Устройство для измерения перемещения объекта
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (st)s G 01 B 21/00
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР (22) 20.04.90 (46) 23.09,92. Бюл. М 35 (71) Московский институт приборостроения (72) А.А.Титов (56) Авторское свидетельство СССР
М 8533378, кл. G 01 В 9/00, 1979, Авторское свидетельство СССР
N1559251,,кл. G 01 В 21/00, 1988, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ОБЬЕКТА
5U 1763889 А1 (57) Изобретение относится к.измерительной технике, Целью изобретения является повышение производительности. Цель достигается тем, что в устройство, содержа.цее лазер 1, коллиматор 2, акустооптический модулятор 3, уголковые отражатели 4, 5, 6, линзу 7, фотоприемник 8, ключи 9, 10, фазометр 17, блок 18 управления, генератор 15 высокой частоты, введены генератор 16 BblcoKQA частоты, KIII04L1 13, 14, 2 ил, 1763889
55
Изобоетение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения продольных и поперечных перемещений объекта.
Известно устройство для измерения перемещений, содержащее лазер. акустооптический модулятор, плоскопараллельную пластинку, дифракционную решетку, два отражателя, фотоприемник. фазометр. генератор высокой частоты.
Недостатком устройства являются ограниченные функциональные возможности, так как устройство не измеряет поперечных перемещений объекта.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения перемещений объекта, содержащее лазер, коллиматор, акустооптический модулятор, три триппель призмы, связанные с объектом, линзу, фотоприемник, два ключа, модулятор, генераторы низкой и высокой частот, фазометр, блок управления, индикатор. Недостатком устройства является низкая производительность, так как требуется предварительная юстировка устройства по поперечным координатам для определения продольной координаты.
Целью изобретения является повышение производительности, Указанная цель достигается тем, что в устройство для измерения перемещений объекта. содержащее последовательно оптически соединенные лазер, коллиматор, акустооптический модулятор, отражатель, установленный на объекте и выполненный в виде трех уголковых отражателей, верхние грани которых ориентированы параллельно взаимно-перпендикулярными осями, линзу и фотоприемник, фазометр, блок преобразования частот, генератор низкой частоты, генератор высокой частоты. два ключа, блок управления и вычисления. фотоприемник, выход которого соединен с первым входом фазометра, второй вход которого объединен с первым входом блока преобразования частот и соединен с выходом генератора низкой частоты, первый генератор высокой частоты, выход блока преобразования частот соединен с первыми входами ключей, вторые входы которых соединены соответственно с первым и вторым управляющими выходами блока управления и вычисления, выходы ключей соединены с первым и вторым входами акустооптического модулятора, выходы фазометра соединены соответственно с первыми информационными входами блока управления и вычисления, первый и второй управляющие входы которого являются шинами "Запись" и "Пуск", информационные выходь
25 которого являются соответственно первой, второй и третьей выходными шинами, введены третий и четвертый ключи и второй генератор высокой частоты, причем выходы генераторов высокой частоты соединены соответственно с первыми входами третьего и четвертого ключей, вторые входы которых соединены соответственно со вторым и третьим управляющими выходами блока управления и вычисления, выходы третьего и четвертого ключей объединены и соединены со вторым входом блока преобразования частот, вторые и третьи информационные входы блока управления и вычисления являются соответственно первой и второй шинами задания частот.
На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства. На фиг. 2 — блок-схема блока управления и вычисления.
Устройство содержит оптически последовательно соединенные лазер 1, коллиматор 2, акустооптический модулятор 3, уголковые отражатели 4, 5, 6, установленные на объекте, линзу 7, фотоприемник 8, первый и второй входы акустооптического модулятора 3 соединены соответственно с выходами ключей 9, 10, первые входы которых соединены с выходами блока 11 преобразования частот, первый вход которого соединен с выходом генератора 12 низкой частоты, второй вход блока 11 соединен с выходами ключей 13, 14, первые входы которого соединены соответственно с выходами генераторов 15, 16 высокой частоты, выходы фотоприемника 8 и генератора 12 низкой частоты соединены соответственно с первым и вторым входами фазометра 17, выходы которого соединены соответственно с первыми информационными входами блока 18 управления и вычисления, первый и второй управляющие выходы которого соединены соответственно со вторыми входами ключей 9. 10, первый и второй управляющие входы блока 18 являются шинами "Запись" и "Пуск", вторые и третьи информационные входы — являются первой и второй шинами задания частот, первый, второй и третий информационные выходы которого являются соответственно первой, второй и третьей выходными шинами, третий и четвертый управляющие входы соединены соответственно со вторыми входами ключей 13, 14, Блок управления и вычисления содержит триггеры 19, 20, выходы которых являются первым и вторым выходами блока, генератор 21 импульсов, выход которого соединен с тактовым входом регистра 22 сдвига, элементы 23 24, 25, 26 ИЛИ, регистры 27, 28, вычислитель 29, элемент 30 задержки, 1763889 регистр 31, коммутаторы 32, 33, запоминающее устройство 34 и элемент 35 ИЛИ, Первый выход регистра 22 соединен с первым входом элемента 23, выход которого соединен с входом записи кода регистра 5
27, второй выход регистра 22 соединен с входом записи кода регистра 28 и является вторым управляющим выходом блока 18, первый управляющий выход которого через элемент 35 соединен с первым входом триг- 10 гера 19 и выходом элемента 23, третий выход регистра 22 соединен с входами передачи. кода регистров 27, 28, первым вхо- . дом управления вычислителя 29 и через элемент 30 соединен с входом записи кода 15 регистра 31, четвертый выход регистра 22 соединен с первым входом элемента 24, выход которого соединен со вторым входом элемента 26, вторым входом управления вычислителя 29, входом передачи кода регист- 20 ра 31, входом управления коммутатора 33 и через элемент 26 — с входом передачи кода регистра 27, пятый выход регистра 22 соединен с первым входом элемента 25, выход которого соединен с входами сброса реги- 25 стров 27, 28 и вторым входом триггера 19, шестой выход регистра 22 соединен с первым входом элемента 23 и первым входом триггера 20, седьмой выход регистра 22 соединен со вторым входом элемента 24, вось- 30 мой выход регистра 22 соединен с входами сброс регистров 22, 31, со вторыми входами элемента 25 и триггера 20, вход "Пуск" регистра 22 является вторым информационным входом блока 18, выходы триггеров 19 и 20 35 являются третьим и четвертым управляющими выходами блока 18 и соединены соответственно с первым и вторым управляющими входами коммутатора 32, выходы регистров 27, 28, 31, первые и вторые выхо- 40 ды коммутатора 33 соединены соответственно с первыми, вторыми, третьими, четвертыми и пятыми информационными входами вычислителя 29. первые выходы которого соединены с информационными вхо- 45 дами регистра 31 и являются первыми информационными выходами блока 18, вторые выходы вычислителя 29 соединены с информационными входами коммутатора
32, первые и вторые выходы которого явля- 50 ются вторыми и третьими информационными выходами блока 18. информационные входы регистров 27. 28 являются первым информационным входом блока 18, первые и вторые информационные входы коммута- 55 тора соединены соответственно с первыми "— и вторыми выходами запоминающего устройства 34, вход управления которого является третьим управляющим входом блока, а первые и вторые информационные входы являются вторыми и третьими информационными входами блока.
Акустооптический модулятор (АОМ) 3 может быть выполнен в виде кубического кристалла, на взаимно перпендикулярные грани которого нанесены пьезопреобразователи, к которым через ключи 9. 10 присоединен выход блока 11. Вершины отражателей 4, 6 ориентированы вдоль оси Х, а отражателя 5 — вдоль оси У, В результате при смещении объекта по Х отражатели 4, 6 сдвигают луч параллельно оси Х, а при смещении по Y параллельно оси Y.
Рассмотрим работу устройства при подаче сигнала на первый вход АОМ 3, тогда дифрагированные на AOM пучки будут лежать в плоскости XOZ. Если блок 11 выполняется в виде модулятора, то на АОМ 3 будет подан амплитудно-модулированный сигнал
U =(1+ mcos в„ t) cOSâ l т =-"QS в,1t +
m m
+ — COS (O)g) + Щ,) l + — COS (СО,1 — В„) t, (1) где m — глубина модуляции; ми, го„— высокая и низкая частоты.
Если блок 11 выполняется в виде смесителя. то на АОМ 3 можно подать напряжения двух частот в,1 и о>» +в„, При подаче на
АОМ 3 амплитудно-модулированного сигнала в выходном сигнале. кроме первой гармоники, на фотоприемник 8 будет появляться вторая гармоника 2 в, а при подаче только двух частот вторая гармоника будет отсутствовать.
Поскольку амплитуда второй гармоники
2 пропорциональна — то в дальнейшем ее
4 можно не учитывать, Поэтому для упрощения математических выражений будем считать, что на АОМ 3 подаются два напряжения с частотами в 1 и в 1+и .
При подаче на АОМ двух напряжений получим два дифрагированных пучка+ 1 порядка, ибо остальные порядки могут быть отфильтрованы на щели фотоприемника 8.
Тогда углы дифракции света будут равны:
$1П в1 = —,—, S>l1 фв1 + н) = в1, t aa лf» Afv — »+ (2) где г„— скорость звука в AOM 3;
). — дл и н а вол н ы света.
Полагая, что частота fH выбрана таким образом. что дифрагированные на АОМ пучки интерферируют между собой, фронт падающей на AOM волны плоский и АОМ осуществляет неглубокую фазовую модуляцию.
1763889 (3) где ф1>(= К Сх Он K Z Ov Oe1 фаза сигнала; (щх — ширина щели фотоприемника;
Cx — смещение объекта по оси Х;
2 >(, К = - - — волновое число.
При подаче на блок 11 другой высокой частоты 42 получим аналогично предыдущему следующее выражение для фазы сигнала; (фх =KСхб н KZОнОв2 (4)
Возьмем разность фаз этих двух сигналов:
Л ((> = у>1х P2x = К Он фв2 Ов1) 2 (5)
Отсюда видно, что Л()> пропорциональна только продольным перемещениям объек2 та.
Для нахождения фазы. пропорциональной поперечным перемещениям объекта выразим Z из (5) и подставим в выра>кение у1 х
Тогда получим:
>(>1
Рпопх К н Сх — (>(>1x + Л(/>, (6)
Л1в где Лтв = fe1 fe2
Так(лм образом, подавая на блок 11 разНЫЕ ЧаСтстЫ 41 И fe2 И ПрОИЗВОдя ВЫЧИСЛЕния по выражениям (5) и (6). можно выделить информацию о продольных и поперечных перемещениях объекта, Подавая сигнал на 4 другой вход AOM 3, можно получить аналогичные выражения для фазы при смещении объекта по оси Y:
P1y — К Су >(К 2- )н в1 (7)
P2y = K Cy ((н K Z н (:>в2
Л> p — p1y Сравнивая выражения (5) и (8), можно видеть, что они одинаковы, Следовательно. продольную координату достаточно вычислить только один раз. 5 Из (7) получим f(,1 Pnony = К Он Су = (P1y + +P — (9) Лfe В соответствии с изложенным алгоритмом рассмотрим подробнее работу устрой- 5 ства, На блок 18 подается сигнал "Пуск". а результате чего импульсы генератора 21 начинают последовательно появляться на выходах регистра 22. Импульс с первого выхода регистра 22 через элемент 23 постуможно получить следующее выражение для сигнала на выходе фотоприемника при подаче частоты f»: (-x + (щх/2 >> = > lr((exp i (rriâi i .> K Z epe (>I r + Сх (щх/2 + К Х Sin 8в1) + ехР i (и)в1 + а)н) t + К Z cosx х((>хi ->В,) + КXSin((> i >-9)))! бх = .." К1,.„В„ =))p $!П I С0$ ((l)e t (((>>(x) . 0 0 0 0 5 пает на ключ 13, триггер 19 и на вход записи кода регистра 27. В результате срабатывают ключ 13, триггер 19, на блок 11 подается напря>кение частоты fe1 с генератора 15 и на выходе блока 11 формируются сигналы трех или двух частот, которые поступают на первый вход AOM 3, С выхода фотоприемника 8 СИГНаЛ, фаэа КстОроГО раВНа f1x, ПОдаЕтСя На фазометр 17, цифровой код с которого пропорциональный фазе р1х записывается в регистр 27. Далее импульс появляется на втором выходе регистра 22, включается ключ 14 и на блок 11 подается напряжение частоты fe2 с генератора 16. Фазометр измерит фазу 2>(, цифровое значение которой запишется в регистр 28, так как на вход записи кода которого подается импульс. Далее импульс появляетСя на третьем выходе регистра 22. Он поступает на входы передачи кода регистров 27, 28 и на первый вход управления вычислителя 29. В результате коды из регистров 27, 28 поступают в вычислитель 29, который вычисляет разность фаз по выражению 5 и соответствующий код появляется на первых выходах вычислителя 29. Этот код пропорционален продольным перемещениям объекта. Одновременно код записывается в регистр 31, так как на его вход записи через элемент 30 также поступает импульс. Задержка необходима на время проведения вычислений в вычислителе 29. Далее импульс с четвертого выхода регистра 22 через элементы 24. 26 поступает на входы передачи кода регистров 27, 31, на второй управляющий вход вычислителя 29 и на вход управления коммутатора 33. В запоминающем устройстве (ЗУ) 34 записаны коды частот 41 и 42 на выходах генераторов 15, 16. которые могут быть измерены частотомером и по команде "запись" внесены в ЗУ 34. В результате в вычислитель 29 поступают коды с регистров 27. 31 и из ЗУ 34, Вычислитель вычисляет фазу, пропорциональную (pnonx êод которой через открытый по первому управляющему входу коммутатор 32 поступает на вторые информационные выходы устройства. B результате на втором и третьем информационных выходах устройства формируются коды о продольных и поперечных по оси X перемещениях объекта. Далее происходит обнуление регистров 27 и 28 и измерения перемещений по оси Y. Импульс с пятого выхода регистра 22 через элемент 25 поступает на входы "сброс" регисгров 27, 28 и триггер 19, В результате регистры 27, 28 обнуляются, а триггер 19 сбрасывается и выключает ключ 10. Импульсы с шестого выхода регистра 22 1763889 10 через элемент 23 поступают на вход записи кода регистра 27 и через элемент 35 на ключ 13, а также на триггер 20, который включает ключ 9 и сигнал с выхода блока 11 поступает на АОМ. Фазометр измерит фазу р у, которая запишется в регистр 27. Импульс с седьмого выхода регистра 22 через элементы 24 и 26 поступает на входы передачи кода регистров 27, 31 и на коммутатор 33, В результате коды из регистров 27. 31 и из ЗУ 34 поступают в вычислитель 29, который вычисляет фазу рг,агу. Так как на коммутатор 32 с триггера 20 поступает сигнал на второй вход управления, то выходы вычислителя 29 будут подключены к первым информационным выходам устройства. код на которых соответствует руопу Импульс с восьмого выхода регистра 22 поступает на входы "сброс" регистров 27, 28, 31, на выключение триггера 20 и самого регистра 22. Результаты измерений с выходов устройства могут быть выведены на индикатор (на фиг, 1 не показан) или введены в 3ВМ для последующего использования. Полный цикл измерений закончился, Для проведения новых измерений нужно опять подать сигнал "Пуск". Таким образом, измерения производятся в автоматическом режиме и в отличие от прототипа не требуют каждый раз предварительной юстировки по поперечным координатам, что повышает производительность измерений. Формула изобретения Устройство для измерения перемещения объекта, содержащее последовательно установленные и оптически связанные лазер, коллиматор. акустооптический модулятор, отражатель, установленный на объекте и выполненный в виде трех уголковых отражателей, верхние грани которых ориентированы параллельно взаимно перпендикулярным осям. линзу и фотоприемник. фазометр, блок преобразования частот, генератор низкой частоты, генератор высокой частоты, два ключа, блок управления и вычисления, выход фотоприемника соеди5 нен с первым входом фазометра, второй вход которого объединен с первым входом блока преобразования частот и соединен с выходом генератора низкой частоты, выход блока преобразования частот соединен с 10 первыми входами ключей, вторые входы которых соединены соответственно с первым и вторым управляющими выходами блока управления и вычисления, выходы ключей соединены соответственно с первым и вто15 рым входами акустооптического модулятора, выходы фазометра соединены соответственно с первыми информацйонными входами блока управления и вычисле- ния, первый и второй управляющие входы 20 которого являются шинами "Запись и "Пуск". первые, вторые и третьи информационные выходы которого являются соответственно первой, второй и третьей выходными шинами, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с 25 целью повышения производительности. в него введены третий и четвертый ключи и второй генератор высокой частоты, блок управления и вычисления выполнен с третьим, четвертым управляющими выходами и вто30 рыми и третьими информационными входами, выходы генераторов высокой частоты соединены соответственно с первыми входами третьего и четвертого ключей, вторые входы которых соединены соответственно с 35 третьим, четвертым управляющими выходами блока управления и вычисления, выходы третьего и четвертого ключей объединены и соединены с вторым входом блока преобразования частот. вторые и третьи информа40 ционные входы блока управления и вычисления являются соответственно первой и второй шинами задания частот, 1763889 )>RMC6 i Фиг. 2 Составитель А.Титов Редактор О.Стенина Техред М.Моргентал Корректор Л,Филь Заказ 3450 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101
