Способ измерения дробной части интерференционной полосы и устройство для его реализации

 

1. Способ измерения дробной части интерференционной полосы, заключающийся в том, что формируют интерференционную картину в виде интерференционных полос, осуществляют принудительные периодические перемещения полос по синусоидальному закону в плоскости анализа, преобразуют распределение освещенности полос в плоскости анализа в электрический сигнал и выделяют первую и вторую гармонические составляющие электрического сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, определяют амплитудные значения первой и второй гармонических составляю (цих электрического сигнала, знаки полуволн первой и второй гармонических составляющих в момент времени, соответствующий среднему значению периода принудительного перемещения полос, а величину дробной части интерференционной полосы определяют по соотношению 1 РЛ 1 р J, (АЮ I где К - дробная часть интерференционной полосы в долях полосы; V2 амплитудные значения nepsoiS и второй гармонических состав лягшцих электрического сигнала; ЗдИ), 3(А77)- функции Бесселя второго и первого порядка 9 первого рода с аргументом Ajj; А - амплитуда принудительного периодического перемещения полос; +-1 - при совпадении знаков полу-волн первой и второй гаомо М; нических составляющих электрического сигнала; ,-1 - при несовпадении знаков полуvl волн первой и второй гармоо нических составляющих электо рического сигнала. 2. Устройство для измерения дробсо ной части интерференционной полосы содержащее интерферометр с подвижным зеркалом, установленным на пре образователе перемещения, генератор синусоидального напряжения, соединенный с преобразователем перемещения подвижного зеркала интерферометра фотопреобразова ель ,предусилитель, блоки выделения первой и второй гармоник и блок вычисления, отличающееся тем, что, с целью

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„SUÄÄ1017669

3 G 01 В 21/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (riri)e

К= arctic

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3223090/18-28 (22) 26.12.80 (46) 15.05.83. Бюл. и .18 (72) В.H.Гришин и IO.В.Мищенко (71) Московский ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетический институт (53) 531.71(088,8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Н 124676, кл. 6 01 В 9/02, 1959.

2. "Измерительная техника", 1977, И 12, с.39.

3 Патент СшА N 3572935, кл. 6 01 В 11/ОО, 1975 (пРототип). (54) СПОСОБ ИЗИЮЕНИЯ ДРОБНОЙ ЧАСТИ

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЙ ПОЛОСЫ И УСТРОЙСТВО

lUN EI 0 РЕАЛИЗАЦИИ. (57) 1. Способ измерения дробной час. ти интерференционной полосы, заключа.ющийся в том, что формируют интерференционную картину в виде интерференционных полос, осуществляют принудительные периодические перемещения полос по синусоидальному закону в плоскости анализа, преобразуют распределение освещенности полос в плоскости анализа в электрический сигнал и выделяют первую и вторую гармонические составляющие электрического сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, определяют амплитудные значения первой и второй гармонических составляющих электрического сигнала, знаки полуволн первой и второй гармоничес- . ких составляющих в момент времени, соответствующий среднему значению периода принудительного перемещения полос, а величину дробной части интерференционной полосы определяют по соотношению где К - дробная часть интерференци" онной полосы в долях полосы;

Р„,Р - амплитудные зна ения первой и второй гармонических состав ляющих электрического сигнала;

Э (Щ), 3„{,ATi) - Функции Бесселя второго и первого порядка Я первого рода с аргументом Щ

A - -амплитуда принудительного периодического перемещения полос;

+1 - при совпадении знаков полу- Я волн первой и второй гаомо. Щ- нических составляюших электрического сигнала;

-1 - при несовпадении знаков полу>we волн первой и второй гармонических составляющих элект- Ф1 рического сигнала °

2. Устройство для измерения дробной части интерфеоенционной полосы содержащее интерферометр с подвижным зеркалом, установленным на npe" образователе перемещения, генератор синусоидального напряжения, соединенный с преобразователем перемеще ния подвижного зеркала интерферометра„. фотопреобразователь .,предусилитель, блоки выделения первой и второй гар" моник и блок вычисления, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью

1017669

20 ла 3 повышения точности измерений, оно снабжено соединенными последовательно первым амплитудным детектором ипервым аналого-цифровым преобразова. телем, первым блоком определения знака, соединенными последовательно вторым амплитудным детектором и вторым аналого-цифровым преобразователем, вторым блоком определения знака,бло-, ком сравнения знаков, входы которого соединены с генератором синусоидального напряжения и выходами первого и второго блоков определения знака, 1

Изобретение относится к измерительной технике в частности к изме" рению величины дробной части интерференционной полосы в сдвиге интерференционной картины, и может быть использовано в производстве высокоточных измерительных систем координатно-измерительных машин, инструментальных микроскопов и прецизион-. ных станков. известен способ измерения дробной части интерференционной полосы, заключающийся в создании равномер" ного движения интерференционных полос интерференционной картины, фик- 15 сации оптических сигналов в двух точках измерения, преобразования оптических сигналов в электрические и измерении разности фаз электрических сигналов 11 .

Однако этот способ не обладает высокой точностью измерения дробной части интерференционной полосы,так как на точность измерения оказывают сильное влияние возможные неравно- 25 мерности в движении системы интерференционных полос и наличие обратного хода при возвращении системы в . исходное состояние.

Известно также устройство для измерения дробной части интерференционной полосы, состоящее из интерферометра, генератора синусоидального напряжения, соединенного с подвижным зеркалом интерферометра, фотопреобразователя, двух. предусилите. лей, двух блоков выделения первой гармоники сигнала фототока, двух. а выход - с входом .блока вычисления, к двум другим входам которого подключены соответственно .выходы первого и второго аналого-цифрового преобразователя, выход предварительного усилителя соединен с входами блоков выделения первой и второй гармоник, а выходы последних соединены соответственно с входами первого амплитудного детектора и первого аналого-цифрового преобразователя и второго амплитудного детектора и. второго аналого-цифрового преобразователя.

2 триггеров Ямидта и блока вычисления дробной части интерференционной полосы $2J.

Недостатком устройства является невысокая точность измерения, так как на точность оказывает большое влияние нестабильность порога срабатывания триггеров и нестабильность амплитуды синусоидальной развертки.

Наиболее близким к изобретению является способ измерения дробной части интерференционной полосы, заключающийся в том, что формируют интерференционную картину в виде интерференционных полос, осуществляют принудительные периодические перемещения полос по синусоидальному закону в плоскости анализа, преобразует .распределе нйе освещенности полос в плоскости анализа в электрический сигнал и вы" деляют первую и.вторую гармонические . составляющие электрического сигнала.

8 -способе предусматривается также вовмоиность квадратирования переменной составляющей электрйческого сигнаНедостатком способа является невысокая точность измерений, так как в результате уие первого квадратирования переменной составляющей в коэф" фициенте при второй гармонической составляющей появляется постоянный член, не зайисящий от величины измеряемого параметра, при .этом возможна ситуация, когда этот член будет больше амплитуды переменной составляюшей в коэффициенте при второй гармонической

3 -. - .- 01- 669 составляющей., при этом будет нарушен алгоритм измерения..

Известно также устройство для из- И мерения дробной. части интерференцион-. ной полосы, содержащее интерферометр

+1 - при совпадении знаков.na" . луволг первой и-второй гар ионических составляющих электрйческого сигн@Ла;

-.1 - при .несовпадении знаков .-М. с подвижным зеркалом, установленным на преобразователе перемещения, генера- тор оинусоидального напряжейия, со-. единенный с -преобразователем:перемещения: подвижного зеркала интерФерометра, фотопреобразователь, предусилитель,,блоки выделения первой и второй:гармоник и блок вычисления.

Устройство содержит также и квадратов,g3 $... 33

Недостатком устройства являются неточности в формировании логической последовательности и нарушении алгоритма измврения. Иэ-за наличия после кеадратирования B сигнале составляю, щих, независящих от .величины переме щения объекта.

Целью изобретения является повышение. точности измерения. - 2$

Поставленная цель достигается тем, -что согласно способу- измерения дробной части интерференционной полосы .определяют амплитудные значения пер вой и нторсй. гармонических состав- .щ лявщих:-электрического сигнала, знаки полуволн первой и второй гармоничес- . ких составляющих в,иомент времени, соответствующий среднему значению периода принудительного перемещения полос,: а величину дробной части ину тер4ерекционном полосы определяют гю соотнбще ни@

4$. где : К " дробная часть интерференцио ной полосы. в долях .полоса;

Р,1:P " амплитудные значения пер" вой и. второй гармонических so составляющих электрически го смгнала;

:?2(МЩА3ф- функции Бесселя второго и, первого порядка первого рода с.аргументом Ая, A - амплитуда периодического прйнудительного перемеще" ния полас; луволн первой:и- второй -г"вр" монических саставляющих электрического сигйала;

Устройство для измерения .дробной части интерференционной полосы снаб жено соединенным последовательно первым амплитудным детектором и:пВрвым аналого-цифровым преобразователем, первым блоком определения знака,. соединенными .последовательно вторым амплитудным детектором и вторым анало-: го-цифровым преобразователем; аторым блоком определения знака, блоком сравнения знаков, входы которого соединены с генератором синусоидального: напряжения и входами йереого и-.Второго блоков определения знака-,.а -, выход - c входом блока- вычисления; к двум другим входам которогО подклю-., чены соответственно выходй первог6 и второго аналого-цифрового преобра". жвателя,выход предварительного усилителя соединен с входами блоков. выделения первой и второй гармоник., а выходы последних соединены соответственно с входами первого амплитудного детектора и первого аналого-цйфроного преобразователя и второго амплитудного детектора и второго анао . лого-циФрового преобразовтеля, На чертеже представлена блок-схе . .ма устройства длл измерения -дробной части интерференционной полосы.

Способ измерения дробной. части интерференционной гюлосы заключается в следующем.

Е ли зеркало интерферометра пере- мещает=я по синусоидальному закону ф= — 3, 1 и 4О4

А

2 где 3 - мгновенное смещение зеркала;

Я " амплитуда принудительного . периодического перемещения интерференционных полос;

Л - длина волны;

& - частота колебаний, тогда после преобразования электрический сиг» нал р будет =2с» cos (РЗВМм И+ 2КЩ 1) где а" коэффициент, зависящий от мощности оптического излуче", 5 1017669 6 ния и от коэффициентов преоб- . ниях (3 ) и (4 ) позволяет установить разования оптических и элект- непосредственное направление смещения рических преобразователей; интерференционных полос (направление

К - дробная часть интерференци- смещения объекта). онной гюлосы в долях полос, 5 Путем деления правой и левой час-. тей соотношения (3 ) на соответствующие правую и левую части соотношения (4 ) получаем результирующее соотноше р-2 3 AJi os2gy óÇ <АЛ)51п2КЛ» ние для расчета пар.-.метра.М: .пИ- И (A3)s n 2K3?sin 3wt+

+ 2 ,у (дЯ осе 2КЛ со52Ш1+ 23 (АЛ) с в 2КЛсэв4 t+ - 1

)З„(АЛ) SinаКц (Ь)

Р2 !.Ц (АЮсов2КЩ

P ) (АЗ)М (Я

55 путем введения коэффициента M. Раскрытие неопределенности в соотношеГде g (Z) - функция Бесселя в-го по"

tll рядка 1 "го рода с аргументом Z.

Затем из электрического сиГнала Ф 20 выделяется первая и вторая гармонические составляющие. Далее осуществляется определение амплитудных значений этих гармонических составляющих Р и

P соответственно

2 .25

Р. фснп„(4Jl)sin2K>f, (3)

Р 2а72(Ю) сов2КЭ (4)

2 2

Знак абсолютной величины в соотношениях (3 ) и (4) свидетельствует о том, что амплитудные значения определяются безотносительно к фазе упомянутых гармонических составляю их.

Далее определяются знаки полуволн первой и второй гармонических составляющих в момент времени, соответствующий среднему значению периода принудительного перемещения полос.

Из соотношения (2 ), в частности,.следует, что непосредственно после момента времени й0 значение первой и второй гармонических составляющих могут быть как отрицательными, так и положительными. Следовательно, кон кретизируя знак полуволн этих составляющих в момент времени tO, можно раскрыть неопределенность в соотношениях (3) и (4), что и сделано в соотношении которое с учетом коэффициента М может быть преобразовано в соотношейие (5 ) (операция деления является необходи-. мой с точки зрения исключения влияния флуктуаций параметра ct), Устройство для измерения дробной части интерференционной полосы сос"тоит из интерферометра 1 с подвижным зеркалом, установленным на преобразователе 2 перемещения, генератора

3 синусоидального напряжения,связанного с последним, соединенных последовательно фотопреобразователя

4, предусилителя 5 и первого и второго блоков 6 и 7 выделения первой и второй гармоник, соединенных входами первого и второго амплитудных детекторов 8 и 9, первого и второго аналого-цифрового преобразователя

10 и 11, блока 12 вычисления, первого и второго блоков 13 и 14 определения знака и блока 15 сравнения знаков, входами соединенного с последним и с генератором 3 синусоидально" го напряжения, а выходом - с блоком

12 вычисления, к другим входам которого подключены аналого-цифровые преобразователи 10 и 1 l

Устройство для измерения дробной части интерференционной полосы ра-! ботает следующим образом.

Сигнал синусоидальной развертки поступает с выхода генератора 3 на преобразователь 2 перемеще.. - ия подвижного зеркала интерферометра 1. Образующаяся на выходе интерферометра

1 интерференционная картина преобразуется в электрический сигнал фотопреобразователем 4.С выхода послед-него электрический сигнал фототока поступает на вход предусилителя 5. С выхода предусилителя 5 элек.трический сигнал поступает на входы двух блоков 6 и 7, на1017669 ф строенных .на частоты первой и. второй . нулевой уровень, свабатывания. Логи..гармонических составлякпвих электри- ческие уровни,,формйрующиеся на. вы» ческого сигнала. С выходов. блоков - ходах блоков 13 и:14, .несут информа»

6 и 7 сигналы гармонических состав- цию о знаках-полуволн.и подаются на . ляющих йоступ4ют: на входы амплитуд-. Ф два входа блока 15 сравнения знаков .. ных детекторов 8 и 9, выходы которых На стробирующий"вход этого блока по-,. . соедииены со входами аналого"цифро- ступает сигнал с генератора 3. По вых преобразователей 10.и 11. Сигналы данным,.полученным с аналого- цифровых с выходов аналого-цифровых преобра-.- преобразователей 10 и 11 и.блока 1$ .зователей 10:и 11, несущие информацию О блок 12 вычисляет величину.дробной об :амплитудных. значениях-.первой и .Iíàcòè порядка интерференции. второй гармойических составляющих -. ;; Таким образом, за счет применения

:.электрического сигнала, поступают способа измерения -дробной:част интевна два. входа блока 12. фвренционной полосы,реали@уещ>го предСигналы с выходов блоков 6 и 7 . 1> лагаемым устройством, обеспечивается

:постуйают также на входы двух бло- . возможность .вычисленйя.необходимого ков 13 и 14 определения знака. полу- параметра, не прибегая к квадратироволны соответствующих гармонических : ванию, следовательно пввиаается точ.. составляющих, причем в качестве бло- ность измерения. Так может быть опрекоа.13::и .14 могут применяться анало- > делена, например 0,001-0,0001 часть . говые.компараторы, настроенные на интерференционной полосы.

Составитель Е. Глазкова .

Редактор И.Товтин- Техред С.Иигунова Корректор И..Шулла еВваееееюееаа a бе е аЬ ° У» ев

Заказ 3468/25 . .Тираж 602 Подписное. .ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д..4/5 ю 4 е е ай М

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