Интерферометр для измерения линейных перемещений

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Целью изобретения является расширение области применения за счет исключения ограничения скорости измеряемого перемещения. Интерферометр содержит формирователь 1 излучения, у которого имеются оптический выход 2 и электрический выход 3. После формирователя 1 установлен неполяризованный светоделитель 4 для разделения пучка излучения на два пучка, на пути одного из которых установлен референтный уголковый отражатель 5, а на пути другого - измерительный уголковый отражатель 6. В точке пересечения отраженных от отражателей 5 и 6 пучков излучения установлен поляризационный светоделитель 7. На пути каждого пучка излучения после светоделителя 7 установлены последовательно поляроиды 8 и 9 и фотоприемники 10 и 11. Схема электронных преобразователей сигналов интерферометра содержит два блока 12 и 13 вычитания частот и преобразования сигналов в счетные импульсы. Блоки 12 и 13 связаны с первыми входами первой 14 и второй 15 схем И логического устройства 16 для подавления ложной импульсной последовательности, которое содержит также триггер 17 направления, схему ИЛИ 18, частотный дискриминатор 19 и две схемы И - НЕ 20 и 21. Реверсивный счетчик 22 соединен входом сложения с выходом первой схемы И 14, первым входом схемы ИЛИ 18 и входом установки триггера 17 направления, а выходом вычитания с выходом второй схемы И 15, вторым входом схемы ИЛИ 18 и входом сброса триггера 17 направления. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, предназначено для измерения линейных перемещений и может быть использовано в высокоточных измерительных и управляющих устройствах.

Известен интерферометр для измерения линейных перемещений [1] содержащий лазер линейно-поляризованного излучения, дифракционный фазовый модулятор для образования двух разночастотных пучков излучения, светоделители, фотоприемники, референтный и измерительный отражатели и электронный блок обработки сигналов.

Недостатком такого интерферометра является наличие в схеме двух пространственно разделенных пучков излучения одинаково ориентированной линейной поляризации, что увеличивает габариты оптической схемы, усложняет пространственную развязку лучей, ограничивает точность измерений. Кроме того, эксплуатационные возможности такого интерферометра ограничены по скорости перемещения измеряемого объекта.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является интерферометр для измерения линейных перемещений [2] содержащий формирователь двухчастотного двухволнового излучения с ортогональными поляризациями и электрического опорного сигнала разностной частоты излучения, установленный в измерительном канале поляризационный светоделитель с референтным и измерительным уголковыми отражателями, поляроид и фотоприемник, установленные последовательно после поляризационного светоделителя, блок вычитания частот и преобразования сигналов в счетные импульсы, соединенный одним входом с выходом фотоприемника, а другим входом с выходом электрического опорного сигнала формирователя, и реверсивный счетчик, соединенный с выходом блока вычитания частот и преобразования сигналов в счетные импульсы. Формирователь состоит из лазера двухчастотного излучения, светоделителя, разделяющего пучок излучения по интенсивности на измерительный и опорный каналы, поляроида и фотоприемника, установленных последовательно после светоделителя.

Недостатком такого интерферометра является ограниченность его возможностей по скорости перемещения измеряемого объекта вследствие того, что при перемещении его в одном из направлений с увеличением скорости перемещения частота сигнала на входе в блок вычитания частот и преобразования сигналов уменьшается и может достигнуть нулевого значения. При дальнейшем изменении скорости, причем как в сторону увеличения, так и в сторону снижения, частота сигнала увеличивается, в связи с чем возникает неопределенность в получаемой информации о скорости перемещения.

Целью изобретения является расширение области применения интерферометра за счет исключения необходимости ограничения скорости измеряемого перемещения.

Для достижения цели предлагается интерферометр для измерения линейных перемещений объектов, содержащий формирователь двухчастотного двухволнового излучения с линейными ортогональными поляризациями и электрического опорного сигнала разностной частоты излучения, установленный в измерительном канале поляризационный светоделитель с референтным и устанавливаемым на объекте измерительным отражателями, поляроид и фотоприемник, установленные последовательно по ходу излучения после поляризационного светоделителя, блок вычитания частот и преобразования сигналов в счетные импульсы, соединенный с выходом фотоприемника и выходом опорного сигнала формирователя, и реверсивный счетчик, связанный с блоком вычитания частот.

Новым в предлагаемым интерферометре является то, что он снабжен неполяризационным светоделителем, предназначен- ным для разделения пучка излучения на два, установленным после формирователя по ходу излучения, вторым поляроидом и вторым фотоприемником, установленными последовательно после поляризационного светоделителя, вторым блоком вычитания частот и преобразования сигналов в счетные импульсы, соединенным с выходом второго фотоприемника и выходом опорного сигнала формирователя, логическим устройством для подавления ложной импульсной последовательности, установленным между блоками вычитания частот и реверсивным счетчиком, референтный и измерительный отражатели установлены в соответствующих пучках излучения после неполяризационного светоделителя, поляризационный светоделитель предназначен для установки в точке пересечения пучков излучения, от референтного и измерительного отражателей, а поляроиды и фотоприемники предназначены для установки каждой пары по ходу соответствующего пучка излучения, выходящего из поляризационного светодетителя.

Логическое устройство подавления ложной импульсной последовательности выполнено в виде первой и второй схем И, соединенных с выходами сложения соответственно первого и второго блоков вычитания частот интерферометра, триггера направления, соединенного входом установки с выходом первой схемы И и входом сброса с выходом второй схемы И, схемы ИЛИ, соединенной первым входом с выходом первой схемы И и входом установки триггера направления, а вторым входом с выходом второй схемы И и входом сброса триггера направления, частотного дискриминатора, соединенного с выходом схемы ИЛИ, первой схемы И-НЕ, соединенной первым входом с прямым выходом триггера направления, вторым входом с выходом частотного дискриминатора, а выходом с вторым входом второй схемы И, второй схемы И-НЕ, соединенной первым входом с инверсным выходом триггера направления, вторым входом с выходом частотного дискриминатора и с вторым входом первой схемы И-НЕ, и выходом с вторым входом первой схемы И, а ревеpсивный счетчик интерферометра связан входом сложения с выходом первой схемы И, первым входом схемы ИЛИ и входом установки триггера направления, а входом вычитания с выходом второй схемы И, вторым входом схемы ИЛИ и входом сброса триггера направления.

Изобретение поясняется чертежом, на котором показана общая схема интерферометра.

Интерферометр основан на использовании двхчастотного излучения, имеющего две волны с линейными ортогональными поляризациями и содержит формирователь 1 такого излучения. В качестве формирователя может быть использован лазер с необходимым набором известных преобразовательных элементов. Формирователь 1 имеет оптический выход 2 и электрический выход 3 опорного сигнала с частотой, равной разности частот излучения.

После формирователя 1 по ходу пучка излучения установлен неполяризационный светоделитель 4 для разделения пучка излучения по интенсивности на два пучка, на пути одного из которых установлен референтный уголковый отражатель 5, а на пути другого измерительный уголковый отражатель 6, закрепленный на перемещаемом объекте. В точке пересечения отраженных от отражателей 5 и 6 пучков излучения установлен поляризационный светоделитель 7 для разделения падающего на него излучения по поляризациям. На пути каждого пучка излучения после светоделителя 7 установлены последовательно поляроиды 8 и 9 и фотоприемники 10 и 11.

Схема электронных преобразований сигналов интерферометра содержит два блока 12, 13 вычитания частот и преобразования сигналов в счетные импульсы. Блок 12 соединен одним входом с выходом фотоприемника 10, а другим входом с выходом 3 опорного сигнала формирователя 1, а блок 13 соответственно с выходом фотоприемника 11 и выходом 3 формирователя 1. Блоки 12 и 13 выходами сложения связаны с первыми входами первой 14 и второй 15 схем И логического устройства 16 подавления ложной импульсной последовательности, которое содержит также триггер 17 направления, схему ИЛИ 18, частотный дискриминатор 19 и две схемы И-НЕ 20 и 21. Триггер 17 направления соединен входом установки с выходом первой схемы И 14, а входом сброса с выходом второй схемы И 15. Схема ИЛИ 18 соединена первым входом с выходом первой схемы И 14 и входом установки триггера 17 направления, а вторым входом с выходом второй схемы И 15 и входом сброса триггера 17 направления. Частотный дискриминатор 19 соединен с выходом схемы ИЛИ 18. Первая схема И-НЕ 20 соединена первым входом с прямым выходом триггера 17 направления, вторым входом с выходом частотного дискриминатора 19, а выходом с вторым входом второй схемы И 15. Вторая схема И-НЕ 21 соединена первым входом с инверсным выходом триггера 17 направления, вторым входом с выходом частотного дискриминатора 19 и с вторым входом первой схемы И-НЕ 20, а выходом с вторым входом первой схемы И 14.

Реверсивный счетчик 22 соединен входом сложения с выходом первой схемы И 14, первым входом схемы ИЛИ 18 и входом установки триггера 17 направления, а входом вычитания с выходом второй схемы И 15, вторым входом схемы ИЛИ 18 и входом сброса триггера 17 направления.

Неполяризационный 4 и поляризационный светоделители могут быть выполнены в виде единого элемента, например светоделительного кубика, часть делительной поверхности которого имеет поляризационное покрытие.

Интерферометр работает следующим образом.

Из оптического выхода 2 формирователя 1 выходит пучок излучения из двух линейно поляризованных волн, одна из которых имеет частоту ω₁, а друга ω₂ Поляризации волн взаимно ортогональны, т.е. если, например, волна с частотой ω₁ имеет горизонтальную поляризацию, то волна с частотой ω₂ имеет вертикальную поляризацию. Из электрического выхода 3 формирователя 1 выходит опорный сигнал с частотой ω_опω₂ ω₁.

На неполяризационном светоделителе 4 пучок излучения разделяется по интенсивности на два пучка, один из которых падает на референтный уголковый отражатель 5, а другой на измерительный уголковый отражатель 6, закрепленный на перемещаемом объекте. Отраженный от референтного отражателя 5 пучок излучения имеет те же частоты ω₁ и ω₂ а отраженный от измерительного отражателя 6 пучок излучения имеет частоты ω₁ ±Δ ω и ω₂ ±Δ ω. Знак приращения частоты зависит от направления движения измеряемого объекта. В любой момент времени каждая волна имеет одинаковый знак приращения частоты.

Поляризационный светоделитель 7 делит каждый падающий на него пучок излучения по поляризациям: одну волну пропускает, а другую, имеющую ортогональную первой поляризацию, отражает. Т.е. если из пучка излучения после референтного отражателя 5 волну, например, с горизонтальной поляризацией и частотой светоделитель 7 пропускает, то волну с вертикальной поляризацией и частотой ω₁ отражает. Точно также разделяется пучок излучения, падающий на светоделитель 7 от измерительного отражателя 6: пропускается волна с горизонтальной поляризацией ω₂ ±Δ и отражается волна с вертикальной поляризацией ω₁ ±Δ ω. При этом за счет размещения поляризационного светоделителя 7 в точке пересечения пучков излучения, отраженных от отражателей 5 и 6, волна с горизонтальной поляризацией ω₁, пропущенная через светоделитель 7 от отражателя 5, совмещается в один пучок с волной, имеющей вертикальную поляризацию ω₂ ±Δ ω отраженной светоделителем 7 после падения на него от отражателя 6. С другой стороны светоделителя 7 выходит пучок излучения из волн с горизонтальной поляризацией ω₁ ±Δ ω и с вертикальной поляризацией ω₂. Первый из этих пучков попадает на поляроид 8, а после него на фотоприемник 10, а второй на поляроид 9 и после него на фотоприемник 11. Поляроиды 8 и 9 преобразуют излучение с двумя взаимно ортогональными поляризациями в излучение, поляризованное в одной плоскости, расположенной наклонно к каждой из плоскостей поляризацией падающего излучения, и при этом формируют модулированное по интенсивности излучение, которое, падая на фотоприемники 10 и 11, преобразуется в электрические сигналы. При этом фотоприемник 10 образует сигнал с частотой (ω₂±Δω)-ω₁, а фотоприемник 11 сигнал с частотой ω₂-(ω₁±Δω).

Таким образом, если при движении измеряемого объекта в одну сторону в канал после фотоприемника 10 поступает сигнал с частотой (ω₂-ω₁)+Δω, то в канал после фотоприемника 11 поступает сигнал с частотой (ω₂-ω₁)-Δω. При изменении направления перемещения измеряемого объекта знаки перед приращением частоты Δω изменяются на противоположные.

В блоках 12 и 13 происходит выделение составляющих Δω на фоне частоты опорного сигнала (ω₂-ω₁) и формирование счетных импульсов с частотой Δω. При этом если, например, в блоке 12 частота растет с увеличением скорости перемещения измеряемого объекта, то одновременно в блоке 13 частота падает и при достижении некоторой скорости может достигнуть нулевого значения. При дальнейшем изменении скорости как в сторону увеличения, так и в сторону снижения, частота в этом блоке начинает расти, порождая неопределенность выдаваемой информации, образуя ложную импульсную последовательность.

В то же время в блоке 12 с увеличением скорости перемещения объекта частота сигнала растет, а при снижении скорости падает, но при этом изменения частоты происходят в области значений, превышающих опорную частоту, в связи с чем никакой неопределенности не возникает. С изменением направления перемещения измеряемого объекта соответственно изменяется работа блоков 12 и 13.

Каждый из блоков 12 и 13 имеет два выхода: сложения и вычитания. Формируемые в блоках 12 и 13 счетные импульсы, имеющие частоту, не превышающую опорную частоту, поступают на выходы вычитания блоков, а импульсы с частотой, превышающей опорную частоту, на выходы сложения. Таким образом, если в определенном диапазоне изменения скорости перемещения формируемые, например, блоком 13 счетные импульсы поступают на выход вычитания, то одновременно импульсы, формируемые блоком 12, поступают на выход сложения. Для подавления такой ложной импульсной последовательности выходы вычитания блоков 12 и 13 в дальнейшем не используются.

Однако при дальнейшем увеличении скорости перемещения частота ложных импульсов продолжает расти до значений, превышающих величину опорной частоты. При этом выход счетных импульсов изменяется и они поступают на выход сложения. Таким образом, при увеличении скорости перемещения измеряемого объекта на обоих блоках 12 и 13 счетные импульсы поступают на выходы сложения, но одна из этих импульсных последовательностей является ложной.

В логическом устройстве 16 происходит подавление ложной импульсной последовательности и выделение наибольшего сигнала. Это происходит следующим образом.

При неподвижном положении измеряемого объекта на входах схемы логического устройства 16 импульсы отсутствуют, выход частотного дискриминатора 19 находится в состоянии логического "0", а выходы обеих схем И-НЕ 20 и 21 в состоянии логической "1". Уровни логической "1", поступая с выходов обеих схем И-НЕ 20 и 21 на вторые входы обеих схем И 14 и 15, разрешают прохождение счетных импульсов с положительных выходов обоих блоков 12 и 13 на входы счетчика 22 и на входы схемы ИЛИ 18 и триггера 17 направления.

С началом движения измеряемого объекта в блоки 12 и 13 поступают сигналы и происходит формирование счетных импульсов. При этом если, например, в блоке 12 импульсы поступают на выход сложения, то в блоке 13 на выход вычитания.

С выхода сложения блока 12 импульсы проходят через первую схему И 14, устанавливают триггер 17 направления в состояние логической "1" (на инверсном выходе логический "0"), пройдя через схему ИЛИ 18, попадают на вход частотного дискриминатора 19. При увеличении частоты импульсов до значений, превышающих величину опорной частоты, выход частотного дискриминатора 19 переходит в состояние логической "1". Таким образом, уровни логической "1" на обоих входах первой схемы И-НЕ 20 устанавливает выход этой схемы в состояние логического "0", который запрещает прохождение импульсов через вторую схему И 15 с выхода сложения блока 13, если импульсы появляются на этом выходе при дальнейшем увеличении скорости.

Если при перемещении измеряемого объекта в одном направлении импульсы, прошедшие через первую схему И 14, поступают, например, на вход сложения реверсивного счетчика 22, то при изменении направления перемещения импульсы проходят через вторую схему И 15 и поступают на вход вычитания счетчика 22, который дает информацию о направлении перемещения объекта.

Такое выполнение интерферометра позволяет снять ограничения со скорости измеряемого перемещения и тем самым расширяет эксплуатационные возможности. Кроме того, это позволяет снизить величину опорной частоты формирователя, в результате чего появляется возможность его упрощения и повышения надежности.

Формула изобретения

1. ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ объектов, содержащий формирователь двухчастотного двухволнового излучения с линейными ортогональными поляризациями и электрического опорного сигнала разностной частоты излучения, установленный в измерительном канале поляризационный светоделитель с референтным и устанавливаемым на объекте измерительным отражателями, поляроид и фотоприемник, установленные последовательно по ходу излучения после поляризационного светоделителя, блок вычитания частот и преобразования сигналов в счетные импульсы, соединенный с выходом фотоприемника и выходом опорного сигнала формирователя, и реверсивный счетчик, связанным с блоком вычитания частот, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения за счет исключения ограничения скорости измеряемого перемещения, он снабжен неполяризационным светоделителем, предназначенным для разделения пучка излучения на два, установленным после формирователя по ходу излучения, вторым поляроидом и вторым фотоприемником, установленными последовательно после поляризационного светоделителя, вторым блоком вычитания частот и преобразования сигналов в счетные импульсы, соединенным с выходом второго фотоприемника и выходом опорного сигнала формирователя, логическим устройством для подавления ложной импульсной последовательности, установленным между блоками вычитания частот и реверсивным счетчиком, референтный и измерительный отражатели установлены в соответствующих пучках излучения после неполяризационного светоделителя, поляризационный светоделитель предназначен для установки в точке пересечения пучков излучения, отраженных от референтного и измерительного отражателей, а поляроиды и фотоприемники предназначены для установки каждой пары по ходу соответствующего пучка излучения, выходящего из поляризационного светоделителя.

2. Интерферометр по п.1, отличающийся тем, что логическое устройство подавления ложной импульсной последовательности выполнено в виде первой и второй схем И, соединенных с выходами сложения соответственно первого и второго блоков вычитания частот интерферометра, триггера направления, соединенного входом установки с выходом первой схемы И и входом сброса, с выходом второй схемы И, схемы ИЛИ, соединенной первым входом с выходом первой схемы И и входом установки триггера направления, а вторым входом - с выходом второй схемы И и входом сброса триггера направления, частотного дискриминатора, соединенного с выходом схемы ИЛИ, первой схемы И - НЕ, соединенной первым входом с прямым выходом триггера направления, вторым входом - с выходом частотного дискриминатора, а выходом - с вторым входом второй схемы И, второй схемы И - НЕ, соединенной первым входом с инверсным выходом триггера направления, вторым входом - с выходом частотного дискриминатора и вторым входом первой схемы И - НЕ и выходом - с вторым входом первой схемы И, а реверсивный счетчик интерферометра связан входом сложения с выходом первой схемы И, первым входом схемы И, первым входом схемы ИЛИ и входом установки триггера направления, а входом вычитания - с выходом второй схемы И, вторым входом схемы ИЛИ и входом сброса триггера направления.

РИСУНКИ

Рисунок 1