Фотоэлектрический способ измерения механических перемещений

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, в лазерных устройствах, предназначенных для контроля и измерения перемещений, прямолинейности осей и конструкций технологических систем. Технический результат - повышение точности за счет устранения влияния неоднородности интенсивности излучения во времени и устранения влияния автогенерации, возникающей между лазером и фотоприемником. Предлагаемый способ характеризуется тем, что направляют световой поток излучателя через оптическую систему на позиционно-чувствительный фотоприемник, закрепленный на объекте, по выходному сигналу которого судят о перемещениях объекта, и отличается тем, что, с целью повышения точности измерений и ликвидации амплитудно-фазовых флуктуаций светового луча, формируют оптической системой световой луч с сечением, обеспечивающим получение круглого светового пятна на поверхности позиционно-чувствительного фотоприемника, направляют его к плоскости светочувствительной поверхности позиционно-чувствительного фотоприемника под углом, при котором исключается попадание отраженного луча обратно в излучатель, отраженный от поверхности позиционно-чувствительного фотоприемника луч направляют на дополнительный фотоприемник, выходной сигнал которого используют для учета нестабильности интенсивности светового потока излучателя. 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, в лазерных устройствах, предназначенных для контроля и измерения перемещений, прямолинейности осей отверстий и конструкций технологических систем, прямолинейности направляющих, прямолинейности движения объектов, деформаций, вибраций, малых перемещений и др.

Известны фотоэлектрические способы измерения перемещений, при которых используют источник света, например лазер, формирующий световой луч, энергетическая ось которого является базовой эталонной прямой, и фотоприемник, устанавливаемый с противоположной к излучателю стороны на контролируемой поверхности или на контролируемом объекте, или перемещаемый на каретке вдоль трассы контроля прямолинейности. При отклонении от прямолинейности происходит изменение выходных напряжений на фотоприемнике, по которым определяют величину отклонения.

Так, например, известен фотоэлектрический способ контроля положения осей рабочих валков прокатного стана [1], при котором на контролируемый объект под некоторым углом направляется параллельный пучок света, а отраженный от объекта луч направляется на позиционно-чувствительный фотоприемник, по выходным напряжениям с которого судят о положении отраженной точки. Однако отраженный от объекта и падающий на поверхность позиционно-чувствительного фотоприемника луч имеет искаженную поперечную форму, в связи с чем возникает погрешность определения положения объекта, т.к. при регистрации напряжения на выходе фотоприемника не учитываются искажения масштабов отсчета по координатным осям.

Известен способ измерения перемещений [2], при котором используют два позиционно-чувствительных фотоприемника, один из которых установлен на объекте измерения напротив излучателя. При измерении перемещений используются показания обоих фотоприемников, однако между излучателем и фотоприемником, установленным на объекте, возникают амплитудно-фазовые искажения (флуктуации) излучения ввиду попадания части излучения обратно в излучатель и возможной нестабильности интенсивности излучения.

При таком способе измерений не обеспечивается достаточная точность. Источник излучения и приемник в пространстве размещены друг напротив друга, и часть отраженного от поверхности фотоприемника излучения попадает обратно в источник. Если излучение лазера после отражения от поверхности фотоприемника вновь попадает в резонатор лазерного излучателя, то это вызывает изменение амплитуды и частоты лазерного источника. Поскольку при перемещении фотоприемника имеют место микроколебания, а максимальная точность измерений определяется разрешающей способностью фотоприемника и конструкцией привода перемещения, то возникают погрешности ввиду неодинакового количества излучения, попадающего обратно в источник. В результате этого происходят спонтанные изменения частоты и фазы лазерного излучения во времени, значительно снижающие точность измерений. При измерении перемещений измеряются выходные напряжения на фотоприемнике, зависящие от положения пятна луча на поверхности фотоприемника, однако ввиду неидеальной поверхности фоточувствительного элемента количество отраженного обратно в излучатель излучения зависит также от положения светового пятна на поверхности фоточувствительного элемента фотоприемника. Выходное напряжение, формируемое на выходе фотоприемника, зависит как от положения светового пятна, так и от доли поглощенной интенсивности излучения, таким образом, при неоднородности показателя "отражение/поглощение", вносится соответствующая погрешность в измерения. Такая же погрешность вносится и при колебании интенсивности излучения самого лазерного источника ввиду, например, рассеивания и отражения от элементов передающей оптической системы.

Техническим результатом данного изобретения является повышение стабильности и помехоустойчивости фотоэлектрических измерительных систем, расширение диапазона измерений за счет устранения амплитудно-фазовых искажений в тракте прохождения оптического излучения и учета флуктуаций интенсивности излучения, повышение точности измерений и снижение погрешностей.

Предлагаемый способ характеризуется тем, что направляют световой поток излучателя через оптическую систему на позиционно-чувствительный фотоприемник, закрепленный на объекте, по выходному сигналу которого судят о перемещениях объекта, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений и ликвидации амплитудно-фазовых флуктуаций светового луча, формируют оптической системой световой луч в виде сечения, обеспечивающего получение круглого светового пятна на поверхности позиционно-чувствительного фотоприемника, направляют его к плоскости светочувствительной поверхности позиционно-чувствительного фотоприемника под углом, при котором исключается попадание отраженного луча обратно в излучатель, отраженный от поверхности позиционно-чувствительного фотоприемника луч направляют на дополнительный фотоприемник, выходной сигнал которого используют для учета нестабильности интенсивности светового потока излучателя.

На фиг.1 изображена схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство состоит из оптически связанных излучателя 1, например монохроматического лазера, оптической системы 2, позиционно-чувствительного фотоприемника 3 и фотоприемника 4. Фотоприемники 3 и 4 закреплены жестко друг относительно друга на платформе 5, устанавливаемой на контролируемом объекте 6. Сигналы с фотоприемников усиливаются усилителями 7 и 8 и направляются на регистрирующее устройство 9 (например, ЭВМ). Оптический излучатель 1 и оптическая система 2 жестко закреплены неподвижно на общем основании, платформа 5 неподвижно устанавливается на контролируемом объекте 6, позиционно-чувствительный фотоприемник 3 и фотоприемник 4 закреплены на платформе 5 так, что световой луч падает на поверхность фоточувствительного элемента позиционно-чувствительного фотоприемника 3 под некоторым углом, отличающимся от прямого, а луч, отраженный от позиционно-чувствительного фотоприемника 3, попадает на поверхность фоточувствительного элемента фотоприемника 4. Сигнал с позиционно-чувствительного фотоприемника 3 усиливается усилителем 7, а сигнал с фотоприемника 4 усиливается усилителем 8, сигналы с усилителей 7 и 8 поступают в регистрирующее устройство 9.

Устройство работает следующим образом. Монохроматический излучатель 1, например полупроводниковый или газовый лазер, установленный неподвижно относительно основания, задает исходное положение контроля, например исходное положение объекта 6. Луч, исходящий из излучателя, падает на позиционно-чувствительный фотоприемник 3, установленный неподвижно относительно объекта контроля 6, при этом угол между падающим на позиционно-чувствительный фотоприемник лучом и плоскостью поверхности фоточувствительного элемента отличается от 90 градусов, что исключает попадание отраженного луча обратно в излучатель во всем диапазоне измерений, а следовательно, исключаются спонтанные изменения частоты и фазы лазерного излучения во времени.

Поскольку луч падает на поверхность позиционно-чувствительного фотоприемника 3 под некоторым углом, то при исходно круглом сечении луча и отсутствии оптической системы 2 на поверхности позиционно-чувствительного фотоприемника 3 световое пятно будет эллипсообразной формы, причем малая ось эллипса будет равна исходному диаметру луча, выходящего из источника, а большая ось эллипса будет равна гд: d_{эл_больш} - большая ось эллипса светового пятна на поверхности позиционно-чувствительного фотоприемника, d_исх - исходный диаметр луча, падающего на фотоприемник (малая ось эллипса светового пятна на поверхности позиционно-чувствительного фотоприемника), ψ - угол падения луча.

Или d_{эл_больш} = d_исх • K_расш (2) где - коэффициент расширения пятна луча по одной координате на поверхности фотоприемника.

Угол ψ выбирают с учетом конструктивных особенностей конкретной реализации устройства (диаметр луча, диапазон измерений, габариты фотоприемников и др.), а также по результатам экспериментальных исследований явлений отражения луча от поверхности конкретного типа позиционно-чувствительного фотоприемника.

При перемещении объекта 6 световой зонд перемещается по поверхности позиционно-чувствительного фотоприемника 3, а формируемое на его выходе напряжение подается на усилительное устройство 7, с которого затем - на устройство регистрации и обработки сигнала измерительной информации 9. Отраженная часть излучения не попадает обратно в излучатель, а регистрируется дополнительным фотоприемником. Таким образом, амплитудно-фазовые флуктуации луча от нестабильности геометрического расположения элементов измерительной системы исключаются.

Для исключения влияния на точность измерений погрешности углового положения и координатной ориентации позиционно-чувствительного фотоприемника 3 и для обеспечения одинакового масштаба измерений по обоим координатам позиционно-чувствительного фотоприемника 3, устройство снабжено оптической системой 2, состоящей из линз, сужающих или расширяющих пучок излучения только по одной координате. При этом выходящий из оптической системы луч имеет эллипсообразное сечение, а световое пятно на поверхности позиционно-чувствительного фотоприемника 3 будет круглым.

Для того, чтобы световое пятно на поверхности позиционно-чувствительного фотоприемника 3 было круглым, необходимо с помощью оптической системы 2 расширить луч по оси, перпендикулярной оси расширения на поверхности фотоприемника 3, при этом коэффициент расширения должен быть таким же, как и коэффициент расширения по другой, перпендикулярной оси сечения светового луча Для получения круглого светового пятна на поверхности позиционно-чувствительного фотоприемника 3 можно также с помощью оптической системы 2 не расширять луч согласно уравнению (3), а сужать его по той оси, по которой расширится световое пятно при падении луча на позиционно-чувствительный фотоприемник 3, при этом коэффициент сужения должен быть обратно пропорционален коэффициенту расширения, для компенсации расширения пятна по одной из координатных осей
Тогда выходящий из оптической системы 2 луч будет сужен по одной из осей, по которой световое пятно на поверхности позиционно-чувствительного фотоприемника расширится, а ось эллипса (после сужения) выходящего из оптической системы 2 луча будет равна
d_{эл_суженный} = d_исх•K_{сужения} = d_исх•cos(ψ) (5)
Оптическая система 2 юстируется таким образом, чтобы световое пятно на поверхности позиционно-чувствительного фотоприемника 3 имело круглую форму. При этом есть два способа:
- сужать оптической системой 2 луч по одной оси;
- расширять оптической системой 2 луч по одной оси.

В первом случае, т. е. если оптической системой 2 луч сужается по той оси, по которой световое пятно расширится на поверхности позиционно-чувствительного фотоприемника 3, то окончательный диаметр светового пятна на поверхности позиционно-чувствительного фотоприемника 3 после юстировки системы будет равен
d_пятна = d_{эл_ суженный} • K_расш = d_исх (6)
То есть в данном случае диаметр пятна на поверхности позиционно-чувствительного фотоприемника 3 будет равен исходному диаметру луча, выходящему из излучателя.

Во втором случае, т. е. если оптической системой 2 луч расширяется по оси, перпендикулярной оси, по которой световое пятно расширится на поверхности позиционно-чувствительного фотоприемника 3, то окончательный диаметр светового пятна на поверхности позиционно-чувствительного фотоприемника 3 после юстировки системы будет равен

В этом случае диаметр пятна на поверхности позиционно-чувствительного фотоприемника 3 будет больше исходного диаметра луча, выходящего из излучателя, причем с увеличением угла падения луча на позиционно-чувствительный фотоприемник 3 будет увеличиваться и окончательный диаметр пятна на поверхности позиционно-чувствительного фотоприемника 3.

Таким образом, предлагаемая система позволяет изменением угла падения луча на позиционно-чувствительный фотоприемник 3 влиять на окончательный диаметр светового пятна на поверхности этого фотоприемника. Эта возможность может использоваться при необходимости одновременно увеличить диаметр светового луча, если выходящий из излучателя луч слишком тонкий, а светочувствительный элемент позиционно-чувствительного фотоприемника 3 имеет большой диаметр.

Выбор типа оптической системы (сужающая или расширяющая) определяется на основании предварительных экспериментальных исследований и предъявляемых требований к измерительной системе.

Тот факт, что в любом случае применение оптической системы 2 позволяет получить на поверхности позиционно-чувствительного фотоприемника 3 световое пятно круглой формы, позволяет располагать позиционно-чувствительный фотоприемник 3 в любой координатной ориентации.

Оптическая система может быть выполнена, например, так, как показано на фиг. 2. На фиг.2 изображена оптическая система сужения пучка луча, состоящая из профилированной (цилиндрической) линзы 2, диафрагмы 3 и обычной или профилированной (цилиндрической) линзы 4. Входящий пучок 1 попадает на собирающую цилиндрическую линзу 1, фокусируется в точке F, нормируется диафрагмой 3 и далее расширяется до нужного размера линзой 4, причем фокусы линз 2 и 4 совмещены в точке F, являющейся фокусом одновременно обоих линз. Особенностью данной схемы является использование специальных линз, являющихся плоскими (нефокусирующими) в одной плоскости, например вертикальной, и профилированными в другой плоскости.

Таким образом, сечение пучка 5 излучения, выходящего из оптической системы, будет иметь вид, показанный на фиг.3, а вид светового пятна, формирующегося на поверхности позиционно-чувствительного фотоприемника 3, будет иметь вид, показанный на фиг. 4.

При измерении прямолинейности и перемещений объекта 6 световое пятно на фоточувствительной поверхности позиционно-чувствительного фотоприемника 3 всегда будет сохранять свою форму, так как угол падения луча на поверхность позиционно-чувствительного фотоприемника 3 (фиг.1) остается во всех случаях неизменным.

Поскольку разные участки поверхности фоточувствительного элемента позиционно-чувствительного фотоприемника 3 (фиг.1) могут иметь неодинаковую отражающую способность, то отношения количества поглощенного и отраженного излучения могут отличаться на разных участках поверхности фоточувствительного элемента позиционно-чувствительного фотоприемника 3, что приводит к возникновению погрешностей по интенсивности излучения, кроме того, падающее на позиционно-чувствительный фотоприемник 3 излучение может иметь нестабильность по интенсивности во времени, например, из-за неоднородности атмосферы на трассе распространения луча.

Для регистрации количества отраженного от позиционно-чувствительного фотоприемника 3 излучения служит фотоприемник 4, служащий датчиком количества отраженного излучения и его интенсивности. Информация с фотоприемника 4 усиливается усилителем 8 и также поступает для обработки в вычислительное устройство 9. Таким образом, фотоприемник 4 выполняет функцию устройства формирования обратной связи по интенсивности и количеству отраженного излучения, что повышает точность измерений. При значительной интенсивности падающего на него излучения фотоприемник 4 также может быть установлен под непрямым углом к падающему на него лучу, и в таком случае при необходимости может быть установлен еще один фотоприемник, аналогичный по функции фотоприемнику 4 (на фиг.1 не показано), выполняющий функцию производной по обратной связи.

При перемещении объекта 6 (фиг.1) относительно исходного положения вдоль осей Z и Y, световое пятно будет смещаться по поверхности позиционно-чувствительного фотоприемника 3 на величину этого перемещения, которую определяют по выходным напряжениям с позиционно-чувствительного фотоприемника 3, с учетом выходного напряжения с фотоприемника 4. При перемещении объекта 6 относительно исходного положения вдоль оси X, по выходным напряжениям с позиционно-чувствительного фотоприемника 3 судят о прямолинейности движения объекта 6, так как при прямолинейном его движении эти напряжения должны оставаться неизменными. Выходной сигнал с фотоприемника 4 в этом случае по-прежнему используется для обратной связи по интенсивности излучения.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 383490, класс В 21 В 37/00. Опубликовано 23.05.1973, бюллетень 24.

2. Авторское свидетельство СССР SU 1527495 А1, класс G 01 B 21/00. Опубликовано 07.12.1989, бюллетень 45.

Формула изобретения

Фотоэлектрический способ измерения механических перемещений объекта, заключающийся в том, что направляют световой поток излучателя через оптическую систему на позиционно-чувствительный фотоприемник, закрепленный на объекте, по выходному сигналу которого судят о перемещениях объекта, отличающийся тем, что формируют оптической системой световой луч с сечением, обеспечивающим получение круглого светового пятна на поверхности позиционно-чувствительного фотоприемника, направляют его к плоскости светочувствительной поверхности позиционно-чувствительного фотоприемника под углом, при котором исключается попадание отраженного луча обратно в излучатель, отраженный от поверхности позиционно-чувствительного фотоприемника луч направляют на дополнительный фотоприемник, выходной сигнал которого используют для учета нестабильности интенсивности светового потока излучателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4