Пристрій для вимірювання переміщувань об’єкта

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к оптикоинтерференционным устройствам, и предназначено для автоматического измерения смещений интерференционных полос. Известно устройство [1], содержащее источник излучения, интерферометр, опорное зеркало которого укреплено на пьезокерамическом элементе, фотоприемник, установленный на выходе интерферометра, генератор переменного напряжения, соединенный с пьезокерамическим элементом, регистратор и схему обработки сигнала, выполненную в виде соединенных последовательно усилителя переменного напряжения, соединенного с фотоприемником, фазового детектора и усилителя постоянного тока, выход которого соединен с пьезокерамическим элементом, второй вход фазового детектора соединен с генератором переменного напряжения, а выход с регистратором. Недостатком такого устройства является низкая точность, обусловленная наличием пьезокерамического элемента в плече интерферометра, обладающего гистерезисом, достигающим 10%, что приводит к погрешности измерений с 10%. Кроме того, устройство обладает малым диапазоном измеряемых перемещений, так как не позволяет по своим конструктивным особенностям осуществлять сброс напряжения при каждом изменении разности хода в плечах интерферометра. В качестве прототипа выбрано устройство для измерения перемещений объекта Г2], содержащее оптический интерферометр, зеркальный гальванометр, расположенный на выходе интерферометра и соединенный с генератором переменного напряжения и усилителем постоянного напряжения, дискриминатор, расположенный между гальванометром и фотоприемником, и систему сброса, подключенную параллельно усилителю постоянного напряжения, причем фотоприемник, узкополосный усилители, фазовый детектор, усилитель постоянного напряжения и измеритель напряжения соединены последовательно, а генератор подключен ко второму входу фазогого детектора. Недостатком этого устройства является недостаточный диапазон частот измеряемых перемещений объекта, так как из-за наличия инерционности зеркального гальванометра не обеспечивается измерение в высокочастотном диапазоне. В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать устройство для измерения перемещений объекта, в котором на оптической оси расположен фазовый расщепитель и второе регистрирующее устройство, обеспечивающее расширение диапазона частот измеряемых перемещений объекта и за счет этого расширение функциональных возможностей устройства. Поставленная задача решается тем, что з устройстве для измерения перемещений объекта, содержащем оптический интерферометр, зеркальный гальванометр, расположенный на выходе интерферометра и соединенный с генератором переменного напряжения и усилителем постоянного напряжения, систему сброса, подключенную параллельно усилителю постоянного напряжения, причем фотоприемник, узкополосный усилитель, фазовый детектор, усилитель постоянного напряжения и измеритель напряжения соединены последовательно, и генератор, подключенный ко второму входу фазового детектора, согласно изобретению дополнительно содержится фазовый расщепитель пучка, расположенный на оптической оси между гальванометром и первым фотоприемником, а второй выход фазового расщепителя соединен через второй фотоприемник со вторым измерителем напряжения, причем фазовый расщепитель пучка выполнен либо в виде светоделительного кубика и двух растров, взаимно смещенных на П/2 периода интерференционной картины и расположенных между светоделительным кубиком и двумя фотоприемниками, либо в виде сдвоенного растра и снабжен двумя линзами, расположенными между растром и фотоприемниками. При этом сигнал, прошедший через фазовый расщепитель, соответствующий линейному участку интерференционной картины, преобразуется в электрический сигнал, пропорциональный высокочастотным некомпенсированным колебаниям интерференционной картины и регистрируется, что обеспечивает расширение диапазона измеряемых частот перемещений объекта. На фиг.1 представлен чертеж устройства с расщепителем, содержащим светоделительный кубик; на фиг.2 - чертеж расщепителя, состоящий из сдвоенного растра и двух линз; на фиг.3 чертеж сдвоенного растра; на фиг.4 расположение растров расщепителя относительно интерференционной картины. Устройство содержит (фиг.1) оптический интерферометр 1, гальванометр 2, расположенный на выходе интерферометра 1, фазовый расщепитель 3, один выход которого соединен с фотоприемником 4, соединенным с узкополосным усилителем 5. Гальванометр 2 соединен с генератором переменного напряжения 6, второй выход которого соединен с фазовым детектором 7, один выход которого соединен с узкополосным усилителем 5, а другой - с усилителем постоянного напряжения 8, соединенным с измерителем напряжения 9, системой сброса 10 и гальванометром 2. Второй выход фазового расщепителя 3 пучка соединен с фотоприемником 11, выход которого соединен со вторым измерителем напряжения 12. Фазовый расщепитель пучка 3 выполнен в виде, например, светоделительного кубика 13 и двух растров 14 и 15, период которых равен периоду интерференционной картины и смещенных друг относительно друга на четверть периода интерференционной картины. Фазовый расщепитель пучка 3 может быть выполнен в виде (фиг.2) сдвоенного растра 16 (фиг.3), содержащего ряды щелей 17 и 18, период которых равен периоду интерференционной картины и взаимно смещенных на четверть периода интерференционной картины (фиг.4), и фокусирующих линз 19 и 20, расположенных между рядами щелей 17 и 18, и фотоприемниками 4 и 11. Устройство работает следующим образом. Интерференционная картина отражается от зеркала гальванометра 2 и поступает на вход фазового расщепителя 3. С первого выхода фазового расщепителя 3 световой поток, промодулированный по гармоническому закону, поступает на фотоприемник 4, для чего на гальванометр2 подается гармоническое напряжение от генератора 6. Узкополосным усилителем 5 выделяется сигнал первой гармоники, выходной сигнал и сигнал с генератора 6 поступает на вход фазового детектора 7. В зависимости от разности оптических длин в плечах интерферометра 1 сигнал с узкополосного усилителя 5 оказывается в фазе или противофазе с сигналом генератора 6. Фазовый детектор 7, усилитель 8 постоянного напряжения вырабатывают напряжение отрицательной обратной связи, увеличение или уменьшение которого зависит от того, в фазе или в противофазе находятся сигналы с генератора б и узкополосного усилителя 5. Напряжение отрицательной обратной связи с выхода усилителя 8 постоянного напряжения подается на гальванометр 2 и приводит к повороту зеркала. Сигнал с усилителя 8 постоянного напряжения подается и на систему сброса 10. При каждом изменении оптической разности хода в плечах интерферометра 1 на срабатывает система сброса и происходит удержание в пределах следующей полосы интерференционной картины. Измерителем 9 измеряется величина напряжения обратной связи, которая прямо пропорциональна изменению длины оптического пути в плечах интерферометра и углу поворота зеркала гальванометра 2. При этом за счет отрицательной обратной связи и инерционности гальванометра 2 компенсируется низкочастотная составляющая колебаний интерференционной картины на входе фазового расщепителя 3. Световой поток со второго выхода фазового расщепителя 3, соответствующий линейному участку интерференционной картины поступает на вход фотоприемника 11, на котором создает электрический сигнал, пропорциональный высокочастотным нескомпенсированным колебаниям интерференционной картины и регистрируется вторым измерителем напряжения 12. При выполнении расщепителя 3 в виде светоделительного кубика 13, сигнал, несущий интерференционную картину, делится на два луча, один из которых поступает через растр 15 на вход фотоприемника 4, который через систему (4 - 5 - 6 - 7 - 8 - 9 - 10 - 2) удерживает интерференционную картину на растре 15 в положении, соответствующем ее минимуму, а второй сигнал через растр 14, установленный со смещением на относительно интерференционной картины, что обеспечивает расположение растра на линейном участке изменения яркости интерференционной картины, поступает на фотоприемник 11 и второй измеритель напряжения 12. По значению сигнала второго измерителя напряжения 12 измеряют высокочастотное перемещение объекта. Расщепитель 3 может быть выполнен в виде сдвоенного растра 16 и двух линз (фиг.2). Сигнал с гальванометра 2 поступает на сдвоенный растр 16 (фиг.3), период которой соответствует периоду интерференционной картины, с ряда щелей 17 через линзу 19 поступает на фотоприемник 4, который за счет обратной связи с гальванометром 2 устанавливает минимум интерференционной картины на щелях ряда 17, а сигнал, прошедший через ряд щелей 18, смещенных относительно ряда щелей 17, а, следовательно, и относительно интерференционной картины, устанавливается через линзу 20 на линейном участке изменения яркости интерференционной картины и поступает через фотоприемник 11 на второй измеритель напряжения 12. Устройство может быть реализовано с помощью следующих элементов: - оптический интерферометр 1 (Нестеров В.В., Головин С.Л., Насонкин В.А. Измерения длиннопериодных колебаний Земли лазерным интерферометром-деформографом. Известия АН СССР, журнал "Физика Земли", №4, 1990г., с.72 78); - фазовый детектор 7 (Горшков Б.И., Радиоэлектронные устройства. Изд. "Радио и связь", М., 1984, с.214); - гальванометр 2 (Рошкован Г.Н., Самосудов П.А. Высокочастотные осциллографические гальванометры, М., Энергоиздат, 1982); - фотоприемники 4,11-ФП-256; - узкополосный усилитель 5 (П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники, т.1. М., Мир, 1986, с.263); - генератор переменного напряжения 6 (там же, с.275); - усилитель постоянного напряжения 8 (там же, с.226); - измерители напряжений: низкочастотный 9 (КСП-4); - высокочастотный 12 осциллограф С 1 - 64 А; - система сброса 10 (Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство, М., Мир, 1982, с.143); - линзы 19, 20 - оптические, положительные; - растр 14, 15 выполнен фотометодом на фотопленке, ширина полос 0,3мм, период - 2мм. Устройство позволяет регистрировать перемещение объекта как в низкочастотном, так и в высокочастотном диапазоне, что обеспечивает расширение его функциональных возможностей.