Интерференционный способ измерения перемещений и устройство для его осуществления

 

1. Интерференционный способ измерения перемещений, заключающийся в получении интерференционных картин, смещенных одна относительно другой по фазе, преобразовании оптических сигналов в электрические при анализе интерференционных картин и формировании прямоугольных импульсов, по количеству и последовательности поступления которых определяют перемещение , отличающийс я тем, что, с целью повышения точности и увеличения диапазона измерений, получают три сдвинутых по фазе на 90 интерференционные картины и соответственно три электрических сигнала, определяют их постоянную и переменную составляющие и используют их для формирования двух сигналов со стабилизированными значениями постоянной i и переменной составляющих, а затем формируют прямоугольные импульсы. (Л

СОКИ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИ К

РЕСПУБЛИН

3(5g G 01 В 21/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOINY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3469260/18-28 (22) 12. 07 . 82 (46) 15.08,84. Бюл. 9 30 (72) В.А.Смирнов (53) 531.71(088.8) (56) 1. Алякишев С.A., Катаев М.И.

Лазерные измерители линейных перемещений для точного станкостроения.

Обзоры по электронной технике . Электроника, 1974, вып. б (205), с. 24 (прототип) . (54) ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ

ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. (57) 1. Интерференционный способ измерения перемещений, заключающийся в получении интерференционных картин, смещенных одна относительно другой

„,Я0„„328 А по фазе, преобразовании оптических сигналов в электрические при анализе интерференционных картин и формировании прямоугольных импульсов, по количеству и последовательности поступления которых определяют перемещение, отличающийсятем, что, с целью повышения точности и увеличения диапазона измерений, получают три сдвинутых по фазе на 90 интерференционные картины и соответственно три электрических сигнала, определяют их постоянную и переменную составляющие и используют их для формирования двух сигналов со стабилизированными значениями постоянной и переменной составляющих, а затем Pg формируют прямоугольные импульсы.

1108328 и соответственно три электрических: сигнала, определяют их постоянную и

f,25 переменную составляющие и используют

2. Устройство для измерения перемещений, содержащее интерферометр, три фотопреобразователя, два дифференциальных усилителя.,два формирователя, вход каждого иэ которых соединен с выходом соответствующего дифференциального усилителя, и регистратор, соединенный с выходами формирователей, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и увеличения диапазона измерений, оно снабжено источником опорного напряжения, двумя сумматорами, инвертором, двумя сумматорами-выпрямителями и тремя перемножителями-делителями, выходы, первого и второго перемножителей-делителей подключены к инвертирующим входам соответствующих дифференциальных усилителей, а неиннертирующив входы последних соеди- . нены с выходом третьего перемножителя-делителя, первый множительный нход которого соединен с выходам инверто1

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано н машиностроении и приборостроении для измерения с помощью лазерных измерителей перемещений.

Известен интерференционный способ измерения перемещений, заключающийся н получении интерференционных картин, смещенных одна относительно другой по Фазе, преобразование оптических сигналов н электрические при анализе интерференционных картин и формировании прямоугольных импульсов, по количеству и последовательности поступления которых определяют перемещение Ll).

Известно устройстно для измерения перемещений, содержащее интерферометр, три фотопреобразователя, два . дифференциальных усилителя, два формирователя, вход каждого из которых соединен с выходом соответствующего дифференциального усилителя, и регистратор. Приемник излучения содержит также четвертый Фотопреобразонатель(1

Недостатком известных способа и устройства является та, что при балансном методе компенсируются только постоянные составляющие сигналов фотопреобразонателей, а амплитуда переменной составляющей может иэмеляться в зависимости от уровня и глубины модуляции сигнала фотопреобраэователя, что, н частности, может быть

Вызвано нестабильностью мощности лазерного излучения при поперечных смера, вход которого подключен к выходу первого сумматора, один из входов первого сумматора соединен с выходом первого фотопреобраэователя, с первым множительным входом первого перемножителя-делителя и с перным нходом первого сумматора-выпрямителя, а второй вход первого сумматора подключен к выходу третьего фотопреобраэователя, выход второго фотопреобразователя соединен с первым множительным входом второго перемножителяделителя и с первым входом второго сумматора-выпрямителя, а вторые входы сумматоров-выпрямителей соединены с выходом первого сумматора, источник опорного напряжения подключен к вторым множительным входам перемножнтелей-делителей, делнтельные входы которых соединены с выходом второго сумматора, входы которого подключены к выходам сумматоров-выпрямителей.

2 щениях отражателей интерферометра, при ослаблении луча измерительного плеча интерферометра загрязнениями и т.д., тем самым не устраняются основные погрешности, что ведет к сниже— нию точности и уменьшению диапазона измерений.

Цель изобретения — повышение точности и увеличение диапазона измере10

Поставленная цель достигается тем, что согласно интерференционному способу измерения перемещений, заключающемуся в получении интерференционных картин, смещенных одна отнодительно другой по фазе, преобразовании оптических сигналов н электрические при анализе интерференционных картин и

Формиронании прямоугольных импульсов, по количеству и последовательности

20 поступления которых определяют перемещение, получают три сдвинутых по фазе на 90 интерференционные картины о их для формирования двух сигналов со стабилизированными значениями постоянной и переменной составляющих, а затем формируют прямоугольные имя пуль<-"ы °

Устройство для измерения перемещений, содержащее интерфераметр, три фотопреобразонателя, дна дифференциальных усилителя, дна формирователя, вход каждого иэ которых соединен с выходом соответстнующего дифферен1108328 циального усилителя, и регистратор, соединенный с выходами формирователей, снабжено источником опорного напряжения, двумя сумматорами, инвертором, двумя сумматорами-выпрямителями и тремя перемножителями-делителями выходы . 5 первого и второго перемножителей-делителей подключены к инвертирующим входам соответствующих дифференциальных усилителей, а неинвертирующие входы последних соединены )() с выходом третьего перемножителяделителя, первый множительный вход которого соединен с выходом инвертора, вход которого подключен к выходу первого сумматора, один иэ входов первого сумматора соединен с выходом первого фотопреобразователя, с -.первым множительным входом первого перемножителя-делителя и с первым входом первого сумматора-выпрямителя, а второй вход первого сумматора подключен 20 к выходу третьего фотопреобразователя, выход второго фотопреобразователя соединен с первым множительным входом второго перемножителя-делителя и с первым входом второго суммато- 25 ра-выпрямителя, а вторые входы сумматоров-выпрямителей соединены с выходом первого сумматора, источник опорного напряжения подключен к вторым множительным входам перемножите.лей-делителей, делительные входы которых соединены с выходом второго сумматора, входы которого подключены к выходам сумматоров-выпрямителей.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для осуществления интерференционного способа измерения перемещений; на фиг. 2 — эпюры сигналов на элементах схемы.

Устройство состоит из фотопреобраэователей 1, 2 и 3, источника 4 40 опорного напряжения, первого н второго перемножителя-делителя 5 и 6, первого сумматора 7, первого и второго дифференциальных усилителей 8 и 9, инвертора 10, первого и второго сум- 45 маторов-выпрямителей 11, 12, первого и второго формирователей 13 и 14, соединенных с выходами соответствующих дифференциальных усилителей 8 и

9, третьего перемножителя-делителя

15, второго сумматора 16, регистратора 17, соединенного с выходами формирователей 13 и 14, выходы первого и второго перемножителя делителя 5 и

6 подключены к инвертирующим входам соответствующих дифференциальных усилителей 8 или 9, а неинвертирующие входы последних соединены с выходом третьего перемножителя-делителя 15, первый множительный вход которого соединен с выходом инвертора 10, входб0 которого подключен к выходу первого сумматора 7, один иэ входов первого сумматора 7 соединен с выходом первого фотопреобраэователя 1, с первым множительным входом первого перемно- 65 жителя-делителя 5 и с первым входом первого сумматора-выпрямителя 11, а второй вход первого сумматора 7 подключен к выходу третьего фотопреобразователя 3, выход второго фотопреобразователя 2 соединен с первым множительным входом второго перемножителя-делителя 6 и с первым входом второго сумматора-выпрямителя 12, а вторые входы сумматоров-выпрямителей

11 и 12 соединены с выходом первого сумматора 7, источник 4 опорного напряжения подключен к вторым множительным входам перемножителей-делителей 5, 6 и 15, делительные входы которых соединены с выходом второго сумматора 16, входы которого подключены к выходам сумматоров-выпрямителей 11 и 12.

С помощью предлагаемого устройства способ осуществляется следующим образом.

С помощью интерферометра (не пока эан) получают три интерференционные картины, последовательно сдвинутые по фазе на 900. После преобразования оптических сигналов в электрические с помощью фотопреобраэователей 1, 2 и 3 получают сигналы вида

U = K,.I; (1 + m,.cos(aV,) ), где 1 — номер фотопреобразователей;

К; — коэффициент усиления фотопреобраз ователя;

I. — доля энергии лазерного излучения, приходящаяся на фотопреобразователь с номером i, m; — глу бин а модул яции сигнала фотопреобраэ ователя; фаза сигнала, связанная с величиной измеряемого перемещения DL.

Вследствие того, что сигналы фотопреобразователей одинаковым образом зависят от результата интерференции двух лучей опорного и измерительного плеч интерферометра, параметры выходных сигналов описываются одинаковыми фун кци ями времени:

В о(t) о( тогда

U; (t)Up(t) (1+m (t) ños ë . (t) ),.

Текущие значения трех укаэанных параметров определяются по значениям трех сигналов фотопреобразователей

U, (фиг, 2а) . Формирование двух сигналов Б, и US co стабилизированными эначейиями амплитуд и нулевыми постоянными составляющими (фиг. 2б) осуществляется по алгоритму

U> (t1 U,(t)E,/(U (t) m (t) ) — Š(m (t)

Е cos 4 9(t), 1108328

В (}=Ug ()Ео (Uo (t) mp (t) )-Ep!mо(t)=

= Е, sana@(t).

Указанные операции и последовательность их выполнения удовлетворяют до-5 полнительному условию осуществления споссба измерения, заключающемуся в том„что все сигналы, над которыми производятся операции умножения и деления, должны быть знакоположитель-1() ными вследствие использования логарифмических перемножителей-делителей

Б, б и 15

Стабилизированное значение Е вью рабатывается источником 4 опорного напряжения. Текущее значение -П (t) получают на выходе сумматора 7, на входы которого подаются сигналы U„(t) и 0 (t) c фотопреобразователей l и 3.

Выпрямленные значения .переменных составляющих сигналов U (t) и П (t) получают на сумматорах-выпрямителях

11 и 1?, прн этом сумматор 16 формирует сигнал U, (t) m (t), Перемножив сигналы Е и 0 (1) и разделив их произведенйе на П (t) m(t) с помощью перемножителя-делйтеля 15, получают величину Е,/mt. °

Используя полученные величины Ер, Up,(t)m(t) H Ep/m(1), преобразуют сйгнал U„(t) в сигнал со стабилизированным значением амплитуды и нулевой постоянной составляющей Uz(t) по указанному алгоритму с помощью перемножителя-делителя 5 и дифференциального усилителя 8 ° 35

Аналогичным образом формирует сигнал U (t) на перемножителе-делителе

8 б и дифференциальном усилителе 9.

Амплитудная дискриминация сигналов Од (t) и U (t) производится на 4О формирователях 13 и 14 по установленным значениям + Е„, что благодаря стабилизированному значению Е амплитуд сигналов Uz (t) и Ов (t) обеспечивает высокую и устойчивую помехозащищенность измерений, равномерность распределения счетных импульсов независимо от изменений уровня и глубины модуляции сигналов фотонреобраэователей.

В регистраторе 17 производится обработка выходных импульсов формирователей, определение величины и направления измеряемого перемещения и индикации результатов измерений.

Таким образом, использование величины Up(t) m(t) в качестве сигнала

1) (t)m.,(t) и гальванической связи между всеми узлами схемы обеспечивает простоту схемной реализации опре-. деления параметра m(t) и независимость амплитуд сигналов Uz(t) и Uz(t) от скорости измеряемого пере;.ащения, а также обусловливает близкую к треугольной форму сигналов U (t) H U >(t), что позволяет увеличить устойчивость измерителя к изменениям уровней и глубины модуляции сигналов фотоприемников, улучшить помехозащищенность измерителя, исключить систематическую ошибку измерений, что в совокупности обеспечивает значительное увеличение точности измерения перемещений, Достигнутая высокая точность интерференционных измерений в широком диапазоне не зависит от изменений мощности лазерного излучения, от искажений интерференционной картины, что обеспечивает увеличение диапазона измеряемых перемещений.

1108328

t

Составитель Е.Глазкова

Редактор М.дылын Техред C.Иигунова Корректор E.CHðoõìàí

Заказ 5851/29 Тираж 587 Подпи сн ое

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, 1ос ва, Ж-35, Раущская наб., д. 4/5

<Ьилиал ППП Патент r. Ужгород, ул. Проектная, 4