Интерференционное устройство для измерения перемещений (его варианты)

 

1. Интерференционное устройство для измерения перемещений, (содержащее основание и платформу, установленную на основании с возможностью поворота, оптически связанные источник монохроматического излучения , размещенные на платформе параллельно друг другу и оси ее поворота плоское зеркало и саеторасщепит .ель, отражатель, скрепляемый с измеряемом объектом, первый отражатель , установленньЕй на основании, и первый фотоприемник, образующие измерительный канал, второй отражатель , установленный на основании, и второй фотоприемник, образующие компенсационный кан;:)л, электромеханический преобразователь, связанный с платфомой и подключенный своим входом к выходу второго фотоприемника , и блок регистрации, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, оно снабжено вторым светорасщепителем. расположенным на основании между источником излучения и плоским зеркалом так, что плоскость главного сечения первого светорасцепителя составляет прямой угол с плоскостью главного сечения второго светорасщепителя , датчиком нуля, вход которого подключен к выходу второго фотоприемника , и дифференциальным усилителем, выход которогр подключен к входу блока регистрации, второй отражатель выполнен с двумя гранями , образующими прямой угол, и усеченным плоскостью, перпендикулярной к плоскости главного сечення второго отражателя, и ориеитировлн так, 8 что плоскость его главного сечения параллельна плоскости главного сечения второго светорасцепителя, а грани второго отражателя расположены по разные стороны общей плоскости главного сечения отражателя,скрепленного объектом,и первого отражателя,выходы ;фотоприемников электрически связаны с входами дв| ференциального усилите:л ля, а блок регистрации выполнен с вторым входом, к которому подключен ч| выход датчиса нуля. ч 2. Интерференционное устро ство для измерения перемещений, содержащее основате и платформу, установленную на основашш с возможностью поворота, оптически связанш) источник монохроматического излучения, размещённые на платформе параллельно друг другу и оси ее поворота плоское зе1жало и светорасщепитель, .отдражатель , скрепляемый с измеряемым объектом, первый отражатель, установленный на основании, и первый фотоприемник , образующиеизмерительный .

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (!9) (!!!

3 (59 G 0 1 В ) 1 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ .

Н ABTOPCK0IVIY СВИДЕТЕЛЬСТИУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3258077/25-28 (22) 09.03.81 (46) 30.11.83, Бюл. И 44 (72) В.И.Гуляев и Л.А.Чуча (71) Центральная ордена Трудового

Красного Знамени генетическая лаборатория нм. И.В Инчурина ,(53) 531.7:531.14(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Ф 679789, кл. G 01 В 11/00, 1978.

2. Авторское свидетельство СССР

Ф 911142, кл. G 01 В !1/00, 1982 (прототип) . (54) ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО

ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕИЕЩЕНИЙ (ЕГО ВАРИАНТЫ). (57) 1. Интерференционное устройство для измерения перемещений, содержащее основание и платформу, установленную на основании с возможностью поворота, оптически связанные источник монохроиатического излучения, размещенные на платформе параллельно друг другу и оси ее поворота плоСкое зеркало и светорасщепитель, отражатель, скрепляемый с измеряемым объектом, первый отражатель, установленный на основании, и первый фотоприемник, образующие измерительный канал, второй отражатель, установленный на основании, и второй фотоприемник, образующие компенсационный канал, электромеханический преобразователь, связанный с платфомой и подключенный своим входом к выходу второго фотоприемника, и блок регистрации, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений, оно снабжено вторым светорасщепителеи, расположенным на основании йезду источником излучения и плоским sepкалом так, что плоскость главного сечения первого светорасщепителя составляет прямой угол с плоскостые главного сечения второго светораощепителя, датчиком нуля, вход которого подключен к выходу второго фотоприемника, и дифференциальньи усилителем, выход которого подклю.чен к входу блока регистрации, второй отражатель выполнен с двумя гранями, образующими прямой угол, и усеченным плоскостью, перпендикулярной к плоскости главного сечения второго отражателя, и ориентирован так, что плоскость его глазного сечения . параллельна плоскости глазного сечения второго светорасщепителя, а грани второго отрааателя расположены о разные стороны общей плоскости глав ного сечения отражателя,скренлениого объектом,и первого отражателя,выходЫ (фотоприемников электрически связаны с входами дифференциального усилителя, а блок регистрации выполнен с вторым входом, к которому подключен выход датчика нуля.

2. Интерференционное устройство для измерения перемещений, содержащее основание и платформу, установленную на основании с возможностью поворота, оптически связанные источник монохроматического излучения, размещенные на платформе параплельно друг другу и оси ее поворота плоское зеркало и светорасщепитель,.отрамагель, скрепляемый с измеряемым объектом, первый отражатель, установленный на основании, и первый фотоприемник, образующие измерительный .

1057777 ка Lll . канал, второй отражатель, установленный на основании, и второй фотоприемник, образующие компенсационный канал, электромеханический rIpeобразователь, подключенный своим входом к выходу второго фотоприемника, и блок регистрации, о т л.ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повьппения точности измерений, оно снабжено второй платформой, установленной на основании между светорасщапителем и отражателями с возможностью поворота вокруг оси, параллельной оси поворота первой платформы, компенсатором оптической разности хода лучей измерительного и компенсационного каналов, помещенным на второй платформе, вторым светорасщепителем, расположенным на основании между источником излучения и плоским зеркалом так, что плоскость главного сечения первого светорасщепителя. составляет прямой угол с плоскостью главного сечения нтос.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, предназначено для измерения величины малых перемещений и может быть использовано при проведении научных иссле- 5 дований, например, при изучении реакции биологических объектов на воздействие различных физико-химическнх раздражителей.

1 10

Известно устройство для измерения перемещений, содержащее оптически связанные источник монохроматического излучения и светорасщепнтель, первый отражатель, скрепляФ емый с измеряемым объектом, и первьгй фотоприемник, образующие измерительный канал, второй отражатель и второй фотоприемник, образующие ком-, пенсационный канал, третий отражатель, оптический элемент, электромеханический преобразователь, подключенный к выходу второго фотоприемника, и блок регистрации, связанный с выходом первого фотоприемнирого светорасщепителя, датчиком нуля, вход которого подключен к выходу второго фотоприемника, и дифференциальным усилителем, выход котоФ рого подключен к входу блока регист" рации, второй отражатель выполнен с двумя гранями, образующими прямой угол, и усеченным плоскостью, перпендикулярной к плоскости главного сече«ния второго отражателя, и ориентирован так, что плоскость его главного сечения параллельна плоскости главного сечения второго светорасщепителя, а грани второго отражателя расположены по разные стороны общей плоскости главного сечения отражателя, скрепляемого с объектом, и первого отражателя, вы:оды фотоприемников электрически связаны с входами дифференциального усилителя, блок регистрации выполнен с вторымвходом, к которому подключен выходдатчика нуля,а электромеханический преобразователь связан с второй платформой.

Недостаток указанного устройства — низкая: точность измерений, обусловленная влиянием неконтролируемых условий смещений оптических элементов устройства и температурного градиента в направлении, перпендикулярном измерительному каналу.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является интерференционное устройство для измерения перемещений, содержащее основание и платформу, установленную на основании с возможностью поворота, оптически связанные источник монохроматического излучения, размещенные на платформе параллельно друг другу и оси ее поворота плоское зеркало и светорасщепитель, отражатель, скрепляемьф с измеряемым объектом, первый отражатель, установленный на основании, и первый фотоприемник, образующие измерительный канал, второй отражатель, установ ленный на основании, и второй фотоприемник, образующие компеисацион1057777

40 ный канал, электромеханический преобразователь, связанный с платформой и подключенный своим входом к выходу второго фотоприемника, и блок регистрации (2) .

Недостатком известного устройства. является сравнительно низкая точность контроля, обусловленная тем, что хотя оно и позволяет скомпенсировать случайные угловые смещения 10 оптических элементов устройства, но не обеспечивает полной компенсации температурного градиента в направлении, перпендикулярном измерительному каналу. Кроме того; точность измерений снижается за счет динамической погрешности компенсации дестабилизирующих факторов.

Цель изобретения — повышение точности измерений.

Цель по первому варианту выполнения достигается тем, что интерференционное устройство для измерения перемещений, содержащее основание и платформу, установленную на ос- 75 новании с возможностью поворота, on"" тически связанные источник монохроматического излучения, размещенные на платформе параллельно друг другу и оси ее поворота плоское зеркало и светорасщепитель, отражатель, скрепляемый с измеряемым объектом, первый отражатель, установленный на основании, и первый фотоприемнкс, образующие измерительный канал, второи отражатель, установленный на ос35 новании, и второй фотоприемник, образующие компенсационный канал, электромеханический преобразователь, связанный с платформой и подключенный своим входом к выходу второго фотоприемника, и блок регистрации, снабжено вторым светорасщепителем, расположенным на основании между источником излучения и плоским зеркалом так, что плоскость главного .сечения первого светорасщепителя составляет прямой угол с плоскостью главного сечения второго светорасщепителя, датчиком нуля, вход которого подключен к выходу второго фотоприемника, и дифференциальным усилителем, выход которого подключен к входу блока регистрации, второй отражатель выполнен с двумя гранями, образующими прямой угол, и усеченным плоскостью, перпендикулярной к плоскости главного сечения второго отражателя, и ориентирован так, что плоскость его главного сечения параллельна плоскости главного сечения второго светорасщепителя, а грани второго отражателя расположены по разные стороны общей плоскости главного сечения отражателя, скрепляемого с объектом, и первого отражателя, выходы фотоприемников электрически связаны с входами дифференциального усилителя, а блок регистрации выполнен с вторым входом; к которому подключен выход датчика нуля, Указанная цель по второму варианту достигается тем, что интерференционное устройство для измерения перемещений, содержащее основание и платформу, установленную на основании с возможностью поворота, оптически связанные источник монохро. матического излучения, размещенные на платформе параллельно друг другу и оси ее поворота плоское зеркало и светорасщепитель, отражатель, скрепляемый с измеряемым объектом, первый отражатель, установленный на основании, и первый фотоприемник, образующие измерительный канал, второй отражатель, установленный на основании, и второй фотоприемник, образующие компенсационный канал, электромеханический преобразователь, подключенный своим входом к выходу второго фотоприемника, и блок регистрации, снабжено второй платформой, установленной на основании между светорасщепителем, и отражателями с возможностью поворота вокруг оси, параллельной оси поворота первой платформы, компенсатором оптической разности хода лучей измерительного и компенсационного каналов, помещенным на второй платформе, вторым светорасщепителем, расположенным на основании между источником излучения и плоским зеркалом так, что плоскость главного сечения первого светорасщепителя составляет прямой угол с плоскостью главного сечения второго светорасщепителя, датчиком нуля, вход которого подключен к выходу второго фотоприемника, и дифференциальным усилителем, выход которого подключен к входу блока регистрации, второй отражатель выполнен с двумя гранями, образующими прямой угол, и усеченным плоскостью, перпендикулярной к плоскости глав1057777 ного сечения второго отражателя, и ориентирован так, что плоскость его главного сечения параллельна плосГ кости главного сечения второго светораощепителя, а грани второго. отражателя расположены ио разные стороны общей плоскости главного сечения отражателя, скрепляемого с объектом и первого отражателя, выходы фотоприемников электрически связаны с входами дифференциального усилителя, блок регистрации выполнен с вторым входом, к которому подключен выход датчика нуля, а электромеханический преобразователь связан с второй платформой.

На фиг, l показана принципиальная схема первого варианта устройства; на фиг. 2 — принципиальная схема второго варианта.

Первый вариант устройства (фиг.l) содержит основание (ие показано) и платформу 1, оптически связанные источник 2 монохроматического излучения, второй светорасщепитель 3, плос- кое зеркало 4, первый светорасщепитель 5, отражатель Ь, скрепляемый с объектом, первый 7 и второй 8 отражатели, светоделители 9 и 10, первый и второй фотоприемники ll и 12 и электрически связанные с фотоприемниками 11 и 12 и один с другим дифференциальный усилитель 13, датчик !4 нуля, блок 15 регистрации и электромеханический преобразователь 16. 35

Второй вариант устройства (фиг.2), кроме того, содержит вторую платформу 17 и компенсатор 18 оптической разности хода лучей измеритель- 40 ного и компенсационного каналов.

Платформа 1 установлена на основании с возможностью поворота. Плоское зеркало 4 и первый св еторасщепитель

5 размещены на платформе 1 параллель- 45 но друг другу и оси ее поворота, Отражатель 6 скрепляется с измеряемым

Ф объектом 19, а первый и второй отражатели 7 и 8 .установлены на основании. Второй светорасщепитель 3 распо- 50 ложен на основании между источником

2 и плоским зеркалом 4 так, что плоскость главного сечения первого светорасщепителя 5 составляет прямой угол с плоскостью главного сечения 55 второго светорасщепителя 3.. Злементы устройства 6, 7, 5, 4, 9 и 11 образуют измерительный .канал, а элементы 8, 5, 4, IO и 12 — компенсационный канал.

Второй отражатель 8 выполнен с

„двумя гранями, образующими прямой угол, усечен плоскостью, перпендикулярной к плоскости его главного сечения, и ориентирован так, что плоскость главного сечения второго отражателя 8 параллельна плоскости главного сечения второго светорасщепителя 3, а грани второго отражателя 8 расположены по разные стороны .общей плоскости главного сечения отражателей 6 и 7.

Первый и второй светорасщепители

5 и 3 выполнены идентичными в виде плоскопараллельной стеклянной пластины, на одну из поверхностей которой нанесено отражающее покрытие. Отражатели 6 и 7 выполнены в виде плоских зеркал. Однако возможны и другие варианты выполнения указанных элементов.

Так, например, один или оба светорасщепителя 3 и 5 могут осуществлять деление пучка лучей от источника 2 не по амплитуде, а по фронту, а один или оба отражателя 6 и 7 могут быть двугранными.

Фотоприемники ll и 12 выполнены дифференциальными, а их выходы подключены к:входам дифференциального усилителя 13, а выход фотоприемника 12, кроме того — к входу датчика 14 нуля и к входу электромеханического преобразователя 16 Блок

15 регистрации выполнен с двумя входами, к одному из которых подключен выход дифференциального усилителя

13, а к другому — выход датчика 14 нуля.

В первом варианте устройства (фиг. !) электромеханический преобразователь 16 скреплен с платформой

1, а отражающее покрытие отражателя 8 (плоское зеркало) имеет ступеньку высотой 71 /2, где 11 — длина волны излучения источника 2.

Во втором варианте устройства

Ю (фиг. 2) электромеханический преобразователь 16 скреплен с второй платформой 17, установленной на основании между светорасщепителем 5 и отражателями 6, 7 и 8 с возможностью поворота вокруг оси, параллельной оси поворота первой платформы ), а компенсатор 18 оптической разности хоДа лучей измерительного и компенсационного каналов размещен на вто1057777 рой платформе 17. Компенсатор 18 выполнен в виде одиночной призмы, но возможны и другие варианты его выполнЕния, например в виде системы призм или зеркал. 5

Пучок излучения источниса 2 падает на светорасщепитель 3, который делит его на два параллельных один другому пучка одинаковой интенсивности и направляет их на зеркало 4.

Зеркало 4 направляет оба пучка на светорасщепитель 5, который делит каждый пучок на два параллельных один, другому пучка и направляет их на отражатели 6, 7 и 8. Отражатели 6, 7 и 8 возвращают пучки лучей в направлении светорасщепителя 5, который объединяет эти пучки с образованием двух интерференционных картин, одна иэ которых переносится светоделителем 9 в плоскость чувствительной площадки фотоприемника ll измерительного канала, а другая — светоделителем 10 в плоскость чувствительной площадки фотоприемника 12 компенсационного канала.

Поступательное смещение отражателя 6, обусловленное воздействием измеряемого объекта 19, изменяет разность хода интерферирующих пуч- З0 ков в измерительном канале, что вызывает перемещение интерференционной картины на чувствительной площадке фотоприемника 11, а следовательно, и появление на его выходе электрическо-З5

" ro сигнала, который при отсутствии дестабилизирующих факторов пропорциона-. лен смещению отражателя 6.

Изменение разности хода интерфе40 рирующих пучков в измерительном и компенсационном каналах, обусловлен" иое влиянием дестабилизирующих факто ров, вызывает перемещение интерференционных картин на чувствительных пло-, 45 щадках фотоприемников ll и 12, а. еле. довательно, и появление на их выходах электрических сигналов- рассогласования, пропорциональных воздействию дестабилизи ющих факто ов. ру P

Дифференциальный усилитель 13 усиливает сигнал с выходов фотоприемников ll и 12 и осуществляет их вычитание, а блок 15 регистрации фиксирует разностный сигнал, который в слу- 55 чае малости сигнала рассогласования пропорционален воздействию только измеряемого объекта.

Одновременно сигнал рассогласования с выхода фотоприемника 12 компенсационного канала поступает на вход электромеханического преобразователя 16,.который разворачивает платформу 1, обеспечивая тем самым уменьшение сигналов рассогласования в измерительном и компенсационном каналах до нуля.

Сигнал рассогласования с выхода фотоприемника 12 компенсационного канала поступает также и на вход датчика 14, который позволяет блоку

15 регистрации выделить иэ всей серии измерений те иэ них, которые соответствуют нулевому сигналу рассогласования (или сигналу рассогласования, значение которого меньше наперед заданного), что обеспечивает высокую точность измерений даже при наличии интенсивного фона дестабилизирующих воздействий.

Устройство по второму варианту (фиг. 2) работает аналогично. Отличие состоит в том, что компенсация влияния дестабилизирующих факторов осуществляется путем разворота второй платформы 17 с установленным на ней компенсатором 18. А так как масса элементов 17 и !8 второго варианта устройства меньше массы элементов 1, 4 и 5, то меньше и их момент инерции относительно оси вращения, нто снижает динамическую погрешность компенсации и, следовательно, позволяет проводить измерения при более быстрых флуктуациях внешних дестабилизирующих факторов по сравнению с первым вариантом устройства.

В обоих вариантах устройства целесообразно использовать дифференциальные фотоприемники. В этом случае интерференционная картина на чувствительной площадке каждого из фотоприемников должна состоять из двух частей, смещенных одна относительно другой на половину ширины интерференционной полосы. Необходимое смещение может быть достигнуто за счет введения для части лучей каждого из каналов фазовой задержки в Я рад, например, путем выполнения со ступенькой соответствующих оптических элементов. В первом варианте устройства такими элементами могут быть отражатели 7 и 8. Во втором варианте устройства ступеньку целесо" образно выполнить на одной из отра1057777

1О жающих граней светорасщепителя 5, так как в этом случае можно не предьявлять жестких требований к выдерживанию необходимой высоты ступеньки, поскольку смещение двух частей интерференционной картины на каждом иэ фотоприемников можно регулировать путем разворота платформы 1.

Оба варианта устройства допускают, использование дополнительного интерференционного канала в обратном ходе лучей за светорасщепителем 3, например,в качестве рефракционного канала.

Второй вариант устройства имеет более высокие эксплуатационные характеристики, что достигается в результате его усложнения.

Снабжение устройства вторым светорасщепителем 3, дифференциальным усилителем 13 и датчиком 14 в сово-

1О купиости с соответствующим выполнением остальных элементов позволяет повысить точность измерений путем снижения влияния внешних дестабилизирующих факторов.!

057,777

Рер

EO

Составитель О.Фомин

Редактор Л.Филь Техред Л.Пилипенко Корректор М.Демчик

Заказ 9571/43 Тираж 602 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий !!3035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

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