Устройство для измерения перемещений объекта

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТА, содержащее оптический интерферометр, генератор переменного напряжения, фотоприемник , узкополосный усилитель, фазовый детектор, усилитель постоянного напряжения , измеритель напряжения, отличающееся тем, что. с целью повьшения точности, чувствительности и расширения диапазона измеряемых перемещений, оно снабжено зеркальным гальванометром, расположенным на выходе интерферометра и соединенньм с генератором переменного напряжения и усилителем постоянного напряжения, дискриминатором, расположенным между гальванометром и фотоприемником, и системой сброса, подключенной параллельно усилителю постоянного напряжения, фотоприемник , узкополосный усилитель, фазовый детектор, усилитель постоянного напряжения и измеритель напряжения соединены последовательно, а генератор подключен к второму входу фазо (Л вого детектора.

(19) (И) СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)4 G 01 В 21/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР по делАм изОБРетений и ОткРытий

@ р - - ° .

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЙ У

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТА, содержащее оптический интерферометр, генератор переменного напряжения, фотоприемник, узкополосный усилитель, фазовый детектор, усилитель постоянного напряжения, измеритель напряжения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, (21 ) 37 1 639 7/24-28 (22) 29. 03. 84 (46) 30.12.85. Бюл. Р 48 (71) Симферопольский государственный университет им. М.В.Фрунзе (72) В.В.Нестеров (53) 531.7(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N - 1026010, кл. G 01 В 21/00, 1979. с целью повышения точности, чувствительности и расширения диапазона измеряемых перемещений, оно снабжено зеркальным гальванометром, расположенным на выходе интерферометра и соединенным.с генератором переменного напряжения и усилителем постоянного напряжения, дискриминатором, расположенным между гальванометром и фотоприемником, и системой сброса, подключенной параллельно усилителю. постоянного напряжения, фотоприемник, узкополосный усилитель, фазовый детектор, усилитель постоянного напряжения и измеритель напряжения

42 соединены последовательно, а гене- Е ратор подключен к второму аноду фавового детектора.

1201681

Изобретение относится к измерительной техникЕ, в частности к оптико-интерференционным устройствам, и предназначено для автоматического измерения смещений интерференционных полос.

Целью изобретения является повышение точности, чувствительности и расширение диапазона измеряемых перемещений.

На чертеже приведена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит оптический интерферометр 1, гальванометр 2, находящийся на выходе интерферометра, дискриминатор 3 в виде одной щели, соединенные последовательно фотоприемник 4 и узкополосный усилитель S генератор 6 переменного напряжения, фазовый детектор 7, усили тель 8 постоянного напряжения, подключенные к генератору 6, измеритель 9 напряжения и систему 10 сброса, подключенную параллельно .усилителю 8.

Устройство работает следующим рбразом.

Интерференционная картина в виде нескольких интерференционных полос отражается от зеркала гальванометра 2 и после прохождения дискриминатора 3 регистрируется фотоприемником 4.

Световой поток, поступающий на фотоприемник 4, модулируется по гармоническому закону, для чего на гальва нометр 2 подается гармоническое напряжение от генератора 6, осуществляющее угловые колебания зеркала гальванометра 2 по гармоническому закону, что приводит после прохождения дискриминатора 3 к периодическим колебаниям светового потока на фотоприемнике 4.

Для получения максимального интерференционного сигнала ширина щели дискриминатора 3 выбирается равной половине ширины интерференционных полос в плоскости дискриминатора 3.

Для работы системы в плоскости дискриминатора 3 должно быть спроециро вано как минимум три интерференционные полосы. Электрический сигнал U на выходе фотоприемника 4 имеет вид (2Д 2% 1

U U cosi — Х + —,-x) (1) (Л Л! ° где U — амплитуда электрического сигнала с фотоприемника 4; ,А - длина световой волны, 2

Х " разность оптической длины в плечах интерферометра;

Л вЂ” период интерференционной картины в плоскости дискри5 минатора 3; х — линейное перемещение интерференционной картины.

Линейное перемещение интерференционной картины происходит перпендику10 лярно направлению щели дискриминатора 3 при повороте зеркала гальванометра 2 под действием приложенного к нему напряжения. При гармоническом напряжении, подаваемом на гальваноt5 метр 2, имеет х=х„+х, s in t, (2) где х, — некоторое смещение интерференционной картины; х, — амплитуда смещения интерфе20 ренционной картины; — частота гармонического напряжения, подаваемого на гальванометр 2;

t — - время.

25 Учитывая выражения (2) и (1), получаем

Г27 21 2И

U=U соя(--I+ х +--х з1пд . (3) а (Д Л о Л

Узкополосным усилителем 5 выделяется сигнал первой гармоники. Из выражения (3) следует, что сигнал первой гармоники на выходе узкополосного усилителя 5 имеет вид

35 U) =Uо s n(I л xî,) J (-л z< ) sinAt

27 2ll 23 (4)

27 где J (-А-,х,) — функция Бесселя 1-ro порядка.

40 Для получения максимального сигнала первой гармоники подбирается х„ Л/4, 2Т при этом величина J(— х ) достигает своего максимального значения. Сигнал с выхода узкополосного усилителя 5 и сигнал с генератора 6 поступают на вход фазового детектора 7.

В зависимости от разности оптических длин в плечах интерферометра 1 сигнал с узкополосного, усилителя 5 оказывается в фазе нли в пвотивофазе с. сигналом генератора 6. фазовый детектор 7, усилитель 8 постоянного тока вырабатывают напряжение отрицательной обратной связи, увеличение или уменьшение которого зависит от того, в фазе или в противофазе находятся сигналы с генератора 6

3 1201 и узкополосного усилителя 5. Напря/ жение отрицательной обратной связи с выхода усилителя,8 постоянного напряжения подается на гальванометр 2 и приводит к повороту зеркала. Сигнал с усилителя. 8 постоянного напряжения подается и на систему IO сброса.

Система 10 сброса работает следующим образом. Пусть в начальный Ip момент разность хода в плечах интерферометра f=O и сигнал на выходе усилителя 8 постоянного тока U 0.

При изменении разности хода в плечах интерферометра 1 сигнал на выходе усилителя 8 принимает значения

U ((3, (5) где 7 — изменение разности хода в плечах интерферометра 1;

o(— - коэффициент связи между напряжением и величиной перемещения.

Знак плюс или минус зависит от направления перемещения. При изменении разности хода в плечах интерферометра 1 на Я./2, т.е. на одну интерференционную полосу, сигнал на выходе усилителя 8 постоянного напряжения обращается в нуль, при этом зеркало гальванометра 2 поворачивается, и захватывается следую681 4 щая интерференционная полоса. Система 10 сброса позволяет расширить диапазоны измеряемых перемещений теоретически неограниченно, а практически ограничиваемые длиной волны когерентного источника излучения, т.е. используемого лазера.

1 Таким образом, при перемещении ! одного из зеркал интерферометра 1 интерференционная картина смещается, но при этом вырабатывается сигнал отрицательной обратной связи, который поворачивает зеркало гальванометра 2 так, что на дискриминаторе 3 оказывается один и тот же участок интерференционной картины. При каждом изменении оптической разности хода в плечах интерферометра 1 на Л/2 срабатывает система сброса и происходит удержание в пределах следующей полосы. Измерителем 9 измеряется величина напряжения обратной связи, которая прямо пропорциональна изменению длины оптического пути в плечах интерферометра и углу поворота зеркала гальванометра 2, служащего для удержания минимума интерференционной полосы на щели дискриминатора 3 и модуляции светового потока.

ВНИИПИ Заказ 7995/42

Тираж 650 Подписное

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