Содержание

Введение Основная часть Индуктивные меры и измерительные устройства на их основе Оптические меры Амплитудные растровые решетки Измерительные дифракционные решетки (фазовые растры) Штриховые меры Волновые меры Ультразвуковые шкалы Фотоэлектрические растровые измерительные устройства Фотоэлектрические измерительные устройства со штриховыми мерами Лазерные измерители линейных перемещений Фотоэлектрические измерительные устройства с ультразвуковыми шкалами Заключение Список литературы

3 4 9 10 13 13 14 14 15 19 22 29 32 33

Электрические измерительные устройства для измерения боль­ших линейных и угловых перемещений обычно строятся по прин­ципу сравнения измеряемой величины с многозначной мерой, ко­торая представляет собой совокупность однородных элементов, образующих периодическую структуру. Линейное или угловое рас­стояние между элементами меры называют ее шагом. По своей физической природе многозначные меры могут быть емкостными, индуктивными, оптическими и именуются емкостными или индук­тивными рейками и винтами, растровыми решетками, штриховы­ми линейками и т. д. Меру связывают с органом машины, перемещение которого подлежит измерению. Наряду с такой многозначной мерой (называемой обычно измерительной) в состав си­стемы входит индикаторный элемент, воспринимающий информа­цию о перемещении подвижного органа на шаг измерительной ме­ры, и электронный логический блок, преобразующий эту информа­цию в удобный для визуального восприятия и дальнейшего ис­пользования вид. Таким образом, перемещение, зафиксированное измерительной системой,

где т — количество шагов меры, отсчитанных индикаторным эле­ментом при перемещении подвижного органа; g — шаг меры.

Подобные измерительные устройства получили названия уст­ройств прямого преобразования, или накапливающих. Очевидно, что их разрешающая способность, т. е. минимальное перемеще­ние, которое может быть измерено и зафиксировано, равно шагу меры. Если он достаточно велик, то разрешающая способность измерительного устройства оказывается невысокой.

Поэтому часто используют устройства, в которых отсчитывает­ся не только целое число шагов, но и дробная доля шага. Подоб­ные измерительные устройства получили название интерполяци­онных. Они описываются уравнением

где — доля шага меры.

Интерполяционные системы содержат две ступени: грубую, ко­торая отсчитывает целое число шагов, и точную, определяющую положение индикаторного элемента внутри шага. Заметим, что точная и грубая ступени могут быть построены с использованием мер различной физической природы.

Индуктивные меры и измерительные устройства на их основе

В практике измерения больших перемещений значительное распространение получили несколько типов индуктивных преобра­зователей.

Схема индуктивного преобразователя с проходным зубчатым якорем показана на рис.1. Преобразователь состоит из зубча­того якоря (рейки) 1, выполненного из ферромагнитного материа­ла и играющего роль индуктивной меры, и сердечника 2 с обмот­кой 3 (индикаторного элемента). Если зубья рейки находятся против зубьев сердечника, магнитный по­ток, создаваемый катушкой, замы­кается через воздушный зазор ме­жду вершинами зубьев. Поскольку этот зазор мал, то индуктивность катушки максимальная. Если же зубья рейки располагаются против впадин сердечника, то вследствие резкого увеличения воздушного за­зора, индуктивность катушки ста­новится минимальной.

Рис.1

Таким обра­зом, при взаимном перемещении рейки и сердечника, индуктив­ность катушки будет периодически изменяться от максимального до минимального значения. Период изменения индуктивности ра­вен шагу меры Т. Преобразуя изменение индуктивности в элект­рический сигнал и подсчитывая количество его экстремальных значений, можно определить перемещение.

Чаще по этой схеме строят дифференциальные преобразовате­ли, в которых используется два индикаторных элемента (сердеч­ника), сдвинутых на половину шага меры относительно друг дру­га. При симметричном расположении сердечников относительно меры значения индуктивности катушек сердечника равны. Смещение сердечников из нейтрального положения ведет к увеличению индуктивности одной катушки и уменьшению индуктивности дру­гой. Во время движения индикаторных элементов нулевое значе­ние разности индуктивности повторяется с периодом, равным по­ловине шага меры. Подсчитывая количество переходов через нуль соответствующего сигнала электрической схемы, в которую вклю­чены катушки, можно определить перемещение подвижного орга­на.

Проходные преобразователи с зубчатым якорем позволяют из­мерить перемещение с невысокой разрешающей способностью — она равна шагу меры или его половине (для простых и дифферен­циальных преобразователей соответственно). Недостатком та­ких преобразователей является наличие механических усилий между якорем и сердечником. Если же якорь выполнить в форме винта, а сердечники — в виде гаек, то усилие на якорь бу­дет равно нулю, а точность измерения повысится. При вращении винта-якоря его зубцы смещаются относительно зубцов, сердеч­ников — повороту якоря на один оборот соответствует смещение зубцов на один шаг Т.

Если на один из концов якоря надеть лимб с делениями или преобразователь углового смещения, то можно контролировать, на сколько повернулся якорь (а это соответствует линейному пе­ремещению в пределах одного шага Т), т. е. можно осуществить внутришаговое деление. Если, например, требуется отсчитать пе­ремещение, равное 14, 125Т, то количество целых шагов 14Т от­считывают по числу нулевых показаний прибора, включенного на выходе измерительной схемы, а внутришаговый размер 0,125Т набирают поворотом якоря на 45°. Точность измерения внутришаговых перемещений определяется в основном внутришаговой погрешностью резьбы винтового якоря и сердечников.

Описанные выше индуктивные преобразователи позволяют из­мерять перемещения с точностью до 5-40 мкм. Более высокую разрешающую способность имеют преобразователи, основанные на фазовом принципе.

Рис.2

Схема одного из таких преобразователей при­ведена на рис.2. Он состоит из якоря 5, жестко связанного с контролируемым объектом, и четырех неподвижных сердечников 1-4. Сердечники 2 и 4 сдвинуты относительно сердечников 1 и 3

на целое число половин шага Т резьбы преобразователя: . Сдвиг пары сердечников 3-4 относительно сердечников 1-2 равен . На каждой паре сердечников располагаются обмотки возбуждения z₁ и z₂ , которые включают в сеть переменного тока. Дополнительно на каждом сердечнике размещаются вторич­ные обмотки z₁’; z₁”; z₂’; z₂” соответственно.

Катушка возбуждения создает в сердечнике преобразователя магнитный поток Ф₁(Ф₂), разветвляющийся в выступах на состав­ляющие Ф₁’;Ф₁”(Ф₂’;Ф₂”). При перемещении якоря относительно сердечников на 8 изменятся воздушный зазор и соответственно магнитные потоки Ф₁’;Ф₁”;Ф₂’;Ф₂”.

, , , ,

1.1 1.2 1.3 1.4

где Ф_m — амплитудное значение потоков Ф₁ (Ф₂) ; — половина амплитуды отклонения магнитного потока в одном выступе за один шагТ; —круговая частота напряжения сети.

Потоки Ф₁’ и Ф₁”(Ф₂’ и Ф₂”) наводят во вторичных катушках напряжения U₁’ и U₁”(U₂’ и U₂”). Если катушки соединить встречно и последовательно, то разностное напряжение, измеренное на за­жимах ab(cd), будет равно:

, ,

1.5 1.6

где W — число обмоток во вторичной катушке.

Продифференцировав выражения (1.1) и (1.2) и подставив значение производных в формулы (1.5) и (1.6), получим

, ,

Итак, на выходе преобразователя получим два значения на­пряжения с частотой сети и с амплитудой, периодически изменя­ющейся в функции перемещения о Напряжения эти сдвинуты одно относительно другого на 1/4 шага резьбы преобразователя (рис. 3, а). При этом характеристика преобразователя может быть разбита в пределах каждого шага на четыре равных (отно­сительно) линейных участка. Если из измеренного значения пере­мещения вычесть целое число четвертей шага, то остаток можно будет измерить на одном из линейных участков.

Рис.3

Наибольший интерес данный преобразователь представляет в качестве одной из реализаций фазового принципа. Если напряже­ние U_cd сдвинуть по фазе на , а затем просуммировать с напряжениемU_аЬ , то

,

где .

Таким образом, фаза выходного напряжения линейно зависит от контролируемого перемещения, изменяясь в пределах шага пре­образователя от 0 до 2(рис. 3, б).

Построенный на этом принципе отечественный индуктивный преобразователь типа РС-2 обеспечивает измерения в диапазоне 125—960 мм с погрешностью не более 1,5 мкм.

Широкое распространение получил другой тип фазового пре­образователя — индуктосин , который используется для измерения как угловых, так и линейных перемещений.

Основными частями линейного индуктосина являются статор (индуктивная мера) и ротор (индикаторный элемент). Они пред­ставляют собой стеклянные линейки, на которые нанесены плос­кие обмотки (рис. 4). На статоре 1 они соединены в непрерыв­ную цепь АВ, имеющую выводы на концах, на роторе 2 они обра­зуют две цепи СD и ЕF, сдвинутые относительно друг друга на половину шага витков обмотки.

Статор крепится обычно к неподвижному органу станка, а ро­тор — к подвижному. Элементы индуктосина устанавливают с не­большим зазором между собой. Цепи СD и ЕF питаются напряжениями, которые сдвинуты по фазе на 90°, выходное напряжение снимается с цепи АВ. Возможен и другой вариант питания ин­дуктосина со стороны статора.

Рис.4

В том случае, когда каждый проводник одной обмотки нахо­дится на равном расстоянии от двух соседних проводников другой обмотки, суммарная наведенная ЭДС в нем равна нулю согласно принципу электрической индукции. При смещении проводника от этого нейтрального положения ЭДС в нем будет отличной от нуля.

Если вместо одного проводника взять обмотку из нескольких проводников, то качественно результат не изменится. Таким обра­зом, смещение одной плоской обмотки относительно другой при­ведет к изменению фазы наведенной ЭДС в выходной обмотке, смещению в один шаг будет соответствовать изменение фазы вы­ходного сигнала от 0 до 360°. Тем самым индуктосин представляет собой синусно-косинусный трансформатор.

Точность индуктосина определяется шагом витков его обмотки t и точностью выполнения витков.

В известных конструкциях индуктосинов точность измерения составляет 1 мкм в диапазоне до 1000 мм.

Описанные принципы построения индуктивных преобразовате­лей линейных перемещений используются и при создании преоб­разователей угловых перемещений.

Наиболее высокими метрологическими характеристиками сре­ди устройств этого типа обладает поворотный индуктосин. Этот преобразователь содержит два диска из изоляционного материа­ла, расположенные соосно и параллельно (рис. 5). Диски могут поворачиваться относительно друг друга на измеряемый угол. На смежные поверхности дисков печатным способом наносятся об­мотки, представляющие собой ряд радиальных токопроводящих пластин проводников. Обмотки могут быть непрерывными или разбитыми на секции, соединенные соответствующим образом. Наибольшее распространение получил вариант устройства, у ко­торого ротор состоит из одной непрерывной обмотки, а статор — из двух секционированных обмоток. Угловое расстояние между началами (концами) соседних радиальных проводников называ­ют полюсным делением обмотки, а удвоенное значение полюсного, целения — шагом обмотки. Обмотки статора сдвинуты относи­тельно друг друга на половину полюсного деления обмотки рото­ра. Число радиальных проводников ротора должно быть четным, чтобы направление магнитных полей в двух соседних проводни­ках, на которых заканчивается обмотка, было противоположным, и чтобы обмотка была симметричной.

Рис.5

Если индуктосин предназначен для использования в системе, где измеряемая величина представляется в двоичной системе счи­сления, то удобны конструкции прибора, содержащие 128 или 256 пар полюсов; при десятичной системе число пар полюсов дол­жно равняться 100 или 200, а для градусного отсчета — 180 или

360.

При питании обмоток статора переменным током (известны также варианты построения измерительных схем с индуктосинами, в которых питание осуществляется со стороны ротора) обычно частотой 10 кГц в роторе индуктосина индуцируется ЭДС, ампли­туда и фаза которой являются функциями угла поворота ротора относительно статора. При различных способах питания обмоток статора можно получить зависимость фазы напряжения от угла поворота ротора при неизменной амплитуде, или наоборот, изме­нение амплитуды при постоянной фазе выходного напряжения. Наибольшее распространение в системах измерений угловых пе­ремещений получил первый способ питания. Соответствующий ему режим работы индуктосина называется фазовым.

На рис. 6 показано изменение фазы выходного напряжения индуктосина. Видно, что фазовая характеристика индуктосина имеет многозначность и при измерении углов, больших 360°/р (где р — число пар полюсов), возникает необходимость в ступени гру­бого отсчета.

Ступень точного отсчета устройства для измерения угловых перемещений работает следующим образом. Ротор индуктосина укрепляют на валу, угол поворота которого необходимо измерить. Напряжение питания от генератора через фазосдвигающую це­почку и усилители статора подается со сдвигом 90° на статорные обмотки индуктосина, тем самым создается вращающееся элект­ромагнитное поле. При повороте ротора изменение фазы напря­жения на его зажимах через усилитель подается на вход форми­рователя. Он вырабатывает импульсы в момент перехода напря­жения через нуль от минуса к плюсу. Аналогичные импульсы вы­рабатывает формирователь, на который напряжение подается от генератора. Импульс, сформированный напряжением генератора, отпирает непрерывно работающий генератор счетных импульсов, которые поступают в счетчик, а импульс, сформированный напря­жением от усилителя, запирает генератор. Таким образом, в уст­ройстве происходит цепочка преобразований: угловое смещение вала — фазовый сдвиг —.временный интервал — последователь­ность счетных импульсов.

Рис.6

Зафиксированное счетчиком число счетных импульсов в даль­нейшем может быть преобразовано в двоичный или десятичный код и использовано для управления или индикации.

Погрешность измерения угловых перемещений с помощью по­воротных индуктосинов составляет несколько угловых секунд.

Оптические меры

Оптические многозначные меры, применяемые в фотоэлектри­ческих измерительных устройствах, представляют собой измери­тельные и индикаторные растровые решетки (амплитудные), из­мерительные дифракционные решетки, штриховые и волновые (шкалы длин волн) меры, ультразвуковые шкалы!

Измерительный растр представляет собой совокупность эле­ментов, расположенных определенным образом на некоторой, не­сущей поверхности и воздействующих на световой поток как еди­ное целое. Пропускающие растры представляют собой ..систему прозрачных и непрозрачных элементов; в отражающих растрах, элементы зеркально отражают свет. Т.е.и другие изменяют, амплитуду падающей волны излучения « называются амплитудными; растровыми решетками. Растры, действие которых на падающую волну сводится в основном к изменению фазовых соотношений, называются фазовыми растровыми решетками.

Амплитудные растровые решетки

Растр может быть параллельным: полные штрихи нанесены параллельно на поверхность прозрачного материала. Обычно при­меняют растры, у которых ширина штриха составляет половину шага. Растр с прямоугольными элементами получают путем сов­мещения двух параллельных растров со взаимно перпендикуляр­ными штрихами. Для измерения угловых величин применяют ра­диальные растры. Шаг следования штрихов измеряется в угловых единицах. Иногда радиальные растры характеризуются частотой, показывающей, сколько штрихов укладывается в окружности. В центральном радиальном растре непрозрачные элементы расхо­дятся в виде лучей из одного центра, но могут являться касатель­ными к некоторой окружности малого радиуса (рис.7). В коль­цевом растре непрозрачные элементы выполнены в виде концент­рических колец. В некоторых растровых преобразователях нахо­дит применение спиральный растр, непрозрачные штрихи которого нанесены по спирали Архимеда.

Рис.7

В фотоэлектрических измерительных устройствах используют две растровые решетки: измерительную и индикаторную. Индика­торный растр аналогичен измерительному, но размер его значи­тельно меньше, а шаг q равен шагу измерительного растра или несколько отличен от него. Если наложить индикаторный растр на измерительный так, чтобы между ними был зазор и элементы индикаторного растра располагались под некоторым углом к линиям измерительного растра, то темные штрихи одного из них, накладываясь на светлые штрихи другого, уменьшают площадь этих светлых участков растра; в местах же пересечения темных полос они накладываются друг на друга, совмещаясь, и тем са­мым сохраняют площадь светлых полос растра на этом участке без изменения. Возникающие светлые и темные участки образуют широкие полосы, которые называют комбинационными или муа­ровыми. Шаг этих полосG>q (рис. 8). Поэтому при переме­щении индикаторного растра относительно измерительного на шаг G комбинационные полосы переместятся на шаг G. Последний можно определить:

или, если q₁=q₂=q,

.

Рис.8

Заметим также, что при перемещении индикаторного растра вправо комбинационные полосы перемещаются сверху вниз, а при перемещении влево — в обратном направлении.

Для измерения перемещений на растровое поле необходимо положить непрозрачную диафрагму со щелями, шаг которых ра­вен шагу комбинированного растра. При движении муаровой картины относительно этих щелей световой поток на площади ще­лей будет изменяться. При относительном перемещении растров на шаг ^ возникает световой импульс, который несет информацию об измеряемом перемещении. Для определения направления это­го перемещения диафрагмы-щели располагают так, чтобы полу­чить сдвиг пространственных фаз сигнала на выходе растрового сопряжения. Если на одном шаге комбинационного растра распо­ложены четыре щели, сдвинутые на 1/4 G относительно друг друга, то это соответствует сдвигу фазы сигнала на величину, пропорци­ональную .

Световые импульсы от растрового сопряжения преобразуются с помощью фотоприемников в импульсы фототока, которые сум­мируются счетчиком при прямом перемещении комбинационных .полос и вычитаются при их обратном перемещении.

Если , то, поэтому при наложении растровых реше­ток можно получить растр, который называют иониусным (рис. 9, а). Полосы нониусного растра перемещаются в направлении стрелки N при перемещении первого растра относительно второго в том же направлении и в обратном направлении при перемеще­нии второго растра относительно первого. Шаг нониусных полос комбинационного растра

,

где .

Для получения сдвига пространственных фаз применяют ре­шетки со сдвигом растровых элементов (рис. 9, б). При сопря­жении такого растра с другим, не имеющим сдвига штрихов, об­разуется комбинационный растр со сдвигом полос. На рис. 9(в) показан комбинационный растр со сдвигом на G/2.

Рис.9

Для измерения угловых перемещений используют сопряжения радиальных и спиральных растров. В зависимости от взаимного расположения решеток, углового шага и направления штрихов возникает несколько типов комбинационных полос. Сопряжение двух радиальных растров с равными угловыми шагами дает се­точный тип комбинационных полос (рис.10, а). Сопряжение двух радиальных растров, имеющих разные угловые шаги, с сов­мещением их центров дает нониусную комбинационную картину (рис.10,б). Сопряжение радиально-нецентрального растра с радиально-центральным или радиально-нецентральным растром при совмещении центров обоих растров даёт муаровую картину с кольцевыми комбинационными полосами (рис.10,в).

Рис.10

Нониусное сопряжение характеризуется линейной зависимо­стью углового перемещения комбинационных полос от угла пово­рота одного из растров, а в муаровом сопряжении линейное пере­мещение комбинационной полосы прямо пропорционально углу поворота подвижного растра.

Измерительные дифракционные решетки (фазовые растры)

Измерительные дифракционные решетки отличает очень ма­лый шаг, сравнимый с длиной волны света.

Рис.11

На рис.11 изображена в разрезе дифракционная пропуска­ющая решетка. У световой волны, проходящей через выступы ре­шетки, имеет место больший сдвиг фаз по сравнению с волной, прохо­дящей через впадины. Сдвиг фаз оп­ределяется показателем преломления n материала решетки и высотой вы­ступов d. Длина волны света в мате­риале решетки , где — длина волны света в пустоте; следо­вательно, сдвиг фаз световых волн, проходящих через решетку,.

При ….. монохроматический свет проходит через решетку, а при;;… - не проходит. В результате интерференции световых пучков разных порядков за дифракционным сопряжением образуются по­лосы с синусоидальным изменением освещенности.

Дифракционное сопряжение состоит из двух решеток: измери­тельной и индикаторной, которые могут иметь также пилообраз­ный и треугольный профиль.

Достоинство дифракционных решеток заключается в возможно­сти получить большее число штрихов на единицу длины (до 600 и более). Это позволяет строить измерительные устройства с ма­лой ценой деления, равной десятым долям микрометра. Недоста­ток — трудность изготовления решеток большой длины (300 мм и более). Поэтому для создания измерительных устройств с высо­кой разрешающей способностью в настоящее время предпочита­ют применять растровые интерполяторы.

Штриховые меры

Эти меры представляют собой металлическую или стеклянную линейку, на которую с определенным шагом нанесен ряд парал­лельных штрихов. Таким образом, штриховая мера является ча­стным случаем растровой решетки. Однако шаг этой меры значи­тельно превышает шаг растров (он, как правило, равен 1 мм), а толщина штрихов — значительно меньше шага. Штриховые меры, выполненные на стеклянной линейке, работают в проходящем све­те, а выполненные на металлической линейке — в отраженном.

Если стеклянную штриховую меру осветить источником излу­чения, помещенным по одну сторону от нее, а по другую сторону поместить параллельно мере щелевую диафрагму, то при относи­тельном перемещении меры и щели штрих затенит последнюю и ее освещенность уменьшится. Соответственно уменьшится и ток фотоприемника, помещенного за щелью.

При дальнейшем перемещении меры или диафрагмы освещен­ность щели остается постоянной вплоть до тех пор, пока штрих •снова не затенит щель. Таким образом, в отличие от растрового сопряжения штриховая мера в некоторых положениях не дает ин­формации о перемещении. Меру используют в грубых ступенях измерительных систем, для измерения перемещений путем под­счета числа штрихов, прошедших под щелевой диафрагмой. По­следняя — в том или ином виде — входит в состав фотоэлектри­ческого микроскопа, выполняя роль индикаторного элемента.

Штриховые меры получили особо широкое распространение в измерительных устройствах станков с числовым программным уп­равлением (ЧПУ).

Волновые меры

Эти меры, или шкалы длин волн (излучения), применяют в ин­терферометрах. Процесс измерения линейного перемещения интерферометрическим методом заключается в определении числа длин волн (или долей длин волн) излучения, укладывающихся на из­меряемом отрезке. Волновые меры описаны ниже при рассмотре­нии лазерных измерителей линейных перемещений.

Ультразвуковые шкалы

Метод создания оптических мер на основе распространения ультразвука разработан канд. техн. наук Телешевским В. И. в Московском станкоинструментальном институте.

Метод основан на том, что оптическое изображение акустичес­ких волн, распространяющихся в прозрачных средах, представля­ет собой периодическое пространственно-временное распределение интенсивности света. Такое распределение можно рассматривать как оптический растр, возникающий в результате взаимодействия света с ультразвуковыми волнами, и использовать как волновой аналог механических растров.

В основе механизма образования ультразвуковых шкал лежит явление дифракции света на ультразвуковых волнах. Ультразву­ковая волна, распространяющаяся в оптически прозрачной среде, создает в ней периодическое распределение показателя оптичес­кого преломления, что действует на проходящий световой поток подобно фазовой дифракционной решетке. Дифракция света на акустической решетке и последующая интерференция дифрагиро­ванных световых волн приводят к образованию оптического ра­стра.

Отличительной особенностью таких шкал, названных ультра­звуковыми, является то, что они электрически воспроизводимы и электрически управляемы. Такие шкалы открывают ряд новых возможностей для электрической коррекции погрешностей, авто­матической стабилизации и интерполяции цены деления, а также в адаптическом управлении процессами настройки и измерения.

Фотоэлектрические растровые измерительные устройства

В состав фотоэлектрического растрового измерительного уст­ройства входит растровое преобразующее звено, состоящее: из подвижного измерительного и неподвижного индикаторного раст­ров; блока подсветки растрового звена; блока фотоприемников, воспринимающего излучение, модулированного растровым зве­ном; электронного логического блока.

Растровое звено является масштабным преобразователем, так как небольшие перемещения измерительного растра преобразу­ются в существенно большие перемещения комбинационных по­лос. Простейшее растровое звено, работающее в проходящем све­те, показано на рис. 12(а). Измерительный растр 2 закрепляют на подвижном органе объекта, а индикаторный растр 4, блок под­светки 1 и фотоприемника 3 — на неподвижных частях объекта. При перемещении измерительного растра 2 в направлениях, пока­занных стрелкой, периодически изменяется фототок в фотопри­емнике из-за модуляции светового потока растровым звеном. Ана­логичным образом работает звено с радиальными растрами, предназначенное для преобразования угловых перемещений (рис.12, б). Здесь измерительный растр 2 укрепляют на валу, угол поворота которого нужно преобразовать, остальные элемен­ты системы закрепляют неподвижно.

Рис.12

Кроме растровых звеньев, работающих в проходящем свете, используются звенья отражающими растрами. В одном из вариан­тов такого звена (рис.12, в) параллельный пучок света от бло­ка подсветки 1 проходит через индикаторный растр 4 на измери­тельный растр 2 и попадает на фотоприемник 3.

Оси падающего и отраженного модулированного потоков света находятся в плоскости, нормальной к плоскости измерительного растра и параллельной штрихам индикаторного растра.

В другом варианте (рис.12, г) измерительный растр 2 ос­вещается параллельным потоком света, сформированным блоком подсветки 1 и полупрозрачным зеркалом 5. Изображение растрат с помощью объектива 6 проецируется в плоскость индикаторного растра 4. При перемещении измерительного растра 2 в направле­нии, показанном стрелкой, его изображение перемещается в пло­скости растра 4, в результате чего и образуются комбинационные полосы.

Существует большое число разновидностей растровых измери­тельных систем. Простейшим из них является накапливающая си­стема с растровым звеном (см. рис.12, а). В практических ре­ализациях таких систем используют, как правило, несколько фотоприемников (обычно четыре). Перед фотоприемниками так рас­полагают прямоугольные диафрагмы, что на каждый фотоприем­ник поступает световой поток, сдвинутый по пространственной фа­зе на относительно предыдущего фотоприемника (рис.13).

Фотоприемники включают по балансной схеме, т. е. объединя­ют ФП1 с ФПЗ и ФП2 с ФП4. Это позволяет компенсировать ко­лебания в уровне постоянной составляющей сигнала, обусловлен­ные изменением тока накала лампы подсветки, старением фото­приемников и т. д.

Подбором параметров растрового звена и диафрагм можно до­биться практически синусоидальной формы сигналов, снимаемых с каждой пары фотоприемников. При перемещении измеритель­ного растра в одном направлении изменение первого сигнала U₁, создаваемого фотоприемниками ФП1 и ФПЗ, отстает на четверть периода (т. е. на ) от изменения второго сигналаU₂ , поступа­ющего от фотоприемников ФП2 и ФП4. При перемещении же в противоположном направлении второй сигнал отстает от первого на тот же фазовый угол . Поэтому знак фазового сдвига меж­ду этими сигналами характеризует направление измеряемого перемещения. Если преобразовать синусоидальные сигналы в прямоугольные импульсы, то измеряемое перемещение будет пред­ставлено последовательностью таких импульсов, каждый из ко­торых соответствует перемещению на шаг растраq. Число им­пульсов подсчитывается электронным реверсивным счетчиком.

С помощью таких простейших накапливающих систем удается достичь разрешающей способности в несколько микрометров, если в качестве сопрягаемых растров использовать дифракционные решетки. Для большего повышения разрешающей способности накапливающих систем идут не по пути использования дифракци­онных решеток с более мелким шагом (что по ряду причин явля­ется затруднительным), а по пути дробления шага растров на 4—20 частей. На рис.13 представлены блок-схема и диаграм­мы работы электронного блока при формировании четырех им­пульсов на каждую муаровую полосу.

Синусоидальные сигналы U₁ и U₂, сдвинутые на , посту­пают на входы формирователейФ1 и Ф2. С одного выхода фор­мирователя снимается прямоугольное напряжение с той же фа­зой, что и входной синусоидальный сигнал, а с другого — прямо­угольное напряжение, по фазе сдвинутое на относительно пер­вого. Поэтому на выходах формирователей образуются четыре прямоугольных напряженияА; В; и , причем три из них сдви­нуты относительно предыдущего на по фазе. Эти импульсы поступают на схемы, которые управляют работой реверсивного счетчикаРС. Для формирования импульсов сложения служат четыре схемы совпадения И1—И4, с выхода которых импульсы поступают на схему ИЛИ1. Для формирования импульсов вычи­тания используются логические схемы И5—И8 и ИЛИ2. На им­пульсные входы поступают импульсы а; b; и , полученные диф­ференцированием положительных фонтов прямоугольных напря­жений дифференцирующими цепочками Д1—Д8. Из рис.13(в), видно, что при движении измерительной растровой решетки в направлении +х на реверсивный счетчик РС поступают сигналы сложения

,

а при движении в обратном направлении – сигналы вычитания

.

При этом при перемещении измерительной решетки на один шаг на счетчик подаются четыре импульса, т. е. разрешающая способность измерительной системы составляет 1/4 шага. Некото­рое усложнение электронного блока позволяет повысить разре­шающую способность до 1/3 шага или до 1-2 мкм.

Рис.13

Более сложными в конструктивном отношении являются растровые интерполяторы, которые определяют относительное поло­жение 'индикаторного элемента либо по пространственной фазе муаровой картины, либо по положению экстремумов в распреде­лении освещенности за растровым сопряжением. Соответственно различают фазовые и экстремальные растровые интерполяторы. Наибольшее распространение получили интерполяторы первого типа. Рассмотрим в качестве примера принцип действия фазовых растровых интерполяторов с механической модуляцией потока излучения.

Эти устройства (рис.14) содержат три решетки: измери­тельную растровую решетку 1, перемещение которой измеряют (ее крепят к подвижному органу станка или устройства), непод­вижную опорную растровую решетку 3, предназначенную для об­разования опорного сигнала, и индикаторную растровую решет­ку 2, непрерывно вращающуюся с постоянной скоростью. Для слу­чаев преобразования линейных перемещений измерительная и опорная решетки представляют собой параллельные растры (рис.14, а, б) с радиальным или круговым расположением по­лос. Индикаторную решетку выполняют в виде радиального раст­ра (рис.14, а, в) или многовитковой (многозаходной) спирали Архимеда (рис.14, б).

Рис.14

Шаг решеток 1 и 3 должен быть равен линейному шагу ре­шетки 2 на соответствующем радиусе.

Индикаторная решетка образует два семейства муаровых по­лос: одно с измерительной решеткой, а другое с опорной растро­вой решеткой. Поскольку индикаторная решетка вращается с по­стоянной скоростью, прозрачность муаровой картины на пути от источника света до фотоприемника периодически изменяется. Фо­топриемник опорного канала ФП₀ и фотоприемник измерительно­го канала ФП_И фиксируют непрерывно движущиеся муаровые по­лосы. Электронные схемы (на рисунке не показаны), в которые включают фотоприемники ФП₀ и ФП_И , вырабатывают импульсы, соответствующие переходу синусоидальных напряжений, снимаемых с фотоприемников, через нуль. Фаза этих импульсов в опор­ном канале постоянна, а в измерительном зависит от положения измерительной решетки. Перемещение этой решетки на один шаг растра соответствует изменению разности фаз между импульсами опорного и измерительного каналов на 360°, а знак фазового из­менения указывает направление движения. Импульсы обоих ка­налов поступают на фазовый дискриминатор, выходное напряже­ние которого либо подается на стрелочный прибор, либо преоб­разуется в цифровой код.

Частота модуляции потока излучения в измерительном канале ^:при перемещении измерительной решетки с линейной скоростью определяется выражением

,

1.7

где t — линейный шаг измерительного растра (знак перед вторым слагаемым зависит от направления движения измерительной решетки); N — число просветов между штрихами индикаторной решетки; — частота вращения индикаторной решетки, об/с.

Из выражения (1.7) следует, что с увеличением N и повы­шается частота модуляции потока излучения. Однако создать си­стему с высокой частотой модуляции светового потока и, следо­вательно, с высоким разрешением не всегда удается из-за инер­ционности фотоприемников. Обычно разрешающая способность измерительных систем с механической модуляцией потока состав­ляет несколько долей микрометров.

Фотоэлектрические измерительные устройства со штриховыми мерами

Эти устройства содержат линейку со штрихами в качестве мно­гозначной меры, ФЭМ как индикаторный элемент, электронный счетно-логический блок и в ряде случаев — устройства для интер­поляции внутришагового интервала, равного обычно 1,0 мм. Ниже рассмотрены лишь устройства точной ступени измерительной схемы — фотоэлектри­ческие интерполяторы.

Интерполятор (рис.15), используемый совместно с времяимпульсным микроскопом, трансформирует синусоидальную шка­лу микроскопа в линейную, иначе говоря, линеаризует зависимость выходного тока электронной схемы от положения штриха.

Лампа 13 с конденсором 14 освещает щель 15, изображение которой объектив 12 передаете плоскость светочувствительной по­верхности фотоэлемента 11. Пучок света, отразившись от двух зер­кал 17, проходит через шесть плоскопараллельных пластин. Плас­тина 10, колеблющаяся с той же частотой, что и зеркало в фото­электрическом микроскопе, служит для развертки изображения щели относительно фотоэлемента примерно по синусоидальному закону, а также для предварительной установки на нуль всего уст­ройства. Измерительная пластина 8 устанавливается на зубчатом секторе 18. Сектор может поворачиваться червяком в пределах ±15° относительно нулевого положения, при котором измеритель­ная пластина 8 перпендикулярна к оптической оси механизма. При нулевом положении пластины 8 на выходе фотоэлемента возни­кает последовательность равноотстоящих колоколообразных им­пульсов. Если сектор поворачивается, временные интервалы между этими импульсами изменяются. Импульсы фототока преобразуют­ся триггером Шмитта в последовательность прямоугольных сиг­налов, которые сравниваются с аналогичными сигналами фотоэлек­трического микроскопа. При несовпадении фаз двух серий им­пульсов возникает сигнал ошибки, который усиливается и подается на управляющую обмотку двухфазного двигателя, вращающего червяк 19.

Рис.15

Таким образом, в рассматриваемом фотоэлектрическом меха­низме осуществлена астатическая система автоматического регу­лирования. Положение штриха измеряется углом поворота зубча­того сектора 18, причем смещению 0,1 мкм соответствует угол по­ворота, равный 10". Считывание показаний осуществляется тремя поворотными цилиндрами 4—6, связанными между собой передаточным отношением 1 : 10. Перед цилиндрами расположен экран с тремя прорезями, параллельными образующим цилиндров. В качестве отсчетных индексов используются винтовые линии, нане­сенные на боковые поверхности цилиндров и занимающие при по­вороте червяка определенную позицию в прорезях.

Так как в микроскопе сканирование осуществляется сканатором 7, выполненным в виде колеблющегося зеркала, то возникает пог­решность, связанная с различием в законах преломления и отра­жения света. Для ее устранения имеются корригирующие пласти­ны 1-3, которые поворачиваются кулачком на нужный угол. Пластина 9 служит для установки механизма на нуль. Коррек­цию осуществляют кулачком 16. Интерполятор позволяет изме­рять положение штриха меры в пределах 1 мм с погрешностью ±0,2 мкм.

На порядок грубее, но вполне приемлемую для практики точность обеспечивает фотоэлектрическое устройство, показанное на рис.16(а), где 1, 16 — объективы; 2, 6, 7, 13 — фотоприемники; 3, 5 — щелевые диафрагмы; 4 — линза; 8 — светоделительная призма; 9,17 — отражающие зеркала; 10 —конденсор; 11 — лампа накалива­ния; 12, 14 — полупрозрачные зер­кала; 15 — вращающийся диск; 18 — плоскопараллельная пласти­на; 19 — штриховая мера.

Рис.16(а)

Динамический фотометрический микроскоп этого устройства состоит из объектива, вращающейся плоскопараллельной пласти­ны, .наклоненной относительно оптической оси устройства, светоделительной призмы и двух фотоприемников. Развертка штрихо­вой меры осуществляется по круговой траектории, радиус которой несколько больше интервала меры.

Рис.16(б)

Генератор заполняющих (счетных) импульсов включает в се­бя вращающийся прозрачный диск, на который нанесены темные штрихи, объектив, два зеркала (отражающее и полупрозрачное) и фотоприемник. Диск укреплен на той же оси, что и сканирующая пластина. При равномерном вращении этого узла с фотоприемни­ка снимается частотно-модулированная (по синусоидальному за­кону) последовательность импульсов, образованных при пересече­нии пучка лучей и темных штрихов на диске.

Генератор стартовых импульсов содержит конденсор, отра­жающее зеркало, две неподвижные щели, фотоприемник и линзу, установленную на вращающемся диске. Импульс фототока сни­мается с фотоприемника в момент прохождения центра этой лин­зы через ось симметрии неподвижных щелей.

График, иллюстрирующий работу интерполятора, дан на рис.16(б). Стартовый импульс запускает счетчик, на вход кото­рого поступают частотно-модулированные заполняющие импульсы. Счет их заканчивается в момент совпадения базовой линии микрос­копа с фотометрическим центром ближайшего штриха. Так как линейная составляющая сканирующего движения вдоль оси х из­меняется по синусоидальному закону, то содержимое счетчика ока­зывается прямо пропорциональным текущему положению этого штриха относительно начала отсчета (стартового импульса).

Лазерные измерители линейных перемещений

Интерференционный измеритель линейных перемещений пред­ставляет собой сложный комплекс, включающий помимо источни­ка излучения оптическое устройство (интерферометр), формирую­щее сигнал измерительной информации, и электронное устройство обработки и индикации результатов измерений.

Наиболее распространенным видом оптического устройства яв­ляется интерферометр Майкельсона и его различные модификации. Процесс формирования сигнала измерительной информации в нем осуществляется следующим образом. Излучение источника 1 (рис.17) делится полупрозрачной пластиной 2 на два пучка, каж­дый из которых направляется к соответствующему отражателю 3 и 4. Возвратившись к полупрозрачной пластине, оба пучка сов­мещаются на ней, образуя поле интерференции. На экране, поме­щенном в эту часть оптической схемы, возникает интерференцион­ная картина – чередование темных и светлых полос в пределах сечения совмещенных световых пучков.

Если источник излучает электромагнитные колебания строго определенной частоты , то результирующая интенсивность в лю­бой точке интерференционной картины

,

1.8

где I_изм и I_оп – интенсивность в точке наблюдения интерференции соответственно измерительного и опорного световых пучков;L_измиL_оп– геометрическая длина измерительного и опорного плеч интерферометра;n_в – показатель преломления окружающей сре­ды (воздуха);с₀ – скорость света в вакууме.

Из выражения (1.8) следует, что I_рез определяется не толь­ко интенсивностями, но и разностью фаз интерферирующих пучков в точке наблюдения (аргументом при косинусе). Период изме­рения результирующей интенсивности, как следует из (1.8), соответствует изменению геометрической разности хода на

,

где ;– длина волны источника излучения в вакууме и в воз­духе соответственно.

При равенстве значений интенсивности интерферирующих пуч­ков (I_изм=I_оп=I) возможны два характерных случая:

интерферирующие пучки синфазны (I_рез =I+I+2I= 41);

интерферирующие пучки в противофазе (I_рез=I+I –2I=0).

Таким образом, интенсивность излучения, прошедшего сквозь точечную диафрагму 5 на фотоприемник 6, при перемещении од­ного из отражателей будет изменяться по закону, качественно ил­люстрированному эпюрой (рис.17, б). Фотоприемником 6 интер­ференционный сигнал преобразуется из светового в электрический, который поступает далее на электронно-вычислительное устройст­во обработки и индикации результатов измерения 7.

Электромагнитные колебания, излучаемые любым реальным источником, характеризуются определенной ширины спектром частот. Для удобства рассмотрения такое излучение можно пред­ставить как результат периодического изменения средней частоты излучения с некоторой девиацией . Наличие такой девиации в общем случае (при) приводит к изменениям разнос­ти фаз между интерферирующими пучками, а следовательно, и к флуктуациям результирующей интенсивности, не обусловленным изменением контролируемого параметра. Вследствие инерционнос­ти фотоприемников эти хаотические флуктуации усредняются и воспринимаются как снижение доли переменной составляющей, не­сущей в интерференционном сигнале информацию об изменении контролируемого параметра.

В соответствии с выражением (1.8) влияние уширения спектра излучения пропорционально разности хода интерферирующих пуч­ков. Даже при использовании наиболее монохроматических обыч­ных источников оптического излучения интерференция может быть зарегистрирована только при разности хода не более нескольких десятков сантиметров. Ограничение диапазона измеряемых перемещений и низкая спектральная интенсивность обычных источни­ков излучения оптического диапазона сдерживали широкое внед­рение интерференционного метода в практику технических измере­ний.

Положение изменилось после изобретения и освоения промыш­ленностью оптических квантовых генераторов света (ОКГ)—ла­зеров, создающих путем вынужденного излучения монохроматичес­кие узконаправленные пучки лучей света большой мощности. Сло­во «лазер» — это аббревиатура выражения «Light amplification by stimulated emission of radiation» — «усиление света с помощью вынужденного излучения». Усиление света в лазере используется затем для генерирования света, для чего к усилителю присоеди­няют зеркала.

Рассмотрим примеры конкретных реализаций метода лазерной интерферометрии для измерения перемещений.

Особенностью оптической схемы лазерного интерферометра (рис.18) является использование четырехкратного прохожде­ния светового пучка в измерительном плече. Световой пучок от гелий-неонового лазера 1 (= 0,6328 мкм) направляется в коллима­тор2, уменьшающий его угловую расходимость. Часть светового пучка с помощью расщепителя 4 направляется на преобразова­тель 3 для подстройки частоты. Этот же расщепитель совместно с окуляром 5 используется при совмещении светового пучка, выхо­дящего из интерферометра, с линией перемещения отража­теля 8. С помощью полупроз­рачной пластины 7 световой поток делится на два пучка. Опорное плечо интерферомет­ра ограничивается зеркалом 6. Световой пучок в измери­тельном плече с помощью под­вижного отражателя 8 возвра­щается в интерферометр, где попадает на зеркало 9. Отра­женный от зеркала 9 световой пучок попадает на подвижный отражатель и далее на полу­прозрачную пластину 7, где он совмещается с опорным пучком. Таким образом, измерительный пучок четыре раза проходит расстояние между интерферометром и подвижным отражателем, что обеспечивает двукратное увеличение разрешающей способности по сравнению со схемой, изображенной на рис.17.

Рис.18

Подвижным отражателем служит трехгранная уголковая приз­ма. Важными свойствами такой призмы являются сохранение па­раллельности отраженного, светового пучка падающему, а также постоянство длины пути, проходимого излучением в самой призме при ее угловых разворотах относительно оси падающего светово­го пучка. Это обстоятельство особенно важно при технических из­мерениях, когда имеет место остаточная непрямолинейность нап­равляющих.

Фотоприемники 10, 11, помещенные в поле интерференции, фор­мируют два электрических сигнала с взаимным фазовым сдви­гом , что необходимо для обеспечения реверсивного отсчета. Пе­риод каждого из этих сигналов соответствует перемещению отра­жателя на = 0,158 мкм.

Блок-схема устройства обработки и индикации результатов из­мерения представлена на рис.19.

Рис.19

Электрические сигналы с каждого из фотоприемников 1, 2 по­даются на соответствующие формирователи 3, 4, представляющие собой пороговые устройства с двумя уровнями срабатывания, рас­положенными симметрично относительно уровня постоянной сос­тавляющей сигнала с выхода фотоприемника. Логическое уст­ройство 5 разделяет выходные импульсы формирователей по двум каналам, каждый из которых соответствует определенному направ­лению перемещения отражателя. Реверсивный счетчик 6 алгеб­раически суммирует поступающие на его вход импульсы. Для при­ведения результатов измерения к метрической (или английской) системе единиц используется устройство умножения 7, на кото­рое подаются также сигналы с преобразователей давления 12 и температуры 11 окружающего воздуха. Сигналы с преобразовате­лей предназначены для автоматической коррекции коэффициента умножения при отклонении окружающих условий от нормальных. Выход устройства умножения через другое логическое устройство 8 связан с визуальным девятиразрядным индикатором результа­тов измерения 9. Наряду с визуальной индикацией предусмотрен вывод информации о результатах измерения на вспомогательное цифро-печатающее устройство 10.

В рассмотренном интерферометре применен принцип обработки сигналов измерительной информации путем суммирования коли­чества пришедших импульсов с последующим перемножением сум­мы на значение цены каждого импульса в принятой системе еди­ниц, что обеспечивает минимальную погрешность, вносимую при цифровой обработке результатов измерения.

В более поздних моделях лазерных измерителей линейных пе­ремещений широкое распространение получило совмещение функ­ции суммирования и умножения введением итерационного алго­ритма умножения, что позволило значительно уменьшить габа­ритные размеры электронной части лазерного интерферометра.

В качестве источника излучения в таком интерферометре ис­пользован одночастотный гелий-неоновый лазер (рис.20).

Рис.20

Световой пучок от гелий-неонового лазера 1 через коллиматор 2 и диафрагму 3 направляется на полупрозрачную светоделительную пластину 8. Опорное плечо интерферометра ограничивается трехгранной уголковой призмой 7. Подвижный отражатель 9 в из­мерительном плече выполнен в виде аналогичной уголковой приз­мы. Ширина полос интерференционной картины обусловливается оптическим клином 6, вносящим определенное угловое расхожде­ние между интерферирующими пучками. С помощью светоделительной призмы 12 суммарный световой пучок направляется на два фотоэлектронных умножителя 10, 14. Для преобразования бе­гущей интерференционной картины в световой поток переменной интенсивности перед каждым из фотоприемников установлены точечные диафрагмы 11, 13, диаметры отверстий которых значитель­но меньше ширины интерференционной полосы. Фазовый сдвиг на между выходными сигналами фотоэлектронных умножителей достигается взаимным сдвигом отверстий диафрагмы11, 13 отно­сительно соответствующих точек интерференционных картин на 1/4 ширины интерференционной полосы.

Применение в оптической схеме двух уголковых призм обеспе­чивает параллельность интерферирующих световых пучков и тем самым исключает необходимость точной угловой юстировки эле­ментов оптической схемы. Через поворотное зеркало 4 лучи посту­пают на экран 5.

Рис.21

Электрические сигналы, поступающие на вход устройства обра­ботки и индикации результатов измерения (рис.21) при пере­мещении подвижного отражателя, иллюстрированы эпюрами на рис.22(а и б). Период этих сигналов соответствует перемещению подвижного отражателя на =0,3164 мкм . Каждый из входных сигналов поступает на соответствующий формирователь 1 или 2 (см. рис.21) — пороговое устройство с двумя уровнями обра­батывания (штриховые прямые линии на эпюрах а и б), выстав­ленными симметрично относительно постоянной составляющей входного сигнала. В этом случае сигналы на выходе формирователей (эпюры в и г) — это две последовательности прямоугольных импульсов со скважностью 2 и взаимным фазовым сдвигом на . В учетверителе3 формируется сигнал направления перемещения, а также калиброванные по амплитуде и длительности импульсы (эпюра д), соответствующие каждому перепаду выходных уров­ней обоих формирователей. Таким образом, «метрическая цена» каждого импульса, сформированного в учетверителе, = 0,0791 1мкм. Сущность дальнейшего преобразования сигнала изме­рительной информации сводится к следующему: каждому импуль­су с истинной ценойформально приписывается ближай­шее к ней значение, крат­ное выбранной единице длины (в данном случае 0,1 мкм вместо 0,0791 мкм). Погрешность, нарастающая при перемещении отража­теля вследствие различия истинной и приписанной цены каждого импульса, компенсируется тем, что из суммируемого потока им­пульсов исключается по од­ному импульсу в тот мо­мент, когда погрешность приближается к предельно допустимому значению. По­рядок исключения импуль­сов подчиняется опреде­ленному алгоритму.

Можно показать, что длительность каждой ступени итерации с_к , определяется из выражения

,

где k – номер итерации; h– шаг квантования, рав­ный 0,07910248 мкм; – цена деления, равная 0,1 мкм; c₀=1.

Из этого выражения значения интервалов первых трех ступе­ней итерации получают равными c₁ = +3; с₂ = –19; с₃= +1234. Знак «+» перед коэффициентами с₁ и c₃ означает, что из суммируемой последовательности импульсов заключаются каждые 4-й и 1235-й импульсы, а знак «—» соответствует восстановлению каждого 19-го импульса в серии импульсов после первой степени. Максимальное значение погрешности вычисления в этом случае определяется выражением и не превышает 0,2 мкм при перемещении до 4,8 м.

Коррекцию результатов измерения при отклонении окружаю­щих условий от нормальных и поправку на температурное расши­рение измеряемого объекта осуществляют путем изменения интер­вала третьей ступени.

В соответствии с рассмотренным принципом преобразования сигнала измерительной информации каждые три импульса о вы­ходе учетверителя 3 (см. рис.21) через вентили 4 – 6 поступают на основной счетчик 7. Каждый четвертый импульс блокируется вентилем 4. Так реализуется первая ступень итерации. Первый вспомогательный счетчик 10 в момент поступления на его вход 19-го импульса выдает команду на вентиль 4 для восстановления четвертого импульса в шестом цикле первой ступени и возвраща­ется в исходное состояние, завершая цикл второй ступени. Выход­ные импульсы первого вспомогательного счетчика (каждый 19-й из последовательности импульсов первой ступени) через вентиль 11 поступает на второй вспомогательный счетчик 12. В момент поступления на этот счетчик 66-го импульса вентиль 6 блокирует импульс, соответствующий интервалу третьей ступени. Указанные операции повторяются до момента прекращения перемещения.

Третий вспомогательный счетчик 14 служит для полуавтомати­ческого ввода поправок на отклонение окружающих условий от нормальных. В этот счетчик с помощью двух наборных табло 15, 16 оператор вводит определенное для данных температуры и дав­ления окружающей среды число Х(t, р), табулированное в диапа­зоне температур 9—35°С и давлений 94—101 кПа. На третий вспомогательный счетчик 14 поступают также импульсы со счетчика 10, соответствующие каждому циклу второй ступени итерации. В момент совпадения числа импульсов, поступающих со счетчика 10, с введенным значением X (t, р) третий вспомогательный счетчик 14 с помощью вентиля 11 блокирует или вводит (в зависимости от знака X) дополнительный импульс в последовательность импуль­сов, поступающих на второй вспомогательный счетчик 12.

Дополнительное наборное табло 13 служит для ввода поправки на отклонение температуры измеряемого объекта от нормальной путем изменения коэффициента пересчета второго вспомогатель­ного счетчика на целое число единиц .Такое изменение на одну еди­ницу обусловливает изменение результата измерения в относитель­ных единицах на 1,25-10^-5, что примерно соответствует относитель­ному температурному расширению стали при перепаде темпера­туры на 1°C .

Цифровой индикатор результатов измерения 8 содержит восемь десятичных разрядов и при цене младшего разряда 0,1 мкм поз­воляет регистрировать перемещение в диапазоне до 10 м.

Итерационный метод с некоторыми усовершенствованиями ис­пользован в системах обработки результатов измерения первого отечественного лазерного интерферометра и разработанного на его основе промышленного измерителя линейных перемещений ти­па ИПЛ-7.

Метрологические характеристики ИПЛ-7: максимальное изме­ряемое перемещение 1 м; максимальная скорость перемещения призменного устройства 1,7 м/мин; погрешность измерения, не бо­лее ±(0,2 + 0,5L) мкм, где L — перемещение, выраженное в мет­рах; цена младшего разряда цифрового индикатора 0,1 мкм.

Общим недостатком описанных выше лазерных интерферомет­ров является их чувствительность к изменению уровней сигналов .фотоприемников (см. эпюры а и б на рис.22), вызываемому, например, нестабильностью мощности излучения лазеров, дрейфом чувствительности фотоприемников, поперечным смещением под­вижного отражателя. Вследствие гальванической связи фотоприем­ников с формирователями изменения уровней сигналов приводит к смещению их постоянных составляющих относительно уровней срабатывания формирователем. При этом скважности выходных сигналов формирователей (эпюры виг) отклоняются от оптималь­ного значения 2, что нарушает равномерность распределения вы­ходных импульсов учетверителей (см. эпюру д) в пределах каждо­го периода интерференционного сигнала. В связи с этим взаимное наложение выходных импульсов учетверителя, ограничивающее скорость измеряемого перемещения, наступает при меньшем зна­чении этой скорости, чем в случае оптимальной настройки. Даль­нейшее изменение уровней сигналов приводит к потере работоспо­собности интерферометра.

Существует несколько способов снижения чувствительности ла­зерного интерферометра к изменению уровней сигналов. Наиболее перспективный из них основан на использовании лазера, излучаю­щего одновременно на двух частотах. При этом схема интерферо­метра строится таким образом, что информация о контролируемом перемещении оказывается сосредоточенной в разности частот (или фаз) переменных сигналов, вырабатываемых двумя фотопри­емниками интерферометра. Поэтому изменение амплитуд этих сиг­налов не влияет на точность измерения. Однако интерферометр с двухчастотным лазером сложнее в конструктивном отношении, вследствие чего он пока получил (меньшее распространение.

Фотоэлектрические измерительные устройства с ультразвуковыми шкалами

В основу таких устройств положено несколько методов.

Первый метод основан на бегущих ультразвуковых волнах. Ис­точник света, например, лампа накаливания 1 (рис.23), пос­редством щелевой диафрагмы 2 и коллиматорной линзы 3 созда­ет поток параллельных лучей, пересекающий бегущие ультразвуковые волны в звукопроводах 11 и 4. Волны направлены встречно и возбуждаются от электронного генератора 9 на частоте пьезо­электрическими преобразователями 10 и 5. Линза 8 формирует оп­тическое изображение волн в плоскости 7 в виде оптического раст­ра. Поглотители 6 и 12, установленные на концах звукопроводов 11 и 4, обеспечивают распростра­нение в них часто бегущих ульт­развуковых волн.

Отсчет перемещений осущест­вляется следующим образом. С контролируемым подвижным объектом связывается звукопровод 11, длина которого соответ­ствует диапазону измерения (в дальнейшем звукопровод назо­вем шкалой). Относительно шкалы неподвижно устанавлива­ют оптическую систему и звуко­провод 4, называемый в даль­нейшем модулятором. Оптичес­кий растр, образуемый в плоско­сти наблюдения 7, характеризу­ется распределением освещенно­сти, близким к синусоидальности:

,

1.9

где I₀ — постоянная; I₁ — амплитуда переменной составляющей освещенности в изображении; с — скорость ультразвука в среде шкалы 11 и модулятора 4; -оптическое увеличение (F—фокусное расстояние линзы 8); х₁ , х₂ — начальные положе­ния плоскостей пьезоизлучателей 10 и 5 шкалы и модулятора соответственно; и— начальные фазы возбуждаемых в шкале и модуляторе ультразвуковых колебаний.

Из выражения (1.9) следует, что перемещение шкалы 11 от­носительно оптической системы и модулятора 4 приводит к смеще­нию полос в плоскости изображения 7. При перемещении шкалы 11 на интервал фаза изображения изменяется на , и система полос смещается на один период. Таким образом, цена деленияg ультразвуковой шкалы зависит от частоты f элект­ронного генератора. Изменяя частоту f, можно электрически уп­равлять масштабом шкалы. Положение полос в плоскости 7 зави­сит также от соотношения фаз ивозбуждаемых ультразвуко­вых колебаний. Изменяя это соотношение посредством фазовраща­теля в одном из электрических каналов, можно управлять началь­ным положением изображения в плоскости7.

Регистрация положения оптического растра в плоскости 7 осу­ществляется методом, изложенным в 1.4.

Второй метод предполагает пространственное совмещение встречно бегущих ультразвуковых волн в одном звукопроводе. Это соответствует случаю ультразвуковой волны со стоячей волной, причем функцию одного из излучателей выполняет поглотитель 6. В этой схеме модулятор отсутствует, а остальные элементы имеют назначение, аналогичное схеме на рис. 23.

Рис.23

В этом случае изображение оптического растра в плоскости наб­людения описывается выражением

,

1.10

где х — начальное положение плоскости пьезоизлучателя 10 шкалы 11; L — расстояние между излучателем 10 и поглотите­лем 6. Смещению полос в изображении на один период, т. е. цене деления шкалы 11, соответствует ее перемещение относительно оп­тической шкалы на интервал .

Третий метод (рис.24) основан на двойном прохождении света через бегущую ультразвуковую волну-

Ультразвуковая волна в шкале 11 возбуждается излучателем 5 от электронного генератора 4 и поглощается поглотителем 8. Све­товой поток, создаваемый ис­точником 1 с диафрагмой 2 и выходящий из объектива 3 , дважды пересекает шкалу 11 в противоположных направ­лениях, что достигается зер­калами (или призмами) 6 и 7. Так как скорость света в 10⁵ раз больше скорости зву­ка в шкале, схема по своему действию эквивалентна рас­смотренным выше и формиру­ет с помощью объектива 9 в плоскости 10 неподвижное растровое изображение, ана­логичное полученным первым и вторым методам.

Ультразвуковые шкалы на стоячих волнах ограничены в уп­равлении полуволновым условием ,гдеп= 1, 2, 3,… це­лое число. В шкалах этого типа осуществимо только дискретное частотное управление масштабом посредством перехода с одной резонансной частоты звукопровода на другую.

Шкалы на бегущих волнах не имеют этих ограничений, что поз­воляет применять к ним любые виды управления в пределах полосы пропускания. Управляемость может быть использована для автоматической стабилизации цены деления.

Одна из возможных схем стабилизации основана на оптико-электронной фазовой автоподстройке частоты (ФАПЧ) электрон­ного генератора частоты 4. Изменение цены деления под действи­ем дестабилизирующих факторов (температуры, ухода частоты и др.) приводит к смещению изображения в плоскости 10. Фото­электрический микроскоп регистрирует это смещение и воздейст­вует через преобразующее устройство на частоту генератора 4 та­ким образом, чтобы сохранялось условие , гдеп — посто­янное число.

Рис.23

Разработанная в Московском станкоинструментальном институ­те ультразвуковая шкала с указанной системой автоматической стабилизации с параметрами f=4 МГц; с=1600 м/с; L= 1000 мм позволяет выполнять измерения с накопленной погрешностью не более ± 1 мкм на длине 1 м.

Цена деления ультразвуковых шкал составляет от десятых до сотых долей миллиметра в зависимости от среды звукопровода (жидкостной или твердой) и типа возбуждаемых колебаний (объ­емных и поверхностных).

Достижимая длина составляет несколько метров при потреб­ляемой электрической мощности 1-1,5 Вт. Использование схемы на бегущей волне, аналогичной изображенной на рис.23, но без модулятора, позволяет создавать чисто фазовые шкалы, не имеющие аналога при механическом делении.

Наибольшее применение многозначные меры находят в изме­рительных устройствах станков с числовым программным управ­лением. Эти устройства, как правило, используют индуктивные меры (проходные зубчатые преобразователи, преобразователи ти­па «винт – гайка» и т. д.) или оптические (растровые сопряжения и штриховые меры).

Более универсальным является лазерный измеритель переме­щений, принцип действия которого основан на использовании волновых мер. В последние годы он находит самое широкое при­менение для решения различных измерительных задач.