Интерференционный способ измерения величины линейных и угловых перемещений

 

О П И С А Н И Е 399722

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВйдЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советсних

Социалистических

Республик

Зависимое от авт. свидетельства М—

Заявлено 11.V1.1971 (№ 16?0092,с25-28) М. 1(л. G О!5 9. 02 (ГИЪ 9, C8

G 01b 11 02 с присоединением заявки М

Приоритет

Гооударотеенннсй камнта

Сонета Министров СССР оо ренам изобретений и открытий

УДК 53!.7!5(088.8) Опубликовано ОЗ.Х.1973. Бюллетень ¹ 39

Дата опубликования описания 24.11.1974

Авторы изобрстсния

В. И. Телешевский и A. Ф. Левсс; с

Московский станкоинструментальный иссстси, Заявсстсль

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕЛ ИЧИНЪ|

ЛИНЕЙНЫХ И УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам построения фотоэлектрических иптерферометров, предназначенных для измерения величины линейных и угловых перемещений подвижных органов прецизионных металло режущих станков, измерительных приборов и машин, систем и устройств автоматического управления.

Известен интерференционный способ измерения величины линейных и угловых перемещений, заключающийся в том, что монохроматическое излучение направляют на ультразвуковой светомодулятор, регистрируют результаты интерференции полученных на выходе светомодул IToра потоков нулевого и первого порядков и по параметрам регистрации судят о вели сине перемещения, Однако точность измерения известным способом недостаточ:са, так как при его реализации используются высокочастотные фазометры, которые без дополнительного преобразования частот имеют относительно высокую погрешность.

Цельсо изобретения является повышение точности измерения.

Для этого из монохроматического излучения предварителысо выделяют второй поток оптическим элементом и воздействуют им на второй ультразвуковой светомодулятор. Последний возбуждают на частоте, отличной от частоты возбуждения первого ультразвуковосо светомодулятора, и регистрируют результаты интерференции потоков дифракцнн первого и второго светомодуляторов.

1 а фиг. 1 изображена схема, поясняющая явление дифракции света на улы-развуковой волне; на фиг. 2 — схема, поясняющая одноканальный способ осуществления интерференционного способа измерения величины пере1О мещений; на фиг. 3 — двухканальная схема осуществления интерференционного способа измерения величины перемещений.

Монохроматический параллельный пучок света 1 освещает акустический модулятор 2, 15 где распространяется бегущая ультразвуковая волна 3, возбуждаемая пьезоизлу сателем

4 на частоте f.

Если освещающий пучок 1 составляет с фронтом ультразвуковой волны 3 угол срв, 20 1 >. удовлетворяющий условсно sly egg — — — —, и

2 1.

12 глубина звукового поля l» —, где 1. — длсша с

2S ультразвуковой волны, Х вЂ” длина световой волны, то вследствие брэгговской дифракции освещающий пучок 1 расщепляется на выход е из акустооптического модулятора на два пучка: неотклоненный пучок о, совпадающий

3(с по направлсншо с освещающим пучком и со399722

3 ответствующий нулевому порядку,! I«1)pa! ««»; и отклопе«пый пучок 6, соспгвелствующий первому порядку дифракции.

Угол отклонения пучка б от псрвоцачального «яправлеция пучка 1 0=2 !11»= где С»- скорость ультразвука в среде модулятора 2, f — частота ультразвуковой вол«ы.

Чем вы««с частота ультрязву ковой вол!:ь1, тем болыще пространстве«цое разделение пу:— ков 0 и 1-го порядков дифрякций. Пракп!чески достижимые час!оты ультразвука 30—

60 мгц для! ?к!!дксстны:; мод, !!!т!1р!)Б II;In

1000 мгц для твердотельных.

В зависимости ст з«ака угла падения !г» освещающего пучка на ультразвукогу:о волну возможны две схемы брэгговсксй дифракции.

При положительном угле падени,; ср» отклоненный пучок также составляет полож;1тельный угол с фронтом акустической вол«ы и !1Вляе !с!! Пл!Ос 1-ь! м 1!Ор!!дксл! дифракции.

Г1ри отрицательном угле падения q» отклоне«ный пучок составляет отрицател! «ый угол с фронтом акустической волны и представляет собой минус 1-ый порядок дифракции.

Оптические частоты в плюс -Ом и i»«!yc

1 ом дифракционных порядках смещепы относительно оптической частоты в нулевом порядке на плюс f и минус f соответственно, т. е. на величину частоты ультразвука.

Пучок света одночастотного стабилизированного лазера 7 при помощи зеркал 8 и 9 разделяется на два пучка 10 и 11 (фиг. 2).

Пучок света 10, явля!ощийся сигнальным, отражаясь от подвижной призмы 12, освещает акустооптический модулятор 13. В последпем пьезоизлучателем 14 от генератора 15 возбуждается бегущая ультразвуковая вслпа на частоте f! и поглощается поглотителем 1б.

В результате дифракции на ультразвуке «учок 10 на выходе акустооптического модулятора 13 расщепляется па два: пучок света 17, соответствующий нулевому порядку дифракции, и пучок 18, соответствующий мипус 1-ому порядку дифракции.

Пучок света 11, являющийся опорным, отражаясь от неподвижной призмы 19, освещает акустооптический модулятор 20. В послед«ем пьезоизлучателем 21 от ге«оратора

22 возбуждается бегущая ультразвуковая волна на частоте 1. и поглощается поглотителем 23. В результате дифракции на ультразвуке пучок 11 на выходе акустооптического модулятора 20 расщепляется на два: пучок света 24, соответствующий «улевому порядку дифракции, и пучок 25, соответствующий мииус 1-Ому порядку дифр акции.

Модуляторы 13 и 20 расположены 1ак, что пучки 18 и 25 в пространстве за )!Оду!!я !Оро .,!

20 совмещаются, причем пучок 1Я (чястичио) проходит через модулятор 20 без откло1!енпй, так как в этом случае сн падает на модулятор 20 под углом Брэгга. Поле и!ггсрфереиц«и совпадающих пучков 18 «25 воспри«имаегси

4 фстсирием«иком 26. Фо оприемник 26 работаст в ре?киме фотосмещеция и, так как опт« !еские частоты и пучков

18 и 25 различ1!ы, выделяет на своем выходе гярмо«ический электрический сигнал, частота которого равна разности оптических частот интерферирующих пучков 18 и 25.

И!1терфериру!о!цие пучки пространственно ссвмеще«ы, «оэтому выдерживаются условия для эффективного фотосмещения (совмеще«ие вол«овых фронтсг. иитерферирующих пучков) .

Б иптерфер с«циси ном поле на фотоприемнике 26 содержится переменная составляющая, частота которой равна разности оптических частот и«терферирующих пучков 18 и

25, а фаза изме«яется пропорционально изменению оптической длины L. При переме!цении

). призмы 12 на фаза переменной составляю2

«.ей изменяется на 360 . УстанавлиBàÿ за фотоприемником 26 !!збир!1 ельный усилитель, настроенный а частоту (f — f!), можно выделить гармонический электрический сигнал, фаза которого соответствует перемещению призмы 12.

В качестве опорного электрического сигнала используется выделе««ый фильтром 27 сигнал с частотой (fz — f!) «а выходе смесителя 28.

Пучок света одночастотного лазера 7 при помощи зеркал 8 и 9 разделяется на два пучка: сигнальный 10 и опорный 11 (фиг. 3).

Сигнальный пучок 10 проходит акустооптический модулятор 13 и, отражаясь от подвижного зеркала 29, связанного с измеряемым перемещением, проходит через модулятор 13 в том же месте звукового поля и создает дифракционный пучок 18, являющийся минус

1-ым порядком с оптической частотой (у — fi), где f! — частота ге«ератора 15.

Опорный пучок света 11 проходит акустооптический модулятор 20 и, отражаясь от неподвижного зеркала 30, проходит через модулятор 20 в том же месте звукового поля. При этом возникает дифракцио!!ный пучок 25, являющийся минуc 1-ым порядком дифракпии с оптической частотой (7 — f>), где fq — частота генератора 22. Пучки 18 и 25, как и на фиг. 2, совмс!це«ы в пространстве, причем пучок света 18 проходит, не отклоняясь, модулятор 20. Фотоприем!!ик 26, установленный в поле интерференции лучей 18 и 25, выделяет !

ape!o!!!»!ocI;ий электрический сигнал с частотой (f — f!) фаза которого пропорциональна измеряемому перемеще«и1о.

Сигнальный пучок света 10, проходя модулятор 13 в прямом направлении, также подвергается дифракц«и. В этом случае возникает пучок света 31, соответствующий плюс

1-ому порядку дифракцпи с оптической частотой (у+!!).

Опорный пучок l l, падая»а модулятор 20, также создает дифракциопный пучок 32 плюс

1-го «орядка, но с частотой (у+Я.

399722 f- iu ла я8он

oui дог

Так как падающие и отраженные лучи сигнального и опорного пучков соответственно совмещены и проходят в одном и том же месте звукового поля, то пучки света, соответствующие порядкам дифракции плюс 1-ого и минус 1-ого порядков, лежат на одной оси и имеют противоположные направления. При этом совмещены пучки 18 и 25 минус 1-ых порядков дифракции и пучки 31 и 32 плюс 1-ых порядков.

Фотоприемник 33, установленный в поле интерференции лучей 31 и 32, выделяет гармонический электрический сигнал с частотой (/ — / ). Фаза этого сигнала постоянна, так как разность хода между интерферирующими пучками 31 и 32 неизменна во времени.

Сигнал фотоприемника 33 используется в качестве опорного при измерении фазы сигнала фотоприемника 26.

Получение опорного электрического сигнала методом оптического гетер один ирования дифракционных максимумов, т. е. тем же способом, что и измерительного электрического сигнала, является преимуществом, так как позволяет существенно повысить стабильность фазометрических измерений.

Это обусловлено тем, что при этом способе фазовые нестабильности световых волн, связанные с прохождением через акустооптический модулятор и воздушную среду, одинаково влияют на опорный и измерительный сигналы и при их фазовом сравнении взаимно

5 компенсируются.

Предмет изобретения

10 Интерференционный способ измерения величины линейных и угловых перемещений, заключающийся в том, что монохроматическое излучение направляют на ультразвуковой светомодулятор, регистрируют результаты интер15 ференции полученных на выходе светомодулятора потоков дифракции и по параметрам регистрации судят о величине перемещения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, из монохроматического

20 излучения предварительно выделяют второй поток оптическим элементом, воздействуют этим потоком на второй ультразвуковой светомодулятор, который возбуждают на частоте, отличной от частоты возбуждения перво25 го ультразвукового светомодулятора, и регистрируют результаты интерференции потоков дифракции первого и второго светомодуляторов.

399722 Ргг 3

Редактор T. Шагова

Заказ 222/7 Изд. ¹ 42 Тираж 755 Г1одппспюе

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

Москва, )К-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2

Со ста вптель А. Дух анин

Техред Л. Богданова

Корректоры: A. Николаева и Л. Корогод