Гетеродинный интерференционный способ измерения перемещения и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к лазерной интерферометрии и может быть использовано для измерения перемещения. Цель изобретения - повышение точности измерения за счет использования гетеродинного метода обработки сигналов. Последние получают посредством лазерного интерферометра с акустооптическим модулятором; он управляется генератором сигналов с делителями частоты на выходе. На выходе фотоприемника включены балансные смесители, с которыми связан блок цифровой индикации и указанные делители частоты. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (s1)s G 01 В 9/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СВИ4ЕТЕЛЬСТВУ (21) 4880481/28 (22) 05.11.90 (4б) 23.09.92. Бюл. ¹ 35 (71) Московский станкоинструментальный институт (72) Е.П,Михальченко, А.B.Ðþìèí, Н.А.Яковлев и С.Н.Базыкин (56) Авторское свидетельство СССР

¹1441188,,кл. G 01 В 9/02, 1987.

Лазерные интерферометрьь — В сб. научных статей АН СССР, Новосибирск, 1978, с, 10 — 41. (54) ГЕТЕРОДИННЫЙ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕИзобретение относится к измерительной технике, а именно к лазерной интерферометрии, и может быть использовано для измерения точных перемещений.

Известен способ измерения перемещения, заключающийся в формировании из п интерференционных сигналов, сдвинутых по фазе на л/и, 2п импульсов на каждый порядок интерференции.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ измерения перемещения, заключающийся в том, что измеряемое перемещение преобразуют с помощью оптико-электронного интерференционного преобразователя с применением гармонической модуляции в п интерференционных сигналов, сдвинутых на л/и по фазе, и формируют из и интеференционных сигналов 2п импульсов на каждый порядок интерференции, которые используют для оценки перемещения.

ЩЕНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к лазерной интерферометрии и может быть использовано для измерения перемещения, Цель изобретения — повышение точности измерения за счет использования гетеродинного метода обработки сигналов. Последние получают посредством лазерного интерферометра с акустооптическим модулятором; он управляется генератором сигналов с делителями частоты на выходе. На выходе фотоприемника включены балансные смесители, с которыми связан блок цифровой индикации и указанные делители частоты. 2 c,ï.ô-лы, 2 ил, Устройство для измерения перемещения, содержит оптически связанные лазер, светоделительный кубик, опорный и измерительный отражатели, модулятор, фотоприемник, электрически связанные с управляющим входом модулятора генератор сигналов, причем с выходом фотоприемника соединены формирователи с блоком цифровой индикации.

Недостатком указанного способа и устройства является невысокая точность, вызванная необходимостью применения и фотоприемных устройств и и оптических фазосдвигающих устройств, Цель изобретения — повышение точности измерения за счет использование одного общего оптического интерференционного сигнала, а также упрощение электрической схемы.

Указанная цель достигается тем, что из сигнала гармонической модуляции получают и синхронных сигналов, сдвинутых на к/п

1763882 по фазе, исходный электрический сигнал перемножают с п синхронными сигналами, а полученные в результате умножения и электрических сигналов используют для формирования 2п импульсов на каждый порядок 5 интерференции, Устройство для измерения перемещения снабжено двумя делителями частоты, один из которых включен между выходом генератора сигналов и управляющим вхо- 10 дом модулятора, двумя балансными смесителями, включенными между выходом фотоприемника и блоком цифровой индикации, а входы этих смесителей связаны с выходами делителей частоты, 15

На фиг.1 представлена схема, поясняющая предлагаемый способ; на фиг.2 — тоже при и =2.

Световой сигнал интерференционного преобразователя 1, пропорциональный из- 20 меряемому перемещению Ж(, преобразуется оптическим модулятором 2 и фотоприемником 4 в гармонический сигнал;

Uy(t) = Umcos(Qt+ КЛХ), (1) 25 где Um — амплитуда напряжения;

К вЂ” частота гармонической модуляции

К = 2т/Л, Л вЂ” оптическое волновое число и длина волны света;

Л Х вЂ” перемещение, 30

Генератор электрических колебаний 3 синтезирует синхронные сигналы, сдвинутые по фазе Hà K/n, где п — число сигналов:

Up1(t) = 0„сов(Ял), Up2(l) = Umcos(Q>t — л/п), (2) 35

Up3(t) = Umcos(Q, + 2 тг/n), Upn(t) = UmCOS(©t+(n -1) u/n), Один из этих сигналов, например Up1, подается на оптический модулятор и явля- 40 ется сигналом модуляции.

Вместе с сигналом (1) фотоприемника синхронные сигналы (2) подаются на и балансных смесителей 5, на выходах которых появляются сигналы

U1(t) = UmCOS(K ЛХ), иг(т) = Umcos(K Л X + л/n), (3)

U3(t) = Umcos(K ЛХ+ 2 л/n), Up(t) = Vmco s(K Л X + (n - 1) к/n).

Сдвинутые по фазе íà. zt/n сигналы (3) поступают на логический блок 6, где из n сигналов получают 2п импульсов на период интерференционной полосы (период фазового сдвига световых волн).

Импульсы поступают на реверсивный счетчик 7, который в зависимости от направления перемещения производит сложение или вычитание импульсов и представляет информацию о перемещении в соответствующих дробных долях длин волн il/2n в виде цифрового кода.

Направление перемещения анализируется в логическом блоке 6, который формирует сигнал "прямой " и "обратный ход" для реверсивного счетчика. Анализ направления производится по опережению или запаздыванию любых двух сигналов (3), поступающих в логический блок 6.

На фиг.2 показана схема устройства, реализующая данный способ измерения перемещений при и = 2, Устройство работает следующим образом. Излучение монохроматического источника 1 разделяется на светоделительной грани куба 2 на два пучка — измерительный и опорный, Отразившись от измерительного 3 и опорного 4 отражателей, световые пучки совмещаются на светоделительной грани под углом а, задаваемым оптическим клином 5.

Угол а выбирается равным углу дифракции световых волн на ультразвуке, После прохождения измерительного и опорного каналов интерферометра световые волны падают на акустооптический модулятор 6, в котором одни из световых потоков, например опорного канала, получает сдвиг оптической частоты на Q,, а затем вместе с измерительным потоком подается на фотоприемное устройство 10, где на частоте модуляции выделяется электрический сигнал

Ug(t) = 0щсоз(азу+ К ЛX), (4)

Генератор 7 стабильной частоты вырабатывает электрические сигналы опорной частоты Я», Прямой и инверсный выходы генератора 7 связаны с входами делителей

8 частоты на два. В результате на выходах делителей 8 сигналы описываются выражениями

UCOS+ UmCOS(G t), USin = UmCOS(Opt + Л/2) = UmSin(4 1), (5) Один из сигналов (5) подается на излучатель 9 ультразвуковых волн, создающий в акустооптическом модуляторе бегущие звукрвые волны.

Сигналы (5), сдвинутые на л/2 по фазе, подаются на входы балансных смесителей

11, на вторые входы которых подается сигнал (4) с фотоприемника. С выходов балансных смесителей сигналы, сдвинутые по фазе на л/2, на нулевой частоте подаются через формирователи 12 в виде квадратурных сигналов на вход устройства 13 цифровой индикации К524, представляющего информацию о перемещении объекта с дискретностью _#_/4 в цифровом виде, За счет

1763882 двойного хода луча дискретность отсчета перемещений составляет А/8, Таким образом, применение оптического гетеродинирования для получения измерительного электрического сигнала и последующая автоматическая интерполяция фазового сдвига электрического сигнала относительно сигнала модуляции путем формирования синхронных электрических сигналов, сдвинутых на x/и, позволяет повысить точность существующих лазерных измерительных устройств, упростить электрическую схему, Формула изобретения

1. Гетеродинный интерференционный способ измерения перемещения, заключающийся в том, что измеряемое перемещение преобразует с помощью оптико-электронного интерференционного преобразователя с применением гармонической модуляции в и интерференционных сигналов, сдвинуты на и/2 по фазе, формируют из и интерференционных сигналов 2п импульсов на каждый порядок интерференции, которые используют для оценки перемещения, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности измерения, из сигнала гармонической модуляции получают и синхронных сигналов, сдвинутых на л/и по фазе, исходный электрический сигнал перемножают с и син5 хронными сигналами, а полученные в результате умножения и электрических сигналов используют для формирования 2п импульсов на каждый порядок интерференции, 10 2. Устройство для гетеродинного интерференционного измерения перемещения, ° содержащее оптически связанные лазер, светоделительный кубик, опорный и измерительный отражатель, модулятор, фото t5 приемник, электрически связанный с управляющим входом модулятора генератор сигналов, а с выходом фотоприемника— формирователи с блоком цифровой индикации, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что оно

20 снабжено двумя делителями частоты, один из которых включен между выходом генератора сигналов и управляющим входом модулятора, двумя балансными смесителями, включенными между выходом фотоприем25 ника и блоком цифровой индикации, а входы этих смесителей связаны с выходами делителей частоты.

1763882

Составитель Г,Бельская

Техред М.Моргентал Корректор С.Пекарь

Редактор Н.Яковлев

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

/ (Заказ 3449 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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