Способ определения перемещений и устройство для его реализации

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ(71) Заявитель Белорусская государственная политехническая академия(73) Патентообладатель Белорусская государственная политехническая академия(57) 1. Способ определения перемещений, заключающийся в том, что связывают один из отражателей интерферометра с объектом, перемещение которого необходимо измерить, направляют монохроматическое излучение лазера на этот отражатель, отличающийся тем, что отражатель размещают на приводе, регистрируют сигнал модуляции интенсивности лазерного излучения, отражатель поддерживают в положении, при котором этот сигнал минимален, измеряют электрическое напряжение на приводе, а при перемещении отражателя его возвращают в первоначальное положение путем выработки компенсирующего сигнала на приводе, определяют направление перемещения по знаку изменения компенсирующего сигнала, а величину перемещенияопределяют по формуле где- компенсирующий сигнал на приводе- компенсирующий сигнал, соответствующий перемещению на /2- длина волны излучения лазера. 2. Устройство определения перемещений, содержащее оптически связанные лазер, фотоприемник и отражатель, связываемый с объектом, перемещение которого необходимо измерить, отличающееся тем, что включает систему экстремальной стабилизации длины интерферометра, систему обработки информации и привод, на котором закреплен отражатель, причем фотоприемник расположен на оптической оси лазера и отражателя, первый вход системы экстремальной стабилизации соединен с фотоприемником, первый выход системы экстремальной стабилизации соединен с приводом отражателя, второй вход и второй выход системы экстремальной стабилизации соединены соответственно с выходом и входом системы обработки информации. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что отражатель выполнен в виде сферического зеркала. 4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что отражатель выполнен в виде уголкового отражателя. Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для прецизионных измерений перемещений различных объектов. Известен способ, при котором излучение одночастотного лазера поступает в интерферометр Майкельсона, одно из зеркал которого связано с измеряемым объектом Застрогин Ю.Ф. и др. Лазерные приборы вибрационного контроля и точного позиционирования.-М. Машиностроение, 1995. - С.229. Для определения направления движения зеркала применяют два фотоприемника. Суммарное перемещение зеркала определяют отсчетом целого числа интерференционных полос (/2) и дробной части, определяемой по соотношению фаз сигналов, пришедших на фотопримники. Однако сложность устройства, реализующего этот способ, приводит к высокой стоимости устройства и большим его габаритным размерам. Наиболее близким к предлагаемому является способ определения перемещений А.с. СССР 1666918,МПК 01 В 9/00, 1991, при котором излучение одночастотного лазера поступает в многолучевой интерферометр Физо, одно из зеркал которого связывают с измеряемым объектом. При каждом изменении расстояния между зеркалами на /2 через фотоприемники проходит одна интерференционная полоса. Более точное изменение расстояния определяют посредством измерения дробной части порядка интерференции в некоторой отсчетной точкепо формуле /2, где- целая,- дробная часть порядка интерференции,которую измеряют при помощи фотоприемной линейки. Устройство, реализующее данный способ, содержит лазер, коллиматор, интерферометр Физо, фотоэлектронный блок счета интерференционных полос, два фотоприемника, фотоприемную линейку. Основным недостатком данного способа и устройства, его реализующего, является использование интерферометра Физо, образованного двумя плоскими зеркалами, расположенными под небольшим углом, хотя это и является основой изобретения. Наличие плоских зеркал приводит к высокой чувствительности к вибрациям как измеряемого объекта, так и любого из элементов схемы. Кроме того, сами авторы в описании изобретения указывают на сложность сохранения юстировки при перемещении измеряемого объекта. Расстояние между интерференционными полосами для интерферометра Физо определяется по формуле/(2), где- показатель преломления среды,- угол клина интерферометра Прикладная оптика Учеб. пособие для приборостроительных специальностей вузов / Л.Г. Бебчук, Ю.В. Богачев, Н.П. Заказнов и др. / Под общ. ред. Н.П. Заказнова. - М. Машиностроение, 1988. - С. 67, что при 0,63 мкм и угле клина 0,1 угловой минуты соответствует 10,5 мм. Изменение угла клина на 1 угловую секунду приводит к изменению расстояния между интерференционными полосами на величину 1,75 мм, что соответствует ошибке измерения в 17 . Кроме того,определяют перед каждым вычислением дробной части, а не между интерференционными полосами, где определяется дробная часть, что неизбежно ведет к ошибке, ибо расстояния между интерференционными полосами разное в силу указанных выше причин. Указанные недостатки не позволяют реализовать в реальных условиях работы заявленную точность измерений. Более того, при наличии вибрационных возмущений даже небольшой амплитуды данные способ и устройство являются неработоспособными. Заявляемое изобретение направлено на повышение точности измерения перемещений и упрощение способа определения направления перемещения. Для решения этих задач в способе определения перемещений, заключающемся в том, что связывают один из отражателей интерферометра с объектом, перемещение которого необходимо измерить, и направляют монохроматическое излучение лазера на этот отражатель, отражатель размещают на приводе, регистрируют сигнал модуляции интенсивности лазерного излучения, отражатель поддерживают в положении, при котором этот сигнал минимален, измеряют электрическое напряжение на приводе, а при перемещении отражателя его возвращают в первоначальное положение путем выработки компенсирующего сигнала на приводе, определяют направление перемещения по знаку изменения компенсирующего сигнала, а величину перемещенияопределяют по формуле где- компенсирующий сигнал на приводе- компенсирующий сигнал, соответствующий перемещению на /2- длина волны излучения лазера. 2 В устройство определения перемещений, содержащее оптически связанные лазер, фотоприемник и отражатель, связываемый с объектом, перемещение которого необходимо измерить, включены система экстремальной стабилизации длины интерферометра, система обработки информации и привод, на котором закреплен отражатель, причем фотоприемник расположен на оптической оси лазера и отражателя, первый вход системы экстремальной стабилизации соединен с фотоприемником, первый выход системы экстремальной стабилизации соединен с приводом отражателя, второй вход и второй выход системы экстремальной стабилизации соединены соответственно с выходом и входом системы обработки информации. Из уравнения (1) следует, что точность измерения перемещения зависит от точности измерения напряжения на приводе отражателя. Ошибка определения перемещения, обусловленная неточностью определения величины напряжения на приводе отражателя, равна Для цифровых приборов, используемых при измерении постоянных напряжений, погрешность измерений, согласно Основы метрологии и электрические измерения Учебник для вузов / Б.Я. Авдеев, Е.М. Антонюк, Е.М. Душин и др. / Под ред. Е.М. Душина. - 6-е изд., перераб. и доп. - Л. Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987. - С. 393, равна 2,5-10-5. Заявляемое изобретение обеспечивает получение нескольких технических результатов. Приведенные выше расчеты свидетельствуют о повышении точности измерения перемещений. Замена интерферометра Физо одним отражателем упрощает оптическую схему, уменьшает габаритные размеры, позволяет реализовывать различные способы исключения влияния вибраций на результат измерений, а при использовании уголкового отражателя исключаются ошибки, связанные с неровностью направляющих, по которым перемещается объект. Использование одного фотоприемника, расположенного на оптической оси, вместо двух пространственно разнесенных фотоприемников и фотоприемной линейки также уменьшает габаритные размеры. Сущность изобретения поясняется принципиальной схемой устройства, реализующего способ измерения перемещений по данному изобретению. Устройство, реализующее способ, содержит лазер 1, отражатель 2, закрепленный на приводе 3 и связанный с объектом, перемещение которого необходимо измерить, фотоприемник 4, расположенный на оптической оси лазера 1 и отражателя 2, систему экстремальной стабилизации (СЭС) 5, систему обработки информации (СОИ) 6. Зеркала лазера 1 и отражатель 2 образуют линейный трехзеркальный резонатор. Изменение длины оптического пути за счет перемещения отражателя приводит к модуляции интенсивности лазерного излучения, причем полный цикл модуляции происходит при смещении отражателя на /2 Крылов К.И.,Прокопенко В.Т., Митрофанов А.С. Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. - Л. Машиностроение, 1978. - С. 234. Первый вход СЭС 5 соединен с фотоприемником 4, первый выход СЭС 5 соединен с приводом 3, второй вход и второй выход СЭС 5 соединены соответственно с выходом и входом СОИ 6. Реализация способа и работа устройства осуществляются следующим образом. С помощью СЭС 5 отражатель 2 удерживается в положении, соответствующем сигналу минимальной интенсивности на фотоприемнике 4. В качестве СЭС может быть использована любая, известная в настоящее время, система экстремальной стабилизации. Отражателем может служить сферическое зеркало или уголковый отражатель. При перемещении отражателя 2 СЭС 5 компенсирует это перемещение путем изменения напряжения на приводе 3. В качестве привода обычно используется пьезокерамика. Однако диапазон перемещений пьезокерамики ограничен, поэтому необходимо использовать следующий алгоритм измерений. Когда напряжение на приводе отражателя изменяется на , соответствующее перемещению отражателя на /2, СОИ 6 вырабатывает сигнал для СЭС 5 для ступенчатого изменения напряжения на приводе отражателя на величину , отражатель перемещается на /2, СЭС 5 автоматически привязывается к соседнему минимуму интенсивности излучения лазера и одновременно в СОИ 6 вырабатывается декрементный или инкрементный импульс в зависимости от знака изменения напряжения. Число импульсов соответствует перемещению измеряемого объекта на такое же число /2, а дробная часть перемещения определяется по формуле (1), где напряжениена приводе 3 принимает значения в интервале 0. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 3