Способ измерения линейных перемещений

Способ измерения линейных перемещений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является расширение области использования способа за счет увеличения диапазона измерений по координате Z. Волну со сферическим фазовым фронтом от источника 1 когерентного излучения, связанным с объектом, модулированную по фазе, разделяют в пространстве с помощью поворотных зеркал 3, 4, 5 на три пучка равной амплитуды, каждый из которых модулируют с помощью амплитудных транспарантов 6, 7, 8 по заданным законам. Получены аналитические соотношения для оптимальных алгоритмов обработки, по которым осуществляют оценки трех составляющих ΔХ, ΔY, ΔZ, пропорциональных перемещениям объекта по трем координатам. Информативный сигнал является фазовым, его амплитуда не зависит от величин оцениваемых параметров, и весовые коэффициенты, в соответствии с которыми осуществляется обработка, величины постоянные, в соответствии со способом осуществляют амплитудную модуляцию третьего пучка вдоль координаты Z, что позволяет расширить диапазон измерений. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s G 01 В 21/00

ГОСУДАРСТВ Е ННЫ Й КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 1522028 (21) 4701611/28 (22) 06.06.89 (46) 15.07.91. Бюл. М 26 (72) В. Ф. Кравченко, В. С. Селезнев и В, И. Щербак (53) 531.7(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М .1522028, кл, G 01 В 21/00, 1988. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ

ПЕРЕМЕЩЕНИЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является расширение области использования способа за счет увеличения диапазона измерений по координате Z. Волну со сферическим фазовым фронтом от источника 1 когерентного излучения, связанного с объектом, модулированную по фазе, » БЫ 1663426 А2 разделяют в пространстве с помощью поворотных зеркал 3, 4, 5 на три пучка равной амплитуды, каждый из которых модулируют с помощью амплитудных транспарантов 6, 7, 8 по заданным законам. Получены аналитические соотношения для оптимальных алгоритмов обработки, по которым осуществляют оценки трех составляющих ЛХ, Л Y, A Z, пропорциональных перемещениям объекта по трем координатам. Информативный сигнал является фазовым, его амплитуда не зависит от величин оцениваемых параметров, и весовые козффициенты, в соответствии с которыми осуществляется обработка, величины постоянные, B cooT ветствии со способом осуществляют амплитудную модуляцию третьего пучка вдоль координаты Z, что.позволяет расширить диапазон измерений. 1 ил, 1663426. Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений в пространстве различных объектов, является усовершенствованием изобретения по авт. св. М 1522028.

Целью изобретения является расширение области использования способа за счет увеличения диапазона измерений по координате Z.

На чертеже представлена функциональная схема устройства реализации способа. Способ измерения линейных перемещений заключается в следующем: — формируют источником излучения, связанным с обьектом, волну излучения со сферическим фазовым фронтом; — выполняют пространственную фазовую модуляцию волны по закону ехр — )К вЂ” Х + — У

Xo Yo

Zo Zo разделяют в пространстве промодулированную по фазе волну на три пучка равной амплитуды; — модулируют по амплитуде первый пучок — вдоль координаты Х по закону РХ, второй пучок Y — вдоль координаты

Y по закону РУ, третий пучок — вдоль координаты.Z по закону P(X + Y ); — фокусируют каждый пучок в плоскость регистрации;— осуществляют преобразование каждого пучка в электрический сигнал; — определяют величину перемещения вдоль координат Х, Y, Z, соответственно иэ соотношений:

2К В12

ЛХ=) f f (С11Х+С12У+ оо о

+ С1з (X + Y ) ) U(X, Y,Z) < ехр — )К вЂ” Х + — Y dXdY,.

Х Уо

Zo o К R1R2

ЛУ=j — f f (С21Х-С22У+

1 " О О о о

+ С2з(Х +Y ))0(ХУ,Z) < ехр -jK — Х+ — Y dXdY, Х Уо

Zo o

2К R1R2

AZ=j — f f (Сз1Х+ Сз2У+ 4 о о о

+ Сзз(Х2+У2)) О(Х,У,Л) " ехр -jK — Х+ — Y dXdY, Xo Yo о Zo где К=2 ж/А;

А- длина волны;

No — спектральная плотность шума;

Хо, Yo, Zo — опорное значение координат

5 источника излучения, относительно которых производится отсчет;

Cl, (i=1, 2, 3) — постоянные коэффициенты, не зависящие от входного сигнала U (Х, Y, Z);

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

R1, R2 — стороны прямоугольника усреднения вдоль координат Х и У соответственно:

15 P — коэффициент пропорциональности, Способ синтезирован по критерию максимального правдоподобия, согласно которому при аппроксимации входного сигнала U(X, Y, 2) как аддитивной смеси

20 детерминированного сигнала и белого шума оценка может быть получена из соотношений: и

М =, А е Ве

1=1 где hk — i-я составляющая и-мерного вектора оценки Ь2;

30, . 2 "2д -> д

Aie = — f 3 — S (го) S (го) dX dY, И... аЛ дЛ.

2 В1Я

В е = — (J U (r) S (ro) д Х d Y, 35 1.оо о

А е — элементы информационной матрицы;

А — элементы обратной информаци40 онной матрицы; (а) — определитель матрицы;

BIe — алгебраические дополнения;

4 — i-я составляющая информативного вектора.

45 Для волны со сферическим фазовым .фронтом в параксимальном приближении имеет информативный сигнал:

50 S (ro) - Eo exp(jK — Х + — Y г. Хо Yо

Zo -o

Для такого сигнала могут быть определены оценки трех информативных составляющих Х, Y, Z. Поскольку информативный

55 сигнал является чисто фазовым, а следовательно,его амплитуда не зависит от величины оцениваемых параметров, то коэффциенты Aie являются величинами постоянными, так как в этом случае параметры

166342: существенно неэнергетические и могут быть рассчитаны заранее. Обозначив А!, =- о, и

-1 2 используя известную методику синтеза измерителя, получим соотношения (1), где

С» 61» С12 А2, С1з сг7з, 1 2

2 Zo

С21 =ь!21, С22 = R2, C23 = О23, 1

2 Zo

С31 = 0з1: С32 =с»",72, Сзэ = с!зз

2 Zo

Рассматриваемый способ отличает от прототипа наличие операций амплитудной модуляции третьего пучка вдоль коорд<п!аты Z по закону P(X +Y ), уточняющей алго2 2 ритм (1) и необходимой для реализации производной от сигнала;

S {го) = JEo (X + Y ) дЕ, 2zo ехр — jK — X +.— Y

Х> То

Zo Zo

Данная операция позволяет сформулировать третье слагаемое в алгоритмах (1) и является подготовительной перед интегрированием, Множитель перед экспонентой пропорционален изменению координаты 2, а Р— нормиру!ощий коэффициент пропорциональности показывает, что для пассивных пространственных транспарантов произведение P{X + Y ) не может

2 2 быть больше 1.

Устройство для реализации способа измерения линейных перемещений содержиттачечный источник 1 когерентного излучения, связанный с контролируемым объектом (не показан), установленные по ходу излучения фазовый транспарант 2 с

Х> Yo пропусканием ехр — jK — Х + — Y

Zo Zo частично отражающие поворотные зеркала 3, 4 и полностью отражающее поворотное зеркало 5, развернутые относительно направления излучения на углы соответственно О ), О2, Оз, амплитудный транспарант 6 с пропусканием вдоль координаты Х по закону РХ, амплитудный транспарант 7 с пропусканием вдоль координаты Y по закону PY и амплитудный транспарант 8 с пропусканием вдоль координаты Z по закону P(X + Y2), установленные соответственно по ходу пучков излучеиия, отраженныК от зеркал 3, 4 и 5!

30 » 5

4«»

55 первый, -!арой I! гретий п,:к!. излучения

cooTBBгс1ве<<но, ф»кусирующу -. линзу 9, УотаНОВЛЕIIII) <О Па ХОДУ ПУЧКОВ ИЭЛУЧЕНИЯ после транспарантов 6, 7, 8, iðè фотоприемника 10, 1 и 12, уста,:овленные в плоскости регистрации так,

13, входы вторых трех ус77лителеи 19, 20 и

21 взвешивания соединень! с выхолом усилителя 14, а входы греты»х Iрех усилителей

22, 23 и 24 взвешиван<<я соединень. с выходом усилителя i5, три тре>:ьходавых сумматора 25, 26, 27 и три HîI»f7ирующих усилителя 28, 29 и 30, соеднненныа послеf7I0BBTeni«H0 с су 7! IBTopам<7 25, ",6, 27 соатветствен

16, 19 и 22 взвешивания coeql7HBIIII соответственна с входами пергаго сумматора 25, вь<ходы усилителей 17, 20 и 23 взвешивания — соо1BBTcTBенно с входами ВТор0! 0 сум IBTopB 26, BBlõOä6! ус!лли<елей 18. 2 l и 2 взвсши,BHия соединены сао-воTcTBBHI- с входэми третье 0 сум<иатара 27, B выходы нормирующих усилителей 28, 29 и 30 явля<отся вь<ходами

УC Т0 О ;! СТ Вu.

Устройство. рсализу<ащее рассматриваемый способ, отл<<чается от устройства для реализации прОTОTI7па, », личием ампл! 7тудHÎI 0 т »анспа рант а 8, с ламаьць<0 кОтО

Р0 0 GC/Щ<ЕСТВЛЯЕТСЯ ОПЕ!»аЦИЯ аМ Г!77Т<,>

Устройство работает следу!Ощим образом.

Исто

0 7, G2, <.. з наклона за<ока»! 3<, 4 !7 5 выб!7ра ются так, чтобы п<учки, отра»кенные ат них, гервый, второй и тре-<ий, имели сдвиг па пространственной частоте. Лервы177, пучок модулируется транспBpàíòo!7 6 по амплиту1663426

Формула изобретения .

Способ измерения линейных перемещений по авт. св. СССР % 1522028, отл ич а ю шийся тем, что, с целью расширения

5 области использования за счет увеличения диапазона измерений по координате 2, после разделения волны на три пучка модулируют по амплитуде также и третий пучок— вдоль координаты 2 по закону Р(Х+У ), а

10 величину перемещения вдоль координат Х, Y, Z определяют соответственно, иэ соотношений:

2К R1R3

ЛХ ) -д — — f (С11Х+ С1гУ+

15 "о oo o

+Сиз(Х + Y))U(XY,Z)" де вдоль оси Х, которая параллельна оптической оси источника 1, по закону РХ, второй пучок модулируется по амплитуде транспарантом 7 вдоль оси Y по закону РУ, третий пучок модулируется по амплитуде транспарантом 8 вдоль оси 2 по закону

P(X +Y ). Взаимная ориентация координатных осей Х, Y показана на чертеже. Указанные операции амплитудной пространственной модуляции соответствуют слагаемым под интегралом в соотношениях (1).

Линза 9 реализует пространственный интеграл над входными сигналами, которые преобразуются в электрический сигнал фотоприемниками 10, 11 и 12, Пространственный разнос пучков в фокусе линзы 9 получают путем соответствующего выбора углов поворота зеркал 3, 4 и 5, Усилители

13, 14 и 15 формируют сигнал соответствующего фотоприемника 10, 11 и 12. Последнее связано с тем, что сигнал на выходе фотоприемника пропорционален квадрату оптического поля на его входе, Усилители 16-24 взвешивания осуществляют учет коэффициентов Сн. Число усилителей равно числу коэффициентов Ся в соотношениях (1).

Сумматоры 25, 26, 27 реализуют внеш- . ние суммы в (1): сумматор 25 формирует первую сумму, сумматор 26-вторую, а сумматор 27 — третью сумму в (1). Нармирующие усилители 28, 29, 30 учиты вают постоянный коэффициент 2

К о 2о

Использованное в прототипе допущед ние о линейности производной S гоу от параметров Х и Y существенно ограничивает диапазон однозначных измерений, что оказывается недостаточным для ряда приложений и требует использовать точную-формулу для производной, что при реализации измерителя предполагает необходимость использовать дополнительную операцию модуляции волны в третьем канале (третьего пучка излучения), последнее обеспечивает в предлагаемом техническом решении преодоление ограниченной области использования из-за недостаточности диапазона измерений по координате Z. ! ехр -)К вЂ” Х + — Y dXdY, Хо Уо

20 Zo Zo

РК

ЛУ=)»-,— f f (Сг Х+ СггУ+ о2о О

25 + Cgg (XÐ+ Yã) ) U(X Y,Z) ехр - К вЂ” Х+ — Y dXdY, Хо Уо

2о 2о

ЦК "1 "г

42=j f f (Сз Х+СзгУ+

К2оо о

+ Сзз (Х + Y ) ) U(X, Y,Z) x ехр -jK — Х+ — У dXdY, о Уо

Zo Zo

2л. где К= -,(-, 40 А- длина волны;

No — спектральная плотность шума;

Хо, Yo, Zo — опорное значение координат источника излучения, относительно которых производится отсчет;

45 Сц (1, j-1, 2, 3) — постоянные коэффициенты, не зависящие от входного сигнала 0 (Х, Y,Z);

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

50 R>, Яг — стороны прямоугольника усреднения вдоль координат Х, Y соответственно:

P — коэффициент пропорциональности.