Преобразователь линейных перемещений

Авторы патента:

G01B11 - Приспособления к измерительным устройствам, отличающиеся оптическими средствами измерения (измерительные устройства как таковые G01B 9/00)

Заявляемая полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, предназначена для измерения линейных перемещений путем счета интерференционных полос и может быть использована в измерительных системах с управлением от ЭВМ, станках с ЧПУ и т.п. Достигаются следующие технические результаты: повышение точности компенсации постоянных составляющих квадратурных сигналов, обеспечение синусоидальности формы квадратурных сигналов, обеспечение возможности компактного размещения фотоэлементов. Преобразователь линейных перемещений, содержащий последовательно установленные источник оптического излучения, коллимирующий объектив, установленную соосно с ним апертурную диафрагму, две фазовые дифракционные решетки с симметричным профилем штрихов, четыре фотоприемника, установленных за второй дифракционной решеткой двумя группами по два фотоприемника в направлениях соответственно плюс и минус первых порядков дифракции первой дифракционной решетки, симметрично относительно оптической оси коллимирующего объектива. 8 ИЛ.

Известен интерферометр с использованием решетки для измерения перемещения (Патент США 3738753, опубл. 12.06.1973, в том числе по фиг.6, 13). Интерферометр предназначен для работы с источником коллимированного оптического излучения. Интерферометр имеет следующие общие с заявляемым решением признаки: две дифракционные решетки, одна из дифракционных решеток установлена с возможностью перемещения, четыре фотоприемника. Недостатки: источник должен быть монохроматическим, интерферометр чувствителен к изменению длины волны источника, что вызвано несимметричной схемой дифракции. Кроме того, четыре фотоприемника разнесены в поле интерференционных полос и оптически сопряжены с разнесенными и разными участками решеток, поэтому локальные дефекты и загрязнения подвижной решетки вызывают разбалансировку сигналов, что приводит к возникновению погрешности измерений.

Известна система для линейных и угловых измерений (Патент США 3796498, опубл. 12.03.1974, в том числе по фиг.3, 5). Система имеет следующие общие с заявляемым решением признаки: содержит источник оптического излучения и коллимирующий объектив, две дифракционные решетки, причем одна из дифракционных решеток установлена с возможностью перемещения, фотоприемники. Недостатки: низкая светосила, используется только одна пара из множества дифракционных порядков. Несимметричная схема дифракции, чувствительная к изменению длины волны источника оптического излучения, что приводит к появлению погрешности. Фотоприемники разнесены в поле интерференционных полос и оптически сопряжены с разнесенными и разными участками решеток.

Известен фотоэлектрический датчик (Патент ФРГ 2316248, опубл. 10.10.1974, в том числе по фиг.1). Датчик имеет следующие общие с заявляемым решением признаки: источник оптического излучения, коллимирующий объектив, фотоприемники, расположенные друг относительно друга на одной линии вдоль направления перемещения подвижной решетки симметрично относительно оптической оси коллимирующего объектива, две дифракционные решетки, одна из дифракционных решеток установлена с возможностью перемещения, решетки выполнены фазовыми, оптическая ось коллимирующего объектива расположена перпендикулярно поверхности решеток. Недостатки: фотоприемники воспринимают интерференционную картину от более чем двух дифракционных порядков, что приводит к появлению дополнительной погрешности.

Известен оптический преобразователь, обладающий высоким разрешением (Патент США 5812320, опубл. 22.09.1998, в том числе по фиг.16, 48). Преобразователь содержит следующие общие с заявляемым решением признаки: коллимирующий объектив, источник оптического излучения, две дифракционные решетки, одна из дифракционных решеток установлена с возможностью перемещения, решетки выполнены фазовыми, четыре фотоприемника с возможностью формирования квадратурных сигналов, оптическая ось коллимирующего объектива расположена перпендикулярно поверхности решеток. Недостатки: фотоприемники разнесены в поле интерференционных полос и оптически сопряжены с разнесенными и разными участками решеток, что приводит к погрешности, фотоприемники воспринимают интерференционную картину от более чем двух дифракционных порядков, что приводит к появлению дополнительной погрешности.

Задачей полезной модели является повышение точности измерений, уменьшение габаритов.

При этом достигаются следующие технические результаты:

- повышение точности компенсации постоянных составляющих квадратурных сигналов;

- обеспечение синусоидальности формы квадратурных сигналов;

- обеспечение возможности компактного размещения фотоэлементов.

Преобразователь линейных перемещений, содержащий последовательно установленные источник оптического излучения, коллимирующий объектив, установленную соосно с ним апертурную диафрагму, две фазовые дифракционные решетки с симметричным профилем штрихов, четыре фотоприемника, установленных за второй дифракционной решеткой двумя группами по два фотоприемника в направлениях соответственно плюс и минус первых порядков дифракции первой дифракционной решетки, симметрично относительно оптической оси коллимирующего объектива, причем оптическая ось коллимирующего объектива расположена перпендикулярно поверхности решеток, апертурная диафрагма выполнена с прямоугольным окном с двумя сторонами, параллельными штрихам дифракционных решеток, и двумя сторонами, перпендикулярными штрихам дифракционных решеток, первая по ходу оптического излучения дифракционная решетка установлена с возможностью перемещения, фотоприемники попарно оптически сопряжены с одними и теми же для каждой пары участками второй решетки, фотоприемники расположены друг относительно друга на одной линии вдоль направления перемещения подвижной решетки, причем ширина (а) окна апертурной диафрагмы в направлении, перпендикулярном штрихам решеток, должна удовлетворять соотношению:

a - ширина окна апертурной диафрагмы, мм;

b - размер фотоприемника в направлении, перпендикулярном штрихам решеток, мм;

с - расстояние между центрами фотоприемников в группе, мм,

расстояние (h) от фотоприемников до первой дифракционной решетки должно удовлетворять соотношению:

- длина волны оптического излучения, мкм;

d₁ - шаг первой дифракционной решетки, мкм,

а шаг (d₂) второй дифракционной решетки должен удовлетворять соотношениям:

d₂ - шаг второй дифракционной решетки, мкм;

d₁ - шаг первой дифракционной решетки, мкм;

с - расстояние между центрами фотоприемников в группе, мм.

Заявляемая полезная модель поясняется следующими фигурами.

Фиг.1 - оптическая схема преобразователя линейных перемещений.

Фиг.2 - дифракция оптического излучения на первой дифракционной решетке.

Фиг.3 - дифракция оптического излучения на второй дифракционной решетке.

Фиг.4 - схематическое изображение интерферирующих пучков оптического излучения и размещения фотоприемников в зонах интерференции.

Фиг.5 - зона интерференции на фотоприемниках.

Фиг.6 - оптическое сопряжение фотоприемников с участками дифракционных решеток.

Фиг.7 - сигналы с фотоприемников.

Фиг.8 - квадратурные сигналы после обработки сигналов с фотоприемников.

Преобразователь линейных перемещений, содержащий последовательно установленные источник оптического излучения 1, например лазерный диод или светодиод, коллимирующий объектив 2, установленную соосно с ним апертурную диафрагму 3, две фазовые дифракционные решетки 4 и 5 с симметричным профилем штрихов, четыре фотоприемника 6, 7, 8, 9, например фотодиоды, установленных за второй дифракционной решеткой 5 двумя группами по два фотоприемника в направлениях соответственно плюс и минус первых порядков дифракции первой дифракционной решетки 4, симметрично относительно оптической оси коллимирующего объектива 2, причем оптическая ось коллимирующего объектива 2 расположена перпендикулярно поверхности решеток 4, 5, апертурная диафрагма 3 выполнена с прямоугольным окном с двумя сторонами, параллельными штрихам дифракционных решеток 4, 5, и двумя сторонами, перпендикулярными штрихам дифракционных решеток 4, 5, первая по ходу оптического излучения дифракционная решетка 4 установлена с возможностью перемещения.

Фотоприемники попарно оптически сопряжены с одними и теми же для каждой пары участками второй решетки 5, фотоприемники 6, 7 ,8 ,9 расположены друг относительно друга на одной линии вдоль направления перемещения подвижной решетки, причем ширина (а) окна апертурной диафрагмы 3 в направлении, перпендикулярном штрихам решеток 4, 5, должна удовлетворяет соотношению (1).

Например, для b=1,1 мм, с=1,3 мм ширину окна диафрагмы можно выбрать a=2,8 мм.

Расстояние h от фотоприемников до первой дифракционной решетки должно удовлетворять соотношению (2). Например, для a=2,8 мм, =0,65 мкм, d₁=2 мкм расстояние от фотоприемников до первой дифракционной решетки можно выбрать h=8,5 мм.

Шаг второй дифракционной решетки d₂ должен удовлетворять соотношению (3).

Например, для d₁=2 мкм и с=1,3 мм шаг второй решетки можно выбрать равным d₂=(1+1,9·10^-4)=1,00019 мкм.

При выбранном значении расстояния h от фотоприемников до решетки 4 оптическое сопряжение пар фотоприемников с одними и теми же для каждой пары участками второй решетки 5 реализуется для расстояния е между центрами фотоприемников в паре:

е - расстояния между центрами фотоприемников в паре, мм;

h - расстояние от фотоприемников до первой дифракционной решетки, мм;

- угол дифракции первых порядков первой решетки, рад., вычисляемый по формуле:

- длина волны оптического излучения, мкм;

d₁ - шаг первой дифракционной решетки, мкм.

Так, для h=8,5 мм, =0,65 мкм, d₁=2 мкм расстояние между центрами фотоприемников в паре составит е=5,8 мм.

Источник оптического излучения 1 формирует расходящийся пучок оптического излучения, после чего коллимирующий объектив 2 преобразует его в параллельный (коллимированный). Апертурная диафрагма 3 формирует прямоугольную апертуру коллимированного пучка, падающего на первую дифракционную решетку 4.

Первая дифракционная решетка 4 расщепляет (см. фиг.2) падающий пучок на дифракционные порядки, в том числе -1; 0; +1. Пучок дифракционного порядка -1 расщепляется на второй решетке 5 на два дифракционных порядка (см. фиг.3) - нулевой порядок (-1, 0), плюс первый порядок (-1, +1). Пучок дифракционного порядка +1 расщепляется на второй решетке 5 также на два дифракционных порядка - нулевой порядок (+1, 0), минус первый порядок (+1, -1).

Два пучка дифракционных порядков (-1, 0) и (+1, -1) интерферируют в направлении -1 порядка дифракционной решетки 4, а два пучка дифракционных порядков (-1, +1) и (+1, 0) интерферируют в направлении +1 порядка первой дифракционной решетки 4. (см. фиг.4).

В зонах интерференции установлены фотоприемники 6, 7, 8, 9.

Размер а прямоугольного окна апертурной диафрагмы 3, выбранный в соответствии с формулой (1), размер b, расстояние с и расположение фотоприемников 6, 7, 8, 9 в соответствии с формулами (1), (2) позволяют исключить нулевой порядок первой решетки из зоны регистрации.

При выборе параметров а и h в соответствии с граничными значениями по формулам (1), (2), а именно:

a=b+c,

h=a/tg,

где обозначения соответствуют вышеуказанным.

Расположение фотоприемников 6, 7, 8, 9 относительно решетки 4 получается наиболее компактным. Например, для b=1,1 мм, с=1,3 мм, =0,65 мкм, d₁=2 мкм получаем a=2,4 мм и h=7,0 мм.

Таким образом, в зоне регистрации фотоприемников 6, 7 оказываются только пучки дифракционных порядков (-1, 0) и (+1, -1), создающие двухлучевую интерференцию, обеспечивающую формирование синусоидальных сигналов S₁, S₂ (см. фиг.7) при перемещении решетки 4.

В зоне регистрации фотоприемников 8, 9 оказываются только пучки дифракционных порядков (-1, +1) и (+1, 0), создающие двухлучевую интерференцию, обеспечивающую формирование синусоидальных сигналов S₃ , S₄ (см. фиг.7) при перемещении решетки 4. На фиг.5 показаны сформированные интерференционные картины и пары фотоприемников.

На фиг.6 показано оптическое сопряжение фотоприемников 6, 8 с участком решетки 5 и оптическое сопряжение фотоприемников 7, 9 с другим участком решетки 5.

При перемещении решетки 4 вправо пучок дифракционного порядка +1 и, соответственно, пучки дифракционных порядков (+1, -1) и (+1, 0) приобретают положительный фазовый сдвиг, пропорциональный перемещению решетки. А пучок дифракционного порядка -1 и, соответственно, пучки дифракционных порядков (-1, 0) и (-1, +1) приобретают такой же по величине отрицательный фазовый сдвиг, пропорциональный перемещению решетки. Причем, перемещение решетки 4 на один шаг дает фазовый сдвиг, равный 2. При этом разность фаз интерферирующих дифракционных порядков (+1, -1) и (-1, 0), идущих в направлении порядка -1 решетки 4, изменится на 4, а фотоприемники 6, 7, установленные в зоне интерференции этих дифракционных порядков, зарегистрируют синусоидальные сигналы (фиг.7), период которых соответствует половине шага решетки 4. Аналогично, разность фаз интерферирующих дифракционных порядков (+1, 0) и (-1, +1), идущих в направлении порядка +1 решетки 4, также изменится на 4, а фотоприемники 8, 9, установленные в зоне интерференции этих дифракционных порядков, зарегистрируют синусоидальные сигналы (фиг.7), период которых также соответствует половине шага решетки 4.

Благодаря тому, что дифракционные решетки выбраны фазовыми, сигналы на парах фотоприемников 6, 8 и, соответственно, 7, 9 оказываются противофазными (фиг.7).

При выборе шага решетки 5 по формуле (3) разность фаз сигналов на фотоприемниках 6, 7 и, соответственно, 8, 9 получается 90° за счет сдвига штрихов решетки 5 относительно штрихов решетки 4 в двух зонах (см. фиг.6). Таким образом на выходе фотоприемников 6, 7, 8, 9 формируются сигналы S₁, S₂, S₃ , S₄ с относительными сдвигами фаз 90°, 180°, 270° (фиг.7).

Полученные сигналы S₁ , S₂, S₃, S₄ могут подвергаться стандартной обработке путем вычитания противофазных сигналов: S₁-S₃ и S₂-S₄, что дает компенсацию постоянной составляющей сигналов с фотоприемников и возможность формирования квадратурных сигналов для реверсивного счета периодов и интерполяции в отсчетных устройствах.

За счет того, что фотоприемники попарно оптически сопряжены с одними и теми же для каждой пары участками второй решетки 5, локальные дефекты подвижной решетки 4 или загрязнения вызывают одновременные и равные по величине изменения противофазных сигналов. Это обеспечивает нулевую постоянную составляющую квадратурных сигналов даже при наличии дефектов и загрязнений подвижной решетки 4, что повышает точность измерения.

Преобразователь линейных перемещений, содержащий последовательно установленные источник оптического излучения, коллимирующий объектив, установленную соосно с ним апертурную диафрагму, две фазовые дифракционные решетки с симметричным профилем штрихов, четыре фотоприемника, установленных за второй дифракционной решеткой двумя группами по два фотоприемника в направлениях соответственно плюс и минус первых порядков дифракции первой дифракционной решетки, симметрично относительно оптической оси коллимирующего объектива, причем оптическая ось коллимирующего объектива расположена перпендикулярно поверхности решеток, апертурная диафрагма выполнена с прямоугольным окном с двумя сторонами, параллельными штрихам дифракционных решеток, и двумя сторонами, перпендикулярными штрихам дифракционных решеток, первая по ходу оптического излучения дифракционная решетка установлена с возможностью перемещения, фотоприемники попарно оптически сопряжены с одними и теми же для каждой пары участками второй решетки, фотоприемники расположены относительно друг друга на одной линии вдоль направления перемещения подвижной решетки, причем ширина (а) окна апертурной диафрагмы в направлении, перпендикулярном штрихам решеток, должна удовлетворять соотношению:

аb+с,