Устройство для измерения линейных смещений

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для прецизионного контроля положения и размеров объектов. Цель изобретения - повышение точности измерений при увеличении быстродействия устройства. Излучение от немонохроматического источника 1 при помощи формирователя 2 световой марки (например, системы двойного изображения) формируется в автоколлимационную марку на ноже - анализаторе 3 (например, отражательной дифракционной решетке) и проходит через объектив 4. Вследствие хроматической разности хода лучей на различных расстояниях от главной плоскости Н объектива 4 формируются цветные изображения марки. В зависимости от положения зеркала 5 в рабочем диапазоне измерений H раб. = H<SB POS="POST">*</SB>98л<SB POS="POST">3</SB> - H<SB POS="POST">*</SB>98л<SB POS="POST">1</SB>, на динамический спектральный фильтр 6 и фотоприемник 7 попадут в обратном ходе все световые пучки цветов λ<SB POS="POST">1</SB> ÷ λ<SB POS="POST">3</SB> за исключением излучения с длиной волны λ<SB POS="POST">2</SB>, для которого поверхность зеркала 5 и кромка ножа - анализатора 3 будут оптически сопряжены. Смещение объекта 5 вдоль оптической оси объектива 4 приводит к смещению минимума функции пропускания фильтра 6 в пределах λ<SB POS="POST">1</SB> ÷ λ<SB POS="POST">3</SB>. Генератор 9 вырабатывает периодически изменяющееся напряжение, приводя к смещению зоны пропускания фильтра 6 вдоль оси λ. В момент времени T<SB POS="POST">2</SB> фильтр 6 настроен на излучение с длиной волны λ<SB POS="POST">2</SB>, что соответствует минимуму сигнала с фотоприемника 7. Положение объекта 5 по отношению к главной плоскости Н объектива 4 оценивается по величине временного интервала между опорным напряжением и импульсом фототока. Для согласования параметров источников и приемников лучистой энергии устройство снабжено временным автоматическим регулятором усиления (ВАРУ) 8, в котором коэффициент усиления изменяется в зависимости от величины смещения контролируемого объекта 5, для чего управление ВАРУ 8 осуществляется опорным генератором 9 синхронно с работой динамического спектрального фильтра 6. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) А1 (51) 4 G 01 В 11/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЭОБРЕТЕКИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ С8ИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4271189/24-28 (22) 28.06.87 (46) 23.04.89. Бюл. В 15, (71) Московский институт инженеров геодезии, аэрофотосъемки и картографии (72) А.Е.Здобников, В.А.Илюхин, А.А.Арефьев, А.Н.Илюхин и М.И.Седов (53) 531.715.27 (088.8) (56) Заявка -:ЕПВ (ЕР) У 0142464, кл. G 01 В l1/02, 1985.

Авторское свидетельство СССР

В 1167423, кл. G 01 В 11/00, 1985. .2 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ СМЕЩЕНИЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для прецизионного контроля положения и размеров объектов.

Цель изобретения — повышение точности измерений при увеличении быстродействия устройства. Излучение от немонохроматического источника 1 при помощи формирователя 2 световой марки (например, системы двойного изображения) формируется в автоколлимационную марку на ноже-анализаторе 3

С:

4@i

«Ь

4ь

Сл

СЛ

14 (например, отражательной дифракционной решетке) и проходит через объектив 4. Вследствие хроматической разности хода лучей на различных расстояниях от главной плоскости Н объектива 4 формируются цветные изображения марки. В зависимости от положения зеркала 5 в рабочем диапазоне измерений h =h+,-h,, на динамический спектральный фильтр 6 и фотоприемник 7 попадут в обратном ходе все световые пучки цветов h, — Ъ, за исключением,излучения с длиной волны h< для которого поверхность зеркала 5 и кромка ножа- анализатора 3 будут оптически сопряжены, Смещение объекта 5 вдоль оптической оси объектива

4 приводит к смещению минимума функции пропускания фильтра 6 в пределах й, — Я . Генератор 9 вырабатывает периодически изменяющееся напряжение, 1

74455 приводят к смещению зоны пропускания фильтра 6 вдоль оси % . В момент времени t фильтр 6 настроен на излучение с длиной волны Ъ, что соот, ветствует минимуму сигнала с фотоприемника 7. Положение объекта 5 по отношению к главной плоскости Н объектива 4 оценивается по величине временного интервала между опорным напряжением и импульсом фототока.

Для согласования параметров источников и приемников лучистой энергии устройство снабжено временным автоматическим регулятором усиления (ВАРУ9 8, в котором коэффициент усиления изменяется в зависимости от величины смещения контролируемого объекта 5, для чего управление ВАРУ 8 осуществляется опорным генератором

9 синхронно с работой динамического спектрального фильтра 6. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может бытЬ использовано для прецизионного контроля положения и размеров объектов.

Цель изобретения — повьппение точности измерений при увеличении быстродействия устройства.

На фиг.1 изображена принципиальная схема устройства для измерения линейных смещений; на фиг.2 — диаграммы, поясняющие работу динамического спектрального фильтра и формирование импульсов в схеме времяимпульсной обработки.

Устройство для измерений линейных смещений (фиг.1) содержит источник

1 немонохроматического излучения, формирователь 2 световой марки, зер-кальный нож — анализатор 3, неахроматизированный объектив 4, оптическая ось которого перпендикулярна рабочему ребру ножа-анализатора 3, отражатель 5 (например, зеркало), устанавливаемый на контролируемом объекте (не показан) динамический спектральный фильтр 6 (например, жидкокристаллический управляемый транспарант), установленный за ножом-анализатором 3 в обратном ходе лучей, фотоприемник 7, соединенный с временньпч автоматическим регулятором усиления (ВАРУ) 8, динамический спектральный фильтр 6 и ВАРУ 8 парал5

30 лельно подключены к опорному управляющему генератору 9 (например, пилообразного напряжения), к выходу

ВАРУ 8 последовательно подключены элементы схемы времяимпульсной обработки сигнала: инвертор 10, дифференциатор 11, формирователь 12 рабочих импульсов, логический элемент

13 и измеритель 14 временных интер-. валов, который также подключен к выходу генератора 9 через формирователь 15 опорных импульсов.

Устройство работает следующим образом.

Излучение от источника 1 при помощи формирователя 2 световой марки, который может быть выполнен в виде оптической системы двойного изббражения, формируется в автоколлимационную световую марку на рабочем ребре зеркальной грани ножа-анализатора 3, который может быть выполнен, например, в виде спектральной отражательной дифракционной решетки. Частично отразившись от зеркальной грани ножаанализатора, световой пучок направляется в объектив 4, при помощи которого формируется световая марка на поверхности контролируемого объекта— отражателя 5 (для простоты изложения предполагается, что спектральная характеристика источника 1 излучения равномерна в диапазоне длин волн з

147445 а контролируемый объект представляет собой плоское зеркало). Так как объектив 4 выполнен неахроматиэированным, вследствие хроматической разности хода лучей световые лучи различных длин волн (в диапазоне от ф, до A ) формируют цветные иэображения световой марки на различных расстояниях от главной плоскости Н объектива 4 (минимальное расстояние

h» максимальное h )..

Контролируемое зеркало-отражатель 5 занимает любое положение в рабочем диапазоне измерений Ь, = 15

=h -h и отражает падающие йа неа, го световые пучки обратно в объектив

4, который формирует автоколлимационное изображение световой марки на ноже-анализаторе 3. При этом всегда найдется излучение такой длины волны для которого поверхность отражателя 5 и кромка ножа-анализатора

3 оптически сопряжены, что приводит к тому, что при анализе положения 25 автоколлимационной световой марки, относительно ножа-анализатора 3, на динамический спектральный фильтр 6 и фотоприемник 7 попадают все световые пучки цветов A, — h за исклю- 30 чением излучения с длиной волны Я1.

При этом функция Ф „ „„ =r(e), описывающая спектральное распределение светового потока после прохождения

его через анализатор 3 в обратном ходе, имеет вид, показанный на фиг.2г..Таким образом, смещение отражателя 5 вдоль оптической оси объектива 4 в пределах hp«приводит к перемещению минимума функции 40

Фц„„,„, =Е(Ъ) вдоль оси ф в преде В качестве опорного напряжения ис.пользуется меандр (фиг.2ж), сформиДинамический спектральный фильтр

6 Выполнен В Виде жидкокристалличес 45

/ кого управляемого транспаранта (основанного, например, на твист-эффекте), расположенного между двумя скрещенными поляроидами. Быстродейс.твие таких транспарантов ограничено единицами микросекунд. Работа жидкокристаллического (ЖК) поляризационного фильтра основана на явлении интерференции поляризованного света, что предопределяет весьма узкую (до

20 нм) полосу пропускания. Управление ЖК-транспарантом осуществляется при помощи опорного генератора 9, например, пилообразного напряжения.

Протекающие при этом процессы отображены на фиг. 2: а - напряжение опорного генератора; б — динамическая градуировочная характеристика жидкокристаллического фильтра 6; в - изменение спектральной настройки (пропускание) фильтра 6 под воздействием управляющего напряжения; r — описание функции Фд„ „ =f(9); д — сигнал с выхода фотоприемника 7; е — инвертированный сигнал фотоприемника 7; ж — опорное напряжение; з — измерительный сигнал после его прохождения через логический элемент 13.

Преобразование смещения минимума функции Ф „„„=f(Я) (а следовательно, и линейного смещения объектива во временной интервал) происходит следующим образом.

Генератор 9 вырабатывает периодически изменяющиеся напряжения (например, треугольной формы, фиг.2а) приводя к смещению зоны пропускания фильтра 6 вдоль оси % (фиг.2в). В момент времени t фильтр 6 окаэы1 вается настроенным на излучение с длиной волны Я1. Поскольку на этой длине волны наблюдается минимум функЦии Ф Й(71) (фиг.2Г), то В мо мент времени t излучение на фотоприемник 7 не попадает, что соответствует минимуму на графике сигнала с фотоприемника 7 (фиг.2д). Во всех остальных случаях во временном интервале t, -t на выходе фотоприемника 7 присутствует сигнал постоянной величины.

Таким образом, смещение отражателя 5 вдоль оптической оси объектива

4 в пределах h приводит к временному смещению минимума сигнала на выходе фотоприемника 7, Для удобства дальнейшей обработки сигнал инвертируется (фиг.2е) и пропускается через логический элемент 13 (фиг.3з). рованный напряжением генератора 9 (фиг.2а), что обуславливается однозначной связью положения центра спектральной полосы пропускания фильтра

6 с уровнем напряжения на его входе.

Положение отражателя 5 по отношению к главной плоскости Н объектива 4 оценивается по величине временного интервала „ „ между опорным напряжением и инвертированным импульсом фототока (фиг.2э).

Формула

Так как реальные источники и приемники лучистой энергии имеют,различные и весьма разнообразные распределение спектральной плотности потока излучения и спектральную крутизну, то для согласования их параметров устройство снабжено ВАРУ 8, в котором коэффициент усиления изменяется в зависимости от спектральной зоны излучения, а следовательно, и от величины смещения контролируемого объекта-отражателя 5 в рабочем диапазоне измерений.

Управление ВАРУ 8 осуществляется опорным генератором 9 синхронно с работой динамического спектрального фильтра 6.

Устройство позволяет повысить точность измерений линейных смещений и быстродействия устройства за счет применения динамического спектрального сканирования, исключающего использование электромеханических сканирующих систем и связанных с ними явлений нелинейности и флуктуаций информационного сигнала, вибрации конструкции и жесткого ограничения на быстродействие работы системы.

Применение широкополосного излучателя и неахроматизированного объектива позволяет упростить выбор конструктивных элементов устройства и уменьшить стоимость устройства, так как в качестве объектива можно исизобретения

1. Устройство для измерения линейных смещений, содержащее источник излучения и последовательно расположенные по его ходу формирователь световой марки, зеркальный нож-анализатор, объектив, отражатель, ус10 танавливаемый на контролируемом объекте, фотоприемник и электронный блок обработки информации, выполненный в виде последовательно соединенных инвертора, дифференциатора, фор15 мирователя рабочих импульсов, логического элемента и измерителя временных интервалов и генератора, соединенного с формирователем опорных импульсов, выход которого соединен

20 с входом измерителя временных интер-. валов, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения при увеличении действия уст ройства, оно снабжено параллельно подключенными к генератору динамическим спектральным фильтром, установленным между анализатором и фотоприемником, и временным автоматическим регулятором усиления, пос30 ледовательно соединенным с фотоприемником, а источник света выполнен со спектральной излучательной способностью по ширине спектра, перекрывающей эффективную ширину полосы лропускания фотоприемника. пользовать одиночную линзу, а в качестве источника — стандартную лампу накаливания. Использование формирователя автоколлимационной световой марки, выполненного в виде зеркальной системы двойного изображения, и в совокупности с ножом-анализатором в виде зеркальной дифракционной решетки, позволяет уменьшить световые потери энергии и пространственно pasнести цветные изображения световой марки путем заполнения всей апертуры объектива устройства, что приводит к увеличению диапазона измерений и повышению чувствительности устройства.

2. Устройство по п.1 о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что объектив выполнен неахроматизированным.

3. Устройство по пп.1 и 2, о тл./и ч а ю щ е е с я тем, что формирователь световой марки выполнен в

4 виде оптической системы двойного

45 иэображения.

4. Устройство по пп.i-3, о т— л и ч а ю щ е е с я тем, что зеркальный нож-анализатор выполнен в виде

50 спектральной отражательной дифракционной решетки.

1474455

Составитель С. Грачев

Техред Л.Олийнык Корректор Л.Патай

Редактор M.Áëàíàð

Заказ 1881/37 Тираж 683 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Óæãoðoä, ул. Гагарина, 101