Устройство для измерения перемещения объекта

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

376653

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Зависимое от авт. свидетельства №

М. Кл. G Olb 9 02

Заявлено 26.II.1971 (№ 1625854/25-28) с присоединением заявки №

Приоритет

Опубликовано 05.IV.1973. Бюллетень № 17

Дата опубликования описания 29Х.1973

Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров

СССР

УДК 531.715,1(088.8) Авторы изобретения

Г. В. Галутва, А. И. Рязанцев и Г. С. Пресняков

Заявитель

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ОБЪЕКТА

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к области интереференционных измерений линейных величин, преимущественно к системам прецизионного отсчета перемещения столов в координатноизмерительных и делительных машинах, координатно-расто4ных станках и микроскопах.

Известны устройства для линейных измерений, например для измерения перемещения объекта, содержащие источник когерентного света — лазер, интерферометр, имеющий эталснное и измерительное плечи, и систему преобразования выходного сигнала с интерферометра.

Использование лазеров в таких устройствах в сочетании с соответствующим преобразованием и обработкой выходного сигнала принципиально позволяет достигать дискретности отсчета до 10 — мкм при диапазоне измерения до 1000 м и достаточно высокой надежности работы, особенно при использовании специальных двухчастотных лазеров.

Однако подавляющее большинство измерений производится в воздушной среде, показатель преломления которой изменяется с изменением давления, температуры, влажности и ряда других факторов. Это приводит к изменению оптической длины измерительного плеча интерферометра и появлению погрешности измерения, достигающей в реальных условиях несколько микрометров на 1 м.

Для уменьшения погрешности измерений в ряде устройств используют ручную или автоматическую коррекцию показаний, производимую в соответствии с сигналами датчиков давления, а иногда и температурой воздуха.

Это позволяет при некотором усложнении системы обработки выходного сигнала достичь точности измерений 0,5 мкмlм в лабораторных условиях, что в настоящее время недостаточно. Ручная коррекция не обеспечивает достаточной точности в связи с тем, что оператор не успевает вводить поправки на быстрые изменения параметров, особенно давления.

Для повышения точности измерения в некоторых случаях используют два лазера или лазер, работающий на двух достаточно разнесенных длинах волн одновременно. Пропуская два таких луча через одни и те же плечи интерферометра, можно оценить показатель .преломления среды, внести соответствующую коррекцию и в некоторых случаях на два порядка повысить точность измерения. Однако такая система оказывается весьма дорогой и во многих случаях неприемлемой.

Целью изобретения является создание устройства, обеспечивающего точность измере30 ния перемещения до значений порядка

376653

0,05 мкм/м при использовании наиболее простых элементов и сохранении стоимости на том же уровне, что и для устройств с коррекцией по давлению или температуре.

Предлагаемое устройство отличается от известного тем, что интерферометр имеет дополнительное измерительное плечо, длина которого и длина основного измерительного плеча различна на постоянную величину.

Это отличие позволяет повысить точность измерения путем коррекции по показателю преломления среды.

На чертеже изображена принципиальная схема предлагаемого устройства.

Луч от лазера 1 расщепляется полупрозрачной пластинкой 2 на два пучка. Первый пучок, в свою очередь, расщепляется призмой — куб 8 на луч эталонного плеча, включающего зеркало 4, и луч основного измерительного плеча длиной 1, включающего зеркало 5. Аналогично второй пучок расщепляется призмой — куб б на луч индентичного эталонного плеча, включающего зеркало 7, и луч дополнительного измерительного плеча длиной (1+I<), включающего зеркало 8. Зеркало

7 и 8 при этом жестко закрепляют на перемещающемся столике, так что l меняется, à 1i остается постоянным. Интерференционная картина, возникающая при сбивании луча эталонного плеча с лучом измерительного плеча, регистрируется двумя фотоприемниками 9 и 10, картина же от луча другого эталончого плеча и луча дополнительного измерительного плеча может регистрироваться одним фотоприемником 11.

Лазер, эталонные плечи интерферометра и фотоприемники (обычно с предусилителями) размещены на неподвижной станине.

Электрические сигналы с фотоприемников направляются в систему преобразования выходного сигнала, включающую в себя следующие основные элементы: логическую ячейку

12, определяющую направление счета; реверсивный счетчик 18 с системой пересчета числа полос в линейные величины, цифровое табло

14, блок коррекции 15 и устройство 1б для оценки текущего значения общей длины основного измерительного плеча.

Работает предлагаемое устройство следующим образом.

При перемещении столика с зеркалами 5 и 8 в направлении х длина дополнительного измерительного плеча и основного измерительного плеча изменяется,:ITQ приводит к смещению интерференционных полос, регистрируемых и пересчитываемых, например, в микроны счетчиком 18. Поскольку длина дополнительного измерительного плеча изменяется на такую же величину, как и длина основного измерительного плеча, в блоке коррекции 15, сравнивающем сигналы от основного и дополнительного измерительных плеч, не вырабатывается никакого сигнала.

Если же изменяется показатель преломления среды, то оптическая длина дополнитель5

4 ного измерительного плеча меняется больше, чем длина основного измерительного плеча, поскольку дополнительное плечо на величину

l больше, чем основное плечо. Это вызывает различие в числе полос, регистрируемых по основному и дополнительному каналам. Это различие и используется в блоке 15 для выработники сигнала коррекции. Однако такой сигнал не может быть прямо использован для коррекции пересчета числа полос в счетчике

18, поскольку длина l может меняться на большую величину (обычно до 1 — 2 м). При этом начало рабочего отсчета и нулевые показания счетчика могут быть выбраны при любом положении столика, в то время, как умножать на откорректированное значение цены полосы (или пересчитывать любым другим упрощенным методом) необходимо число полос, соответствующее полному расстоянию

1. Поэтому код коррекции должен изменяться пропорционально расстоянию l, что и достигается путем введения устройства 1б для оценки текущего значения длины измерительного плеча.

Для такой оценки может быть использовано число полос, регистрируемое по основному каналу. Тогда коррекция может быть произведена с весьма высокой точностью. Однако в связи с тем, что при возможном перемещении столика с выключенным счетчиком информация об этом перемещении по данному каналу не поступает, такой режим работы возможен только при непрерывном процессе измерения и при предварительном вводе исходного значения l. Поэтому может быть целесообразным использование более грубого отсчета перемещения, например путем счета числа оборотов ходового винта, перемещающего столик. Точность оценки 1 порядка

0,1 мм достаточна для внесения коррекции с точностью 0,01 мкм. Для большинства практических задач этого вполне достаточно.

Таким образом, в предложенном устройстве вручную можно вводить исходное значение длины волны в данных условиях и длину измерительного плеча. Далее в процессе измерения коррекция осуществляется автоматически.

Точность коррекции, вносимой с помощью предложенного устройства, ограничивается относительными смещениями зеркал 5 и 8, которые могут иметь место при тепловой деформации столика, на котором они неподвижно закреплены. Однако массивный корпус столика имеет большую тепловую инерцию, и его температура меняется значительно медленнее температуры воздуха. Кроме того, столь точные измерения вообще целесообразны лишь при очень малых колебаниях температуры, и поэтому в помещении, где производятся измерения, почти во всех случаях работает система стабилизации температуры с точностью порядка 0,1 С. Следует также учитывать, что в случае необходимости li может поддерживаться с помощью установки отра376653

Предмет изобретения

Составитель Л. Лобзова

Техред 3. Тараненко

Редактор Г. Хацннская

Корректор А. Степанова

Заказ 1522/3 Изд. № 386 Тираж 755 Подписное

ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР

Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2 жателей на моноблоке, изготовленном из материала с малым коэффициентом термического расширения, например из ситалла.

Предложенное устройство может быть выполнено в различных модификациях: с использованием одночастотного или двухчастотного лазеров; с прямой или изогнутой траекторией луча в измерительных плечах; с отражателями различного типа; с частичным совмещением пути луча в основном и дополнительном измерительном плечах при использовании поляризационных характеристик и т. д.

Это обеспечивает достаточно широкую область применения таких устройств.

1 !

I

Устройство для измерения перемещения объекта, содержащее источник когерентного света, интерферометр, имеющий эталонное и измерительное плечи, и систему преобразования выходного сигнала с интерферометра, отличаюи ееся тем, что, с целью повышения точности измерения, интерферометр имеет дополнительное измерительное плечо, длина которого и длина основного измерительного плеча различны на постоянную величину.

I ! ! ! ,!

1 !