RU2309380C1 - Device for measuring small displacement of object - Google Patents

Abstract

FIELD: measuring technique.

SUBSTANCE: device comprises laser, three light-splitting prisms, and photodetecting unit. The light-splitting unit is made of the three light-splitting prisms mounted on the object so that the direction of three reflected laser beams are perpendicular to the initial direction of the laser beam. Two beams are oppositely directed and intersect the third beam at the right angle. The photodetecting unit is made of three unmovable two-coordinate photodetectors with high resolution arranged along the propagation of the reflected laser beam.

EFFECT: simplified structure and expanded functional capabilities.

1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения амплитуд вибраций, величины и скорости малых линейных и угловых перемещений объекта, а также его деформаций.The invention relates to measuring technique and can be used to measure the amplitudes of vibrations, the magnitude and speed of small linear and angular movements of the object, as well as its deformations.

Известно устройство для измерения линейных перемещений, содержащее лазер, два светоделителя, два интерферометра Фабри-Перо, две системы плоских зеркал и фотоприемник [А.с. №1256505 A1, G01В 9/02, публ. 1993].A device for measuring linear displacements containing a laser, two beam splitters, two Fabry-Perot interferometers, two systems of plane mirrors and a photodetector [A.S. No. 1256505 A1, G01В 9/02, publ. 1993].

Известен интерферометр для измерения углов поворота объекта, содержащий последовательно расположенные лазер и светоделитель излучения на два потока с расположенными в каждом из них уголковым отражателем, каждый из которых предназначен для скрепления с объектом, и фоторегистрирующий блок [А.с. №1290061 A1, G01В 9/02, публ. 1987].A known interferometer for measuring the rotation angles of an object, containing a sequentially located laser and a radiation beam splitter into two streams with an angular reflector located in each of them, each of which is designed for fastening with an object, and a photo-recording unit [A.S. No. 1290061 A1, G01B 9/02, publ. 1987].

Известен интерферометр для измерения линейных и угловых перемещений объекта, содержащий последовательно расположенный источник монохроматического излучения, светоделительный блок, оптически связанные с ним два уголковых отражателя и фотоэлектрический приемник [А.с. №1260674 A1, G01В 9/02, публ. 1986].Known interferometer for measuring linear and angular displacements of an object, containing a sequentially located source of monochromatic radiation, a beam splitting unit, two corner reflectors optically coupled to it, and a photoelectric receiver [A.S. No. 1260674 A1, G01B 9/02, publ. 1986].

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является интерферометр для измерения перемещений объекта, содержащий последовательно установленный лазер и светоделитель, делящий пучок на два, в одном из которых установлены фазовая пластина и уголковый отражатель, а в другом пучке установлены вторая фазовая пластина и уголковый отражатель, предназначенный для установки на объекте, и установленные на выходах интерферометра системы регистрации, каждая из которых выполнена в виде светоделителя и двух фотоприемников [А.с. №1779913 A1, G01В 11/16, публ. 1992].The closest in technical essence to the invention is an interferometer for measuring the displacement of an object, containing a sequentially mounted laser and a beam splitter dividing the beam into two, in one of which a phase plate and an angle reflector are installed, and in the other beam there is a second phase plate and an angle reflector designed for installation at the facility, and registration systems installed at the outputs of the interferometer, each of which is designed as a beam splitter and two photodetectors [A.S. No. 1779913 A1, G01В 11/16, publ. 1992].

Известные устройства отличаются сложностью и отсутствием возможности определения величины перемещений объекта одновременно по шести координатам.Known devices are complex and lack the ability to determine the magnitude of the movements of the object simultaneously in six coordinates.

Задача изобретения - упрощение конструкции устройства за счет упрощения светоделительного и фоторегистрирующего блока и их расположения, а также расширение измерительных возможностей устройства за счет увеличения числа измеряемых координат (до шести).The objective of the invention is to simplify the design of the device by simplifying the beam splitting and photo-recording unit and their location, as well as expanding the measuring capabilities of the device by increasing the number of measured coordinates (up to six).

Поставленная задача достигается устройством для измерения малых перемещений объекта, содержащим лазер, три светоделительные призмы и фоторегистрирующий блок, в котором, в отличие от прототипа, светоделительный блок представляет собой три совмещенные своими гранями светоделительные призмы, установленные на объекте таким образом, что направления трех отраженных лазерных пучков перпендикулярны первоначальному направлению лазерного пучка, причем два из них направлены в противоположные стороны и скрещиваются под прямым углом с третьим, а в качестве фоторегистрирующего блока используются три неподвижных двухкоординатных фотоприемника с высоким разрешением, расположенных на пути распространения отраженных лазерных пучков.The task is achieved by a device for measuring small displacements of an object containing a laser, three beam splitting prisms and a photo-recording unit, in which, unlike the prototype, the beam splitting block consists of three beam splitting prisms combined with their faces, mounted on the object in such a way that the directions of the three reflected laser beams are perpendicular to the original direction of the laser beam, and two of them are directed in opposite directions and are crossed at right angles with the third, and as a photo-recording unit, three stationary two-coordinate high-resolution photodetectors located on the propagation path of reflected laser beams are used.

Предложенное расположение элементов конструкции обеспечивает большую компактность путем сосредоточения всех светоделительных призм на объекте.The proposed arrangement of structural elements provides greater compactness by focusing all beam-splitting prisms on the object.

Двухкоординатные фотоприемники с высоким разрешением, которые позволяют измерять смещение оси лазерного пучка по двум координатам с высокой точностью, описаны в указанных источниках [Лазерные технологии контроля макрогеометрии // Промышленное оборудование. - 2004. - №5; Акимов В.М., Болтарь К.О., Лисейкин В.П. и др. Охлаждаемые МОП-мультиплексоры для ИК-матриц "смотрящего" типа // Прикладная физика. - 1999. - №3].Two-coordinate photodetectors with high resolution, which allow you to measure the offset of the axis of the laser beam in two coordinates with high accuracy, are described in the sources [Laser technology for macrogeometry control // Industrial equipment. - 2004. - No. 5; Akimov V.M., Boltar K.O., Liseikin V.P. et al. Cooled MOS multiplexers for IR "looking" type matrices // Applied Physics. - 1999. - No. 3].

Использование в предлагаемом устройстве двухкоординатных фотоприемников позволит упростить конструкцию за счет сокращения числа элементов, а также обеспечит возможность снимать показания об отклонении лазерного пучка по двум координатам. Данные об отклонениях трех отраженных пучков (шесть координат) позволят однозначно определить положение системы призм в пространстве.The use of two-coordinate photodetectors in the proposed device will simplify the design by reducing the number of elements, as well as provide the ability to take readings on the deviation of the laser beam in two coordinates. Data on the deviations of the three reflected beams (six coordinates) will allow us to uniquely determine the position of the prism system in space.

Существо изобретения поясняется чертежом, на котором представлен общий вид расположения элементов описываемого устройства.The invention is illustrated in the drawing, which shows a General view of the arrangement of elements of the described device.

Устройство для измерения малых перемещений объекта содержит последовательно установленные неподвижный лазер 1 и три светоделительные призмы 2, 3, 4, установленные на объекте таким образом, что направления трех отраженных лазерных пучков перпендикулярны первоначальному направлению лазерного пучка, причем два из них направлены в противоположные стороны и скрещиваются под прямым углом с третьим, а также три неподвижных двухкоординатных фотоприемника 5, 6, 7 с высоким пространственным разрешением, размещенных на пути распространения отраженных лазерных пучков.A device for measuring small displacements of an object contains a stationary laser 1 and three beam-splitting prisms 2, 3, 4 mounted on the object in such a way that the directions of the three reflected laser beams are perpendicular to the initial direction of the laser beam, two of which are directed in opposite directions and crossed at right angles to the third, as well as three stationary two-coordinate photodetectors 5, 6, 7 with high spatial resolution, placed on the propagation path of the reflection GOVERNMENTAL laser beams.

Измерение перемещений объекта с помощью предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.The measurement of the movements of the object using the proposed device is as follows.

Система светоделительных призм устанавливается на объекте. С помощью неподвижного лазера создается тонкий пучок излучения, который подается на систему светоделительных призм, установленных на объекте. Каждая из призм делит пучок на два. Отраженные лазерные пучки попадают на матрицы соответствующих неподвижных двухкоординатных фотоприемников, которые измеряют отклонение каждого лазерного пучка по двум координатам: Y₅, Z₅ - для фотоприемника 5, Y₆, Z₆ - для фотоприемника 6 и Х₇, Z₇ - для фотоприемника 7. По этим координатам можно определить перемещения (X, Y, Z - линейные вдоль соответствующих осей и а, b, с - повороты вокруг этих осей) системы светоделительных призм и связанного с ними объекта.A system of beam splitting prisms is installed at the facility. Using a stationary laser, a thin beam of radiation is created, which is fed to a system of beam splitting prisms mounted on the object. Each of the prisms divides the beam into two. Reflected laser beams fall on the matrices of the corresponding stationary two-axis photodetectors, which measure the deviation of each laser beam in two coordinates: Y ₅ , Z ₅ - for photodetector 5, Y ₆ , Z ₆ - for photodetector 6 and X ₇ , Z ₇ - for photodetector 7 Based on these coordinates, it is possible to determine the displacements (X, Y, Z - linear along the corresponding axes and a, b, c - rotations around these axes) of the system of beam splitting prisms and the object associated with them.

В случае отсутствия поворотов объекта формулы для определения смещений принимают простой вид:In the absence of object rotation, the formulas for determining the displacements take a simple form:

Х=(Z₅-Z₆)/2X = (Z ₅ -Z ₆ ) / 2

Y=(Z₅+Z₆)/2-Z₇ Y = (Z ₅ + Z ₆ ) / 2-Z ₇

Z=(Z₅+Z₆)/2Z = (Z ₅ + Z ₆ ) / 2

Итак, предлагаемое устройство отличается большей простотой конструкции по сравнению с аналогами и позволяет измерять малые перемещения объекта одновременно по шести координатам.So, the proposed device is more simplicity of design in comparison with analogues and allows you to measure small movements of the object simultaneously in six coordinates.

Claims (1)

Устройство для измерения малых перемещений объекта, содержащее лазер, три светоделительные призмы и фоторегистрирующий блок, отличающееся тем, что светоделительный блок представляет собой три совмещенные своими гранями светоделительные призмы, установленные на объекте таким образом, что направления трех отраженных лазерных пучков перпендикулярны первоначальному направлению лазерного пучка, причем два из них направлены в противоположные стороны и скрещиваются под прямым углом с третьим, а в качестве фоторегистрирующего блока используются три неподвижных двухкоординатных фотоприемника с высоким разрешением, расположенных на пути распространения отраженных лазерных пучков.A device for measuring small displacements of an object containing a laser, three beam-splitting prisms and a photo-recording unit, characterized in that the beam-splitting unit is three beam-splitting prisms aligned with their faces, mounted on the object in such a way that the directions of the three reflected laser beams are perpendicular to the original direction of the laser beam, moreover, two of them are directed in opposite directions and are crossed at right angles with the third, and as a photo-recording unit, form a three stationary XY photodetector with high resolution, disposed in the path of the reflected laser beams.