Датчик линейных перемещений
Патент 2086913
Авторы
Классы МПК
Датчик линейных перемещений
Реферат
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Датчик содержит источник света, последовательно расположенные по ходу излучения пропускающую дифракционную решетку, подвижную отражательную дифракционную решетку, связываемую с объектом, четыре линзы и четыре фотоприемника. Пропускающая дифракционная решетка имеет две группы штрихов, линзы расположены попарно за каждой группой; угол между группами штрихов равен q = d/D , где d - постоянная пропускающей решетки, D - расстояние между оптическими осями линз, разнесенными вдоль штриха. Соответствующие фотоприемники, разнесенные вдоль штриха, включены встречно, т.к. фотоприемники разнесены в направлении, перпендикулярном штрихам, фазовый сдвиг между сигналами с фотоприемников равен 90o. 3 ил.
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для контроля линейных перемещений в точных измерительных приборах, а также для контроля перемещений рабочих органов станков, роботов и т.д.
Известны схемы датчиков линейных перемещений, построенные на сопряжении дифракционных решеток, в которых одна из решеток является "разрезной" по длине штриха, и для создания квадратурного сдвига между сигналами (обеспечение возможности реверсивного счета) верхняя часть штрихов смещена относительно нижней вдоль линии разреза (пат. ФРГ, G 01 B 11/10, N OS 3148910, опубл. 10.03.83 г.) Недостатком такой схемы является сложность и высокая стоимость изготовления решеток с "разрезом" и чувствительность к угловым разворотам в плоскости штрихов, возникающая при относительном перемещении решеток, вызванная пространственным разнесением квадратурных каналов вдоль штриха. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является датчик линейных перемещений (Е.Р.Меламед. Преобразователь линейных перемещений // ОМП. 1983, N 7, с. 35-37 прототип), содержащий источник света и последовательно расположенные по ходу излучения конденсор, пропускающую дифракционную решетку, имеющую две группы развернутых друг относительно друга штрихов, подвижную отражательную дифракционную решетку, скрепляемую с контролируемым объектом, четыре линзы, расположенные попарно за каждой группой штрихов и четыре фотоприемника, расположенные в фокусах линз. Недостатком данного технического решения является необходимость точно выдерживать угол между группами штрихов на прозрачной решетке и расстояние между оптическими осями линз, а также чувствительность к разворотам решеток в плоскости штрихов. Предлагаемое техническое решение направлено на снижение жесткости требований к изготовлению узлов датчика и прибора, в который он устанавливается, и на повышение точности измерений. Для этого предлагаемый датчик содержит источник света и последовательно расположенные по ходу излучения пропускающую дифракционную решетку, отражательную дифракционную решетку, скрепленную с контролируемым объектом, четыре линзы и четыре фотоприемника. При этом пропускающая решетка имеет две группы штрихов, линзы расположены попарно за каждой группой штрихов, угол между группами штрихов определяется по формуле q d/D, где d постоянная пропускающей решетки, D расстояние между оптическими осями линз, разнесенных вдоль штрихов, фотоприемники, разнесенные вдоль штрихов, включены встречно, а фазовый сдвиг между фотоприемниками, разнесенными в направлении, перпендикулярном штрихам, равен 90o. Известно, что для обработки измерительной информации необходимы два синусоидальных сигнала, сдвинутых друг относительно друга на 90o по фазе и не содержащих постоянной составляющей (квадратурные сигналы). Для создания квадратурного сдвига в прототипе служат фотоприемники, разнесенные в пределах одной муар-интерференционной полосы на четверть ее периода (90o). Ширину интерференционной полосы, а следовательно, и квадратурный сдвиг определяет угол между штрихами пропускающей и отражательной решетки, возникающей, в свою очередью, из-за наличия угла между группами штрихов пропускающей решетки. Развороты отражательной решетки при перемещении приводят к изменению ширины муар-интерференционной полосы, и при штрихах, расположенных параллельно, фазовый сдвиг оказывается равным нулю и преобразователь перестает функционировать. Постоянные развороты ("уходы") пропускающей решетки в плоскости штрихов при эксплуатации датчика также приводят к отказам в его работе. Если угол q между группами штрихов выполнить равным d/D, то фазовый сдвиг между сигналами с фотоприемников, находящихся в пределах одной муар-интерференционной полосы, будет равен 180o. При одних и тех же значениях d и D угол q при этом будет в два раза больше, чем в прототипе. Сдвигая пропускающую решетку в направлении, параллельном штрихам, можно добиться того, чтобы сдвиг фазы между сигналами, которые снимаются с фотоприемников, разнесенных в направлении, перпендикулярном штрихам, был равен 90o. Величина этого фазового сдвига совершенно не зависит от угла между штрихами решеток. Если после этого каждую пару фотоприемников, расположенную в пределах одной полосы (т. е. разнесенных вдоль штрихов) включить встречно, то постоянная составляющая, содержащаяся в сигналах, будет компенсирована и возникнут два квадратурных сигнала. Величина квадратурного сдвига уже не будет зависеть от взаимного расположения штрихов, а допустимый разворот отражательной решетки при перемещении может быть сделан в два раза большим, поскольку отказ преобразователя происходит только при параллельном расположении штрихов решетки. Следует заметить, что предлагаемая схема включения фотоприемников помимо расширения допуска на развороты позволяет всегда обеспечить возможность получения квадратурного сдвига, равного 90o, независимо от точности выполнения угла между группами штрихов и расстояния между линзами. Отклонение первого или второго параметров приведет только к тому, что квадратурный сдвиг 90o будет установлен при несколько ином положении пропускающей решетки в процессе юстировки преобразователя. Поскольку квадратурный сдвиг в значительной степени определяет метрологические характеристики датчика, особенно при интерполяции измерительного сигнала, предлагаемое решение позволяет повысить и точность измерений. В прототипе отклонения угла между группами штрихов и расстояния между линзами от номинала, приводящие к изменению квадратурного сдвига, не могут быть исправлены последующей юстировкой, что, помимо прочего, ухудшает и динамические характеристики. На фиг. 1 дана схема предлагаемого датчика; на фиг. 2 векторная диаграмма напряжений (токов) на фотоприемниках; на фиг. 3 расположение конденсора и собирающих линз относительно неподвижной пропускающей решетки. Устройство содержит источник излучения 1 и расположенные далее по ходу луча конденсор 2, формирующий параллельный пучок лучей, неподвижную пропускающую дифракционную решетку 3 с постоянной d, выполненную с двумя группами штрихов, развернутыми в плоскости штрихов на угол тэта, неподвижную дифракционную решетку 4, собирающие линзы 5, 6, 7, 8, в фокусах которых находятся фотоприемники 9, 10, 11, 12. Фотоприемники 9, 10 и линзы 5, 6 соответственно расположены за одной группой штрихов, а фотоприемники 11, 12 и линзы 7, 8 соответственно расположены за другой группой штрихов. Расстояние между оптическими осями линз, которые расположены за каждой группой штрихов равно D, а угол тэта между группами штрихов равен d/D. Датчик работе следующим образом. Источник 1 излучения, находящийся в фокальной плоскости конденсора 2, освещает параллельным пучком дифракционную решетку 3, на которой образуется набор пучков, дифрагировавших в разные порядки. Эти пучки попадают на дифракционную решетку 4, отражаясь, дифрагируют на ней и вновь попадают на штрихи решетки 3 после повторной дифракции, на которой складываются и интерферируют пучки, дифрагировавшие в разные порядки на решетке 4. Из-за разворота групп штрихов при интерференции возникает муар-интерференционная полоса, которая при перемещении отражательной решетки модулирует световой поток, поступающий на фотоприемники. Период полосы T определяется из формулы T = d/o где o разворот группы штрихов относительно штрихов отражательной решетки. При o = /2, T = 2D и фотоприемники, находящиеся за одной группой штрихов, будут промодулированы в противофазе. Разность фаз сигналов, снимаемых с фотоприемников, находящихся за разными группами штрихов, зависит от расстояния между штрихами групп, которое из-за разворота групп друг относительно друга является переменным. Двигая пропускающую решетку 3 в направлении, параллельном штрихам, добиваются сдвига фаз между фотоприниками, находящимися за разными группами штрихов, например, между фотоприемниками 9 и 11, равного 90o. Векторная диаграмма напряжений Ui, снимаемых тогда с фотоприемников, изображена на фиг. 2а. Так как пары фотоприемников 9, 10 и 11, 12 включены встречно, то снимаемый с них суммарный сигнал не содержит постоянной составляющей и на выходе преобразователя образуются два сдвинутых друг относительно друга на 90o синусоидальных сигнала. При развороте любой из решеток в плоскости штрихов ширина муар-интерференционной полосы за одной группой штрихов увеличится, а за другой уменьшится и встречно включенные фотоприники будут модулироваться уже не в противофазе. Это приведет к незначительному снижению амплитуды суммарного сигнала, однако разность фаз между суммарными сигналами останется неизменной, равной 90o (фиг. 2б). Поскольку в предлагаемом техническом решении номинальная разность фаз для фотоприемников, расположенных за одной группой штрихов, в два раза больше, чем в устройстве, принятом за прототип, датчик будет сохранять работоспособность при относительных разворотах решеток в два раза больше, чем в прототипе. Кроме того, если угол между группами штрихов или расстояние между оптическими осями линз, находящимися за какой-либо группой, выдержано не точно, то подвижкой прозрачной решетки вдоль направления штрихов можно добиться того, чтобы разность фаз в суммарном сигнале составляла точно 90o и тем самым компенсировать погрешности изготовления датчика, которые в отличие от прототипа не будут в этом случае оказывать влияние на точность преобразования.Формула изобретения
Датчик линейных перемещений, содержащий источник светового излучения и последовательно расположенные по ходу излучения конденсатор, пропускающую дифракционную решетку, имеющую две группы развернутых друг относительно друга на угол штрихов, подвижную отражательную дифракционную решетку, скрепляемую с объектом, четыре линзы, расположенные попарно за каждой группой штрихов, и четыре фотоприемника, расположенные в фокусах линз, отличающийся тем, что группы штрихов пропускающей решетки сдвинуты друг относительно друга вдоль биссектрисы угла разворота, в парах фотоприемника с линзами установлены вдоль направления биссектрисы угла и включены встречно, при этом пары разнесены в направлении, перпендикулярном биссектрисе угла таким образом, что фазовый сдвиг между сигналами фотоприемников, расположенных в этом направлении, равен 90o, а угол разворота q между группами штрихов определяется из формулы q = d/D где d постоянная пропускающей решетки; D - расстояние между оптическими осями линз.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2