датчик линейных перемещений

Формула изобретения

ДАТЧИК ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, содержащий источник света и последовательно расположенные по ходу оптического излучения конденсор, пропускающую двухкоординатную дифракционную решетку, выполненную с двумя крестообразно расположенными системами штрихов так, что зона их пересечения образует форму квадрата, отражательную двухкоординатную дифракционную решетку, скрепляемую с объектом, собирающие линзы и фотоприемники, установленные соответственно в фокусе линз, отличающийся тем, что каждая из систем штрихов пропускающей решетки выполнена в виде центральной группы и попарно последовательно расположенных относительно нее четырех групп штрихов, сдвинутых симметрично относительно центральной группы соответственно на 1/8 и 3/8 части периода отражательной решетки и имеющих форму прямоугольника с размерами, равными половине квадрата, образованного зоной пересечения штрихов, линзы установлены соответственно за каждой из групп штрихов и выполнены в форме, аналогичной форме группы штрихов, а фотоприемники, расположенные за группами со сдвигом на 1/8 часть периода и за противолежащими группами со сдвигом на 3/8 части периода, включены встречно.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в многокоординатных измерительных приборах, измерительных координатных столах, мультипликаторах и в другом оборудовании для измерения линейных перемещений сразу по двумя координатам.

Известен датчик линейных перемещений, построенный на двухкоординатной дифракционной решетке, в котором для получения информации о перемещении используется интерференционная картина, возникающая при наложении пучков, дифрагировавших в разные порядки в своих координатных плоскостях. Для наложения световых пучков используется система зеркал. Недостатком этого технического решения является сложность юстировки датчика и необходимость применения монохроматического когерентного источника, обусловленная асимметрией оптической схемы (А.с.СССР N 721666, кл. G 01 B).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является датчик линейных перемещений (А.с.СССР N 1180685, кл. G 01 B 1/02, 16.09.82 г. ), содержащий источник света и последовательно расположенные по ходу оптического излучения конденсор, пропускающую двухкоординатную дифракционную решетку, выполненную с двумя крестообразно расположенными системами штрихов, так, что зона их пересечения образует форму квадрата, отражательную двухкоординатную дифракционную решетку, скрепляемую с объектом, собирающие линзы и фотоприемники, установленные, соответственно, в фокусе линз. Недостатком данного устройства является сложность регулировки фазового сдвига между квадратурными каналами по каждой координате и необходимость установки дополнительных фотоприемников для компенсации постоянной составляющей фотоэлектрического сигнала, снимаемого с фотоприемников, установленных в фокусах линз. Поскольку на дополнительные фотоприемники должен попадать немодулированный рассеянный свет, путь прохождения которого через оптическую систему будет отличным от пути света, создающего информационный сигнал, компенсация постоянной составляющей будет происходить неточно, что может вызвать сбои в работе датчика.

Предлагаемое техническое решение направлено на повышение надежности функционирования датчика.

Для этого в предлагаемом датчике каждая из систем штрихов пропускающей решетки выполнена в виде центральной группы и попарно последовательно расположенных относительно нее четырех групп штрихов, сдвинутых симметрично относительно центральной группы, соответственно, на 1/8 и 3/8 части периода отражательной решетки и имеющих форму прямоугольника с размерами, равными половине квадрата, образованного зоной пересечения штрихов, линзы установлены соответственно за каждой из групп штрихов и выполнены в форме, аналогичной форме группы штрихов, а фотоприемники, расположенные за группами со сдвигом на 1/8 часть периода и за противолежащими группами со сдвигом на 3/8 части периода, включены встречно.

Деление волнового фронта волн, интерферирующих в преобразователе, за счет создания в пределах ширины пучка, сформированного конденсором, двух зон, соответствующих двум боковым группам штрихов, позволяет получить от одного исходного пучка два фотоэлектрических сигнала, сдвиг фазы между которыми, обусловленный сдвигом групп штрихов, равен 90^о. Симметричная дифракция на пропускающей и отражательной решетках позволяет получить таким путем по четыре фотоэлектрических сигнала для каждого из координатных направлений. При этом сигналы, находящиеся в противофазе для каждого из координатных направлений, будут образованы лучами, дифрагировавшими из одной точки на отражательной решетке. Изменения постоянной составляющей, обусловленные изменением глубины штриха, дефектами, загрязнениями поверхности подвижной отражательной решетки будут для этих сигналов совершенно идентичными при ее перемещении и встречное включение соответствующих фотоприемников позволит добиться ее абсолютной компенсации.

Отсутствие колебаний уровня постоянной составляющей значительно уменьшает вероятность возникновения сбоев при работе датчика, что повышает его надежность. Помимо этого, за счет создания групп штрихов отпадает необходимость в дополнительном юстировочном элементе (клине), который служит для регулировки сдвига фаз межу каналами. Наличие такого элемента создает предпосылки для возникновения разъюстировки датчика в процессе эксплуатации и, следовательно, ведет к следующим за этим отказам. Необходимость использовать один общий элемент для регулировки фазового сдвига по двум независимым координатам приводит к невозможности достижения точного значения сдвига в 90^о для двух координат сразу, что также увеличивает вероятность сбоев. Пропускающая дифракционная решетка (как оригинал, так и реплика) с нанесенными на нее группами штрихов разъюстировкам в процессе эксплуатации не подвергаются.

На фиг.1 изображена оптическая схема предлагаемого датчика в аксонометрии; на фиг.2 схема расположения штрихов на неподвижной пропускающей решетке; на фиг.3 схема включения фотоприемников.

Устройство содержит источник 1 излучения и расположенные далее по ходу луча конденсор 2, неподвижную пропускающую дифракционную решетку 3 с группами 4-13 штрихов, подвижную отражательную дифракционную решетку 14, собирающие линзы 15-22 и фотоприемники 23-30.

В центральной зоне группы штрихов 6 и 11 пересекаются. Группы штрихов 5 и 7 сдвинуты относительно группы штрихов 6, а также группы штрихов 10 и 12 сдвинуты относительно группы штрихов 11 симметрично на 1/8 периода следования этих штрихов. Группы штрихов 4 и 8 сдвинуты относительно группы штрихов 6, а также группы штрихов 9 и 13 сдвинуты относительно группы 11 штрихов симметрично на 3/8 периода. Пары фотоприемников: 23 и 24, 24 и 26, 27 и 29, 28 и 30 включены встречно.

Датчик функционирует следующим образом.

Конденсор 2 формирует из лучей, распространяющихся от источника 1, параллельный пучок, который освещает зону пересечения групп штрихов 6 и 11 решетки 3. После дифракции на решетке 3 образуется набор пучков, дифрагировавших по двух координатным направлениям в различные дифракционные порядки, часть которых отражаясь от решетки 14 и дифрагируя на ней, попадает на группы штрихов 4-13 решетки 3 и повторно на ней дифрагирует. После повторной дифракции на решетке 3 пучки, дифрагировавшие в разные порядки от решетки 14 накладываются друг на друга и интерферируют. При перемещении решетки 14 относительно решетки 3 интерференция вызывает модуляцию светового потока, который регистрируется фотоприемниками 23-30. Сдвиг групп штрихов приводит к тому, что при модуляции фазы фотоэлектрических сигналов снимаемых с фотоприемников, оказывается различными. По отношению к центральной зоне, фазам этих сигналов можно приписать следующие значения: для фотоприемников 23 и 27 -135^о, для фотоприемников 24 и 28 -45^о, для фотоприемников 25 и 29 -45^о, и для фотоприемников 26 и 30 +135^о.

При попарном встречном включении фотоприемников в указанных парах образуется, для каждой измеряемой координаты, два сдвинутых на 90^о фотоэлектрических сигнала, не содержащих постоянной составляющей, которые пригодны для последующей обработки. По сравнению с техническим решением принятым за прототип, исключение постоянной составляющей из выходного сигнала производится путем вычитания сигналов, образованных пучками, отразившимися от одного и того же места отражательной дифракционной решетки. Это приводит к тому, что компенсация постоянной составляющей производится точнее и не оказывает влияния на работу последующих каскадов обработки сигнала.

При выделении групп штрихов, сдвинутых друг относительно друга, отпадает необходимость в наличии дополнительного оптического элемента (клина), служащего для настройки квадратурного сдвига между каналами. Сдвиг между группами штрихов может быть обеспечен при изготовлении решетки технологическим путем и затем точно воспроизведен при копировании большого количества реплик.