Устройство для измерения перемещений объекта

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТА(71) Заявитель Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(73) Патентообладатель Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство для измерения перемещений объекта, содержащее расположенные последовательно и оптически связанные источник света, светоделитель, призму, растровую решетку, выполненную в виде набора в один слой одиночных капилляров из оптически прозрачного материала, объектив, первый и второй фотоприемники, установленные друг от друга на расстоянии 1/4 шага интерференционной полосы в направлении, совпадающем с направлением перемещения решетки, отличающееся тем, что снабжено третьим фотоприемником, установленным в одной плоскости с первым и вторым фотоприемниками на расстоянии от первого фотоприемника, равном 1/4 шага интерференционной полосы, и в направлении, перпендикулярном направлению перемещения решетки.(56) 1. Лазерные интерферометры Сб. науч. ст. / Под ред. В. П. Коронкевича. - Новосибирск, 1978. - С. 11116. 2. Преснухин Л.Н., Шаньгин В.Ф., Шаталов Ю.А. Муаровые растровые датчики положения и их применение. - М. Машиностроение, 1969. - С. 68-69. 3.1675663 , МПК 01 11/00, 1991 (прототип). 3616 1 Изобретение относится к области оптики и контрольно-измерительной техники, в частности, к устройствам первичных преобразователей на растрах и дифракционных решетках, использующих в качестве мер муаровые или интерференционные полосы для отсчета линейных перемещений. Известно устройство для оптической регистрации величины смещения дифракционной решетки 1, содержащее лазер, телескопическую систему, синусоидальную дифракционную решетку, зеркало, светоделительный кубик, фотоэлемент и счетчик. Решетка разлагает монохроматический свет на три плоские волны с 0-ым, 1-ым и 1-ым порядками дифракции. Проецирование дифрагированных пучков света на плоскость взаимодействия - светоделительный кубик - с помощью зеркала дает равномерную интерференционную картину. Смещение решетки перпендикулярно пучку света приводит к смещению интерференционных полос, которые регистрируются фотоприемником. Данное устройство не обеспечивает высокой точности измерения перемещений из-за наличия погрешностей периода решетки, и динамических погрешностей, вызываемых угловыми перекосами решетки, обусловленными непрямолинейностью ее движения, что в конечном итоге приводит к значительной накопленной погрешности измерения. Известно также устройство для измерения перемещений 2, содержащее расположенные последовательно и связанные оптической связью источник света, коллиматор, две прозрачные дифракционные решетки, одна из которых индикаторная, а другая измерительная, связанная с объектом, объектив, двухщелевую диафрагму, два фотоприемника, два усилителя, электрически связанные с соответствующими фотоприемниками, и счетчик. Монохроматический пучок света, проходящий через решетки, разлагается на ряд порядков. При этом пучки одноименных порядков, производимых первой и второй решетками, совпадающие по направлению, взаимодействуют друг с другом с образованием муаровых полос, которые считываются фотоприемниками при движении объекта. Данное устройство также не обеспечивает необходимой точности измерения из-за статических ошибок периода решеток, погрешностей их изготовления, а также динамических ошибок измерения при угловых перекосах решеток во время перемещения. Наиболее близким техническим решением является устройство для измерения перемещений объекта 3,содержащее источник света, светоделитель и призму, установленные последовательно за источником света,растровую решетку, выполненную в виде набора в один слой одиночных капилляров из оптически прозрачного материала, объектив, первый и второй фотоприемники, установленные друг от друга на расстоянии 1/4 шага интерференционной полосы в направлении, совпадающем с направлением перемещения решетки. Данное устройство также не обеспечивает необходимой точности измерения перемещений из-за ошибок в случае угловых перекосов решетки в процессе перемещения. Этот недостаток присущ всем преобразователям на растрах и трудно устраним. В частности, наклон решетки приводит к наклону интерференционных(муаровых или нониусных) полос и изменению их периода (уменьшению), результатом чего является появление паразитного сдвига фаз в интерференционных сигналах и, следовательно, ошибки измерения. Техническая задача, которую позволяет решить предлагаемое изобретение - повышение точности измерения перемещения объектов за счет обеспечения автоматической компенсации динамических погрешностей измерения, возникающих при угловых перекосах решетки. Поставленная техническая задача достигается тем, что в устройство, содержащее расположенные последовательно и оптически связанные источник света, светоделитель, призму, растровую решетку, выполненную в виде набора в один слой одиночных капилляров из оптически прозрачного материала, объектив, первый и второй фотоприемники,установленные друг от друга на расстоянии 1/4 шага интерференционной полосы в направлении совпадающем с направлением перемещения решетки, дополнительно введен третий фотоприемник, установленный в одной плоскости с первым и вторым фотоприемниками на расстоянии от первого фотоприемника равном 1/4 шага интерференционной полосы и в направлении, перпендикулярном направлению перемещения решетки. За счет введения третьего фотоприемника, установленного выше изложенным образом, удается полностью скомпенсировать ошибки, возникающие в случае перекоса растровой решетки на измерительной позиции в процессе ее движения. Фотоприемники, один из которых, например первый, принимается за опорный, а два других за измерительные,считывают текущие фазы интерференционной полосы соответственно 1 - фазу от изменения величины перемещения и 2 - фазу от изменения угла наклона, которые в случае перекоса решетки получают некоторые абсолютные приращения со своим знаком. Экспериментально и теоретически установлено, что в пределах долей и единиц градусов углового перекоса решетки коэффициент пропорциональности между 1 и 2 равен 3. В процессе измерения величины перемещения возможны два основных варианта 1. Фазыи 2 имеют одинаковые знаки, и в этом случае действительная фаза д 1 - ( 2/), где 3 2. Фазы 1 и 2 имеют разные знаки, и в этом случае действительная фаза д 1(2/),. Легко увидеть, что погрешности измерения в случае использования предлагаемого изобретения уменьшаются на величину 2/. На фигуре изображена принципиальная схема устройства для измерения перемещений объекта, где 1 - источник света, 2 - светоделитель, 3 - призма, 4 - решетка, 5 - объектив, 6, 7 и 8 - первый, второй и третий фото 2 3616 1 приемники ии- углы падения пучков на решетку, стрелками показано направление перемещения решетки со скоростью- интерференционные полосы. Устройство содержит оптически связанные источник света 1, светоделитель 2 и призму 3, образующие схему освещения решетки 4, которая установлена в пересечении освещающих пучков, падающих на нее под угламиисоответственно. Объектив 5 установлен непосредственно за решеткой, а в плоскости изображения интерференционных полос размещены три фотоприемника 6, 7 и 8, причем первый 6 и второй 7 фотоприемники разнесены друг от друга на расстояние, равное 1/4 шага интерференционной полосы по линии, совпадающей с направлением движения решетки 4 и интерференционной полосы, а второй 7 и третий 8 фотоприемники разнесены также на 1/4 шага интерференционной полосы, но в направлении, перпендикулярном направлению перемещения решетки. Устройство работает следующим образом. Измерительная решетка 4, закрепленная, например, на однокоординатном столе металлообрабатывающего станка (на фигуре не показан), освещается двумя, пересекающимися в пространстве под угломпучками, сформированными осветительной оптической схемой,включающей источник света 1, светоделитель 2 и призму 3. Пучки складываются по амплитуде на решетке 4 с образованием интерференционных полос, метрическая ценакоторых рассчитывается по известной формуле/2(/2), где- длина волны излучения источника света. При перемещении решетки 4 вместе с объектом также перемещаются интерференционные полосы , причем в том же направлении. Посредством объектива 5 они передаются в плоскость фотокатодов фотоприемников 6, 7 и 8 и считываются ими. Величина перемещения определяется по числу зарегистрированных интерференционных полос фотоприемниками 6 и 7. Сдвиг на 1/4 шага интерференционной полосы позволяет снимать два сигналаи, обработка которых обеспечивает реверсивный счет полос и возможную электрическую интерполяцию фототоков. Так как фотоприемники 7 и 8 пространственно размещены на одной и той же интерференционной полосе,то начальная фаза между их фототоками равна нулю. В случае углового перекоса решетки во время движения, вызванного, например, непрямолинейностью направляющих, интерференционные полосы изменяют свой наклон, а между сигналами с фотоприемников 7 и 8 появляется паразитный фазовый сдвиг, пропорциональный угловому перекосу решетки. Паразитный фазовый сдвиг появляется также и между сигналами с фотоприемников 6 и 7. Как отмечалось выше, существует прямопропорциональная связь между паразитными фазовыми сдвигами сигналов фотоприемников 6, 7 и 7, 8. В случае, когда расстояние между фотоприемниками 7 и 8 равно 1/4 шага интерференционной полосы,коэффициент пропорциональности равен 3. Фототоки могут обрабатываться известными средствами, в состав которых входят усилители, АЦП,счетчики, схемные решения которых приведены в использованной для составления заявки на изобретение литературе. Как следует из приведенной формулы, метрическую цену интерференционной полосы можно плавно регулировать за счет изменения углов паденияи . Этим достигается оптическая интерполяция сигналов. В лабораторных условиях в качестве источника света применялся лазер ЛГН-302, светоделитель, выполненный с коэффициентом пропускания 0,5 в виде кубика, призма типа АР-90 с размерами катета 10 мм и высотой 8 мм. Интерференционные полосы считывались фотоприемниками ФД-256. Решетка изготавливалась из капилляров, имеющих внешний диаметр 500 мкм и внутренний - 300 мкм, из кварцевого стекла, которые укладывались на металлический каркас путем последовательного набора капилляров и их приклеивания. Торцы капилляров имели свободный доступ для заполнения их жидкостью. В общем случае возможна запайка или заклеивание торцов с целью обеспечения длительного хранения жидкости в канале капилляра. Макетирование показало соответствие теоретических и экспериментальных данных. Малые отклонения(единицы и десятые доли градусов) полностью компенсировались благодаря использованию дополнительной информации, снимаемой с третьего фотоприемника. Таким образом, предложенное устройство благодаря введению нового элемента и соответствующих связей,обеспечивает повышение точности измерения перемещений за счет полной компенсации ошибок, возникающих от динамических угловых перекосов решетки в процессе перемещения. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.