Устройство для измерения величины и скорости перемещения объекта

Устройство для измерения величины и скорости перемещения объекта

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советеиих

Социаниетичвених

Реепубиин

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ к лвто ском свидетельству ii>976291 (61) Дополнительное к авт. свнд-ву (22) Заявлено 16. 04. 81 (21) 3275867/18-28 с присоединением заявки № (51)Nl. Кл.

G 01 В 11/ОО

3Ъеудвретеаа43 комитет

СССР ю алаи изобретеии11 и ютирытий (23) Приоритет

Опубликовано 23,11.82. Бюллетень № 43 (53) УДК с31,7 (088.8) Дата опубликования описания 23. 11. 82 (72) Авторы изобретения

8,Б,Поляков, Н.И.Азаренков и Н.С.Огольцов . ° .

1 "г..

1 й@ .„ ! (71) Заявитель (g4) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕЛИЧИНИ И СКОРОСТИ

ПЕРЕМЕЩЕНИИ И ОБЪЕКТА

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к оптической интерферометрии, и может быть использовано для дистанционного бесконтактного измерения величины и скорости малых перемещений различных объ ектов.

Известно устройство для измерения скорости перемещения объектов, содержащее двухлучевой интерферометр, источник когерентного излучения, преоб«1О разователь модулирующих сигналов, диафрагму и фотоприемник на выходе ин-, терферометра, соединенные послецовательно блок выделения частотно-модули

15 рованнбго сигнала йфильтр нижних частот, включенные между фотоприемни" ком и преобразователем модулирующих сигналов (1 j.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения величины и скорости перемв щения объекта, содержащее источник

2 когерентного излучения, двухлучевой интерферометр с опорной и измерительной ветвью, с оптическим блоком фокусировки луча на объект в измерительной ветви и отражателем в опорной ветви, модулятор, связанный с отражателем, диафрагму и фотоприемник, установленные последовательно на выходе двухлучевого интерферометра, блок формирования модулирующих сигналов, первый выход которого подключен к модулятору, фильтр нижних частот, первый полосовой Фильтр и два генератора электрических сигналов. В устройстве источник когерентного излучения неуправляем (2 1.

Недостатком известного устройства является то, что оно ие обеспечивает достаточно высокой точности измерения параметров движения диффузно рассеивающих объектов при наличии помех, так как воздействие мешающих факторов таких, как вибрация, турбулентное движение воздуха

3 97629 на трассе распространения измерительного луча, нестабильность углового положения луча на выходе источника когерентного излучения и др., приводит к перемещению луча на поверх5 ности объекта, При этом в связи с тем, что ра спределени е и нтенси вности в плоскости чувствительной площадки фотоприемника является результатом интерференции диафрагированных 1о на элементарных отражателях диффузно рассеивающей поверхности лучей между собой и с опорным пучком, электрический сигнал промежуточной частоты в блоке выделения Фазомодулиро- д5 ванных сигналов оказывается промодулированным низкочастотной помехой, представляющей собой случайный npo" . цесс. Глубина модуляции полезного сигнала помехой возрастает с увеличением длины измерительной ветви интерферометра.

Целью изобретения является повыше ние точности измерения перемещения диффузно рассеивающих объектов при наличии помех.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для измерения величины и скорости перемещения объекта, содержащее источник когерентного излучения,двухлучевой интерферометр с опорной и измерительной ветвями; с .оптическим блоком фокусировки луча на объект в измерительной ветви и отражателем в опорной ветви, модулятор, связанныи с отражателем, диафрагму и фос

3S топриемник, установленные последовательнс на выходе двухлучевого интерферометра, блок формирования модулирующих сигналов, первый выход которо>Ц) го подключен к модулятору, фильтр нижних частот, первый полосовой фильтр и два генератора электрических сигналов, снабжено двухкоординатным дефектором оптического излучения, соединенными последовательно блоком выделения сигналов промежуточной частоты, соединенным с фотоприемником, блоком детектирования, вторым полосовым фильтром, и двумя каналами управления, каждый из которых состоит из соединен-5О ных последовательно балансного детектора, блока Формирования управляющего напряжения и сумматора, в каждом из каналов управления вторые входы сумматорбв подключены к соответствующим re 55 нераторам электрических сигналов и вто рым вхсдам балансных детекторов, выходы сумматоров соединены с соответству1 4 ющими входами двухкоординатного дефлек тора, а балансные детекторы - с соответствующими .полосовыми фильтрами, sxo ды последних соединены между собой и с первым входом блока детектирования, второй его выход является первым выходом устройства, а третий соединен с фильтром нижних частот и является вторым выходом устройства, источник коге» рентного излучения выполнен управляемым, а выход фильтра нижних частот соединен с управляющим входом последнего;. второй выход блока формирования моду.лирующих импульсов соединен с вторым входом блока детектирования.

На Фиг, 1 представлена блок-схема устройства для измерения величины и скорости перемещения объектов; на фиг, 2 - векторная диаграмма переме щения зоны облучения на поверхности объекта, параметры движения которого измеряются. устройство для измерения величины и скорости перемещения объектов содержит управляемый по частоте источник

1 когерентного излучения, состоящий из лазерного активного вещества 2 и зеркал 3 и 4 резонатора. Зеркало 4 резонатора установлено на пьезокерамическом элементе 5. (В данном примере выполнения для управления частотой источника когерентного излучения используется пьезокерамический привод одного из зеркал резонатора. В устройстве могут использоваться источники когерентного излучения, частота которых изменяется каким-либо другим образом, например путем изменения оптической длины резонатора с помощью электрооптических кристаллов или за счет использования эффекта

Зеемана и т.д,), llo ходу выходного луча источника когерентного излучения установлен двухлучевой интерферометр, состоящий из оптически связанных отражателя и связанного с ним модулятора 6, полупрозрачного зеркала 7, установленного в опорной ветви интерферометра, двухкоординатного дефлектора 8, установленного в измерительной ветви интерферометра, оптического блока 9 Фокусировки луча на объект 10, состоящего из короткофокусной 11 и длиннофокусной

12 компонент, диафрагмы 13 и Фотоприемника 14, установленных на выходе интерферометра, К выходу Фотоприемника 14 подключен блок 15 выделения сигналов промежуточной частоты, 5 9762 выход которого соединен с блоком 16 детектирования, состоящим из частотного 17 амплитудного 18 и Фазового 19 детекторов, Входы этих детекторов 17-19 соединены между собой и являются одним из входов блока 16 детектирования> другим входом которого является вход опорного напряжениЯ фазового детектора 19, к которому подключен один из выходов блока )Q

20 формирования модулирующих сигналов. Второй выход блока 20 формирования модулируащих сигналов подключен к модулятору 6. Выход частотного детектора 17 через фильтр 21 нижних частот подключен к управляющему входу источника 1 когерентного излучения, .К выходу амплитудного детектора 18 подключены два полосовых Фильтра 22 и 23, выходы которых соединены с сигнальными входами соответствующих балансных детекторов 24 и

25, Опорные входы балансных детекто ров 24 и 25 подключены к выходам соответствующих генераторов 26 и, 27 и электрических сигналов, Выходы генераторов 26 и 27 одновременно подключены к соответствующим входам сумматоров 28 и 29, к другим входам которых подключены выходы соответствующих блоков 30 и 31 Формирования управляющих напряжений, входы которых соединены с выходами балансных детекторов 24 и 25. Выходы сумматоров 28 и 29 соединены с соответствующими входами двухкоординатного дефлектора.

Устройство для измерения величины и скорости перемещения объекта работает следующим образом.

Выходной луч источника 1 когерентного излучения с помощью полупрозрачного зеркала 7 делится на два луча, которые направляются в опорную и измерительную ветви интерферометра, В опорной ветви луч падает на отража-. тель модулятора 6, с помощью которого направляется через полупрозрачное зеркало 7 на диафрагму 13. В измерительной ветви интерферометра луч проходит через дефлектор 8, с помощью которого осуществляется отклонение оптической оси луча по углу в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Величина углового отклонения оптической оси пропорциональна напряжению, поступающему на электрические входы дефлек55 тора 8, С выхода дефлектора 8 луч направляется в оптический блок 9 для

Фокусировки измерительного луча на

91 В объект 10. Оптический блок 9 представляет собой телескопическую систему, короткофокусная 11 и длиннофокусная

12 компоненты которой фокусируют излучение на поверхности объекта 10.

Часть рассеянного этой поверхностью излучения попадает обратно в оптический блок 9 и через дефлектор 8 и полупрозрачное зеркало 7 направляется на диафрагму 13. В плоскости диафрагмы

13 осуществляется, таким образом, сложение опорного и измерительного лучей. В результате этого образуется интерференционная картина, полосы которой перемещаются в плоскости диафрагмы 13 s соответствии с изменениями разности хода интерферирующих лучей. Это приводит к тому, что излучение, прошедшее через диафрагму

13 на чувствительную площадку фотоприемника 14, модулируется по интенсивности, В соответствии с принципом работы двухлучевого интерферометра электрическое напряжение на выходе Фотоприемника 14 связано с из менениями разности хода интерферируюцих лучей следующим соотношением дЕ() 1

13(, -/1() ОО5 2 л ) > (1) где A(t) - амплитудный множитель > зависимость которого от времечи t определяется флуктуациями интенсивности измерительного луча; дЕ(с) — разность хода интерферирующих лучей;

- длина волны излучения источника 1".

Разность хода интерферирующих лучей д2(с) содержит некоторую постоянную составляющую дно, определяемую начальной разностью оптических длин путей опорного и измерительного лучей, и переменные составляющие дВм(С) и дЕ„(с), которые определяются- действием отражателя с модулятором Ь и перемещениями поверхности объекта 10 соот-. ветственно, Кроме того, величина E(t) содержит также, как правило, помеховую составляющую aE„(t), определяемую воздействием вибраций на оЬъект 10 и оптические элементы интерферометра, турЬулентным движением воздуха, изменениями температуры, влажности и давления, из>1енениями разности хода интерферирующих лучей, возникающими в результа6291 8

3S

45 личине перемещения соответственно.

В связи с тем, что флуктуации пространственного положения оптической оси измерительной ветви интерферометра приводят к перемещению зоны облучения на поверхности объекта 10, которая является диффузно рассеивающей, имеет место модуляции рассеянного объектом 10 излучения по интенсивности. Это приводит к модуляции, помехой амплитуды электрического сигнала на выходе полосового фильтра 15, Глубина этой модуляции определяется величиной отклонения оптической оси измерительного луча от среднего пос (Еи(Л

ГьЕ„(+И

7 97 те действия дефпектора 8, и другими мешающими факторами,;.

На модулятор Ь подается напряжение от блока 20 формирования модулирующих сигналов. В соответствии с известным принципом синтеза в лазерном интерферометре фаэомодулированной (фМ) поднесущей путем двухчастотной модуляции разности фаз интерфеоирующих лучей блок 20 формирования модулирующих сигналов вырабатывает напряжение, представляющее собой сумму двух гармонических напряжений с определенным образом выбранными амплитудами, частотами и начальными фазами. В предлагаемом устройстве для измерения величины и скорости перемещения объектов напряжение, подаваемое на модулятор 6, >определяется выражением

0(4)=U„sin мо +02s1n2vpt (2) где И1 и U> - амплитуды гармонических составляющих; и)„= 2Л1 - частота, Значейия 111 и И2 выбраны в соответствии с известными условиями получения на выходе полосового фильтра

15, ФИ сигнала, для напряжения которого справедливо соотношение aÄ(+) z

U(t)=:в® COS L0pK+ 2T(J ($) д где B(t) - амплитудный множитель, отличающийся от A(t) на постоянный множитель, равный коэффициенту передачи полосового фильтра 15 ье,(у=ае„(ц е„(у. Ж

С выхода полосового фильтра 15 ФИ сигнал вида (3) поступает на вход блока 16 детектирования, в котором осуществляется частотное, амплитудное и фаэовое детектирование этого сй гнала. На выходе частотного детектора 17 при этом имеет место электрический сигнал, содержащий составляющую, величина которой пропорциональна скорости перемещения объекта

10 т..е.

Одновременно на выходе частотного детектора 17 содержится составляющая сигнала, величина которой пропорциональна

1О

3S ю

2S

Эта составляющая является помехой, Для устранения влияния помехи на результаты измерений сигнал с выхода частотного детектора 17 поступает на фильтр 21 нижних частот> который пропускает только помеху, C выхода этого фильтра электрическое напряжение пропорциональное отклонению частоты поднесущей под действием помехи, подается на пьезокерамический элемент

5> управляющий частотой излучения источника 1. Полярность этого напряжения выбирается такой, чтобы изменения частоты излучения были противоположны изменениям частоты поднесущей на выходе фильтра 19> имеющим место в результате действия помех. Таким образом, в устройстве осуществляется автоматическая подстройка частоты (АПЧ) источника 1 когерентного излучения, чем обеспечивается подавление помех на выходе частотного и фа" зового детекторов 17 и 19 и, следовательно, повышение точности измерений.

В устройстве возможно также использование фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ ) и сточни ка когерентного излучения 1, которая обеспечивает большую степень подавления помех„по сравнению с АПЧ, С этой целью напряжение с выхода фазового детектора 19 должно быть подано через дополнительный фильтр нижних частот на управляющий вход источника 1 когерентного излучения.

В результате действия систем АПЧ и фА(1Ч на Выходе частотного и фазового детекторов 17 и 19 выделяются неискаженные помехами, модулирующими разность фаз интерферирующих лучей, электрические сигналы, пропорциональные измеряемым параметрам движения объекта 10, т.е. скорости и ве к = пх мк у пу+ му > (5) 3D

9 97629 ложения,, При этом модулирующая функция (помеха) не зависит от направления этого отклонения, Для устранения влияния данных помех на точность измерений в устройстве пр,1менена сис- 5 тема автоматический стабилизации положения зоны облучения на поверхности объекта 10, которая работает следующим образом, На каждый из входов дефлектора 8 оптического излучения от генераторов 26 и 27 через сумматоры 28 и 29 соответственно подаются напряжения с различными частотами >у и w„, Под действием этих напряжений происходит сканирование положения зон облучения на поверхности объекта 10 по двум взаимно перпендикулярным осям х и у. (На фиг, 2 представлено расположение векторов Чл и Чм перемещения зоны облучения на поверхности объекта 1О под действием дестабилизирующих факторов и сигналов сканирования соответственно), Из векторной диаграммы (фиг. 2) следует, что составляющие смещения зоны облучения по каждой из осей х и y= Ух и

Чу,определяются выражениями

1 10

23, настроенных на частотн и „ и ы„ соответственно, С выходов каждого из фильтров 22 и 23 сигналы поступают на балансные детекторы 24 и 25, на опорные входы которых одновременно подаются сигналы от соответствующих генераторов 26 и 27, На выходе балансных детекторов 24 и 25, таким образом, выделяются сигналы, величина которых пропорциональна отклонению положения зоны облучения на поверхности объекта 10 по каждой из осей х и у, Эти сигналы поступают в блоки

30 и 31 формирования управляющих напряжений соответственно, с помощью которых формируются требуемые динамические характеристики системы стабилизации положения зоны облучения.

В состав этих блоков могут входить интеграторы, дифференцирующие каскады, инерционные звенья, нормирующие усилители и т,д. Конкретный состав блоков 30 и 31 зависит от типа используемого дефлектора, требуемой точности стабилизации положения зон облучения и характера дестабилизирующих воздействий. управляющие напряжения с выхода блоков 30 и 31 подаются на соответствующие входы сумматоров 28 и 29> в которых осуществляется сложение этих напряжений с выходными напряжениями генераторов 26 и 27 согде Мп„ и Чп - составляющие смещения зоны облучения, под действием дестабилизи35 рующих факторов по осям х и у соответственно1

Ц и Ч,„ - составляющие смещения мх му зоны облучения под действием сигналов сканирования по осям х и у соответственно.

Так как величина вектора полного перемещения зоны облучения под действием дестабилизирующих факторов и ° сигналов сканирования определяются выражением

Ч = (Ч„Ч > ), (} то в огибающей R (t) сигнала на выхо50, де фильтра 15 присутствуют балансно модулированные помехой составляющие с частотами ь>„и w . При этом сигнал с частотой м>к балвнсно модулирован составляющей Чп„, а сигнал с

55 частотой ч>у -9п„ соответственно. Огибающая B(t) выделяется амплитудным детектором 18, с выхода которого сигнал посгупает на входы фильтров 22 и ответственно, С выходов сумматоров 28 и 29 управляющие напряжения поступают на входы:дефлектора 8 для управления положением оптической оси измери= тельного луча, а следовательно, и положением зон облучения на поверх" ности объекта 10, Полярность включения управляющих напряжений выбрана такой, чтобы обеспечивалась автоматическая компенсация отклонений положения зон облучения, происходящих под действием дестабилизирующих факторов. В результате этого устраняется модуляция интенсивности измерительного луча помехой, и, соответственно, повыщается точность измерений величины и скорости перемещения диффузно рассеивающих объектов при наличии помех.

Таким образом, в предлагаемом уст" ройстве осуществляется автоматическая стабилизация положения зоны облучения на поверхность объекта, Так как при этом фазовые соотнощения парциальных лучей, рассеянных элементар" ными отражателями поверхности объекта и приходящих в плоскость диафраг11 9 7629

Nbl остаются постоянными (или изменяются незначительно), то флуктуации интенсивности падающего на фотоприемник излучения, обусловленные воздействием дестабилизирующих факторов, существенно уменьшаются, Следовательно, глубина амилитудной модуляции помехой ФМ сигнала на выходе фильтра также снижается и в широком диапазоне дестабилизирующих гвоздей- 1о ствий, приводящих к флуктуациям углового положения оптической оси измерительного луча и, как следствие, к флуктуациям положения зоны облуЧения на поверхности объекта, не при- 15 водит к появлению ошибок измерения, Этим обеспечивается повышение точности измерения величины и скорости перемещения диффузно рассеивающих э объектов при наличии помех, Кроме то- щ го, использование в устройстве автоматической подстройки частоты источника 1 излучения обеспечивает подавление помех, модулирующая разность фаз интерферирующих лучей, s более 25 широком диапазоне уровней, чем в случае применения автоподстройки частоты генератора электрических сигналов в блоке формирования модулирующих сигналов. 30

Технические преимущества известного устройства обеспечивают возможность измерения параметров движения диффузно рассеивающих объектов при увеличенной в 15-20 раз и более дли- З5 не опорной и измерительной ветвей .интерферометра при наличии помех, а экономические позволяют осуществлять измерения в труднодоступных местах и зонах действия вредных для операторов и измерительной установки факторов.

Формула изобретения

Устройство, для измерения величины и скорости перемещений объекта, содержащее источник когерентного излучения, двухлучевой интерферометр с опорной и измерительной ветвями, с оптическим блоком фокусировки луча на объект в измерительной ветви и отражателем в опорной ветви, моду-. лятор, связанный с отражателем, диl 12 афрагму и фотоприемник, установленные последовательно на выходе двухлучевого интерферометра, блок формирования модулирующих сигналов, первый выход которого подключен кмодулятору, фильтр нижних частот, первый полосовой фильтр и два генератора электрических сигналон о т1 личающееся тем, что, сцелью повышения точности измерения пе" ремещения диффузно рассеивающих объектов при наличии помех, оно снабжено двухкоординатным дефлектором оптического излучения, установленным в измерительной ветви двухлучевого интерферометра, соединенными последовательно блоком выделения сигналов промежуточной частоты, соединенным с фотоприемником, блоком детектирования, вторым полюсовым фильтром, и двумя каналами управления, каждый из которых состоит из соединенных последоватсльно балансного детектора, блока формирования управляющего напряжения и сумматора, в каждом из каналов управления вторые входы сумматоров подключены к соответствующим генераторам электрических сигналов и вторым входам балансных детекторов, выходы сумматоров соединены с соответствующими входами двухкоординатного дефлектора, а балансные детекторы - с соответствующими полосовыми фильтрами, входы последних соединены между собой и с первыми выходами блока детектирования, второй его выход является первым выходом устройства, а. третий соединен с фильтром нижних частот и является вторым выходом устройства, источник когерентного излучения выполнен управляемым, а выход фильтра нижних частот соединен с управляющим входом последнего, второй выход блока формирования модулирующих импульсов соединен с вторым входом блока детектирования.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР по.заявке Y .2706964/18-28, кл. Г 01 В 9/02, 1979.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке !! 2974290, кл. G 01 B11/00, 1980 (прототип),