RU2534378C1 - Linear displacement transducer - Google Patents
Linear displacement transducer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2534378C1 RU2534378C1 RU2013121956/28A RU2013121956A RU2534378C1 RU 2534378 C1 RU2534378 C1 RU 2534378C1 RU 2013121956/28 A RU2013121956/28 A RU 2013121956/28A RU 2013121956 A RU2013121956 A RU 2013121956A RU 2534378 C1 RU2534378 C1 RU 2534378C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- measuring
- guide
- carriage
- indicator
- grating
- Prior art date
Links
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 230000000712 assembly Effects 0.000 claims description 2
- 238000000429 assembly Methods 0.000 claims description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 10
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 9
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 3
- 238000003491 array Methods 0.000 abstract 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 9
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 6
- 238000007514 turning Methods 0.000 description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 4
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 3
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000021615 conjugation Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Optical Transform (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к прецизионной измерительной технике и может быть использовано в различных отраслях: метрологии, приборостроении в отсчетных системах измерительных приборов, координатно-измерительных машинах и прецизионных станков, аэрокосмической промышленности, при обработке материалов, автоматизации, в робототехнике, в оптико-механической промышленности, а также во всех высокотехнологических отраслях техники, науки и т.п. The invention relates to precision measuring equipment and can be used in various industries: metrology, instrumentation in reading systems of measuring instruments, coordinate measuring machines and precision machines, aerospace industry, in the processing of materials, automation, in robotics, in the optical-mechanical industry, and also in all high-tech sectors of technology, science, etc.
Датчик линейных перемещений (ДЛП) - это устройство, содержащее две дифракционные решетки, из которых одна измерительная (Изм. Р.), жестко связанная с направляющей, а другая - индикаторная (Инд. Р.), каретку, содержащую источник излучения и матрицу фотоприемников для считывания информации при перемещении одной из решеток по направляющим. Каретка содержит средства для перемещения по направляющей, которые отслеживают ее поверхность. Отклонение от линейности поверхности направляющей вносит погрешность в величину перемещения, поэтому направляющая должна быть такой же точности обработки, которая соизмерима с точностью ДЛП.Linear displacement sensor (DLP) is a device containing two diffraction gratings, of which one measuring (Rev. R.), rigidly connected to the guide, and the other - indicator (Ind. R.), a carriage containing a radiation source and an array of photodetectors for reading information when moving one of the gratings along the guides. The carriage contains means for moving along a guide that track its surface. Deviation from the linearity of the surface of the guide introduces an error in the amount of displacement, therefore, the guide must be of the same machining accuracy that is comparable with the accuracy of the DLP.
К современным ДЛП предъявляются определенные требования:To modern DLP certain requirements are presented:
- высокая точность, которая связана с точностью Изм. Р. высокоточными направляющими, по которым перемещается Изм. Р., причем чем выше частота решеток, тем выше требования к точности их изготовления;- high accuracy, which is associated with the accuracy of Izm. R. high-precision guides along which Izm. R., and the higher the frequency of the gratings, the higher the requirements for the accuracy of their manufacture;
- высокая скорость считывания информации;- high speed of reading information;
- надежность и др.- reliability, etc.
Направляющая может быть:The guide may be:
1. - внешнего устройства, к примеру, микроскопа (УИМ-21, УИМ- 23, ДИП), станка, и т.д., к которым присоединяется датчик [1] (А.П. Комар и др. Полуавтоматическая установка для обмера голографических установок. Сборник трудов. Л., ч.1, 79-84, 1969);1. - an external device, for example, a microscope (UIM-21, UIM-23, DIP), a machine, etc., to which a sensor is attached [1] (A.P. Komar and others. Semi-automatic installation for measuring holographic installations. Collection of works. L., part 1, 79-84, 1969);
2. - внутренняя, к примеру, специально механическим способом обработанная какая-то внутренняя поверхность корпуса датчика [2] (Патент РФ №2032142);2. - internal, for example, specially machined some internal surface of the sensor housing [2] (RF Patent No. 2032142);
3. - автономная - жестко связанная с измерительной решеткой и относящаяся к самому датчику [3] (Патент РФ №2197713).3. - autonomous - rigidly connected with the measuring grid and related to the sensor itself [3] (RF Patent No. 2197713).
Несмотря на то что ДЛП по пп.2 и 3 конструктивно развязан с внешним устройством, и, следовательно, с его направляющей, точность ДЛП по прежнему будет зависеть от вновь введенной направляющей, в том числе от направляющей, жестко связанной с Изм. Р. [3] (Патент РФ №2197713). В этом конкретном случае используется высокоточная направляющая из Борского стекла, полученного на расплаве олова (линейность такой направляющей задается линейностью поверхности расплавленного олова с радиусом кривизны, равной радиусу Земли) и отклонением от линейности порядка 1,7 мкм/500 мм. У таких направляющих точность достаточно высокая и отсутствует необходимость механической обработки ее рабочей поверхности. Тем не менее, даже такая точность направляющей не удовлетворяет растущие потребности к точности ДЛП в области нанометров (сотые и тысячные доли микрона).Despite the fact that the DLP according to
Высокопрецизионные направляющие порядка 1 мкм/м, такие, которые соответствовали бы точности ДЛП на дифракционных решетках с высокой частотой 1000 лин/мм и выше, очень сложны в изготовлении, а точнее, достигнуть реально эту величину при больших размерах длин и перемещений (метра и более), практически невозможно. Если же речь идет о точности датчика в нанообласти, что соответствует требованиям науки и технологии в наше время, то пока это не реализуемо.High-precision guides of the order of 1 μm / m, such that would correspond to the accuracy of the DLP on diffraction gratings with a high frequency of 1000 lines / mm and higher, are very difficult to manufacture, or rather, to achieve this value in reality with large sizes of lengths and displacements (meters and more ), almost impossible. If we are talking about the accuracy of the sensor in the nano-region, which meets the requirements of science and technology in our time, then this is not feasible.
Поэтому вопрос стоит не о создании ультрапрецизионных направляющих, а о создании устройств ДЛП, позволяющих исключить влияние направляющих на величину перемещения.Therefore, the question is not about creating ultra-precision guides, but about creating DLP devices that can eliminate the influence of guides on the amount of displacement.
Решение этого вопроса очень важно, особенно при серийном производстве ДЛП, которое необходимо науке и промышленности, поскольку на каждом измерительном приборе, микроскопе, станке, и т.д., обязательно присутствуют измерительные системы. Это приводит не только к улучшению характеристик самого ДЛП, но и к экономической выгоде, т.к. каждая точно изготовленная деталь увеличивает срок службы любого изделия, в которое она встраивается. Более того, в настоящее время уже перешли к созданию ультрапрецизионных станков, в которых обязательно должны присутствовать измерительные системы линейные или радиальные с наноразрешением.The solution to this issue is very important, especially in the serial production of DLP, which is necessary for science and industry, since measurement systems are necessarily present on every measuring device, microscope, machine tool, etc. This leads not only to an improvement in the characteristics of the DLP itself, but also to economic benefits, because Each precisely crafted part extends the life of any product into which it is embedded. Moreover, at present, they have already begun to create ultra-precision machines, which must necessarily contain linear or radial measuring systems with nano-resolution.
Таким образом, можно рассматривать только два варианта:Thus, only two options can be considered:
1 - вариант: необходимо найти способ для уменьшения отклонения от линейности поверхности направляющей и создания ультралинейных направляющих с отклонением микрона и менее на метр, что сейчас практически невозможно;1 - option: it is necessary to find a way to reduce the deviation from the linearity of the guide surface and create ultra-linear guides with a deviation of microns or less per meter, which is almost impossible now;
2 - вариант: создать такую конструкцию ДЛП, чтобы исключить влияние направляющей на точность датчика, что является целью предлагаемого изобретения.2 - option: to create such a design of DLP, in order to exclude the influence of the guide on the accuracy of the sensor, which is the aim of the invention.
Известно устройство [4] (АС №242413), содержащее большую измерительную решетку и малую индикаторную дифракционную решетку (Изм. Р. и Инд. Р.), каретку, содержащую источник света и фотоприемное устройство в виде матрицы фототранзисторов, причем для повышения надежности и упрощения конструкции фототранзисторы размещены в поворотном барабане, в углах параллелограмма, стороны которого описываются линиями, соединяющими центры пересечения осей фототранзисторов, причем расстояние между указанными осями равно четверти ширины малой дифракционной решетки, что обеспечивает сдвиг по фазе на 90° между сигналами фототранзисторов.A device [4] (AS No. 242413) is known that contains a large measuring grating and a small indicator diffraction grating (Rev. R. and Ind. R.), a carriage containing a light source and a photodetector in the form of a matrix of phototransistors, moreover, to increase reliability and simplification of the design, phototransistors are placed in the rotary drum, in the corners of the parallelogram, the sides of which are described by lines connecting the centers of intersection of the axes of the phototransistors, the distance between these axes being equal to a quarter of the width of the small diffraction p gratings, which provides a 90 ° phase shift between the signals of the phototransistors.
Устройство работает следующим образом. После прохождения света двух согласованных по частоте решеток, на их выходе формируются интерференционные полосы, которые смещаются в поле фототранзисторов синхронно с перемещением измерительной решетки. Фототранзисторы, размещенные в поворотном барабане в углах параллелограмма и обеспечивающие сдвиг по фазе на 90° между сигналами, преобразуют интенсивность интерференционных полос в электрический сигнал, однозначно характеризующий измеряемое перемещение.The device operates as follows. After the light passes through two frequency-matched gratings, interference bands are formed at their output, which are shifted in the field of phototransistors synchronously with the movement of the measuring grating. Phototransistors placed in the rotary drum at the angles of the parallelogram and providing a phase shift of 90 ° between the signals convert the intensity of the interference fringes into an electrical signal that uniquely characterizes the measured displacement.
Это устройство, несмотря на то что упрощается конструкция, обладает недостатками, связанными с тем, что фототранзисторы расположены таким образом, что они измеряют не только полезный сигнал, связанный с перемещением Изм. Р., но и сигнал, обусловленный перемещением этой решетки по неточным направляющим. Таким образом, это устройство не позволяет устранить ошибки, связанные с погрешностями измерений, внесенными перемещением одной из решеток по неточным направляющим. Кроме того, при таком расположении фототранзисторы не одинаково освещены источником света, что приводит к разным отношениям сигнал/шум, а следовательно, и к разным значениям вероятности ошибки при измерениях.This device, despite the fact that the design is simplified, has the disadvantages associated with the fact that the phototransistors are arranged in such a way that they measure not only the useful signal associated with the movement of Izm. R., but also a signal due to the movement of this lattice along inaccurate guides. Thus, this device does not allow to eliminate errors associated with measurement errors introduced by the movement of one of the gratings along inaccurate guides. In addition, with this arrangement, the phototransistors are not equally illuminated by the light source, which leads to different signal-to-noise ratios and, consequently, to different values of the error probability during measurements.
Известно техническое решение [5] (Патент РФ №2426972), содержащее измерительную дифракционную решетку, считывающую головку, включающую источник излучения, коллиматор, индикаторную решетку, матрицу фотоприемников, две группы опорных подшипников, жестко связанных с индикаторной решеткой, для перемещения считывающей головки относительно измерительной решетки и две группы магнитов и стеклянную направляющую.A technical solution is known [5] (RF Patent No. 2426972), comprising a measuring diffraction grating, a read head, including a radiation source, a collimator, an indicator grating, a photodetector array, two groups of thrust bearings rigidly connected to the indicator grating for moving the read head relative to the measuring gratings and two groups of magnets and a glass guide.
Устройство работает следующим образом. При перемещении считывающей головки во время определения линейных размеров объекта индикаторная решетка смещается относительно измерительной дифракционной решетки.The device operates as follows. When moving the read head while determining the linear dimensions of the object, the indicator grating shifts relative to the measuring diffraction grating.
Пучок излучения, генерируемый источником излучения и формируемый коллиматором, проходит через индикаторную и измерительную дифракционную решетки. В поле интерференционных полос, образующихся за решетками, устанавливается матрица фотоприемников, которая преобразует распределение интенсивности интерференционных полос в электрические сигналы. При смещении считывающей головки во время определения линейного размера объекта, индикаторная решетка смещается относительно измерительной дифракционной решетки и на выходах матрицы фотоприемников формируются переменные электрические сигналы, сдвинутые по фазе на 90°. Эти сигналы поступают затем в блок электроники и с помощью компаратора создаются счетные импульсы, по которым определяется линейный размер объекта. Однако данное устройство обладает недостатками, и они связаны с тем, что его точность зависит уже от своей собственной, автономной направляющей. Эта направляющая не несет на себе нагрузку других внешних узлов, как внешняя направляющая, в том числе и тяжелых и сложных (как в случае станков) и может быть изготовлена более легкой и более точной. Однако даже в этом случае, поскольку направляющая изготавливается механическим путем, то ей также присущи недостатки, связанные с неточностью ее изготовления и приводящие к погрешностям, влияющим на точность ДЛП. Поскольку к считывающей головке прикреплены подшипники, находящиеся в непосредственном контакте с поверхностью собственной направляющей, то они во время перемещения полностью отслеживают дефекты, связанные с ее нелинейностью, и вносят погрешность в точность ДЛП при считывания перемещения.The radiation beam generated by the radiation source and formed by the collimator passes through the indicator and measuring diffraction gratings. An array of photodetectors is installed in the field of interference fringes formed behind the gratings, which converts the intensity distribution of the interference fringes into electrical signals. When the read head is displaced during the determination of the linear size of the object, the indicator grating is shifted relative to the measuring diffraction grating and variable electrical signals are generated at the outputs of the photodetector array, phase shifted by 90 °. These signals then enter the electronics unit and, using the comparator, counting pulses are created, which determine the linear size of the object. However, this device has drawbacks, and they are associated with the fact that its accuracy already depends on its own, autonomous guide. This guide does not bear the load of other external nodes, like an external guide, including heavy and complex ones (as in the case of machine tools) and can be made lighter and more accurate. However, even in this case, since the guide is made mechanically, it also has inherent disadvantages associated with the inaccuracy of its manufacture and leading to errors that affect the accuracy of the DLP. Since the bearings are in direct contact with the surface of their own guide rail, they are attached to the read head, they completely monitor defects associated with its non-linearity during movement and introduce an error in the accuracy of the BLC when reading the movement.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство [6] (АС №1206609), по сути представляющее собой ДЛП для измерения перемещений и длин объектов, содержащее направляющую, измерительную дифракционную решетку (Изм. Р.), жестко связанную с направляющей, каретку с установленными на ней узлом излучателя, оправу с индикаторной дифракционной решеткой с возможностью перемещения вдоль поверхности измерительной дифракционной решетки и средствами для поворота индикаторной дифракционной решетки вокруг трех взаимно перпендикулярных осей и для ее поступательного перемещения в направлении, перпендикулярном к плоскости измерительной дифракционной решетки и фотоприемника. Средства для поворота индикаторной решетки обеспечивают муаровое и нониусное сопряжение.Closest to the claimed technical solution is the device [6] (AS No. 1206609), which essentially is a DLP for measuring the displacements and lengths of objects, containing a guide, a measuring diffraction grating (Rev. R.), rigidly connected to the guide, a carriage with installed on it a radiator assembly, a frame with an indicator diffraction grating with the ability to move along the surface of the measuring diffraction grating and means for rotating the indicator diffraction grating around three mutually perpendicular axes and for its translational movement in a direction perpendicular to the plane of the measuring diffraction grating and photodetector. Means for turning the indicator grid provide moire and vernier pairing.
Устройство работает следующим образом. После настройки штрихов решеток параллельно друг относительно друга с помощью оправы, содержащей средства для поворота штрихов Инд. Р.относительно штрихов Изм. Р. и получения муарового сопряжения (муаровые полосы в первом приближении перпендикулярны направлению штрихов решеток и желательно получать их как можно шире), а также после настройки Инд. Р. с целью получения соответствующего нониусного сопряжения (нониусные полосы параллельно штрихам решеток) и создания необходимого постоянного зазора между решетками в ходе всего диапазона перемещений, устройство готово к работе. Коллимированный свет, генерируемый источником излучения, жестко связанным с кареткой, падает на индикаторную и измерительную решетки. В поле интерференционных полос, образующихся за решетками, устанавливается фотоприемник. При определении линейного размера объекта Инд. Р. смещается относительно измерительной и на выходе фотоприемника формируются переменные электрические сигналы, сдвинутые по фазе на 90°. Эти сигналы поступают затем в блок электроники, где с помощью компаратора формируются счетные импульсы, по которым определяется линейный размер объекта или перемещения. Снабжение данного устройства средствами для поворота и перемещения индикаторной решетки позволяет повысить точность измерений за счет уменьшения погрешности, обусловленной лучшей фиксацией элементов устройства, приводящей к меньшим разбросам параметров устройства, к увеличению контраста интерференционного поля и уменьшения искажения формы интерференционных полос, в поле которых устанавливается фотоприемник.The device operates as follows. After adjusting the strokes of the gratings in parallel relative to each other using a frame containing means for rotating strokes Indus. R. regarding strokes R. and obtaining moire pairing (moire bands in the first approximation are perpendicular to the direction of the strokes of the gratings and it is desirable to get them as wide as possible), as well as after setting Indus. R. in order to obtain the corresponding vernier conjugation (vernier stripes parallel to the gratings of the gratings) and create the necessary constant gap between the gratings during the entire range of movements, the device is ready for use. The collimated light generated by the radiation source, rigidly connected with the carriage, falls on the indicator and measuring gratings. A photodetector is installed in the field of interference fringes formed behind the gratings. When determining the linear size of the object Ind. The R. is shifted relative to the measuring one and at the output of the photodetector, alternating electrical signals are formed, shifted in phase by 90 °. These signals then enter the electronics unit, where counting pulses are formed using the comparator, which determines the linear size of the object or movement. The supply of this device with means for turning and moving the indicator grating allows to increase the accuracy of measurements by reducing the error due to better fixation of the elements of the device, which leads to less variation in the parameters of the device, to increasing the contrast of the interference field and reducing the distortion of the shape of interference fringes in the field of which the photodetector is installed.
Устройство обладает следующими недостатками: несмотря на то что оно содержит узлы, необходимые для первоначальной настройки взаимного параллельного расположения штрихов двух решеток - Изм. Р. и Инд. Р. - это устройство не позволяет устранить ошибки, связанные с погрешностями измерений, внесенными перемещением одной из решеток по неточным направляющим ДЛП или внешнего устройства, к которому каретка прикрепляется. При перемещении по неточным направляющим установленный первоначально период муаровых полос не сохраняется, так как оправа с фиксированной в ней индикаторной решеткой будет повторять неровность направляющей, что обязательно приведет к изменению угла ее штрихов относительно штрихов Изм. Р. и, соответственно, к переменному периоду муаровых полос, а это, в свою очередь, приведет к погрешности при считывании перемещения. Поэтому данное устройство не может быть использовано при измерении перемещений с высоким, а тем более ультравысоким разрешением.The device has the following disadvantages: despite the fact that it contains the nodes necessary for the initial setup of the mutual parallel arrangement of the strokes of the two gratings - Izm. R. and Indus. R. - this device does not allow to eliminate errors associated with measurement errors introduced by the movement of one of the gratings along inaccurate guides of the DLP or an external device to which the carriage is attached. When moving along inaccurate guides, the initial moire band period is not saved, since the frame with the indicator grid fixed in it will repeat the unevenness of the guide, which will necessarily lead to a change in the angle of its strokes relative to the strokes of Izm. R. and, accordingly, to a variable period of moire bands, and this, in turn, will lead to an error in reading the movement. Therefore, this device cannot be used when measuring displacements with high, and even more ultra-high resolution.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка датчика линейных перемещений, конструктивные характеристики которого позволяют не только уменьшить, но и исключить погрешность, вносимую направляющей, обладающей нелинейностью в направлении перемещения.The technical task of the invention is the development of a linear displacement sensor, the design characteristics of which can not only reduce, but also eliminate the error introduced by the guide, which has non-linearity in the direction of movement.
Поставленная задача достигается тем, что в заявляемом устройстве ДЛП, содержащем направляющую, измерительную дифракционную решетку, жестко связанную с направляющей, каретку с установленными на ней узлом излучателя, оправой с индикаторной дифракционной решеткой с возможностью перемещения вдоль поверхности измерительной дифракционной решетки и средствами для поворота индикаторной решетки вокруг трех взаимно перпендикулярных осей и для ее поступательного перемещения в направлении, перпендикулярном к плоскости измерительной дифракционной решетки и фотоприемника новым является то, что в каретке за измерительной решеткой по другую сторону от источника излучения дополнительно введена оправа, жестко связанная с кареткой, содержащая узел фотоприемников в количестве не менее двух, причем фотоприемники расположены на линии, параллельной оси измерительной решетки и перпендикулярной биссектрисе углов между штрихами измерительной и индикаторной решеток, и дополнительная оправа снабжена средствами для поворота узла фотоприемников в виде штифта и двух регулирующих винтов относительно оси измерительной дифракционной решетки и перпендикуляра к биссектрисе углов между штрихам измерительной и индикаторной решеток, причем штифт расположен на линии, на которой установлены фотоприемники с одной их стороны, а два независимо регулирующих винта расположены на одной прямой, перпендикулярной линии, на которой расположены фотоприемники, и симметрично относительно ее, с другой стороны и оправы закреплены в каретке независимо друг от друга.The problem is achieved in that in the inventive device DLP containing a guide, a measuring diffraction grating, rigidly connected to the guide, a carriage with a radiator assembly mounted on it, a frame with an indicator diffraction grating with the ability to move along the surface of the measuring diffraction grating and means for rotating the indicator grating around three mutually perpendicular axes and for its translational movement in a direction perpendicular to the plane of the measuring diffraction A new grating and photodetector is that in the carriage behind the measuring grate, on the other side of the radiation source, an additional frame is introduced that is rigidly connected to the carriage and containing at least two photodetector assemblies, the photodetectors being located on a line parallel to the axis of the measuring grating and perpendicular the bisector of the angles between the strokes of the measuring and indicator gratings, and the additional frame is equipped with means for rotating the photodetector assembly in the form of a pin and two adjusting screws relative to the axis of the measuring diffraction grating and the perpendicular to the bisector of the angles between the strokes of the measuring and indicator gratings, and the pin is located on the line on which the photodetectors are installed on one side, and two independently adjusting screws are located on one straight, perpendicular line on which the photodetectors are located, and symmetrically about it, on the other hand, and the frames are fixed in the carriage independently of each other.
На фиг.1 показано взаимное расположение нониусных и муаровых полос, где каждая синусоида соответствует периоду штриха Изм. Р., а также расположению ФП и разности фаз ΔφН в поле нониусных полос (ось ОХ) и разности фаз ΔφМ в поле муаровых полос (ось OY).Figure 1 shows the relative position of the vernier and moire bands, where each sinusoid corresponds to the stroke period of Izm. R., as well as the location of the phase transition and the phase difference Δφ N in the field of vernier bands (axis OX) and the phase difference Δφ M in the field of moire bands (axis OY).
На фиг.2 изображен конкретный пример конструктивного решения предлагаемого устройства датчика линейных перемещений (ДЛП) для измерения линейных размеров объектов и линейных перемещений. Устройство содержит: направляющую 1, измерительную дифракционную решетку 2, жестко связанную с направляющей 1, каретку 3 с оправой 4 и установленными в ней узлами излучателя 5, зеркало 6 и индикаторной решеткой 7. В каретке 3 за измерительной решеткой, по другую сторону источника излучения, установлена дополнительная оправа 8, в которой расположен узел 9 с фотоприемниками (ФП) 10 и средства для поворота узла фотоприемников: штифт 11 и два регулирующих винта 12 и 13. Устройство работает следующим образом.Figure 2 shows a specific example of a structural solution of the proposed device of the linear displacement sensor (DLP) for measuring the linear dimensions of objects and linear displacements. The device comprises: a guide 1, a measuring
Собирается ДЛП согласно фиг.2. Коллимированный свет, генерируемый источником излучения 5, жестко связанным с оправой 4, падает на индикаторную 7 и измерительную 2 решетки. С помощью средств для поворота индикаторной решетки оправы 4 настраивается интерференционное поле за решетками. Первоначально можно выбирать любой период муаровой полосы (вплоть до бесконечной ширины d=∞) с помощью оправы 4 устройства ДЛП, обладающей средствами для поворота индикаторной дифракционной решетки вокруг трех взаимно перпендикулярных осей, и тем самым установить штрихи двух решеток Изм. Р. и Инд. Р. параллельно друг друга, т.е., позволяющей настроиться на разные периоды, в том числе и бесконечный. Выбираем бесконечный период муаровых полос (при этом угол между штрихами двух решеток практически равняется нулю), а интерференционное поле за решетками будет темным или светлым. После полной настройки ДЛП точность, с которой настраивается бесконечная муаровая полоса, не будет иметь никакого значения, так как исчезнет вообще зависимость ДЛП от периода муаровой полосы. Далее с помощью соответствующих средств оправы 4 настраиваются также и нониусные (параллельные штрихам измерительной решетки) полосы. Нониусные полосы настраиваются определенным образом, чтобы при их попадании в апертуре ФП-ов 10 можно было обеспечить следующие сдвиги фаз на ФП: ΔФnАВ=90°; ΔФnСD=90°; ΔФnАС=180°; ΔФnВD=180° (фиг.1). Далее, каретка 3 с индикаторной решеткой 7 перемещается вдоль направляющей на всю длину необходимого перемещения. При этом, поскольку каретка 3 вместе с индикаторной решеткой 7, жестко с ней связанной, будет отслеживать отклонение от линейности (неровности) направляющей, приводящее к изменению угла между штрихами решеток, будет наблюдаться изменение периода муаровых полос, которые из бесконечной величины перейдут в конечную величину. Причем, чем хуже качество направляющих, тем больше их отклонение от линейности, тем больше будет частота муаровых полос и тем меньше величина их периода. Период этих полос запоминается, так как это будет необходимо при настройке ФП на линии, параллельной оси Изм. Р. и муаровым полосам с помощью дополнительного устройства - голографического интерферометра (ГИ). Каретка 3 возвращается в первоначальное состояние, снимается с нее оправа со средствами для поворота индикаторной решетки и ДЛП с кареткой 3 и измерительной решеткой 2 устанавливается в выходной апертуре двухлучевого голографического интерферометра (ГИ) [7] (Патент РФ №1052095), где установлена каретка (ГИ) 31, имеющая возможность поворота в плоскости штрихов измерительной решетки. Это устройство (ГИ) используется для настройки фотоприемников ДЛП по следующим причинам: - устройство ГИ может заменить на время настройки ДЛП оправу 4 с установленными в ней узлами излучателя 5, зеркала 6 и индикаторной решеткой 7, а также средства для поворота индикаторной дифракционной решетки вокруг трех взаимно перпендикулярных осей и для ее поступательного перемещения в направлении, перпендикулярном к плоскости измерительной дифракционной решетки. Вместо излучателя ДЛП используется лазер интерферометра, вместо Инд. Р. используется интерференционное поле интерферометра, в выходной апертуре которого имеются интерференционные линии, пересекающие тот же участок Изм. Р., который ранее взаимодействовал с дифрагирующими лучами от Инд. Р. Вместо средств для поворота Инд. Р. в ДЛП используются идентичные средства подвижной каретки ГИ. Таким образом, оправа 4 ДЛП полностью заменена на ГИ, при этом каретка 3 ДЛП жестко закреплена с кареткой 31 ГИ. Кроме того, для получения необходимого, вышеуказанного периода нониусных полос, соответствующих указанных ΔФn для считывания перемещения, ГИ имеет возможность менять частоту своих интерференционных линий для правильного сопряжения со штрихами Изм. Р. датчика;Going DLP according to figure 2. The collimated light generated by the radiation source 5, rigidly connected with the frame 4, falls on the indicator 7 and the measuring 2 gratings. Using means for rotating the indicator grid of the frame 4, the interference field behind the gratings is adjusted. Initially, you can choose any period of the moire band (up to an infinite width d = ∞) using the rim 4 of the DLP device, which has the means to rotate the indicator diffraction grating around three mutually perpendicular axes, and thereby establish the strokes of the two gratings Izm. R. and Indus. R. parallel to each other, i.e., allowing you to tune in to different periods, including infinite. We choose an infinite period of moire stripes (the angle between the strokes of the two gratings is almost zero), and the interference field behind the gratings will be dark or light. After full adjustment of the DLP, the accuracy with which the infinite moire band is tuned will not matter, since the dependence of the DLP on the period of the moire band will disappear altogether. Further, using the appropriate means of the rim 4, nonius (parallel to the strokes of the measuring grating) strips are also configured. The vernier bands are tuned in a certain way, so that when they enter the aperture of the FPs 10, it is possible to provide the following phase shifts in the FP: ΔФnАВ = 90 °; ΔФnСD = 90 °; ΔFnAC = 180 °; ΔFnBD = 180 ° (Fig. 1). Further, the carriage 3 with the indicator grid 7 moves along the guide along the entire length of the required movement. Moreover, since the carriage 3, together with the indicator grating 7, rigidly connected with it, will track the deviation from the linearity (unevenness) of the guide, leading to a change in the angle between the strokes of the gratings, a change in the period of the moire stripes will be observed, which will go from an infinite value to a final value . Moreover, the worse the quality of the guides, the greater their deviation from linearity, the greater the frequency of the moire bands and the smaller the magnitude of their period. The period of these bands is remembered, since this will be necessary when adjusting the phase transition on a line parallel to the Izm axis. R. and moire stripes using an additional device - a holographic interferometer (GI). The carriage 3 is returned to its original state, the frame is removed from it with the means for turning the indicator grating and the DLP with the carriage 3 and the measuring grating 2 installed in the output aperture of a two-beam holographic interferometer (HI) [7] (RF Patent No. 1052095), where the carriage is installed ( GI) 31, with the ability to rotate in the plane of the strokes of the measuring grid. This device (GI) is used to configure DLP photodetectors for the following reasons: - the GI device can replace the frame 4 with the emitter 5, mirror 6 and indicator grating 7 units installed in it for the time of DLP setup, and also means for rotating the indicator grating around three mutually perpendicular axes and for its translational movement in a direction perpendicular to the plane of the measuring diffraction grating. Instead of a DLP emitter, an interferometer laser is used, instead of Indus. The R. uses the interference field of the interferometer, in the output aperture of which there are interference lines crossing the same section of Izm. R., which previously interacted with diffracting rays from Indus. R. Instead of means for turning Indus. R. in DLP identical means of the movable carriage GI are used. Thus, the DLP frame 4 is completely replaced by a GUI, while the DLP carriage 3 is rigidly fixed to the GUI carriage 31. In addition, to obtain the necessary, the above period of vernier bands corresponding to the specified ΔФn for reading the movement, the GI has the ability to change the frequency of its interference lines for the correct pairing with strokes Izm. R. sensor;
- устройство ГИ имеет рекордное разрешение порядка 2,6 нанометра и, потому, ФП, расположенные за измерительной решеткой, по другую сторону от источника излучения, в выходной апертуре ГИ могут регистрировать Δφ с такой же высокой точностью, которой обладает ГИ (2,6 нм), благодаря динамической модуляции светового потока в одном из плеч ГИ.- the GI device has a record resolution of the order of 2.6 nanometers and, therefore, phase transitions located behind the measuring lattice, on the other side of the radiation source, in the output aperture of the GI can record Δφ with the same high accuracy that the GI has (2.6 nm ), due to the dynamic modulation of the light flux in one of the arms of the GI.
Выше указанные обстоятельства позволяют в дальнейшем осуществлять поворот линии, на которой установлены ФП 10 ДЛП с высокой точностью.The above circumstances allow further rotation of the line on which the FP 10 DLP is installed with high accuracy.
Точность ДЛП зависит от совпадения этой линии с осью Изм. Р. и направлению перемещения, совпадающей с осью ОХ, что и достигается в предлагаемом изобретении.The accuracy of the DLP depends on the coincidence of this line with the axis of Izm. R. and the direction of movement, coinciding with the axis OX, which is achieved in the present invention.
Настройка осуществляется в статическом режиме, т.е. без перемещения вдоль оси Изм. Р. и начинается с того, что поворачивают каретку 31 ГИ в плоскости расположения штрихов Изм. Р. и линий ГИ, изменяя угол между ними до получения наименьшего периода муаровых полос, ранее найденного и запомненного и, соответствующего наибольшего отклонения от линейности направляющей ДЛП во время перемещения каретки 3 ДЛП по его направляющей. При изменении угла между штрихами Изм. Р. и линиями интерференционного поля ГИ можно наблюдать изменения значений ΔФn, что связано с зависимостью ΔФn от ΔФМ, иначе говоря, это связано с зависимостью величины перемещения, как функции ΔФn от точности изготовления направляющих. После этого поворачивают узел дополнительной оправы 8, содержащей штифт 11 и винты 12 и 13 таким образом, чтобы восстановить первоначальные значения разности фаз ΔФn: ΔФnАВ=90°; ΔФnСD=90°; ΔФnАС=180° и ΔФnВD=180°. Именно эти значения ΔФn правильно определяют величину перемещения ДЛП. Повторяется эта процедура несколько раз для проверки постоянства значений разности фаз ΔФn и уточнения положения ФП, после чего узел с ФП фиксируется винтами 12 и 13. Если значения ΔФn остаются неизменными (постоянными) при разных периодах муаровых полос, макетируемых при повороте каретки 31 ГИ, это позволяет сделать вывод, что ΔФn=const., а ΔФМ=0 в любой паре ФП: ΔФМА'В'=0, ΔФМС'D'=0, ΔФМА'С'=0, ΔФМВ'D'=0, вне зависимости от периода муаровых полос и, тем самым, это позволяет сделать вывод об исключении влияния качества направляющих на точность ДЛП. На фиг.1 видно, что при соответствующем повороте узла с ФП проекция на ось OY линии, на которой установлены ФП, превращается в точку и ΔФм=0. После настройки узла с ФП на ГИ, ДЛП открепляется от каретки 31 ГИ, к нему прикрепляется оправа 4 со своими узлами 5, 6 и индикаторной решеткой 7.The setting is carried out in static mode, i.e. without moving along the axis R. and begins by turning the carriage 31 GI in the plane of the arrangement of strokes Izm. R. and GI lines, changing the angle between them to obtain the smallest period of moire stripes, previously found and remembered and corresponding to the largest deviation from linearity of the DLP guide while moving the carriage 3 of the DLP along its guide. When changing the angle between strokes R. and lines of the interference field of the GI, you can observe changes in ΔФn values, which is associated with the dependence of ΔFn on ΔF M , in other words, this is due to the dependence of the displacement, as a function of ΔF n on the accuracy of the manufacture of guides. After that, turn the node of the additional frame 8, containing the pin 11 and the screws 12 and 13 so as to restore the original values of the phase difference ΔFn: ΔFnAB = 90 °; ΔФnСD = 90 °; ΔФnАС = 180 ° and ΔФnВD = 180 °. It is these values of ΔФn that correctly determine the amount of displacement of the DLP. This procedure is repeated several times to check the constancy of the values of the phase difference ΔФn and to clarify the position of the phase transition, after which the node with the phase transition is fixed with screws 12 and 13. If the values of ΔΦn remain unchanged (constant) for different periods of the moire fringes, mocked up when turning the carriage 31 GI, this allows us to conclude that ΔФn = const., and ΔФ М = 0 in any pair of phase transitions: ΔФ МА'В ' = 0, ΔФ МС'D' = 0, ΔФ МА'С ' = 0, ΔФ МС'D' = 0, regardless of the period of the moire bands and, thus, this allows us to conclude that the influence of the quality of the guides on the accuracy of the BLC is excluded. Figure 1 shows that with a corresponding rotation of the node with the phase transition, the projection onto the axis OY of the line on which the phase transitions are installed turns into a point and ΔFm = 0. After setting up the node from the FP to the GI, the DLP is detached from the carriage 31 of the GI, a frame 4 is attached to it with its nodes 5, 6 and indicator grid 7.
Для удобства, в начале работы датчика первоначально устанавливаются бесконечные муаровые полосы. В дальнейшем ФП сохраняют свои значения ΔФn с большой точностью на протяжении всего перемещения ДЛП. После этого ДЛП готов к работе.For convenience, at the beginning of the sensor's operation, endless moire stripes are initially set. Subsequently, the phase transitions retain their ΔФn values with great accuracy throughout the entire displacement of the birefringence. After that, the DLP is ready to go.
Таким образом, данное устройство ДЛП обеспечивает высокоточную работоспособность датчика во время линейного перемещения на всем протяжении его измерения, независимо от качества направляющего устройства ДЛП и позволяет:Thus, this DLP device provides high-precision operability of the sensor during linear movement throughout its measurement, regardless of the quality of the DLP guide device and allows:
- повысить точность при измерении перемещения с помощью ДЛП,- improve accuracy when measuring displacement using DLP,
- осуществить перемещение Изм. Р. по неточным направляющим, не теряя точность ДЛП,- carry out the movement R. along inaccurate guides, without losing the accuracy of the DLP,
- получить экономическую выгоду от изготовления с помощью ДЛП более точных деталей, изделий, увеличивая их ресурс или при измерениях истинных значений длин или перемещений, независимо от недостатков устройств (неточных направляющих), к которым они пристроены.- to obtain economic benefits from the manufacture using DLP of more accurate parts, products, increasing their life or when measuring the true values of lengths or displacements, regardless of the disadvantages of the devices (inaccurate guides) to which they are attached.
ЛитератураLiterature
/1/ - Полуавтоматическая установка для обмера топографических установок, Сборник трудов, Л., часть I, 79-84, 1969. А.П. Комар, А.Ф. Найденков, М.В. Стабников, Б.Г. Турухано, Н. Турухано./ 1 / - Semi-automatic installation for measuring topographic installations, Collection of works, L., part I, 79-84, 1969. A.P. Komar, A.F. Naydenkov, M.V. Stabnikov B.G. Turukhan, N. Turukhan.
/2/ - Измерительная микрометрическая головка «ТУ БОР». Патент РФ №2032142, пр. 19.03.1992. Турухано Б.Г., Турухано Н., Якутович В.Н./ 2 / - Measuring micrometer head "TU BOR". RF patent No. 2032142, March 19, 1992. Turukhano B.G., Turukhano N., Yakutovich V.N.
/3/ - Датчик линейных перемещений. Б.Г. Турухано, Н. Турухано. Патент РФ №2197713, пр. 07.08.2000 г./ 3 / - Linear displacement sensor. B.G. Turukhan, N. Turukhan. RF patent No. 2197713, etc. 07.08.2000
/4/ - Приемная головка датчика перемещения. В.В. Добырн, М.В. Стабников, Б.Г. Турухано. АС СССР №242413. Пр. от 26.ХII. 1967 г./ 4 / - The receiving head of the displacement sensor. V.V. Dobyrn, M.V. Stabnikov B.G. Turukhano. AS of the USSR No. 242413. Etc. from 26.XII. 1967
/5/ - Датчик линейных перемещений. Патент, №2426972, пр. 05.08.2009 г. Турухано Б.Г., Добырн. В.В., Турухано Н., Кормин В.Е./ 5 / - Linear displacement sensor. Patent, No. 2426972, 05.08.2009 Ave., Turukhano B.G., Dobyrn. V.V., Turukhano N., Kormin V.E.
/6/ - Оптико-электронное устройство для измерения линейных перемещений. Беккерман И.Б., Дорощук В.С., Кивензор Г.Я., Кивензор Л.А., Турухано Б.Г., Турухано Н., Яценко Э.К. АС СССР №1206609, пр. от 13 апреля 1984 г./ 6 / - Optoelectronic device for measuring linear displacements. Bekkerman I.B., Doroshchuk V.S., Kivenzor G.Ya., Kivenzor L.A., Turukhano B.G., Turukhano N., Yatsenko E.K. AU USSR No. 1206609, ave. Of April 13, 1984
/7/ Устройства для синтеза длинных топографических дифракционных решеток. Турухано Б.Г., Горелик В.П., Турухано Н., Гордеев С.В. Патент РФ №1052095 от 10.10 1995 г. пр. 05.07.1982 г./ 7 / Devices for the synthesis of long topographic diffraction gratings. Turukhano B.G., Gorelik V.P., Turukhano N., Gordeev S.V. RF patent No. 1052095 dated 10.10 1995, 05.07.1982, etc.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013121956/28A RU2534378C1 (en) | 2013-05-13 | 2013-05-13 | Linear displacement transducer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2013121956/28A RU2534378C1 (en) | 2013-05-13 | 2013-05-13 | Linear displacement transducer |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2013121956A RU2013121956A (en) | 2014-11-20 |
| RU2534378C1 true RU2534378C1 (en) | 2014-11-27 |
Family
ID=53381014
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2013121956/28A RU2534378C1 (en) | 2013-05-13 | 2013-05-13 | Linear displacement transducer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2534378C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU201730U1 (en) * | 2020-10-29 | 2020-12-29 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" | Linear displacement transducer |
| RU2782964C1 (en) * | 2021-10-25 | 2022-11-08 | Борис Ганьевич Турухано | Holographic nano-length gage |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1149123A1 (en) * | 1983-08-29 | 1985-04-07 | Украинский Научно-Исследовательский Институт Станков И Инструментов | Optical electronic device for checking linear displacements |
| SU1651167A1 (en) * | 1989-06-27 | 1991-05-23 | Ленинградский Институт Ядерной Физики Им.Б.П.Константинова | Photovoltage displacement converter |
| RU2276772C1 (en) * | 2004-09-16 | 2006-05-20 | Борис Ганьевич Турухано | Measuring touch sensor based on diffraction grids |
| US7317538B2 (en) * | 2004-01-07 | 2008-01-08 | Sharp Kabushiki Kaisha | Optical two-dimensional velocity and/or movement detector |
-
2013
- 2013-05-13 RU RU2013121956/28A patent/RU2534378C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1149123A1 (en) * | 1983-08-29 | 1985-04-07 | Украинский Научно-Исследовательский Институт Станков И Инструментов | Optical electronic device for checking linear displacements |
| SU1651167A1 (en) * | 1989-06-27 | 1991-05-23 | Ленинградский Институт Ядерной Физики Им.Б.П.Константинова | Photovoltage displacement converter |
| US7317538B2 (en) * | 2004-01-07 | 2008-01-08 | Sharp Kabushiki Kaisha | Optical two-dimensional velocity and/or movement detector |
| RU2276772C1 (en) * | 2004-09-16 | 2006-05-20 | Борис Ганьевич Турухано | Measuring touch sensor based on diffraction grids |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU201730U1 (en) * | 2020-10-29 | 2020-12-29 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" | Linear displacement transducer |
| RU2782964C1 (en) * | 2021-10-25 | 2022-11-08 | Борис Ганьевич Турухано | Holographic nano-length gage |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2013121956A (en) | 2014-11-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3064892B1 (en) | Measuring probe | |
| CN103063189B (en) | Goniometer verification method based on optical lever | |
| US10627259B2 (en) | Method of determining sub-divisional error of an encoder apparatus configured to measure relative position of relatively moveable parts | |
| KR20110139674A (en) | Displacement detection device | |
| CN206773000U (en) | Twin shaft speed position turntable angular speed calibrating installation | |
| CN103994731A (en) | Cylindrical surface interference splicing measuring device and adjusting method thereof | |
| CN103052862A (en) | Calibration device for measurement gauges of the diameter and other geometrical characteristics of cylinders | |
| CN103884270B (en) | Measurement apparatus and the method for two dimension minute angle is produced when Circular gratings is installed | |
| US3076374A (en) | System and mechanism for measuring displacements | |
| CN203011370U (en) | Calibrating apparatus for angle measuring device based on optical lever | |
| RU2534378C1 (en) | Linear displacement transducer | |
| CN102865835B (en) | Vernier slit type photoelectric autocollimator | |
| CN105783771A (en) | Method through white-light interference vertical scanning method nonlinear open-loop scanning | |
| CN105423850A (en) | Inspection measuring tool for inspecting shape and position dimensions of machined part | |
| CN102564308B (en) | Device for detecting eccentricity of interference type high-density round grating | |
| KR101508594B1 (en) | Run-out measuring device for rotating system | |
| RU2197713C2 (en) | Linear movement pickup | |
| RU201730U1 (en) | Linear displacement transducer | |
| JP5902891B2 (en) | Encoder and calibration method | |
| JP7079670B2 (en) | Optical encoder | |
| JP5868058B2 (en) | POSITION MEASURING DEVICE, OPTICAL COMPONENT MANUFACTURING METHOD, AND MOLD MANUFACTURING METHOD | |
| Chen et al. | Multi-DOF incremental optical encoder with laser wavelength compensation | |
| RU2782964C1 (en) | Holographic nano-length gage | |
| CN113091652B (en) | A measuring system and method with roll angle self-correction function | |
| RU117020U1 (en) | LINEAR SIZE METER (OPTIONS) |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200514 |