Интерференционный способ измерения линейных и угловых перемещений зеркальных элементов

Интерференционный способ измерения линейных и угловых перемещений зеркальных элементов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

„721667

Союз Советскик

Социалистических

Респубпик

".Юй

ИЗОБРЕТЕН И (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 200378 (21) 2592752/18 с присоединением заявки Ко (23) Приоритет

Опубликовано 150380, Бюллетень М

Дата опубликования описания 150380

1)М. Кл.2

G 01 В 9/02

G 01 Р 3/36

Государственный комитет

СССР по делам изобретений н открытий

3) УДК 531. 767 (088 . 8) (72) Авторы изобретения

А.A. Шуренков, И.М. Кольцов, В.П. Михеев и Б.С. Розов (71) Заявитель

Московский ордена Трудового Красного Знамени инженерно-физический институт (54) ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ

И УГ JIOBblX ПЕРЕМЕЩЕНИИ ЗЕРКАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения величин линейных и угловых перемещений объектов с зеркальными элементами, например в метрологии, виброиэмерительной технике, а также при создании систем автома" тического управления механическими объектами высокой точности.

Известен одночастотный способиэмерения перемещения, заключающийся в разделении луча когерентного источника на два световых компонента, фотосмешении этих ксмпонентов после отражения от зеркальных поверхностей 15 интерферометра, относительное перемещение которых измеряется, фотоэлектрическом преобразовании образовавшейся одночастотной интерференционной картины и измерении фазы сиг-20 нала интерференции, проводимом реверсивным счетом одночастотных полос интерференции (1).

Недостаток способа — относительно невысокая точность измерения пере мещения вследствие дрейфа амплитуд постоянных составляющих и фазового соотношения сигналов фотоприемников.

Наиболее близок предлагаемому двухчастотный способ измерения линейных 30 и угловых перемещений, заключающийся в разделении по поляризации двух световых ксмпонентов двухчастотного источника разной оптической частоты, их фотосмешении после отражения от зеркальных элементов интерферометра, относительное перемещение которых измеряется, получении опорного и измерительного электрических сигналов при фотоэлектрическом преобразовании излучения соответственно оТ источника света и интерференционной картины, полученной в результате указанного .фотосмешения, и измерении фазы измерительного сигнала относительно опорного путем реверсивного счета импульсных последовательностей, соответствующих упомянутым сигналам, по которому судят об измеряемом перемещении (2), Недостатком двухчастотного способа является относительно малый допустнмый диапазон скоростей перемещения, ограниченный тем, что измерение перемещений возможно только при скоростях, соответствующих относительной модуляции частотно-модулированного измерительного сигнала тттт — в (где д1= — — допплеровская ьС кч т р

721667

4. девиация частоты, (V — скорость перемещения механического объекта, К вЂ” целое число, определяемое схемой интерферометра, Л вЂ” длина волны одного из частотных компонентов днухчастотного источника); f„ опорная частота, т.е. скорость ограничена величиной

К

Цель изобретения — расширение диа - 10 паэона скоростей перемещения в область высоких скоростей при сохранении точности измерения перемещения.

Укаэанная цель достигается там, что преобразуют в дополнительный электрический сигнал интерференционную картину, сдвинутую на /р по пространственной фазе по отношению к упомянутой интерференционной картине, определяют фазовое соотношение дополнительного и измерительного сигналов и при изменении знака укаэанного фазового соотношения направляют амплитудную последовательность измерительного сигнала на суммирование с импульсной последовательностью

25 опорного с последующим интегральным накоплением полученной суммы, по которому судят о величине относительного перемещения названных зеркальных элементов. 30

Измерение перемещен и я с оглас но предлагаемому способу производится следующим образом.

Одним иэ известных способов разделяют по поляризации дна световых компонента днухчастотного источника разной оптической частоты, получают интерференционную картину в результате фотосмещения их после отражения 40 от зеркальных элементов, относительное перемещение которых измеряется, извлекают опорный, измерительный и дополнительный электрические сигналы при фотоэлектрическом преобразовании излучения соответственно от источника света, указанной интерференционной картины и интерференционной картины, сдвинутой на уд по пространственной фазе по отношению к указанной интерференционной картине, далее измеряют фазу измерительного сигнала относительно опорного путем вычитания и последующего интегрального накопления импульсных последовательностей, соответствующих упомянутым сигналам, когда девиация частоты измерительного сигнала меньше частоты опорного. Момент превышения девиации частоты измерительного сигнала 11 = sin 27с(е -bf)t над б0 величиной частоты опорного сигнала определяется по знаку фазового соотношения измерительного сигнала U и дополнительного (квадратурного сдвинутого на четверть периода) . игнала о «ап (2II(f а1)) П15и (- 1>о

7t! мнадратурный сигнал 0 " (2H ((ю af)t — ä% отстает по фазе на -"- от измерительного U,-âèt йл (1 -ь|И(а при f -nf

=-t «at о

K квадратурный " - (к(-аф- — )*

М. (2% 2К(- :.Ф1 опережает измерительный сигнал V,= =sin 2 II(Cо-ьф -.за(Е+М(1о+ь1) ) на Х

При и эменении знака фазового соотношения между дополнительным и иэмерительньм сигналами направляют импульсную последовательно" ть измеритель ного сигнала на с уммирова ние с импульсной последовательностью опорного сигнала с последующим интегральньи получением суммы, по которой судят о величине относительного перемещения названных зеркальных элементов . Таким образом, при девиации частоты измерительного

af сигнала — f 1 (когда Е -лЕ! =fo+Af) состояние реверсивного запоминающего устройства S определяется не интегральной разностью частот измерительного и опорного сигналов, а их суммой, т. е.

t t ,д)д +)Г,en=((-1, a()ä = о

t о

t й-f ta1)dt+f% cN= QVdt "Л ,о о о и соответствует перемещению объекта х ();

При реализации способа измерения перемещения частота опорного сигна— ла f может быть выбрана произ— вольной, в частности такой, при которой погрешность фа зон ых измерений будет минимальной. При этом диапазон скоростей перемещения, поскольку он уже не определяется вел чиной частоты опорного сигнала, может быть произвольным, т.е. широким.

На фиг. 1 изображена схема интерферометра для реализации предлагаемого способа; на фиг . 2 — временные диаграммы сигналов электронной схемы при девиациях допплеровской частоты н окрестности + f .

Прибор представляет собой интерферометр Майкельсона с днухчастотныл источником 1 и содержит полупрозрачное зеркало 2, четнертьнолноную пластину 3, полупрозрачное зеркало 4, неподвижный отражатель 5 и поднижный отражатель б, св язанный с меха ничесв ким объектсм, поляриэационные фильтры

7, 8 и диафрагмы фотоприемников 9, 10. Схема электронной обработки сигналон нключает фотоприемник 11 опорного сигнала Uäo, фотоприемник 12 измерительного сигнала U фотоприемник 13 сдвинутого на четверть периода сигнала U, формирователя прямоугольных сигналов 14, 15, 16, осущестнля721667 вшие клиппирона ние входных сигналов с фотоприемников, формирователи 1 7, 18 счетных импульсов на положительный перепад клиппированных сигналон, блок управления коммутацией 19, состояние выходного сигнала которого определяется фаэоным соотношением входных сигналов (либо + —, либо ††), блок суммирования импульсных

jt последовательностей 20, исключающий потерю импульса при совпадении входных сигналов, электронный коммутатор

21 на два направления, реверсивный счетчик 22 .

Вход фотоприемника 11 через последовательно соединенные формирователи 14 и 17 соединен с одним иэ входов схемы суммирования 20, второй вход которой соединен с одним из выходов коммутатора 21. Выход фотоприемника 12 через последовательно соединенные формирователи 15 и 18 соединен с управляемым входом электронного коммутатора 21, управляющий вход которого соединен с выходом блока управления 19. Один из входон блока управления 19 соединен с выходом формиронателя 16, вход которого соединен с выходом фотоприемника 1 3.

Выход схемы суммирования 20 и второй выход коммутатора 21 соединены со входами реверсивного счетчика 22.

Устройство работает следующим образом.

Световое излучение двухчастотного лазера с частотой у левоциркулярной формы поляризации и частотой 9 правоциркулярной формы поляризации разделяется полупрозрачным зеркалом 2 на дна пучка — опорный, который попадает на фотоприемник 11, на выходе которого выделяется опорный электрический сигнал йп2тс(-),)t=ыю гтсЕ Е и измерительный, который после четвертьволноной пластины Э становится комбинацией двух линейно-поляризованных компонентов с частотами у и у ориентирован2 I ных ортогонально друг относительно друга, и разделяется полупрозрачным зеркалом 4 на дна направления: первый — к отражателю 5 и второй — к подвижному отражателю 6 ..

Поляриэационные фильтры 7 и 8 ориентированы так, что в первом плече интерферометра (с отражателем 5) присутствует только компонент с час— тотой ),, а во нтором плече (с отражателем 6) — только компонент с частотой . После фэтосмешения на

2 квадратичном фотоприемнике 12 выл. ляется сигнал

V ьМ 2 тс I 0 — 9 — 4 f )t i ью 2 тс(f — а {)1 где а f — девиация час тоты, обусловленная изменением разности хода О интерферируюших лучей н результате движения механическorî объекта, а(=

4 de

В области небольших скоростей перемещения, когда л и й„, перемещение механического объекта, вызывающее разность фаэ измерительного U и опорного U сигналов „опрсделяетс я состоянием реверсивного счетчика 22, на инверсные входы которого поступают сформированные импульсные сигналы после схем 14, 17 и 15, 18 соответственно, т.е. поступление сигналов происходит как в изв ест нсм

-=пособе. Чтобы не происходило неверное накопление импульсных сигналов с10

c3t измерительного канала в области скоростей, когда лй>й„, т.е. m 1 (интервал времени (t,, t, ) на фиг. 2), поступление ймпульс ной иэмеdU ,рительной последовательности

Ж на положительный вход рен ерсив ного запоминающего устройства прекращаетсяя и производится суммирование этой последовательности с опорной импульсной последовательностью, котора я поступает на вычитающий вход рев ерсив ного запоминающего устройства. С учетом этого при девиации частоты л1 измерительного сигнала, большей по величине частоты опорного l f„— f I

= -й +лй, состояние реверсивного запоминающего устройства

t 1 t ( э= ) If -ef(dt+ (f cH- (Е - f + лЕ)Д1 = (усЕ о о о о соотнетстнует перемещению объекта, В схеме обработки электрических сигналов (фиг.1) коммутатор 21 преры— в а ет и оступление импульс ных сиги алов

4О д dU

1о измерительного канала к сумми—

dk

Рующему входу счетчика 22 и направляет их к схеме 20 для суммирования с импульсной последовательностью опорного канала. Для определения момента, когда девиация частоты иэ— мерительного сигнала будет больше Хо, производится выделение дополнительного сдвинутого на четверть периода по отношению к измерительному

50 элек трическ огo сигнала ра змещением дополнительного фотоприемника 13 в поле укаэанной интерференционной картины. Величина сдвига тг/2 между электрическими сигналами обеспечи55 вается ориентировкой диафрагмы 9 и 10. Полученный в результате преобразования сигнал (,. з)в (гт((Е -4f)t- — отстает по фазе на ч/2 от сигнала

60 U„(cM.

U„è U для времени tc t и ) ) г при f -лй>0, а при f — f i 0 (интервал времени t< t, и t> t ) сигна л

721667 опережает сигнал о,=> a(f - t)tM (ря(-t,лф х) на к/2 По результатам измерения фазового соотношения сигналов U u U (s интервале времени (Ф,, t ) на фиг.2) происходит изменение выходного сигнала блока управления 19, который управляет схемой 21, подключающей измерительную последовательность импульсов ко вноду схемы 20. ж„

Тем самым осуществляется поступление и опорных и измерительных импульсных последовательностей к вычитающему входу реверсивного счетчика 22 °

Формула изобретения

Интерференционный способ измерения линейных и угловых перемещений зеркальных элементов, заключающийся в разделении по поляризации двух 20 компонентов и источника света разной оптической частоты, получении интерференционной картины в результате наложения этих компонентов после отражения от зеркальных элементов, преобразовании излучения от источника счета и от инте хференционной карины соответственно в опорный и иэмерительный электрические сигналы, из которых формируют опорную и измерительную последовательности импульсов и получении разности числа импульсов этих последовательностей, отличающийся тем,что, с целью расширения диапазона скоростейй и змеряемого перемещен и я в . область высоких скоростей при сохранении точности измерения перемещения, полученную интерференционную картину сдвигают по пространственной фазе на "/,преобразуют в дополнительный электрический сигнал, определяют фазовое соотношение между дополнительньм и измерительным сигналами и при изменении знака укаэанного фазового соотношения суммируют число импульсов измерительной последовательности с числом импульсов опорной, а по результату суммирования судят о величине относительного перемещения зеркальных элементов .

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент Великобритании

9 1292902, G 01 В 9/02, 1972.

2. Патент CDlh 9 3656853, G 01 В 9/02, 1972 (прототип) .

7216б7

Выход блока Ы

Фю)

Выход блока 15 (0(y)

Выход блока Ñ9

Счетные импульсы измерительКОГО сиГна» ла (блока i8)

Фиг. 2

Составитель Ю. Власов

Редактор А. Кравченко Техред С. Мигай Корректор Я. Веселовская

Заказ 117/32 Тираж 801 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений.и открытий

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

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4