close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY3616

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(19)
BY (11) 3616
(13)
C1
(51)
(12)
6
G 01B 11/00
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ
КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
(54)
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ОБЪЕКТА
(21) Номер заявки: 970681
(22) 1997.12.09
(46) 2000.12.30
(71) Заявитель: Институт электроники Национальной
академии наук Беларуси (BY)
(72) Автор: Ильин В.Н. (BY)
(73) Патентообладатель: Институт
электроники
Национальной академии наук Беларуси (BY)
(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. SU 1675663 Al, МПК G01B 11/00, 1991 (прототип).
BY 3616 C1
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 ϕ1 - фазу от изменения величины перемещения и ϕ2 - 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 ϕ1 и ϕ2 равен 3.
В процессе измерения величины перемещения возможны два основных варианта:
1. Фазы ϕ и ϕ2 имеют одинаковые знаки, и в этом случае действительная фаза
ϕд = ± ϕ1 - (± ϕ2/K), где K = 3;
2. Фазы ϕ1 и ϕ2 имеют разные знаки, и в этом случае действительная фаза
ϕд = ± ϕ1 + (ϕ2/K),.
Легко увидеть, что погрешности измерения в случае использования предлагаемого изобретения уменьшаются на величину ϕ2/K.
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 фото2
BY 3616 C1
приемники; и α и β - углы падения пучков на решетку, стрелками показано направление перемещения решетки
со скоростью V; Ik - 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 углами α и β соответственно. 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 углом (α+β) пучками, 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 цена ε которых рассчитывается по известной формуле
ε=λ/2sin(α/2), где λ - длина волны излучения источника света.
При перемещении решетки 4 вместе с объектом также перемещаются интерференционные полосы Ik, 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 сигнала sin и
cos, 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 падения α и β. 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.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
119 Кб
Теги
by3616, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа