Интерференционный измеритель перемещений

Интерференционный измеритель перемещений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Саеетскик

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. саид-вукз 877325 (22) Заявлено 29.01. 81 (21) 3241892/18-28 с присоединением заявки ¹(23) ПриоритетОпубликовано 23.1082. Бюллетень ¹39 (u> 9686) 5 а

Р РМ К з

С,01 В. 21/00

Государственный комитет

СССР по аелам изобретений и открытий (%3) УДК 531. 7!

1088 ° 8) Дата опубликован и я опис анм я 2 3 . 10. 82 (71) Заявитель (54) ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Изобретение относится к оптической интерферометрии и может быть использовано для измерения малых угловых колебаний и крутизны амплитудной характеристики ультразвуковых и электроакустических преобразователей, в частности оптических фазовых модуляторов с пьезоэлектрическим, электромагнитным, электродинамическим, магнитострикцнонным и т.д. приводом.

По основному авт. св. 9 877325 известен интерференционный измеритель перемещений содержащий источР ник излучения, установленную по ходу светового луча интерференционную систему, включающую в себя зеркало, связываемое с исследуемым объектом, две диафрагмы и два фотоприемника, схему обработки сигналов, состоящую нэ двух идентичных каналов, содержащих соединенные последовательно избирательный усилитель, детектор, триггер !Цмидта и дифференцирующий блок, генератор, отсчетный блок, соединенные последовательно триггер, блок формирования импульсов запрета, генератор пилообразного напряжения и электрический модулятор, предназначенный для подключения к исследуемому объекту, вход каждого иэ каналов схемю обработки сигналов подключен к соответствующему фотоприемнику, а выход - к триггеру. который подключен к отсчетному блоку, а вход электрического модулятора подключен к выходу генератора (1 ).

Недостаток известного устройства заключается в низких функциональных возможностях, так .как с его помощью нельзя производить измерение крутизны амплитудной характеристики испытуемого преобразователя путем измерения линейных перемещений отражателя.

15 целью Изобретения является расширение функциональных возможностей интерференционного измерителя перемещений.

Поставленная цель достигается тем, что интерференционный измеритель перемещений снабжен соединенными последовательно сумматором, вторым триггером и вторым отсчетным блоком, второй вход второго триггера подключен к выходу блока формирователя импульсов запрета, а каждый из входов сумматора - к выходу соответствующего канала схемы обработки сигналов.

На фиг. 1 представлена схема инЗ0 терференционного измерителя переме968615 щений; на фиг. 2 — временные диаграммы напряжений.

Предлагаемый интерференционный измеритель перемещений состоит из источника 1 излучения, установленного по ходу светового луча интерференционной 5 системы 2, включающий в себя оптически связанные отражатель 3, первый оптический телескопический узел, составленный из длиннофокусного и короткофокусного объективов 4 и 5,полу 10 прозрачное зеркало 6, второй оптический телескопический узел составлены из короткофокусного и длиннофокусного объективов 7 и 8, третий оптический телескопически узел, составленный и 15 из короткофокусного и длиннофокусно-го объективов 9 и 10 и зеркала 11, . связываемого с исследуемым объек" том 12, двух фотоприемников 13 и 14, установленных на выходе интерферен- 20 ционной системы 2, двух диафрагм 15 и 16 соответственно, и схемы обработки сигналов содержащей два избирательных усилителей 17 и 18, два детектора 19 и 20, триггеры 21 и 22

Шмидта и два дифференцирующих блока

23 и 24, дифференцирующие блоки 23 и

24 подключены к первому и второму входам триггера 25, выход которого соединен со входом отсчетного блока

26, соединенные последовательно сумматор 27 триггера 28 и отсчетный блок 29, входы сумматора 27, соединены с выходами дифференцирующих блоков 23 и 24 к третьему входу триггера 25 и к второму входу триггера

28 подключен выход блока 30 формирования Импульса запрета, вход которого соединен с выходом генератора

31 пилообразного напряжения, .второй выход которого подключен к входу электрического модулятора 32, другой вход электрического модулятора 32 соединен с выходом генератора 33 модулирующей частоты, а выход - с исследуемым объектом 12, угловые колеба45 ния и крутизна амплитудной характе- ристики которого измеряются.

Интерференционный измеритель перемещений работает следующим образом. . Поток излучения от источника 1 делится на два потока с помощью полупрозрачного зеркала 6. Полученные таким образом два потока излучения направляются в оптические телескопические системы, состоящие из объективов 4, 5 и 9, 10 соответственно.

Каждая из этих телескопических систем растеряет падающие на них потоки. излучения и направляет их на отражатели 3 и 11, связываемые с ис- следуемым объектом 12. Оптическая телескопическая система, содержащая объективы 9 и 10 расширяет поток излучения таким образом, чтобы он 65 освещал всю поверхность отражателя

11 или достаточно большой ее участок, что необходимо для обеспечения требуемой точности измерения углавых колебаний этой поверхности. Оптическая телескопическая система goдержащая объективы 4 и 5 по своим параметрам аналогична системе содержащей объективы 9 и 10 и используется для выравнивания аберрационных искажений волновых фронтов обоих потоков излучения. После отражения от отражателей 3 и 11 разделенные потоки излучения возвращаются в телескопические системы, содержащие объективы 4, 5 и 9, 10 соответственно, после прохождения через которые они сужаются до первоначального размера в поперечном сечении и совмемещаются в полупрозрачном зеркале 6.

Совмещенные потоки излучения направляются зеркалом 6 в третью оптическую телескопическую систему, содержа- щую объективы 7 и 8,которая расширяет их до тех же размеров,которые они имеют в плоскости отражателей 3 и 11. В интерференционной системе 2 измерителя перемещений, таким образом, применены три теле-скопические системы, чем обеспечивается устранение влияния отражения от второй поверхности полупрозрачного зеркала на точность измерений.

Интерференционная система 2 юстируется таким образом, чтобы в плоскости точечных диафрагм 15 и 16 образовалась интерференционная картина в виде колец (полосы равного наклона ). .При этом центральный максимум освещенности в интерференционной картине должен занимать практически все поле интерференции. Настройка интерференционной системы производится при отсутствии модулирующего сигнала на. выходе электрического модулятора 31.

Генератор 32 модулирующей частоты вырабатывает электрическое напряжение гармонической формы с той частотой, на которой испытывается исследуемый объект 12, используемый совместно с отражателем 11 в качестве интерференционного модулятора. Напряжение с выхода генератора 32 подается на электрический модулятор 31, на второй вход которого подается сигнал от генератора 30 пилообразного напряжения. На выходе электрического модулятора 31, имеет место гармоническое напряжение, модулированное по амплитуде по пилообразному закону, которое подается далее,на исследуемый объект

12, осуществляющий совместно с отражателем 11 модуляцию разности фаз потоков излучения, интерферирующих в плоскости диафрагм 15 и 16 (фиг.2а).

С помощью диафрагм 15 и 16 и фотоприемников 13 и 14 осуществляется

968615 преобразование изменений интенсивности в интенференционной картине в электрический сигнал. Сигналы с выходов фотоприемников 13 н 14 поступают на входы избирательных усилителей 17 и

18 настроенных на частоту сигнала, 5 вырабатываемого генератором модулирующей частоты 32. В соответствии с принципом работы двухлучевого интерферометра, при модуляции разности фаз интерференцирующих лучей по гар» 10 моническому закону, амплитуда первой гармоники модулирующей частоты на выходе избирательного усилителя,. включенного после фотоприемника и настроенного на частоту модуляции, 5 пропорциональна функции Бесселя первого рода первого порядка, т.е. для сигнала на выходе избирательного усилителя можно записать следующее соо тноше ние

О . О„J, (4s ) sinюдс (g) где 1„, — амплитудный множитель, определяемый чувствительностью фотоприемника и коэффициентом усиления из(1 бирательного усилителя, Г 4Ji — функция Бесселя первого рода первого порядка от

1 «е„ аргумента 41г - —; е( ц Комод(ц амплитуда колебаний отi ражателя 11, связанного с испытуеьым объектом

12, изменяющаяся во времени в соответствии с законом изменения амгтлитуды напряжения иа выходе электрического модулятора 31 (фиг.2а) 40

К, крутизна амплитудной характеристики исследуемого

Ъ преобразователя, 11мод1фг амплитуда напряжения на выходе электРического 45 модулятора 31 (фиг.2а), - длина волны излучения ,источника 1; ю - частота модуляции. о

ЗО

35. 50

Как известно, при определенных значениях аргумента, отличных от нуля., функция Бесселя обращается в .нуль причем при постоянной гг укаэанное значение определяется только величи-."55 ной 1(t) что позволяет определять ее с высокой степенью точности

На выходе к *дого из избиратель- 0 ных усилителей 17 и 18 имеет место сигнал вида (1). В случае строго поступательных движений отражателя

11 и идентичности фотоприемников

13 и 14, диафрагм 15 и 16 и избирательных усилителей 17 и 18, а также 65 одинаковом, расположении диафрагм

15 и 16 относительно интерференционных полос, эти сигналы будут полностью идентичны. При неидентичности фотоприемников 13 и 14, диафрагм

15 и 16 и усилителей 17 и 21 сигналы будут отличаться только амплитудами 1 .При наличии угловых колеба-. ний отражателя 11 амплитуды его

1 линейных (вдоль оптической оси ) перемещений в различных точках колеблющейся гговерхностй будут различны.

Это приведет к тому, что амплитуды сигналов на выходе избирательных усилителей 17 и 18 будут обращаться в нуль в различные моменты времени.

При этом, чем меньше крутизна амплитудной характеристики исследуемого преобразователя 12, тем через больший промежуток времени от начала нарастания амплитуды модулирующего сигнала на выходе электрического модулятора 31 по пилообразному закону сигналы на выходах избирательных усилителей 17 и 18 и обратятся в нуль, и чем больше амплитуда угловых коле" баний отражателя 11, тем больший промежуток времени будет разделять моменты равенства нулю амплитуд сигналов на выходах избирательных усилителей 17 и 18. Таким образом, указанны1з промежутки времени служат мерой крутизны амплитудной характеристики и амплитуды угловых колебаний отражателя 11 исслсдуемого преобразователя 12 соответственно. С выходов избирательных усилителей 17 и 18

-сигналы поступают на детекторы 19 ,и 20 соответственно.(фиг. 2б и 2 вj, C выхода детекторов 19 и 20 сигналы поступают на входы триггеров 21 и 22 .

Шмидта, которые осуществляют формирование напряжений прямоугольной формы в соответствии (фиг. 2г и 2д). ,После дифференцирования этих напряжений с помощью дифференцирующих блоков 23 и 24 получаем короткие импульсы, соответствующие моментам времени, в которые амплитуды сигналов на выходах избирательных усилителей. 17 и 18 равны нулю. Эти им пульсы подаются далее на входы сумматора 27, а с его выхода на один из раздельных входов триггера 28. На другой вход триггера 28 подается сигнал с выхода блока 30 формирования импульсов запрета, соответствующий-обратному ходу пилообразного напряжения (фиг. 2ж).

Таким образом, с началом нарастания напряжения на выходе электрического модулятора 32 по пилообразному закону триггер 28 устанавливается в одно из устойчивых состояний; а при равенстве нулю одного из сигналов на выходах избирательных уси лителей 17 или 18 переводится в дру

roe устойчивое состояние, т.е. иа

968615 образного напряжения и исключа(о(ций срабатывание триггера 25 во время обратного хода пилообразного напряжения (фиг. 2а-2д). Таким образом, .на выходе триггера 25 формируется им5 пульс, длительность которого пропорциональна угловому отклонению отражателя 11, связанного с исследуемым объектом 12 (фиг. 2е ).Длительность этого импульса измеряется при помощи

1Q отсчетного блока 26, в качестве которого также Может быть испбльзован цифровой измеритель интервалов времени.,Величина углового отклонения отражателя 11 связана с измеренной отсчетным блоком 26 длительностью импульса следунлцим соотношением (UM„ ) à„LN2 лч - Ь к " — (з) .® где )1 — коэфФициент увеличения оптической системы, состоящей иэ оптических телескопических систем, содержащих объективЫ

9 и 10 и 7 и 8; — расстояние между центра точечных диафрагм 13 и 14, Т„ — длительность импульса, изме" . ренная отсчетным блоком 26 величины К,(Vм 1 и «(, (те же, что и

Г ме,((, р а(цк в выражении (2). (Таким образом, за счет использования соединенных последовательно сумматора, триггера и отсчетного блока и их подключения, наряду с измерением угловых колебаний исследуемого преобразователя, можно производить измерение крутизны его амплитудной характеристики, которая является одним из основных параметров преобразователей. При этом, для измерения крутизны используется то, что равенство нулю первой гармоники модулирующего сигнала, на выходе избирательного усилителя, подключенного к фотоприемнику имеет место при вполне определенной величине амплитуды линейных перемещений преобразователя однозначно связанной с длиной волны оптического излучателя. Тем самым обеспечивается-крайне малое влияние на результаты измерений различных т„ ((1)

Омод)max (2) где А — длина волны источника излучения 1 25 1 „ - первый корень функции Бессе-( ля первого рода первого порядка; (Ом ; максимальное значение амплитуды модулирующего напряжения на выходе электрического модулятсц а 32;

- длительность прямого хода пилообразного напряжения, подаваемого на электрический модулятор 32 с генератора 31 пилообразного напряжения

1 измеренная отсчетным блоком 29 длительность импульса на выходе триггера 40

28 (фиг. 2з).

В соответствии с формулой (2)отсчетный блок 29 может быть проградуирован непосредственно в единицах измеряемой величины, т.е. крутизна 45 .амплитудной. характеристики преобразователя.

С выхода дифференцирующих блоков

23 и 24 сигналы, соответствук(щие мо(ментам равенства нулю выходных сигналов избирательных усилителей 17 и

18, поступают так же на входы триггера 25, который первым иэ приходящих сигналов устанавливается в одно состояние, а вторым — возвращается в исходное. В качестве триггера 25 может быть использован триггер с двумя счетными входами и с входной логикой, обеспечивающей отсутствие срабатывания .триггера 25 при одновременном поступлении сигналов на его входы. На триггер 25 подается также сигнал с выхода блока 30 Формирования импульсов запрета, соответствующий обратному ходу пилообразного напряжения генератора 31 пило55

Формула изобретения

65 выходе триггера 28 Формируется импульс напряжения, начало которого совпадает с началом нарастания модулирующего напряжения на выходе электрического модулятора 32 по пилообразному закону, а окончание - с моментом равенства нулю одного из сигналов на выходах избирательных усилителей 17 или 18,или обоих одновременно (фиг. 2з) . Полученный импульс измеряется с помощью отсчетного блока 29, в качестве которого

° может быть использован например,цифровой измеритель временных интервалов. Измеренное значение длительности импульса на выходе триггера (28 связано с крутизной амплитудной характеристики К исследуемого преобразователя следующим соотношением дестабилизирующих факторов, таких как посторонние вибрации и т.п., что позволяет производить измерение крутизны амплитудных характеристик преобразователей с высокой точностью, следовательно, расширить функциональные возможности устройства

Интерференционный измеритель перемещений по авт. св. 9 877325, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью расширения функциональных возмож968615

10 ностей, он снабжен соединенными последовательно сумматором,вторым триггером и вторым отсчетным блоком, второй вход второго триггера подключен к выходу блока формирования импульсов эапрета, а каж.дый иэ входов сумматора - к выходу соответствуюцего канала схемы обработки сигналов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1 Авторское свидетельство СССР

Ф 877325> кл. G 01 В 21/00, 1980 прототип).

Фиа8

Составитель Е.Глазкова

Редактор Г. Ус Техред Л.Пекарь Корректор М. Шароши

Эакаэ 8143/67.. Тираж 614 . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета. СССР по делам изобретений и открытий

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

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