способ измерения линейных и угловых перемещений

Формула изобретения

Способ измерения линейных и угловых перемещений, заключающийся в том, что максимум нулевого порядка интерференционной картины в виде совокупности колец различной интенсивности, полученный при совмещении в лазерном интерферометре когерентных пучков, отраженных соответственно от светоделителя и поверхности объекта контроля, проецируют на экран, в плоскости экрана в заданных областях интерференционной картины размещают фотоприемные устройства, при помощи которых измеряют интенсивность оптического поля по месту их установки при изменении положения поверхности объекта контроля, а отмеченное перемещение поверхности объекта контроля определяют по изменению однозначно связанной с ним интенсивности оптического поля в интерференционной картине, измеренной фотоприемными устройствами, отличающийся тем, что в качестве светоделителя лазерного интерферометра используют синусоидальную дифракционную решетку, на экран проецируют максимумы +1 и -1 порядков интерференционной картины, фотоприемные устройства разделяют на две группы, каждую группу размещают в соответствующих областях максимумов +1 и -1 порядков интерференционной картины, далее одновременно измеряют интенсивность оптического поля каждой из групп фотоприемников, а значения линейной и угловой составляющей малого перемещения поверхности объекта контроля определяют на основании двух значений интенсивности, измеренных указанными группами фотоприемников в соответствующих областях максимумов +1 и -1 порядков по известным для каждого максимума зависимостям, связывающим интенсивность с линейным и угловым перемещением поверхности объекта контроля, при этом в качестве результата измерения принимают то значение линейной и угловой составляющих перемещения, которое одновременно удовлетворяет обоим значениям измеренной интенсивности в соответствующих областях максимумов +1 и -1 порядков интерференционной картины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к способам измерения малых линейных и угловых перемещений поверхностей объектов контроля оптическими датчиками перемещений, основанными на применении интерференционных методов (оптическими лазерными интерферометрами).

Известны способы измерения малых перемещений поверхностей объектов контроля оптическими лазерными интерферометрами, например, реализованные в устройствах для измерения малых перемещений, предложенных в работах Матвеева А.Н. Оптика. - М.: Высшая школа, 1985. - 351 с. и Батракова А.С., Бутусова М.М., Гречки Г.П. и др. Лазерные измерительные системы. / Под ред. Д.П.Лукьянова. - М.: Радио и связь, 1981. - 456 с., заключающиеся в том, что максимум нулевого порядка интерференционной картины в виде совокупности колец различной интенсивности, полученный при совмещении в лазерном интерферометре когерентных пучков, отраженных соответственно от светоделителя и поверхности объекта контроля (или отражателя, жестко закрепленного на поверхности объекта контроля), проецируют на экран, в плоскости экрана в заданных областях интерференционной картины (например, в кольцах одинаковой и (или) различной интенсивности) размещают фотоприемные устройства (например, фотодиоды и т.п.), при помощи которых измеряют интенсивность оптического поля по месту их установки при изменении положения поверхности объекта контроля, т.е. при ее перемещении, а отмеченное перемещение поверхности объекта контроля определяют по изменению однозначно связанной с ним интенсивности оптического поля интерференционной картины, измеренной фотоприемными устройствами.

Существенным недостатком данных способов является невозможность одновременного измерения линейной и угловой составляющих малого перемещения объекта контроля, т.к. при использовании описанных способов каждому измеренному значению интенсивности будет соответствовать множество различных пар значений линейного и углового перемещений поверхности объекта контроля и определить его действительное перемещение невозможно. Поэтому описанные способы позволяют измерять только линейную или только угловую составляющую малого перемещения объекта контроля. На практике при проведении испытаний реальных объектов контроля возникающие перемещения их поверхностей, как правило, имеют линейную и угловую составляющие, поэтому невозможность одновременной регистрации как линейной, так и угловой составляющих значительно снижает информативность получаемых результатов измерений, требуют установки дополнительных устройств для регистрации угловой составляющей возникающих перемещений и т.д., т.е. существенно ограничивают область применения описанных выше способов из-за перечисленных особенностей функциональных возможностей.

По совокупности признаков наиболее близким аналогом предлагаемого способа, принимаемым за прототип, является способ измерения малых перемещений, реализованный в измерителе перемещений, описанном в работе «Измеритель перемещений с объемной голограммой». / Авторы Паринов И.А., Прыгунов А.Г., Рожков Е.В. и др. Патент РФ № 2169348 по заявке № 99120531/28 от 28.09.1999 г. МПК 7 G01В 9/021, G01С 22/00. Опубл. 20.06.2001 г. Бюл. № 17/, заключающийся в том, что максимум нулевого порядка интерференционной картины в виде совокупности колец различной интенсивности, полученный при совмещении в лазерном интерферометре когерентных пучков, отраженных соответственно от светоделителя и отражателя, жестко закрепленного на поверхности объекта контроля, проецируют на экран, в плоскости экрана в заданных областях интерференционной картины размещают фотоприемные устройства, при помощи которых измеряют интенсивность оптического поля по месту их установки при изменении положения поверхности объекта контроля, т.е. при ее перемещении, а отмеченное перемещение поверхности объекта контроля определяют по изменению однозначно связанной с ним интенсивности оптического поля в интерференционной картине, измеренной фотоприемными устройствами.

Существенным недостатком данного способа является невозможность одновременного измерения линейной и угловой составляющих малого перемещения объекта контроля, т.к. в этом случае нарушается однозначная связь между действительным перемещением объекта контроля и значением интенсивности оптического поля интерференционной картины, измеренным фотоприемным устройством, в результате измеренному значению интенсивности соответствует множество различных пар значений линейного и углового перемещений поверхности объекта контроля и определить его действительное перемещение невозможно. На практике при проведении испытаний реальных объектов контроля возникающие перемещения их поверхностей, как правило, имеют линейную и угловую составляющие, поэтому невозможность одновременной регистрации как линейной, так и угловой составляющих значительно снижает информативность получаемых результатов измерений, требует установки дополнительных устройств для регистрации угловой составляющей возникающих перемещений и т.д. По этой причине способ, принимаемый за прототип, может быть применим к измерению только линейного или только углового перемещения при условии, что влиянием другой составляющей можно пренебречь. Данное обстоятельство в значительной степени ограничивает функциональные возможности данного способа и область его применения.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение функциональных возможностей способов измерения малых перемещений поверхностей объектов контроля оптическими лазерными интерферометрами за счет обеспечения одновременного измерения линейной и угловой составляющих малого перемещения.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что максимум нулевого порядка интерференционной картины в виде совокупности колец различной интенсивности, полученный при совмещении в лазерном интерферометре когерентных пучков, отраженных соответственно от светоделителя и поверхности объекта контроля, проецируют на экран, в плоскости экрана в заданных областях интерференционной картины размещают фотоприемные устройства, при помощи которых измеряют интенсивность оптического поля по месту их установки при изменении положения поверхности объекта контроля, а отмеченное перемещение поверхности объекта контроля определяют по изменению однозначно связанной с ним интенсивности оптического поля в интерференционной картине, измеренной фотоприемными устройствами. В соответствии с изобретением в качестве светоделителя лазерного интерферометра используют синусоидальную дифракционную решетку, в результате чего на экран проецируются максимумы +1 и -1 порядков интерференционной картины, фотоприемные устройства разделяют на две группы и размещают каждую группу в соответствующих областях максимумов +1 и -1 порядков, далее, одновременно измеряют интенсивность оптического поля каждой из групп фотоприемных устройств.

Как уже отмечалось, при рассмотрении способов-аналогов и способа-прототипа, измеренному значению интенсивности соответствует множество пар различных значений линейного и углового перемещений, зависимость интенсивности оптического поля интерференционной картины от линейного и от углового перемещения известны и могут быть заданы для каждого максимума в табличном виде или функционально в виде системы трансцендентных уравнений, причем для каждого из максимумов +1 и -1 порядков эта зависимость различна. Пара значений линейного и углового перемещений, которая будет удовлетворять обоим значениям интенсивности оптического поля, измеренным фотоприемными устройствами в указанных областях максимумов +1 и -1 порядков, и будет соответствовать действительному перемещению объекта контроля.

Линейную и угловую составляющие перемещения объекта контроля определяют на основании двух значений интенсивности, измеренных указанными группами фотоприемников в максимумах +1 и -1 порядков, по известным для каждого максимума зависимостям интенсивности от линейного и углового перемещений поверхности объекта контроля, при этом за результат измерения принимают то значение линейной и угловой составляющих перемещения, которое одновременно удовлетворяет измеренным значениям интенсивности в максимумах +1 и -1 порядков.

Техническим результатом предлагаемого способа является расширение функциональных возможностей способов измерения малых перемещений поверхностей объекта контроля оптическими лазерными интерферометрами за счет обеспечения одновременного измерения линейной и угловой составляющих малого перемещения.

Проведенный сравнительный анализ выявил, что в отличие от способов-аналогов и способа-прототипа предлагаемый способ характеризуется новыми действиями над материальными объектами, позволяющими достигнуть технического результата, а именно расширить функциональные возможности способов измерения малых перемещений поверхностей объектов контроля оптическими лазерными интерферометрами за счет обеспечения одновременного измерения линейной и угловой составляющих малого перемещения.

Схема одного из возможных вариантов устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на чертеже.

Данное устройство содержит источник 1 когерентного оптического излучения (лазер), оптическую систему 2, преобразующую излучение источника в расходящийся пучок, светоделитель 3, представляющий собой синусоидальную дифракционную решетку, отражатель 4, жестко закрепленный на поверхности 5 объекта контроля, экран 6, в плоскости которого установлены с возможностью регулировки положения фотоприемные устройства 7 (например, фотодиоды и т.п.), разделенные на две группы 8 и 9, каждая из которых размещена в соответствующих областях максимумов -1 порядка 10 и +1 порядка 11.

Фотоприемные устройства 7 электрически соединены с системой регистрации, обработки и отображения результатов измерений (не показаны).

Отражатель 4 удален от внутренней поверхности светоделителя 3 на расстояние h. Отражатель 4 и светоделитель 3 расположены друг к другу под углом . Возможным может быть также вариант, при котором отражатель 4 отсутствует, а его функции в этом случае непосредственно выполняет сама отражающая поверхность 5 объекта контроля.

Максимумы -1 порядка 10 и +1 порядка 11 интерференционной картины проецируются на экран 6.

Данное устройство работает следующим образом.

В процессе проведения испытаний при возникновении линейной h и (или) угловой составляющих перемещения поверхности 5 объекта контроля происходит изменение интенсивности оптического поля в максимумах -1 порядка 10 и +1 порядка 11 интерференционной картины, в том числе и в соответствующих их областях по месту установки выделенных групп 8 и 9 фотоприемников 7.

Фотоприемники 7 регистрируют интенсивность оптического поля, при этом результатами измерений являются значения интенсивностей, полученные от каждой из групп фотоприемников 7.

Системой регистрации, обработки и отображения результатов измерений производят регистрацию значений интенсивности от каждой из групп 8 и 9 фотоприемников 7 и производят их обработку.

Возможным вариантом обработки является, например, решение системы трансцендентных уравнений вида:

I₁( h, )=J₁,

I₂( h, )=J₂,

где I₁( h, ), I₂( h, ) - известные зависимости соответственно для максимумов -1 порядка 10 и +1 порядка 11, связывающие интенсивности соответственно с линейной h и угловой составляющих перемещения поверхности 5 объекта контроля; J₁, J₂ - значения интенсивности, измеренные каждой из групп 8 и 9 фотоприемников 7, установленных в соответствующих областях максимумов -1 порядка 10 и +1 порядка 11.

Результатом обработки являются значения линейной h и значение угловой составляющих перемещения поверхности 5 объекта контроля, одновременно удовлетворяющие обоим значениям интенсивности J ₁ и J₂.

Заявляемый способ, сохраняя положительные качества приведенных в описании способов-аналогов и способа-прототипа, отличается по сравнению с ними расширением функциональных возможностей при измерении малых перемещений поверхностей объектов контроля оптическими лазерными интерферометрами за счет одновременного измерения линейной и угловой составляющих малого перемещения и может быть использован в процессе высокоточных измерений малых линейных и угловых перемещений поверхностей объектов контроля при проведении экспериментальных исследований, оценке технического состояния и диагностике образцов конструкционных материалов, фрагментов перспективных изделий и изделий в целом, при регистрации акустико-эмиссионных процессов в твердых телах, исследовании быстропротекающих волновых процессов в слоистых конструкциях сложной формы, выполненных из анизотропных композиционных материалов, исследовании процессов дефектообразования в ленточных высокотемпературных сверхпроводниках и т.п. в машиностроении, судостроении, авиастроении, приборостроении, энергетике и т.д.