Способ измерения линейных перемещений и устройство для его осуществления

Способ измерения линейных перемещений и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является увеличение информативности за счет одновременного измерения составляющих перемещения по трем координатам. В качестве информативного сигнала используется волна излучения со сферическим фазовым фронтом, формируемая точечным источником 1 когерентного излучения, связанным с контролируемым объектом. Устройство реализует обработку информативного сигнала на основе критерия максимального правдоподобия, что позволяет получить оптимальную оценку составляющих перемещения при параксиальном приближении волны излучения согласно соотношениям, приведенным в тексте списания. Весовые коэффициенты С<SB POS="POST">10</SB>,С<SB POS="POST">11</SB>,...,С<SB POS="POST">30</SB> являются постоянными величинами, не зависящими от входных сигналов, т.е. информативный сигнал является фазовым и его амплитуда не зависит от оцениваемых параметров, которые в этом случае существенно неэнергетические, что позволяет определить весовые коэффициенты С<SB POS="POST">10</SB>, С<SB POS="POST">11</SB>..., С<SB POS="POST">30</SB> заранее. Поток излучения от точечного источника 1 когерентного излучения делится оптическим делителем 3 на три пучка равной амплитуды. Фазовый транспарант 2, амплитудные транспаранты 7 и 8 и обусловленные ими оптические связи реализуют производные от информативного сигнала, линза 9 реализует пространственное интегрирование. Нормирующие усилители позволяют учесть весовые коэффициенты С<SB POS="POST">10</SB>, С<SB POS="POST">11</SB>,..., С<SB POS="POST">30</SB> при обработке информативного сигнала, преобразованного в электрический фотоприемниками 10, 11, 12. Сумматоры 25, 26 и 27 и обусловленные ими связи позволяют смоделировать алгоритм обработки. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1522028 А1 д11 4 С О1 В 11/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Ю

Щ

Ь3

4Р

3©

Об

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21 ) 4349562/24-28, 4339464/24-28 (22) 09. 11. 87 (46) 15 ° 11.89. Бюл. " 42 (72) В.И.Щербак, В.M.Гомоюнов и А.Б.Внуков (53) 531.7 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР и 1173177, кл. G 01 8 11/00, 1985. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕИЕЩЕНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является увеличение информативности за счет одновременного измерения составляющих перемещения по трем коордиР

2 натам. В качестве информативного сйгнала используется волна излучения со сферическим фазовым фронтом, формируемая точечным источником 1 когерентного излучения, связанным с контролируемым объектом. Устройство реализует обработку информативного сигнала на основе критерия максимального правдоподобия, что позволяет получить оптимальную оценку составляющих перемещения при параксиальном приближении волны излучения согласно соотношениям, приведенным в тексте описания.

Весовые коэффициенты С„,С„,...,С явля- ются постоянными величинами, не зависящими от входных сигналов, т.е. информативный сигнал является фазовым

1522028

10 и его амплитуда не зависит от оцениваемых параметров, которые в этом случае существенно неэнергетические, что позволяет определить весовые коэффициенты,, С„,...,С„ заранее. По5 ток излучения от точечного источника

1 когерентного излучения делится огтическим делителем 3 на три пучка равной амплитуды. Фазовый транспарант 2, амплитудные транспаранты 7 и 8 и обусловленные ими оптические

4 связи реализуют производные от инфорI мативного сигнала, линза 9 реализует пространственное интегрирование. Нормирующие усилители позволяют учесть весовые коэффициенты C„, С„,...,С, при обработке информативного сигнала, преобразованного в электрический фотоприемниками 10,11,12. Сумматоры 25, 26 и 27 и обусловленные ими связи позволяют смоделировать алгоритм оЬработки, 2 с.п. Ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений в производстве различных обьек- 20 тов.

Цель изобретения — увеличение информативности за счет одновременного измерения составляющих перемещения по трем координатам.

На чертеже представлена функциональная схема устройства, реализующего способ.

Устройство, реализующее способ, содержит точечный источник 1 когерент30 ного излучения (ИКИ), связанный с контролируемым объектом, установленные по ходу излучения фазовый трансХо порант 2 с пропусканием ехр -jK(— X+

2 о

+ — Y), частично отражающие поворот2 ные зеркала 3 и 4 и полностью отражающее поворотное зеркало 5„ развернутые относительно направления излучения на углы соответственно 8,, 6, 8>, амплитудный транспорант 6 с пропусканием вдоль координаты Х по закону PX и амплитудный транспорант 7 с пропусканием вдоль координаты У по закону

РУ, установленные по ходу потоков излучения, отраженных от поворотных зеркал 3 и 4 (первый и второй пучки излучения соответственно), фокусирующую линзу 8, установленную в попереч- 0 ном сечении первого и второго пучков потока излучения, отраженного от поворотного зеркала 5 (третьего пучка), три фотоприемника 9- 11, установленные в плоскости регистрации так, что на их фоточувствительных поверхностях фокусируются первый, второй и третий пучки излучения, три предварительных

I усилителя 12 — 14, соединенные последовательно с фотоприемниками 9 - 11 и имеющие передаточную характеристику, пропорциональную корню квадратному из величины входного сигнала, девять усилителей 15 - 23 взвешивания с передаточными характеристиками,пропорциональными. весовым коэффициентам

С;, при этом входы первых трех усилителей 15 - 17 взвешивания соединены с выходом предварительного усилителя 12, входы вторых трех усилителей

18, 19 и 20 взвешивания - с выходом предварительного усилителя 13, а входы третьих трех усилителей 21 - 23 взвешивания — с выходом предварительного усилителя 14, три трехвходовых сумматора 24 - 26 и три нормирующих усилителя 27 - 29, соединенные последовательно с сумматорами 24 - 26, при этом выходы усилителей 15, 18 и 21 взвешивания соединены с входами первого сумматора 24, выходы усилителей

16, 19 и 22 взвешивания - с входами второго сумматора 25, выходы усилителей l7, 20 и 23 взвешивания - с входами третьего сумматора 26, а выходы нормирующих усилителей 27, 28 и 29 являются выходами устройства.

СпосоЬ измерения заключается в следующем.

Формируют с помощью источника излучения, связанного с контролируемым объектомт волну излучения со сферическим фазовым Фронтом. BblllollHRIOT. пространственную Фазовую модуляцию волны. Разделяют в пространство модулированную по фазе волну на три пучка равной амплитуды. Иодулируют по амплитуде первый пучок вдоль координаты Х по закону РХ, второй пучок - вдоль координаты Y по зако1522028 (е, в1 — „1

Ь гд " е

А.

1Е

1О

11, йг

ДУ=)1)1 ) (С2Х+С222-С20)11(ХОУЬZ) х 15

2К ег

0 е

0 о

-1к(х ч) х, т

2 dXd Y; (2) 20 S(r,)=E,ехр -jK(— Х+ Y) . (8)

0 о где К =

ХЕ Уев

2 )Э 0

С =Ь - 2 --"-

11 у 1

0 г а 13 0

С = (— 2

A. 12

2

СН 12 2

40 (9) 2

Zo

С„=ь,-2

О

1 Зг Д

С>0 6 11З XO++Q@Yo °

50 дЛ = А,В,(4)

Е1 ну PY- Фокусируют каждый пучок в плоскость регистрации. Преобразуют каждый пучок в электрический сигнал.

Величину перемещения вдоль координат определяют из соотношений:

R1 R2

АХ=1 ) j (С1,Х С„У-С„)С(Х,У,Х) х

2К

О ооо

x„v, -) к(— x- -- Ф

20 2О х е dXdY; (1) R, R2

dZj, ) f (C0X+Cg-С,)В(Х,Y,2) х

2К

0 000

1К(-х — Ч)

ХО Уа

x e dXdY, (3) 27

Л длина волны; спектральная плотность шума; координаты начального положения источника излучения;

Cff С ...,С„- постоянные коэффициенты, не зависимые от входного сигнала;

X Y Z - координаты плоскостей обработки входного сигнала;

R, R2 — стороны прямоугольника усреднения вдоль координат X u Y соответственно;

P - -коэффициент пропорциональности.

Способ синтезирован на основе критерия максимального правдоподобия, согласно которому при аппроксимации входного сигнала U(X,Y,Z) как аддитивной смеси детерминированного сигнала и белого шума, оценка может быть получена из соотношения: где дЛ. - i-я составляющая вектора

1 оценки dh размерностью и;

" Rz

А = — Б(г) $(1)dXdY1 (6)

1Е Ы, аЛ, ЛЛе

R2

i Б(Х) В(1)ЙХ471 (6)

0 дЛ элементы информационной матрицы А; элементы обратной информационной матрицы;

-1 в.

1Е

А

1А1 (7) где I А 1 - определитель матрицы А; а.е - алгебраическое дополнение

1 матрицы, Л - 1-я составляющая информа" е тивного вектора Л .

Для волны со сферическим фазовым фронтом в параксиальном приближении

Для такого сигнала могут быть определены оценки трех информативных составляющих Х., Y u Z. Поскольку информативный сигнал является чисто фазовым, т.е. амплитуда его не зависит от оцениваемых параметров, то коэффициенты А;е являются величинами лостоянными (поскольку в этом случае параметры существенно неэнергетические).и, следовательно, могут быть рассчитаны заранее.

-1

Обозначив элементы А .Е = й.е и учи 2

1 I тывая, что (;- = (., согласно соотношений (4) и (6) для сигнала (8) получим соотношения (1), (2) и (3), причем

С Х

Осуществление операции пространст" венной фазовой модуляции обусловлена необходимостью перемножения информативного сигнала U(2) в производной

1522028 от информативного сигнала S(r), согласно оптимальному алгоритму (6).

Амплитудная модуляция первого пучка вдоль координаты Х по закону PX необходима для реализации производ5 ной от сигнала (8).

S(r,)=jhoK — ехр1-jK(Õ+ Y), (10) где множитель перед экспонентной про"10 порционален координате Х, а Р - нормирующий коэффициент пропорциональности, показывающий, что для пассивных пространственных транспорантов, произведение PX не может превышать

Операция амплитудной мсдуляции второго пучка вдоль координаты У по закону PY аналогична по назначению предыдущей операции.

Операция фокусирования каждого 20 пучка в плоскость регистрации после фазовой и амплитудной модуляции эквивалентна операции пространственного интегрирования в соотношениях (1), (2) и (3) и необходима для реализации 5 этих интегралов.

Операция определения величины перемещения после преобразования оптического сигнала в электрический осуществляется Формированием оптимальных ЗО оценок X, 4Y, д 4, согласно соотношениям (1), (2), (3) соответственно путем взвешенного суммирования трех информативных составляющих для каждой оценки. 35

Таким образом, способ реализуется последовательным выполнением следующих операций:

Формирование источником излучения, связанным с контролируемым объ40 ектом, волны со сферическим фазовым фронтом - такая волна является наиболее простой и несет информацию о всех трех координатах источника;, 2. Осуществление в плоскости обра45 ботки Фазовой модуляции по закону

Хо У ехр -jK(— Х+ — У) .Эта операция позво о о ляет выделить разность пространствен- 0 ного изменения фазы, возникающего при смешении источника относительно начальной точки с координатами Х,,У,, о

3. Разделение в пространстве моду лированной волны на три пучка. Как следует из оптимальных алгоритмов (1), (2), (3), каждая составляющая оценки содержит три слагаемых, различие между которыми состоит только в пространственной амплитудной модуляции;

4. Иодулирование по амплитуде первого и второго пучков; соответственно, вдоль координат X и У.по законам PX и PY. Данная операция позволяет сформировать соответственно первое и второе слагаемые. в алгоритмах (1), (2), (3) и является подготовительной перед интегрированием;

5. Фокусирование каждого пучка в плоскость регистрации.Эта операция эквивалентна пространственному интегрированию;

6. Преобразование оптического сигнала в электрический;

7. Определение величины перемещения.

Как следует из соотношений (1), (2), (3) для получения оптимальной оценки достаточно осуществить взвешивание пространственных составляющих с весами и просуммировать результаты взвешивания.

Устройство работает следующим образом.

ИКИ 1 формирует волну со сферическим Фазовым фронтом, которая, приходя на фазовый транспорант 2, модулируется по Фазе и направляется на разделитель пучков, образованный зеркалами

3, 4 и 5. Углы наклона зеркал 8,, 6q, 6 выбираются так, чтобы первый, второй и третий пучки имели сдвиг по пространственной частоте. Первый пучок модулируется транспорантом 6 по амплитуде вдоль оси Х, которая параллельна оптической оси устройства, по закону PX. Второй пучок модулиру, ется по амплитуде транспорантом 7 .вдоль оси У по закону PY. Третий пучок не модулируют по амплитуде. Все операции амплитудной пространственной модуляции соответствуют слагаемым по интегралам в соотношениях (1), (2) и (3). Линза 8 реализует пространственный интеграл над входными сигналами, которые преобразуются в электрический сигнал. Фотоприемниками

9, 10 и 11. Пространственный разнос пучков в фокусе линзы 8 получают -путем соответствующего выбора углов

8,, 8, ез поворота зеркал 3, 4 и 5.

Усилители 12, 13 и 14 Формируют сигнал, пропорциональный корню квадратному из входного сигнала соответствующего фотоприемника 9, 10 и 11.

Последнее связано с тем, что сигнал

22028

27<

5 где K

)))

М о

Х<) рУ о в.

Z о

15 ехр -jK(—,Х+ Y) ° Ха Хо

Z<) 2 о установленным по

2К х- „ о о

2К

"4 z о о

2К.1и z о а а о

9 15 на выходе фотоприемника пропорционален квадрату оптического поля на

его входе. Усилители 15 - 23 взвешиванин учитывают весовые коэффициенты С; . Число усилителей 15 - 23 взвешивания равно числу коэффициентов С;- в соотношениях (1), (2), (3). Сумматоры 24, 25 и 26 реализуют внешние суммы в соотношениях (1), (2), (3). Сумматор 24 формирует сумму (1), сумматор 25 - сумму (2), а сумматор 26 - сумму (3). Усилители

27, 28 и 29 учитывают постоянный

К коэфФициент 2

)< Е, Формула изобретения

1. Способ измерения линейных пере- 20 мещений, при котором формируют источником излучения, связанным с объектом, волну излучения со сферическим фазовым Фронтом, разделяют ее в пространстве на -,ðè лучка равной амплитуды, определяют величину перемещения, о т л и ч а ю щ и " с я тем, что, с целью увеличения информативности за счет одновременного измерения составляющих перемещения по трем ко- 30 ординатам, после формирования волны излучения со сферическим фазовым q

Фронтом выполняют пространственную

Фазовую модуляцию по закону

Г, Хо Y

35 ехррК(вЂ, Х+; -У)) после разделения а а волны на три пучка модулируют по амплитуде первый пучок вдоль координаты

Х по закону РХ, второй пучок - вдоль координаты Y по закону РУ, Фскусиру40 ют каждый пучок в flflocKocTb регистрации, осуществляют преобразование каждого пучка в электрический сигнал, вдоль координат Х, Y, Z определяют соответственно из соотнбшений

"1 az (C„X+C Y .С )1J(X,Y,Z)x оо )<, <, -<к(-х+ — <) х е -dXdYg1 Rz <С„Х+С„т-С, )V

)<. ч.

-1k(- X- „->)

z, х е . ДХ<1УФ

R1 91 (С Х+С Y С )U(X, Y,Z) х длина волны; спектральная плотность шума; координаты начального положения источника излучения;

С„,С,, ...,С„- постоянные коэффициенты, не зависимые от входного сигнала U(X,Y,Z);

Х,Y,Z — координаты плоскостей обработки входного сигнала;

R»R z — стороны прямоугольника усреднения вдоль координат X u Y соответственно;

Р - коэффициент пропорциональности, 2. Устройство для измерения линейных перемещений, содержащее источник когерентного излучения, оптический делитель, установленный по ходу излучения, и три фотоприемника, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения технологических возмо)<но" стей за счет одновременного измерения составляющих перемещения по трем координатам, оно снабжено фазовым транспорантом с пропусканием пс закону ходу излучения между источником когерентного излучения, который выпол)<ен точечным и связан с контролируемым. объектом, и оптическим делителем, выполненным в виде первого и второго, частично отражающих, и третьего, полностью отражающего, зеркал, установленных по ходу излучения под углом к его направлению, первым и вторым амплитудными транспорантами с пропусканием соответственно вдоль- координаты Х пс закону PX и вдоль координаты

Y по закону РУ, установленными соответственно по ходу пучков излучения, отраженных от первого и второго зеркал оптического делителя, линзой, установленной по ходу пучков излучения, отраженных от трех зеркал оптического делителя за амплитудными транспорантами, при этом первый, второй и третий фотоприемники установлены в фо, кальной плоскости линзы и оптически сопряжены соответственно с пучками излучения, отраженными от первого, Составитель О.Смирнов

Редактор Л.Пчолинская Техред М.Ходанич Корректор Л.Патай

Ю l

Заказ 6948/37 Тираж 683 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 191..11 152202 второго и третьего зеркал оптического делителя, тремя преобразующими усилителями, коэффициент передачи каждого иэ которых пропорционален корню квадратному из амплитуды входного сигнала, а входы соединены соответственно с выходами первого, второго и третьего фотоприемников, девятью нормирующими усилителями, входы первого, вто- 10 рого и третьего из которых соединены с выходом первого преобразующего усилителя, .входы четвертого>пятого и шестого - с выходом второго преобразующего усилителя, а входы седьмого, восьмого и девятого - с выходом треть=

8 12 его преобраэуюшего усилителя, тремя трехвходовыми,сумматорами, входы первого из которых соединены соответственно с выходами первого, четвертого и седьмого нормирующих усилителей, входы второго - соответственно с выходами второго, пятого и восьмого нормирующих усилителей, а входы третьего - соответственно с выходами третьего, шестого и девятого нормирующих усилителей, и тремя выходными усилителями, входы которых соединены соответственно с выходами первого, второго и третьего сумматоров, а выходы являются выходами устройства.