Оптико-электронный широкодиапазонный измеритель линейных смещений

Классификация по МПК: G01B

Патентная информация
Патент на изобретение №: 
2069309
Дата публикации: 
Среда, Ноябрь 20, 1996


Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, в частности к обесконтактным измерениям больших линейных смещений с субмикронной точностью, например, измерений перемещений рабочих органов в машиностроении и имеет точную и грубую шкалы измерений. По своим характеристикам прибор эквивалентен интерферометру Майкельсона. Результат при использовании изобретения - достижение этих характеристик при пониженной чувствительности к внешним воздействиям и существенно меньшей сложности конструкции. Измеритель состоит из измерительной головки и линейки с эталонными штрихами. В головке имеются два оптических канала для наводки на центр штриха и измерения отклонений в пределах ±l/4, где l - расстояние между штрихами, причем центры сканирования обоих каналов разнесены на нечетное число l/2 и каналы работают поочередно, перекрывая длину l (тонкая шкала). Аналоговое выходное напряжение измеряется с помощью цифрового вольтметра и в нем наблюдаются скачки напряжения в момент перехода от счета отклонения от одной щели к другой. В эти моменты осуществляется измерение счета показаний по грубой шкале, т.е. числа пройденных штрихов. 2 ил.

,


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

Изобретение относится к оптико-электронной прецизионной измерительной технике и эквивалентно по своим техническим характеристикам интерферометру Майкельсона.

Известны устройства для высокоточной наводки на штрих эталонной шкалы (≈±0,05 мкм) фотоэлектрические микроскопы, в которых оптическое изображение освещенной щели сканирует по штриху. Сигнал с фотоприемника, воспринимающего отражение от шкалы луча, позволяет настроиться на нуль показаний, что соответствует наводке на центр штриха.

В определенной части близким к предлагаемому решению является фотоэлектрический микроскоп по пат. США N 3601613, кл. 250-205, 24.08.71, содержащий в оптическом тракте источник света, щелевую диаграмму, конденсатор, колеблющееся зеркало (сканатор), объектив, шкалу с неотражающими (темными) штрихами, основной и вспомогательный фотоприемник и электронный блок преобразования информации в виде импульсных сигналов в выходной сигнал.

Недостатком указанного устройства и подобных ему является работа только в режиме нуль-индикации. Измерение даже малых отклонений от центра штриха происходит с низкой точностью из-за искажений формы и амплитуды импульсов, а также непостоянства амплитуды сканирования.

Целью изобретения является получение высокой точности измерений при отклонениях от штриха в пределах нескольких миллиметров, а также перехода поочередно ко многим штрихам эталонной линейки (шкалы), связанной с объектом измерений, что эквивалентно измерениям длины в несколько десятков сантиметров с погрешностью в доли мкм, т.е. характеристикам интерферометра Майкельсона.

Поставленная цель достигается тем, что измеритель включает в себя две взаимно связанные системы грубого отсчета по штрихам шкалы и точного отсчета вблизи одного из штрихов шкалы. В корпусе измерителя содержатся: сканатор в виде вращающегося многогранного зеркала, два коллиматора и один автоколлиматор. В последнем установлены диафрагма с двумя щелями, за которыми расположены светодиод и фотодиод, а впереди находится объектив. Каждый из коллиматоров имеет тубус со светодиодом, щелевой диафрагмой и конденсором и сопряженный с ним объектив, оптическая ось которого составляет угол 90o с оптической осью конденсора. Оптические оси обоих объективов перпендикулярны к плоскости измерительной линейки с прозрачными пронумерованными штрихами. Расстояние между их оптическими осями равно нечетному числу половин промежутков l между штрихами шкалы. Угол между осью автоколлиматора и биссектрисой угла между оптическими осями конденсора и объектива одного из коллиматоров равен нечетному числу половин угла одной из граней сканатора, причем корпус автоколлиматора и один из тубусов коллиматоров допускают юстировку их угловых положений. Под линейкой со штрихами против объективов коллиматоров установлены два фотодиода, размеры входных окон d которых составляют

.

Электронная схема преобразования сигналов и индикации показаний по точной и грубой шкале содержит два канала усиления и формирования импульсов с фотодиодов коллиматоров, выходы которых соединены с одним из входов RS триггеров соответственно. Вторые входы этих триггеров подключены к выходу усилителя и формирователя импульсов с фотодиода автоколлиматора. Выходы триггеров соединены последовательно с фильтрами нижних частот, схемами выделения модуля напряжения и двумя входами компаратора, Выход последнего, через встречно расположенные диоды, соединен с обмотками двух реле с нормально разомкнутыми контактами, соединенными с одной стороны с выходами фильтра нижних частот, а с другой с входом цифрового вольтметра, выдающего показания об отклонениях от центра штриха линейки. Номер штриха определяется визуально и с помощью электронной схемы. Для этой цели к выходу цифрового вольтметра подключен через дифференцирующее звено вход реверсивного счетчика импульсов для индикации по грубой шкале. Счетчик имеет ручной установочный вход.

На фиг. 1 изображен эскиз оптического тракта устройства. На фиг. 2 приведена электронная схема преобразования сигналов и индикации по грубой и точной шкале.

Широкодиапазонный измеритель смещений содержит в корпусе 1 оптической головки сканатор 2 в виде вращающегося многогранного зеркала (фиг. 1) (привод вращения на эскизе не показан), автоколлиматор 3, тубусы коллиматоров 4 и 5 и их объективы 6 и 7. Корпус 1 связан с неподвижной базой механизма, на котором установлен измеритель, а измерительная линейка 8 с рабочим органом механизма. Против измерительной линейки 8 установлено окошко 9 для наблюдения за ее прозрачными штрихами 10, имеющими нумерацию, что необходимо для визуального отсчета по грубой шкале положения линейки 8. Каждый из тубусов 4 и 5 содержит светодиод 11 и 12, щелевую диафрагму 13 и 14, конденсоры 15 и 16. Оптические оси объективов 6 и 7 перпендикулярны к оптическим осям конденсоров 15 и 16, соответственно и они также перпендикулярны к плоскости линейки 8. Последняя находится на расстоянии, равном фокусам объективов 6 и 7, т. е. изображения освещенных щелей в диафрагмах 13 и 14 фокусируются на линейке и при вращении зеркала 2 сканируют по щелям линейки. Под линейкой против объективов 6 и 7 размещены фотодиоды 17 и 18, окна которых имеют размеры

, где d расстояние между щелями, во избежание возможности возникновения двух импульсов в одном фотодиоде за один период сканирования. Расстояние между оптическими осями объективов равно нечетному числу l/2, т. е. (2n-1)l/2 для того, чтобы коллиматоры функционировали поочередно, с небольшим перекрытием. Для этой цели один из объективов (6) находится в момент, указанный на рисунке, против центра щели, а другой (7) против середины длины l.

В фотодиодах 17 и 18 поочередно, с некоторым перекрытием, появляются измерительные импульсы. Для получения выходного сигнала необходимо еще иметь и базовые импульсы, определяющие момент начала (и конца) периода сканирования. Для их получения служит автоколлиматор 3, в состав которого входят светодиод 19 и фотодиод 20, помещенные вблизи диафрагмы с двумя щелями 21, и объектив 22. Опорный импульсный сигнал получают в результате такого расположения автоколлиматора относительно тубуса одного из коллиматоров, когда он "смотрит" на ребро граней на зеркале, в то время как тубус коллиматора установлен против центра грани (см. фиг. 1). Это значит, что угол между оптическими осями автоколлиматора 3 и биссектрисой угла между оптическими осями конденсора 16 и объектива 6 должен составлять

где α угол одной грани зеркала.

Электронная схема состоит из двух связанных между собой частей (фиг. 2). Одна из них состоит из блоков усиления и формирования импульсов (усилителей и компараторов) 23, 24, 25, триггеров 26 и 27 и фильтров нижних частот 28 и 29 и служит для выделения аналоговых сигналов, содержащих информацию о положении штрихов линейки относительно каждого из двух оптических каналов устройства. Вторая часть электронной схемы служит для индикации положений линейки по точной и грубой шкале. Эта часть схемы содержит блоки 30 и 31 выделения модулей напряжений с выходов фильтров 28 и 29, компаратор 30, с помощью которого и диодов 33 и 34 запускаются поочередно реле 35 и 36, подключающие с помощью своих контактов цифровой вольтметр 37 поочередно к выходам фильтров 28 и 29. К контактам реле 35 и 36 присоединен также дифференциатор 38, который в момент переключения вольтметра 37 выдает импульсные сигналы, счет которых производится реверсивным счетчиком 39. Индикация количества этих импульсов соответствуют номеру щели или центру расстояния между соседними щелями, против которого находится в данный момент головка датчика. Счетчик 39 управляется с помощью узла начальной выставки показаний 40.

Функционирование устройства происходит следующим образом. При вращении сканатора 2 в фотодиодах 17 и 18 поочередно, в зависимости от расположения линейки, возникают измерительные импульсы (на фиг. 1 показан случай, когда эти импульсы возникают в фотодиоде 17 коллиматора, а в фотодиоде автоколлиматора 20 появляются опорные импульсы в моменты совпадения оптической оси его объектива 22 с нормалью к грани зеркала. Импульсы, сформированы в блоке 23 (или 24), в котором содержится усилитель и компаратор (см. фиг. 2), вместе с опорными импульсами с блока 25 запускают с разных входов RS-триггер 25 (или 26), на выходе которого появляется сигнал, близкий к меандру (см. график, фиг. 2), с амплитудой Uo. Фильтр нижних частот 28 (или 29) выделяет из него постоянную составляющую "U"


где Хo амплитуда сканирования.

При Х= 0, т.е. прохождении оптической оси объектива 6 через центр щели, U=0.

Если к выходу фильтра 28 был бы присоединен цифровой вольтметр, то с его помощью можно из формулы (1) найти х, т.е. отклонение от какой-нибудь одной щели. Но тогда второй такой вольтметр от фильтра 27 показывал бы значение Uo и при смещениях линейки в некотором интервале исходила бы одновременно информация от обоих вольтметров. Но нам нужен плавный переход показаний на одном вольтметре от одной щели линейки к другой по мере перемещения линейки. Для этой цели фильтры 28 и 29 соединены с блоками 30 и 31 выделения модуля напряжений "lUl" (см. схемы подобных блоков в Е.М.Коломбет. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. М. "Радио и связь", 1991, с. 98). Эти напряжения в момент их равенства опрокидывают компаратор 32, и, в зависимости от знака его выходного напряжения, происходит через диоды 33 и 34 замыкание при этом одного из контактов реле 35 или 36. На рисунке показано, что соединения на фиг. 2 выполнены таким образом, что в момент, приведенный на фиг. 1, цифровой вольтметр 37 через контакты реле 36 присоединился к фильтру 28, т.е. он всегда показывает напряжение

. Переключение наступает в момент

; при этом смещения от центров смежных щелей одинаковы для обоих коллиматоров, т.е.

. Точного выполнения этого условия добиваются путем юстировки угловых положений одного из тубусов коллиматора и корпуса автоколлиматора в период наладки устройства. Из вышесказанного следует, что в эти моменты напряжение, показанное вольтметром равно u*1 = -u*2, т.е. скачком изменится на противоположное, что показано условию на фиг. 2 в виде графика U=U(x). Второй вывод состоит в том, что показания вольтметра будут дважды переключаться при перемещении линейки на расстояние l, т. е. дискретность показаний по грубой шкале равна l/2. Это значит, что на линейке цифры должны быть проставлены против щелей и против центров расстояний между щелями. Эти цифры можно визуально наблюдать с помощью окошка 9, показанного на фиг. 1.

В электронной схеме предусмотрено также наличие блока электронной индикации прохождения щелей линейки под оптической головкой. Как видно из графика на фиг. 2, в момент переключения вольтметра 37 в нем происходит скачок напряжения при

. С помощью дифференцирующего звена 38, соединенного с входом вольтметра 37, Образуются в эти моменты импульсы напряжения, которые в зависимости от их полярности суммируются или вычитаются из показаний счетчика импульсов 39. Знак напряжения этих импульсов зависит от направления движений линейки; если она движется влево по фиг. 1 (или в положительном направлении оси x по графику на фиг. 2), то импульсы из схемы 38 имеют отрицательный знак; при движении линейки вправо знак импульсов меняется на противоположный. Предусмотрена также начальная выставка показаний счетчика 39, с помощью узла 40 в зависимости от визуальных показаний в окошке к моменту включения устройства в работу. Этот узел содержит источник импульсов разных знаков, управляемый в ручную, с помощью двух кнопок.

В заключение отметим, что наличие двух каналов точных измерений является необходимым условием функционирования устройства, ибо размер оптического окна измерительного фотодиода не может превышать l. В противном случае, при соответствующей амплитуде сканирования, большей чем l, в фотодиоде неизбежно возникнут за один период сканирования два измерительных импульса и сбой системы измерений.

Обосновать потенциальную точность измерений можно следующим образом. У нас имеется а.с. N 1073572 на оптико-электронный датчик угла время-импульсного типа со сканатором в виде вращающегося оптического клина, внедренный на нескольких предприятиях. Этот датчик имеет погрешность δα = 0,1ʺ÷0,5ʺ при фокусном расстоянии F 40 мм. Пересчет на линейную меру дает: δx = 2Fδα = 0,04 мкм÷0,2 мкм. Таким образом, можно рассчитывать на погрешность измерений вблизи одной щели, меньшую чем 0,2 мкм, что при наличии грубой шкалы эквивалентно погрешности измерений интерферометра Майкельсона.

Преимущество нашего устройства заключается в том, что цена деления грубой шкалы составляет несколько миллиметров, против ≈1 мкм у интерферометра, что делает его нечувствительным к вибрациям ≈±1 мкм, при которых интерферометр теряет способность к измерениям, например, в производственных условиях. Эксперименты на созданном макете измерителя подтвердили расчетные значения точности измерений и нечувствительность к вибрациям в несколько мкм, а также функционирование устройства в пределах всей длины измерительной линейки.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Оптико-электронный широкодиапазонный измеритель линейных смещений, содержащий в оптическом тракте сканатор, автоколлиматор, коллиматоры, фотоприемники, измерительную линейку со штрихами, электронные блоки преобразования сигналов с фотоприемников, отличающийся тем, что в его корпусе, связанном с неподвижной базой, установлен сканатор, выполненный в виде вращающегося многогранного зеркала, против граней которого установлены автоколлиматор, содержащий источник света, фотодиод, диафрагму с двумя щелями и объектив, и два коллиматора, каждый из которых содержит тубус с источником света, шелевой диафрагмой и конденсором, а также объектив, оптическая ось которого составляет угол 90o с оптической осью конденсора, оптические оси обоих объективов перпендикулярны к плоскости линейки с прозрачными и пронумерованными штрихами, связанной с объектом измерений и оборудованной окошком визуального наблюдения за номером штриха и установленной на фокусном расстоянии объективов коллиматоров, причем расстояние между их оптическими осями равно нечетному числу половин расстояния l между соседними штрихами линейки, а угол между биссектрисой угла и оптическими осями одного из конденсоров и его объектива и оптической осью автоколлиматора равен нечетному числу половин угла одной из граней сканатора, причем корпус автоколлиматора и один тубус коллиматора установлены с возможностью юстировки их угловых положений, под линейкой против объективов коллиматоров помещены два фотодиода, размеры входных окон d которых составляют l/2<d<l, электронная схема преобразования сигналов с фотодиодов и индикации выходных сигналов по точной и грубой шкалам содержит два канала усиления и формирования импульсов от фотодиодов коллиматора, выходы которых соединены с входами RS триггеров, вторые входы этих триггеров подключены к выходу усилителя и формирователя импульсов с фотодиода автоколлиматора, выходы триггеров соединены последовательно с фильтрами нижних частот, схемами выделения модулей напряжений, с двумя входами компаратора, выход которого подключен через два встречно расположенные диода к обмоткам двух реле соответственно, нормально разомкнутые контакты которых присоединены с одной стороны к выходам фильтров нижних частот, а с другой к входу цифрового вольтметра, к этому входу подключен также дифференциатор, выход которого соединен с входом реверсивного счетчика импульсов, к второму входу которого подключен узел установки начальных показаний счетчика, содержащий источник разнополярных импульсов и кнопки ручного управления.