устройства, связанного с вторым приемным каналом фотоприемника 26. После счета целого числа полос включается электромеханический преобразователь 28, и вторым измерительным каналом устройства регистрируется дробная часть интерференционной полосы.

Светорасщепитель 2, отклоняющие зеркала 18-20, диафрагмы 21-23 и фотоприемники 24-26 жестко связаны между собой и выполнены в виде единого блока, а щелевые диафрагмы

21-23 ориентированные так, что щели диаФрагм параллельны плоскости интерферирующих пучков, целесообразно выполнять в виде одной, общей для всех интерферирующих пучков, щелевой дйафрагмы.

В отличие от прототипа погрешность измерений для предлагаемого устройства не зависит от абсолютного значения измеряемой величины.

Использование изобретения позволяет повысить точность и расширить диапазон измерений.

1083070

Редактор С. Юскр

Тираж 587 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР но делам изобретений и открытий

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 1729/37

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная,4

19

18 (1

f0 (1Ô

Ю

81

tg7

Составитель С. Грачев

Техред М.Кузьма Корректор С. Шекмар