Описание изобретения

 

атентно-;,. х:;;;;,еокщ

ОП ИСАН И Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

408l45

Союз Советских

Социалистических

Республик

Зависимое от авт. свидетельства №вЂ”

М. Кл. б 01Ь 19/56

G 01b 9/02

G 01Ь 9/08

Заявлено 26.1I I.1971 (№ 1637820/25-28) с присоединением заявки №вЂ”

Государственный комитет

Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

Приоритет—

Опубликовано 10.XI I.1973. Бюллетень № 47 УДК 531.715(088.8)

Дата опубликования описания 18.IV.1974

Автор изобретения

В. И. Телешевский

Заявитель

Московский станкоинструментальный институт

ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ

ЛИНЕЙНЫХ И УГЛОВЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к способам построения фотоэлектрических интерферометров, предназначенных для измерения величины линейных и угловых перемещений подвижных органов прецизионных металлорежущих 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 преобразовывают оптико-акустическим узлом в два когерентных монохроматических потока, связывают оптический узел с измеряемым объектом и по интерференции потоков судят о результатах контроляя.

Однако точность измерения известным способом недостаточна из-за нестабильности соотношения параметров каналов.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Для этого монохроматическое излучение направляют,на ультразвуковой оветомодулятор, один из потоков после светомодулятора направляют на фотоприемник, а другой через полупрозрачное зеркало — на отражающий элемент и фотоприемник.

Таким образом, в предлагаемом способе используется один одночастотный стабилизированный лазер. Это позволяет получить исходную оптическую частоту с предельно достижимой стабильностью. Формирование интерферирующих пучков с различными оптическими частотами осуществляется посредством дифракции излучения лазера на акусто-оптическом модуляторе, расположенном вне резонатора лазера. Акусто-оптический модулятор представляет собой оптически прозрачное тело, на10 пример, из фотоупругого кристалла (плавленого кварца, ниобата линия и других), в котором возбуждается бегущая ультразвуковая волна. В;.результате дифракции света на ультразвуке на выходе акусто-оптического моду1s лятора возникают дифрагированные световые пучки — порядки дифракционного спектра, оптические частоты которых отличаются от частоты прямого недифраги рованного пучка на величину, кратную частоте ультразвуковой

20 волны.

На фиг. 1 представлена схема, поясняющая дифракцию света на ультразвуке; на фиг; 2— одноканальная схема осуществления интерференционного способа измерения величины пе25 ремещений; на фиг. 3 — .то же, двухканальная схема.

Сущность предлагаемого способа-: заключается в следующем.

При освещении бегущей ультразвуковой

30 волны, распространяющейся в упругой про408145 зрачной среде, параллельным пучком монохроматического светового потока, возникает явление дифракции, схематически представленное на фиг. 1.

Световая волна

Я вЂ” Я е!2к.t о где Ео — амплитуда, v — частота, в виде параллельного пучка 1 апертуры L освещает бегущую гармоническую ультразвуковую волну 2 частотой f, распространяющуюся в оптически прозрачной упругой среде по оси Y.

В результате фазовой модуляции световой волны на вариациях показателя преломления среды, вызываемых упругой волной 2, на выходе нз нее возникает несколько параллельных световых пучков, распространяющихся под различными углами к первоначальному направлению света (оси Х). Эти пучки являются порядками спектра дифракции света на ультразвуке. Учитывая, что п нтенсивность ультразвуковой волны достаточно мала, можно ограничиться нулевым плюс-минус первым порядками. Нулевой порядок сохраняет первоначальное направление пучка 1, пучки плюс первого и минус первого порядков направлены над углами

Х Х

<р =+ — и к оси Х соответственно, где Х вЂ” длина световой волны, Л вЂ” длина ультразвуковой волны.

Один из дифракционных порядков используется в качестве сигнального пучка интерфеуомет ра, оптическая длина его пути изменается в соответствии с контролируемым перемещением, а другой — в качестве опорного пучка, щтическая длина пути которого неизМедна, 8 качестве интерферирующих можно .выбнуать любую пару пучков из дифракционнаго сиектра. При этом за сигнальный предпочтительнее принимать пучок, обладающий наибольшей интенсивностью, т. е. нулевого цорядка.

На фиг. 2 и фиг. 3 представлены различные варианты осуществления способа, Фиг. 2 иллюстрирует одноканальный вариант осуществления способа, при .котором интерферируют пучки нулевого и +1 порядков. Источник света — стабилизированный лазер 1 освещает акустический модулятор, в котором расщюстрацяется бегущая ультразвуковая волна.

Волна возбуждается в модуляторе 2 пьезоизлучателем 3 от электронного генератора 4 и поглощается поглотителем 5. Если освещающи и нучок б наклонен к фронту ультразву1 кйьей волны под углом ч, = — — и выпол2 Л

Л2 нйется условие 1 )) —, то вследствие так

Х называемой брэгговской дифракции света на ультразвуке и дифракционном спектре со,держатся только пучки нулевого и плюс первого юридка. Нулевой порядок, являясь сиг5

65 нальным пучком 7, проходит через полупрозрачное зеркало 8 и направляется на подвижный отражатель 9, перемещающийся в процессе измерения. Отразившись от отражателя

9 сигнальный пучок 7 возвращается назад после отражения от зеркала 8, падает Ila приемную поверхность фотоприемника 10. Плюс первый дифракционный порядок, представляющий собой опорный пучок 11, на поверхности фотоприемника 10 интерферирует с сигнальным. Сигнал с фотоприемника 10 поступает на вход усилителя 12.

Измерение фазы сигнала, пропорциональной перемещению подвижного зеркала 9, и счет числа фазовых циклов, соответствующих изменению фазы на 180, осуществляется известными фазометрическими способами.

Опорным электрическим сигналом при измерении фазы сигнала может служить сигнал с выхода тенератора 4 ультразвуковых колебаний.

Для случая, когда спектр дифракции света на ультразвуке симметричен, имеются как положительные, так и отрицательные дифракционные порядки, реализуется двухканальная схема осуществления способа (фиг. 3). Такой случай имеет, место при рамановской дифракции света на ультразвуке, когда освещающий пучок направлен строго нормально к напра|влению бегущей ультразвуковой волны и

4з

l(:

Х

На фиг. 3 позиции с 1 по 12 полностью повторяют элементы, указанные на фиг. 2. Как и в предыдущем случае, сигнальным пучком

7 является пучок нулевого порядка, который разделяется на полупрозрачном зеркале 8.

Часть пучка 7, прошедшая через зеркало 8, направляется на подвижное зеркало 9 и, отразившись от него, а затем от зеркала 8, попадает на фотоприемник 10, где интерферирует с пучком плюс первого порядка дифракции. Последний является опорным пучком 11 и его интерференция с сигнальным пучком 7 позволяет выделить измерительный сигнал описанным выше образом.

Наличие, минус первого порядка в спектре дифракции, оптическая частота которого ра вна (v — f), т. е. сдвинута тоже на .величину ультразвуковой частоты, позволяет. получить опорный сигнал также фотоэлектрическим путем. Это достигается тем, что часть пучка нулевого порядка, отраженная от полупрозрачного зеркала 8, интерферирует с минус первым дифракционным порядком — пучком 13 на фотоприемнике 14. Так как разность оптических частот интерферирующих пучков равна

f, то на выходе избирательного усилителя 15, настроенного на эту частоту, выделяется опорный гармонический сигнал.

Измерение фазы сигнала, пропорциональной перемещению, осуществляется известными фазометрическими способами посредством сравнения его с опорным сигналом, 408145

Фиг 7

Предмет изобретения

Интерференционный способ измерения величины линейных и угловых перемещений, заключающийся в том, что монохроматическое излучение преобразовывают оптико-акустическим узлом в когерентные монохроматические потоки различной частоты, один нз которых направляют на подвижный отражательный элемент оптического узла, который связывают с перемещающимся объектом, и по соотношенню фаз сц.нз";oa, выделенных в поле интерфе сннии когерентных потоков, судят о результатах измерения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, 5 мопохроматическое излучение направляют на ультразвуковой светомодулятор, один из потоков после светомодулятора — на фотоприемник, а другой через полупрозрачное зеркало — на отражающий элеменг и фотопрнсм10 ни к.

gt Составитель А. Духанин

Редактор Д. Пинчук Техред А. Камышникова Корректор М. Лейзерман

Заказ 867/4 Изд. № 289 Тираж 755 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

Москва, 5К-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2