Устройство для измерения линейных перемещений

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения линейных перемещений , и может быть использовано в высокоточных следящих измерителях / 3/ / линейных перемещений, в интерференг. ционных дилатометрах. Целью изобретения является увеличение точности измерений линейных перемещений за счет уменьщений ошибок, вызванных разворотами и деформациями интерференционной картины, а также расщирение диапазона измерений за счет введения следящего режима. Устройство содержит помимо основной линейки 2 фотоприемников по крайней мере еще одну дополнительную линейку 3 фотоприемников. Система линеек 2,3 образует матрицу, которая позволяет находить изменения положения плоскости отражателя интерферометра 1 по изменению положения полос интерференционной картины. 4 ил. с (Л фиг.1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)4 С 01 В 2 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3888635/24-28 (22) 26.04.85 (46) 15.12.87лл Бюл. У 46 (71) Ленинградский политехнический институт им. М.И. Калинина (72) С.С. Попов (53) 531.7(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1055966, кл. G 01 В 21/00, 1983 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения линейных перемещений, и может быть использовано в высокоточных следящих измерителях линейных перемещений, в интерферент-. ционных дилатометрах. Целью изобретения является увеличение точности измерений линейных перемещений за счет уменьшения ошибок, вызванных разворотами и деформациями интерференционной картины, а также расширение диапазона измерений за счет введения следящего режима. Устройство содержит помимо основной линейки 2 фотоприемников по крайней мере еще одну дополнительную линейку 3 фотоприемников. Система линеек 2,3 образует матрицу, которая позволяет находить изменения положения плоскости отражателя интерферометра 1 по изменению положения полос интерференционной картины. 4 ил.

1 13596

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения линейных перемещений, и может быть использовано в высокоточных следящих измерителях линейных перемещений, в интерференционных дилатометрах.

Целью изобретения является увеличение точности измерений линейных пе- 10 ремещений за счет уменьшения ошибок, вызванных разворотами и деформациями интерференционной картины, а также расширение диапазона измерений за счет счет введения следящего режима. 15

На фиг.1 изображена блок-схема устройства для измерения линейных перемещений, на фиг.2 — блок-схема блока цифровой фильтрации; на фиг.3 блок-схема следящего измерителя, на 20 фиг,4 — блок-схема блока формирования приведенного значений линейного перемещения.

Устройство для измерения линейных перемещений содержит интерферометр 1, 26 основную 2 и дополнительные 3.1,, °

3 „ линейки фотоприемников, объединенные в матрицу, n+1 систему 4 считывания и аналого-цифрового преобразования информации, подключенные к 30 линейкам, и+1 цепочку, каждая из которой состоит из блока 5 цифровой фильтрации и следящего измерителя б изменения синусоидальных сигналов, и блок 7 формирования приведенного значения линейного перемещения.

Блок 5 цифровой фильтрации (фиг.2) состоит из регистра 8 сдвига, к выходам отдельных разрядов которого подключены соответствующие входы сумматора 9 °

Следящий измеритель 6 изменений синусоидальных сигналов, соответствующий распределению интенсивности интерференционной картины вдоль линии 45 расположения фотоприемников (фиг.3), состоит из генератора 10.синусоидального и косинусоидального сигналов, к выходам которого подключены. вторые входы перемножителей 11 и 12, первые входы которых соединены с выходом блока 5 цифровой фильтрации. Выход перемножителя 11 соединен со входом сумматора-накопителя 13, а выход перемножителя 12 — с входом сумматоранакопителя 14. Выход сумматора 13 соединен с входом делимого делителя

15, а выход сумматора 14 - с входом делителя 15. Выход делителя 15 сое73

2 динен с входом функционального элемента 16. Выход элемента 16 соединен с входами запоминающего элемента 17 и двухпорогового компаратора 18. Выход элемента 17 соединен с входами двухпорогового компаратора 19.

Блок 6 содержит также элементы

И 20 и 21 и счетчик 22. Выход эле- мента И 20 соединен с вычитающим входом реверсивного счетчика 22, а выход элемента И 21 — с суммирующим входом счетчика 22.

Выход формирователя 23 полного слова соединен с входом запоминаю" щего элемента 24 и суммирующим вхо дом вычитающего сумматора 25. Выход элемента 24 соединен с вычитающим входом сумматора 25, Выход сумматора 25 является выходом измерителя 6, вторым входом формирователя 23 полного слова из целой и дробной его частей, первый вход которого соединен с выходом счетчика

22. Первый выход компаратора 18 соединен с первым входом элемента И 20, а второй выход компаратора 18 — с первым входом элемента И 21. Первый выход компаратора 19 соединен с вторым входом элемента И 21, а второй выход компаратора 19 — с вторым входом элемента И 20.

Блок 7 (фиг,4) формирования приведенного значения линейного перемещения состоит из запоминающего элемента 26„ перемножителей 27-29 по числу каналов измерения линейных пе- " ремещений, первые входы которых подключены к выходам следяших измерителей б перемещений соответствующего канала, а вторые к выходам запоминающего элемента 26, в котором хра" нятся весовые коэффициенты. Выходы перемножителей 27-29 соединены с входами сумматора 30. Выход сумматора является выходом всего устройства.

Устройство работает следующим образом.

Измерения линейных перемещений проводятся в следящем режиме через интервалы времени 5t, при этом atx

»vi%/4, где - длина волны света, используемого в интерферометре 1, V — скорость перемещений.

По результатам измерений перемещений на смежных интервалах формируется значение перемещений за любой интервал времени.

73 з

13596

В устройстве используется интерферометр 1, в котором формируется картина в виде параллельных светлых и темных полос. Перемещение подвижного отражателя при соответствующей настройке интерферометра 1 приводит к сдвигу полос в направлении, перпендикулярном полосам. Перемещение отражателя на величину 1, измеряемую в длинах волн света, приводит к смещению интерференционных полос на величину .1, измеряемую в наблюдаемых на интерференционных картине периодах полос. 15

В направлении, перпендикулярном полосам или близком к нему, распределение интенсивности света подчинено синусоидальному закону.

По изменению синусоидального сигна-щ ла находят перемещения отражателя, связанного с объектом. Изменение синусоидального сигнала на величину, не соответствующую перемещению полос, превышающему период, измеряют с по- 25 мощью фазометров. Измерения перемещений на величины, большие периода, выполняются в следящем режиме так, чтобы выполнялись указанные ограничения на gt.;- ЗО

Величины перемещений записываются в виде a(k), b(k), где a(k) и b(k)— целая и дробная части k-ro измерения перемещений объекта в длинах волн света, Правило записи целой части отсчета при последовательных измере1 ниях следующее: если Ocb (k-1) 0, 2 и 0,8

Используя следящий режим измерений и приведенное правило записи целых частей отсчетов, можно измерять любые имеющие практическое значение 45 перемещения.

Для уменьшения ошибок, вызванных разворотами и деформациями интерференционной картины, приведенное значение подсчета перемещений вычисляет- 5п

< " <и (Й (3) ! 1- в ° ° ° P !. °

Коэффициенты зависят от расположения фотоприемников и заранее рассчитываются.

Пример. Уменьшение ошибок при измерении двумя линейками с приведением отсчетов к средней точке по отношению к измерению одной линейкой.

Линейки располагают на расстоянии

2h параллельно одна другой и перпендикулярно полосам. Приведенный отсчет 1= (1 < +1 ) /2, где 1 < 1 - отсчеты положения полос по первой и второй линейкам. Если произошел разворот полос на. угол oL относительно точки, лежащей на расстоянии h от каждой полосы на линии середины полосы, то середина полосы перемещаетоя по одной линейке на величину h tg«, а по другой на — h tg9.

Приведенный отсчет 1 =(1< +h tga +

+ 1 h tgk) /2 не изменяется, тогда как измерения по любой одной линейке дают смещение показаний на h

Вычисление приведенного отсчета уменьшает не только систематические составляющие ошибки, но и случайные.

Интерференционная картина с выхода интерферометра 1 воспринимается линейками 2 и 3 фотоприемников. Система 4 считывания последовательно опрашивает каждый фотоэлемент, аналого-цифровой преобразователь преобразует значение интенсивности света в окне опрашиваемого фотоэлемента в код х"., где i — номер фотоэлемента

j-й линейки. При последовательном опросе элементов фотоприемников на выходе системы 4 действует сигнала х с синусоидальной огибающей. Для ! уменьшения влияния флуктуационных помех последовательность х . подвер-! гается скользящей фильтрации в блоке 5.

В регистр 8 сдвига последовательно вводится х . Ввод сопровождается

< сдвигом по регистру, Задержанные в регистре значения х, поступают на входы сумматора 9 (взвешенного суммирования), выходом которого является сигнал

$ х, = «(х. х.. ° ° х. ) х

5 < где aC — весовые коэффициенты, которые либо вычисляются заранее и хранятся в постоянном запоминающем устройстве, либо являются функциями входных данных.

Отфильтрованный синусоидальный сигнал х, поступает в следящий изме.— ! ритель 6 перемещений синусоидального сигнала. Здесь последовательность х . умножается на синусоидальную и ко-! синусоидальную последовательности.

5 1359673

Значения произведений накапливаются Значение перемещения синусоидальв сумматорах 13 и 14, и по окончании ного сигнала формируется в сумматовыполнения перемножений всех М эле- ре 25 из значения кодов, храйящихся ментов k-го измерения перемещений в элементе 24 и действующих на выхо- .

5 последовательности формируется част- де формирователя 23. В элемент 24 ное. в начальном цикле измерения записым; (k) sin ЯТ; (Т вается содержимое выхода формирова у (k) — =- -; —,—; — —, i=1,N, теля 23; т.е. сигнал а (О); Ь (О) .

При дальнейших измерениях он не иэгде Т вЂ” период следования полос вдоль меняется. линии расположения фотоприемников °

Функциональные преобразования элементом 16 переменной у (k) по закону

b (k) = — arctg у (k)

1 J

v

Формула. изобретения

По окончании формирования целой части отсчета на k-м цикле измерения в элемент 17 записывается значение дробной части отсчета b (k).

В формирователе 23 из целой и дробной частей составляется полное слово величины положения синусоидального сигнала относительно .выбранного начала Ьтсчета приписывани, ем целой части отсчета к дробной. дает значение фазы синусоидального сигнала,или дробную часть отсчета перемещений Ь (k).

Дробная часть отсчета перемещений

Ь (k) с выхода элемента 16 сравниваJ ется в постоянными порогами уровней

0,2 и 0,8 в компараторе 18, с такими же уровнями сравнивается в компараторе 19 предыдущее значение отсчета дробной части перемещений Ь (k-1), запомненное на предыдущем такте измерений в элементе 17.

На выходах 1 компараторов 18 и

19 появляется, сигнал "Лог. 1", если 0<Ь

0,2, и на выходах 2, если 0,8 Ъ 1,0.

Выходы компараторов 18 и 19 анализируются логическими элементами И 20 и 21, В случае, когда на первом выходе компаратора 18 и на втором выходе компаратора 19 появляются "1", к содержимому реверсивного счетчика 22, в котором хранятся текущие значения целой части отсчета перемещений, добавляется единица. Если же "1" по являются на первых выходах компаратора 19 и на втором выходе компаратора

18, то из содержимого счетчика 22 вычитается единица. Во всех остальных случаях содержимое счетчика не меняется.

Выход вычитающего сумматора 25 есть, разность:

1 ь1 (k) = 1 (k) — 1 (0), сигнал й1 (k) является выходом k»î измерения перемещений по j -каналу.

Иэ приращений положения по каждому каналу 61" (k) в блоке 7 формиру20 ется приведенное значение отсчетов перемещений к концу k-го цикла измерения. В блоке 7 (фиг.4) формируется сумма произведений отсчетов Ь1 (к) на величины весовых коэффициентов.

25 Выбором весовых коэффициентов, которые хранятся в запоминающем элементе

26, выполняется приведение отсчетов перемещений к любой прямой нормальной плоскости неподвижного отражате30 ля интерферометра, а также обеспечивается задание удобных единиц измерения.

Устройство для измерения линейных перемещений, содержащее интерферометр, основную линейку фотоприемников, оптически связанную с интер4О ферометром, первую систему считывания и аналого-цифрового преобразования информации, связанную с основной линейкой фотоприемников, о т— л и ч а ю щ е е с я тем, что, с

45 целью, увеличения точности и расширения диапазона измерений, оно снабжено и дополнительными линейками фотоприемников, где п-1 расположенными параллельно одна другой и основ5Q ной линейке фотоприемников и предназначенными для образования сов"8 местно с ней матрицы фотоприемников, и системами считывания и аналого= цифрового преобразования информации, 55 идентичными первой и подключенными к выходам соответствующих дополнительных линеек, фотоприемников, и+1 цепочками, содержащими блок цифровой фильтрации цепочек к следящий изме13596 ритель изменений синусоидальных сигналов, блоком формирования приведенного значения линейного перемещения, входы которого соединены с выходами следящих измерителей перемещений це7З

8 почек, входы блоков цифровой фильтра" цни цепочек соединень1 с выходами со" ответствующих систем считывания и аналого-цифрового преобразования информации.

1359673

Составитель Е. Глазкова

Редактор Л. Повхан Техред М,яндык Корректор В.Бутяга

Заказ 6146/44 Тираж 677 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35; Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4