eng
Выпуск #1/2023
Б.Г.Турухано, Н.Турухано, Ю.М.Лавров, О.Г.Ермоленко, С.Н.Ханов
ЛИНЕЙНЫЙ НАНОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ ДАТЧИК
ЛИНЕЙНЫЙ НАНОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ ДАТЧИК
Просмотры: 917
DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.1.58.68
Линейный наноизмерительный голографический датчик (ЛНГД) относится к измерительной технике, точнее к области высокоточных измерений длин и перемещений линейными голографическими датчиками на базе голографических дифракционных решеток (ГДР), и может быть использован в машиностроении для прецизионного оборудования, в том числе и станочном, в оптико-механической и аэрокосмической промышленности для измерения концевых мер и т.д. Увеличена точность и разрешение ЛНГД при измерении линейных размеров во всем измеряемом диапазоне перемещений до метра и более, вне зависимости от качества направляющих системы. Таким образом, имеет место расширение диапазона обрабатываемых или исследуемых объектов при сохранении высокой точности и разрешения измерительной системы.
Линейный наноизмерительный голографический датчик (ЛНГД) относится к измерительной технике, точнее к области высокоточных измерений длин и перемещений линейными голографическими датчиками на базе голографических дифракционных решеток (ГДР), и может быть использован в машиностроении для прецизионного оборудования, в том числе и станочном, в оптико-механической и аэрокосмической промышленности для измерения концевых мер и т.д. Увеличена точность и разрешение ЛНГД при измерении линейных размеров во всем измеряемом диапазоне перемещений до метра и более, вне зависимости от качества направляющих системы. Таким образом, имеет место расширение диапазона обрабатываемых или исследуемых объектов при сохранении высокой точности и разрешения измерительной системы.
Теги: holographic diffraction grating vertical nanolength holographic encoder голографическая дифракционная решетка нанодлиномер голографический
Получено: 14.12.2022 г. | Принято: 20.12.2022 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.1.58.68
Научная статья
ЛИНЕЙНЫЙ НАНОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ ДАТЧИК
Б.Г.Турухано1, заведующий ЛГИИС, заслуженный изобретатель РФ, ORCID: 0000-0002-6441-4259 / turukhano_bg@pnpi.nrcki.ru
Н.Турухано1, вед. научн. сотр., ORCID: 0000-0001-6983-5725
Ю.М.Лавров1, науч. сотр., ORCID: 0000-0001-8890-9929
О.Г.Ермоленко1, вед. инженер-технолог, ORCID: 0000-0002-0460-0746
С.Н.Ханов1, вед. инженер-электронщик, ORCID: 0000-0001-5237-1725
Аннотация. Линейный наноизмерительный голографический датчик (ЛНГД) относится к измерительной технике, точнее к области высокоточных измерений длин и перемещений линейными голографическими датчиками на базе голографических дифракционных решеток (ГДР), и может быть использован в машиностроении для прецизионного оборудования, в том числе и станочном, в оптико-механической и аэрокосмической промышленности для измерения концевых мер и т.д. Увеличена точность и разрешение ЛНГД при измерении линейных размеров во всем измеряемом диапазоне перемещений до метра и более, вне зависимости от качества направляющих системы. Таким образом, имеет место расширение диапазона обрабатываемых или исследуемых объектов при сохранении высокой точности и разрешения измерительной системы.
Ключевые слова: голографическая дифракционная решетка, нанодлиномер голографический
Для цитирования: Б.Г. Турухано, Н. Турухано, Ю.М. Лавров, О.Г. Ермоленко, С.Н. Ханов. Линейный наноизмерительный голографический датчик. НАНОИНДУСТРИЯ. 2023. Т. 16, № 1. С. 58–68. https://doi.org/
10.22184/1993-8578.2023.16.1.58.68
Received: 14.12.2022 | Accepted: 20.12.2022 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.1.58.68
Original paper
LINEAR NANOMEASURING HOLOGRAPHIC SENSOR
Annotation. Linear nanomeasuring holographic encoder (LNHS) refers to measuring technology, more exactly precisely, to the field of highly accurate measurements of lengths and displacements by linear holographic sensors based on holographic diffraction gratings (HDG), and can be used in mechanical engineering for precision equipment, including machine tools, optical-mechanical and aerospace industry for measuring end standards, etc. Application of such sensors improves accuracy and resolution of LNHS when measuring linear dimensions in the entire measured range of displacements up to a meter or more, regardless of the quality of the guides of the system. Hence, there is an expansion of the range of processed or studied objects while maintaining high accuracy and resolution of the measuring system.
Keywords: holographic diffraction grating, vertical nanolength holographic encoder
For citation: B.G. Turukhano, N. Turukhano, Yu. M. Lavrov, O.G. Ermolenko, S.N. Khanov. Linear nanomeasuring holographic sensor. NANOINDUSTRY. 2023. V. 16, no. 1. PP. 58–68. https://doi.org/
10.22184/1993-8578.2023.16.1.58.68.
ВВЕДЕНИЕ
Датчики линейных перемещений весьма разнообразны по конструкции и широко применяются во всех отраслях науки и техники. Наибольшей точностью обладают датчики на голографических дифракционных решетках (ГДР), так как они позволяют получать устойчивые сигналы в области наноперемещений, которые не нуждаются в специальной обработке (как это делается в случае использования нарезных дифракционных решеток), причем их освещение когерентным светом от красного полупроводникового лазера дополнительно повышает качество сигналов [1]. Существенное преимущество ГДР состоит также и в том, что за решетками образуются лишь три порядка дифракции: +1, -1 и 0.
В России разработан и выпускается ЛНГД длиной до 1000 мм, который работает на базе голографических дифракционных решеток с шагом 1 микрон [2]. В настоящее время известен датчик линейных перемещений [3] для измерения линейных размеров объектов.
Имеются различные варианты использования направляющей: внешнего устройства, по которому перемещается считывающая головка, к которой прикреплен датчик, с помощью чего осуществляется измерение линейного перемещения или автономная направляющая самого датчика, по которой перемещается его считывающая головка. При этом длина автономной направляющей должна быть не меньше линейного размера измеряемого объекта. Однако для сохранения точности датчика при осуществлении измерений необходимо, чтобы перемещение ГДРинд осуществлялось вдоль некоторой оси, строго перпендикулярной штрихам ГДРизм. Это ставит определенные условия к точности изготовления направляющей, с помощью которой перемещается считывающая головка с ГДРинд. К примеру, если точность датчика порядка 1 микрона на один метр и мы хотим измерять размер объекта с такой же точностью, то, естественно, что качество направляющей внешнего устройства, используемого для перемещения считывающей головки, должно быть не хуже этой величины. Как правило, такие направляющие не изготавливают, особенно при больших длинах (до 1 м), а больше одного метра тем более, так как это очень сложно и для их изготовления необходимо затратить много времени и средств. Разные внешние устройства имеют направляющие разной точности, что делает практически невозможным использование точных датчиков, особенно на базе высокочастотных ГДР (до 1000 лин./мм) к устройствам, станкам, приборам и т. д. с некачественными направляющими. При этом во всех устройствах, где используются ЛГД, не предпринято никаких мер для устранения муаровых полос (рис.1), возникающих благодаря некачественным направляющим, искажающим истинную величину длины или перемещения. Известен ЛГД, описанный в работе [2], при разработке которого авторами была поставлена задача ухода во время измерений от влияния направляющих внешнего устройства и создания при конструкции прибора своей автономной высококачественной независимой направляющей. Она содержит две стеклянные подложки, установленные вдоль линии перемещения. Одна из подложек содержит ГДРизм, другая – автономную направляющую самого датчика. В сечении склейка имеет форму тавра (рис.2). Такая конструкция обеспечивает необходимую жесткость. Стеклянные подложки выполнены из борского стекла, обладающего высокими характеристиками плоскостности. ГДРизм приклеена к базе направляющей одной своей гранью. Каретка является необходимым механизмом для считывания координат с ГДРизм. На каретке расположена считывающая ГДРинд. В корпусе ЛГД размещены ГДРизм с направляющей и каретка, содержащая осветительную систему, ГДРинд и две матрицы, каждая из них содержит два фотоприемника, расположенных по одному в каждом дифракционном порядке. В этом случае автономная направляющая оказывает меньше влияния на результат измерения величины перемещения, чем в случае использования внешней направляющей или автономной направляющей, полученной путем механической обработки. В каждой матрице фотоприемники расположены на прямой, перпендикулярной оси дифракционных пучков и штрихам решеток. Эта прямая обеспечивает возможность счета обтюрационных полос.
Фазовое распределение интерференционных полос в картине взаимодействия интерференционного поля (ИП) с голографической дифракционной решеткой вдоль оси ОХ можно представить как:
Φ(x) = 2kx + Δf(x), (1)
где k=2π/λsin/θ/2 = π/d0 – волновое число, d0 = λ/sin/θ/2 – период линий интерференционного поля, образованного двумя плоскими волнами S10 и S20. В данной работе мы будем исследовать возможность определения величины перемещения с помощью измерительной голографической дифракционной решетки (ГДРизм), действующей совместно с интерференционным полем от интерферометра или ИП, образованного за индикаторной решеткой. При их взаимодействии образуются интерференционные муаровые и обтюрационовые полосы (рис.3) в зависимости от равенства или отличия их периодов. Стрелки на рис.3 совпадают с направлением перемещения считывающей головки ЛГД во время измерения длины объекта.
Покажем, что поставленную задачу можно решить с помощью упорядоченно перемещающейся ГДРизм. Суть метода заключается в том, что информация о фазовом распределении снимается в системе точек, жестко связанных с перемещающейся решеткой. При этом изменение разности фаз между точками будет однозначно определяться только фазовым распределением интерференционного поля. Дополнительная разность фаз, вносимая самим интерферометром или индикаторной решеткой будет постоянной величиной, аддитивно входящей в каждый акт измерения.
Метод определения фазового распределения вдоль измеряемой оси сводится к тому, что определяется фазовое распределение вдоль выбранного направления перемещения, в том числе определяются все граничные условия, позволяющие осуществить полное согласование по фазе значений фазовых распределений при перемещении. Рассмотрим взаимодействия интерференционного поля с ГДРизм в случае образования муаровых полос. Рассмотрение проведем для случая квазиплоских волн. Пусть две квазиплоские монохроматические волны с комплексными амплитудами
S1G(x1,y1) – exp(i)[k1G r1 +Ψ1G (x1,y1)], (2)
S1G(x1,y1) – exp(i)[k2G r1 +Ψ2G (x1,y1)] (3)
формируют в плоскости X1OY1, в которой записывается решетка с амплитудным пропусканием
T(x1,y1) = αcos[kGr1+ΨG(x1,y1)], (4)
где kG=k1G – k2G – волновой вектор решетки, а
ΨG (x,y) = Ψ1G (x1,y1) – Ψ2G (x1,y1), (5)
это функция, характеризующая фазовое распределение штрихов решетки.
Период решетки в этом случае:
dG = π/KG =λ/2sinθ1/2, (6)
где θ1 – угол между волновыми векторами k1G и k2G, KG = |KG| – волновое число решетки. Поместим решетку в плоскость ХOY в системе координат XYZ, которая повернута относительно системы координат XYZ соответственно на углы υγφ и осветим ее двумя квазиплоскими монохроматическими волнами с комплексными амплитудами:
S1(x,y) – exp(i)[k1 r +Ψ1 (x,y)],
S2(x,y) – exp(i)[k2 r +Ψ2 (x,y)], (7)
где k1 = k1G, k2 = k2G. Волны S1(x,y) и S2(x,y) формируют в плоскости XOY исследуемое ИП с фазовым распределением
Ψ(x,y) = Ψ2(x,y) – Ψ1(x,y). (8)
Введем параметр δ, характеризующий рассогласование периода ИП относительно периода ГДРизм таким образом, чтобы волновое число поля
k = |k2 – k1| = kG(1–δ); |δ|"1. (9)
В результате взаимодействия ИП с решеткой в плоскости XOY образуется картина интерференционных обтюрационных и муаровых полос. Совместное решение уравнений (5) и (7) с учетом стандартных формул перехода из одной системы в другую (r1"r) приводит к следующему выражению для распределения интенсивности муаровых полос:
I(x,y)={1 + cos{kG/cosγ[(xcosφ+ysinφ)–
–(1 – δ)xcosγ]+ΨG(x1,y1)-Ψ (x,y). (10)
Поскольку I(x,y) мало изменяется при изменении в широких пределах угла υ, члены, содержащие υ в выражении (10), опущены.
Из (10) можно записать фазовое распределение интерференционных муаровых полос Φ(x,y) в виде:
Φ(x,y) = kG/cosγ[(xcosφ + ysinφ) –
– (1 – δ)xcosγ] + [ΨG (x1,y1) – Ψ (x,y)]. (11)
Таким образом, получено выражение, позволяющее описать картину интерференционных муаровых полос в наиболее общем случае – при взаимодействии произвольным образом ориентированной неидеальной ГДРизм с рассогласованным по периоду ИП. Следует отметить, что поскольку параметр рассогласования выбирался достаточно малым (случай, наиболее часто реализуемый на практике), то выражение (11) справедливо не только в плоскости XOY, но и на достаточно больших расстояниях по направлению распространения каждой из интерферирующих волн. Перейдем к анализу фазового распределения интерференционных муаровых полос. Перепишем (11) в виде:
Φ(x,y) = Φр (x,y) + [ΨG (x1,y1) – Ψ (x,y)], (12)
где Φ(x,y)р = kG/cosγ[(xcosφ + ysinφ) – (1–δ)xcosγ].
Нетрудно заметить, что Φ(x,y)р описывает взаимодействие идеальной ГДРизм с идеальным ИП, сформированным двумя плоскими волнами, а второй член уравнения (11), заключенный в квадратные скобки, описывает отклонения фазовых распределений ИП и ГДРизм от идеальных. Остановимся на анализе Φ(x,y)р. Уравнение, описывающее конфигурацию и расположение муаровых полос в случае ИП и ГДРизм, имеет вид:
kG/cosγ[(xcosφ + ysinφ) – (1 – δ)xcosγ] = 2πn, (13)
где n – целое число. Уравнение (13) описывает ряд равностоящих линий с периодом:
dM = dG cosγ/(cosφ – cosγ + δcosγ)2 + sin2φ, (14)
tgα = – 1/ cosγcosφ[cosγ(1 – δ) + cosφ]. (15)
Наиболее интересным на практике является случай φ"1 и γ"1. При этом, пренебрегая величинами второго порядка малости, имеем dM = dG/φ2 + δ2:
α ≈ arctg(φ/2 + γ2/2 – δ/ φ). (16)
Из (16) видно, что угол γ входит как величина второго порядка малости по сравнению с φ и δ, кроме того, при δ = γ2/2 величина α зависит только от одной переменой α = α(φ). Таким образом, подбирая параметр рассогласования δ, можно компенсировать угол наклона ГДРизм. Поэтому, в дальнейшем мы будем рассматривать только две переменные: φ – угол наклона штрихов ГДРизм относительно полос ИП и параметр δ – рассогласование по периоду. Согласно выражению (11), для Φ(x,y) при δ"1 и φ"1, ΨG(x1,y1) ≈ Ψ(x,y) и, исключая из рассмотрения γ, можно записать:
Φ(x,y) = Φр (x,y) + [ΨG (x1,y1) – Ψ (x,y)], (17)
где Φ(x,y)р ≈ kG [(xcosφ + ysinφ) – (1 – δ)x].
Выражение (17) достаточно точно описывает фазовое распределение интерференционных муаровых полос (во всех практически важных случаях). Подобным же способом можно найти и фазовое распределение интерференционных обтюрационных полос, получаемых благодаря разности частот ИП и ГДРизм. Эти картины (рис.1 и 3) будут лежать в основе действия голографического датчика линейных перемещений. Коллимированный пучок излучения, генерируемый источником излучения, жестко связанным со считывающей головкой, падает на ГДРинд и ГДРизм решетки. При перемещении считывающей головки во время определения линейных размеров объекта, ГДРинд смещается относительно ГДРизм.
В поле интерференционных полос, образующихся за решетками, устанавливаются матрицы фотоприемников, которые расположены на линии, перпендикулярной штрихам решеток с целью регистрации интерференционных обтюрационных полос (рис.3). Стрелками показаны направления смещения обтюрационных (нониусных) полос. При движении одной из решеток в этом же направлении фотоприемники преобразуют распределение интенсивности обтюрационных полос в электрические сигналы. При смещении считывающей головки одновременно с объектом во время определения его линейного размера ГДРинд смещается относительно ГДРизм и на выходах фотоприемников матрицы 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 величина перемещения. Опорные подшипники (первой группы подшипников), жестко связанные с индикаторной решеткой, перемещаются по базовой поверхности подложки измерительной решетки и подпружиненный подшипник этой же группы, перемещающийся по обратной поверхности этой подложки, позволяют сохранять постоянный зазор между решетками, обеспечивая тем самым работоспособность датчика на всем протяжении измерения линейного размера объекта независимо от качества направляющего устройства, к которому закреплена подвижная часть ЛГД.
Недостатки устройства прототипа
При разработке выше описанного устройства ЛГД была решена задача по уменьшению влияния направляющих внешних устройств и создания, при конструкции прибора, своей собственной (автономной) направляющей, более точной и независимой от направляющей внешнего устройства, благодаря чему результаты измерения в меньшей степени зависели бы от качества направляющей внешнего устройства (станка, прибора и т.д.), и в каких-то пределах, зависели лишь от качества своей собственной. В описанном выше устройстве используется автономная, встроенная в самом датчике ЛГД. Однако величина любой реальной направляющей оказывает влияние на результат измерения величины перемещения или длины и это влияние существует, несмотря на то, что качество автономной направляющей намного выше, чем качество направляющей внешнего устройства. Предложенное борское стекло в качестве автономной направляющей само по себе, благодаря технологии изготовления, обладает высокой плоскостностью на большой длине и она не требует дополнительной и сложной механической обработки. Тем не менее, муаровые полосы появляются благодаря существованию реальных (не идеальных) направляющих. При появлении и решении новых современных задач в науке и технологии постоянно растут и требования к точности и разрешению ЛГД, поэтому этот вопрос нуждается в особом решении. Авторы данной работы предлагают исключение влияния автономной направляющей на величину перемещения при измерении длины отдельного изделия. Решение принимается не путем улучшения качества направляющей посредством механической обработки, что дорого, исключительно сложно и практически невозможно, особенно при больших длинах до метра и более, а путем осуществления в реальном времени цифровой компенсации погрешности, внесенные направляющей на величину перемещения или длины поверяемого или изготавливаемого изделия. Устройство ЛГД (рис.4) содержит измерительную дифракционную решетку с подложкой, индикаторную решетку и считывающую головку, источник излучения, коллиматор, матрицу фотоприемников. ЛГД содержит также стеклянную автономную направляющую, имеющую базовую и обратную поверхности, и она жестко присоединена к торцу подложки ГДРизм (рис.2). Длина автономной направляющей не меньше линейного размера измеряемого объекта. Фотоприемники матрицы (рис.5) установлены по два после дифракционных решеток в каждом из ее двух дифракционных порядков, каждый из которых имеет ось параллельную оси пучка источника излучения.
Каждая пара фотоприемников установлена симметрично относительно оси пучков каждого из дифракционных порядков и на линии, перпендикулярной им осей. Кроме этого, дополнительно к каждой паре фотоприемников добавлены по одному фотоприемнику, расположенному в лазерном пучке, на одной линии с одним из имеющийся и на одинаковом от него расстоянии, равном расстоянию от первых двух и на перпендикуляре к линии, соединяющей первые два фотоприемника с той же стороны.
Считывающая головка жестко связана с подвижной частью внешнего устройства. Неточность изготовления направляющих, по которым двигается одна из решеток, влияет на величину периода муаровых полос, а, следовательно, на величину самого перемещения, определяемую с их помощью, поэтому для измерения длины используют не эту величину, а величину обтюрационных полос, так как они не зависят (инвариантны) от направляющих. Чтобы исключить погрешность, вносимую этим недостатком датчика, необходимо использовать идеально плоские направляющие, что на практике практически невозможно. Поэтому в данном устройстве предлагается исключить эту погрешность путем ее вычитания из общей величины перемещения. Таким образом, с учетом того, что ЛГД осуществляет измерения линейных перемещений посредством обтюрационных полос, где Δоб – истинная величина перемещения, вносимая при определении величины перемещения посредством обтюрационных полос, а δнапр.об. – величина погрешности перемещения, то вносимая обтюрационными полосами за счет использования неточных направляющих:
Δперем.об. = Δоб. + δнапр.об.. (18)
В связи с тем, что при измерении перемещения посредством обтюрационных полос ось подшипников, посредством которых одна решетка перемещается по направляющей относительно другой, перпендикулярна направлению перемещения, и решетка может наклоняться только в направлении перемещения, то при данной конструкции ЛГД величина δнапр.об. = 0 и Δперем.об. = Δоб., что означает, что обтюрационные полосы этого датчика независимы (инвариантны) от качества собственной направляющей. С другой стороны, величина перемещения, полученная при регистрации муаровых полос Δперем.м., в рамках нововведенного датчика на базе фотоприемников 7 и 8 (рис.5) следующая:
Δперем.м. = Δм + δнапр.м, (19)
где Δм – величина самого перемещения, в случае ее определения посредством муаровых полос, а δнапр.м. – дополнительная величина перемещения, вносимая в нем за счет использования неточных направляющих. В предложенное устройство ЛГД имеется возможность определить величину δнапр.м., используя датчики на базе фотоприемников 5, 7 и 6, 8. В этом случае истинную величину перемещения можно найти следующим образом:
Δперем. = Δоб. – δнапр.м., (20)
где
δнапр.м. = (Δперем.м. – Δперем.об.). (21)
Устройство ЛГД (рис.4) работает следующим образом: полупроводниковый лазер 1 (рис.5) излучает когерентный луч, направленный на коллиматор, формирующий слабо расходящийся луч. Расходящийся луч позволяет работать как с "обтюрационными", так и с "муаровыми" полосами [3]. Этот луч направляется на ГДРизм 3 и ГДРинд 4 под углом Брэгга. В случае ГДР с 1000 штрих/мм, это угол порядка 20°. После дифракции на ГДРизм решетку 3 свет падает на ГДРинд решетку 4. В данном конкретном случае длина ГДРизм равна 1000 мм. Решетки 3 и 4 параллельны друг другу. Коллиматор необходим для точной настройки периода интерференционных обтюрационных полос. В случае расходящегося пучка лазера период штрихов первой дифракционной решетки 3 увеличивается по мере отдаления этой решетки от второй решетки 4. Таким образом, меняется частота проектируемых штрихов первой решетки благодаря дифракции в плоскости второй решетки. Разность между периодами измерительной и индикаторной решетками определяет период обтюрационных полос, образованных за решетками. Эти полосы, попадая на фотоприемники 5 и 6, создают синусоидальные сигналы (рис.6). Фотоприемники 5 и 6 установлены на линии инварианта, которая перпендикулярна штрихам решеток. В случае использования идеально плоской направляющей величина перемещения ЛГД, определяемая обтюрационными полосами, будет соответствовать истиной величине перемещения. Выбирают ширину интерференционных полос таким образом, чтобы два фотоприемника из каждой матрицы фотоприемников создавали два сигнала, сдвинутых на 90°. Сдвиг на 90° необходим для определения направления перемещения каретки (реверса) и для дальнейшей интерполяции сигналов, что существенно повышает разрешение датчика. Фотоприемники 7 и 8 установлены на линии, перпендикулярной линии инварианта и параллельной штрихам. При движении ГДРинд возникает бегущая синусоида.
Контролировать сдвиг на 90° во время настройки наиболее удобно с помощью метода фигур "Лиссажу" (рис.7). Необходимо получить фигуру "Лиссажу" в виде круга как от пары фотоприемников 5 и 7, так и от пары фотоприемников 6–8. В таком случае устройство будет считывать как обтюрационные, посредством пары фотоприемников 5 и 6, так и муаровые полосы посредством фотоприемников 5–7 и 6–8. Причем при одном и том же перемещении по идеальной направляющей их величины будут равны, то есть Δм. = Δоб. При неидеальной направляющей их разница равна δнапр.м.:
Δперем.м. – Δоб. = δнапр.м. (22)
В предлагаемом авторами устройстве δнапр.м. не оказывает влияние на измеряемую величину длины перемещения размещения фотоприемников 5 и 6 на линии инвариантности. В данном случае также независимо друг от друга считываются перемещения обтюрационных и муаровых полос посредством двух датчиков, соответственно один на базе фотоприемников 5 и 6, а другой на базе фотоприемников 7 и 8. Учитывая уравнение (21) в каждой точке перемещения и в реальном масштабе времени с помощью соответствующей цифровой программы, мы можем находить длину истинного перемещения Δперем, вычитая из величины Δоб. вклад δнапр.м., определяя его с помощью муаровых и обтюрационных полос согласно выражению (20).
ВЫВОДЫ
Линейный наноизмерительный голографический датчик ЛГД на базе голографических дифракционных решеток, в соответствии с изобретением [4], обладает высокими метрологическими характеристиками, так как имеет возможность исключить влияние автономной направляющей на величину перемещения. Такой датчик полностью заменяет любые аналоги подобных датчиков линейных перемещений.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Turukhano B.G., Turukhano N. Phase synthesis of a holographic metrological diffraction gratings of unlimited length. Optics & Laser Technology, 1996. Vol. 28, no. 4, PP. 263–268.
Датчик линейных перемещений. Турухано Б.Г., Турухано Н. Патент РФ № 2197713 от 27.01.2000.
Фотоэлектрический преобразователь перемещений. Горелик В.П., Коваленко С.Н., Турухано Б.Г. Патент РФ № 1 651167. 27.06.1989 .
Датчик линейных перемещений (ПИЯФ). Турухано Б.Г., Турухано И.А., Турухано Н. Патент на полезную модель № 201730, 29.12.2020.
Научная статья
ЛИНЕЙНЫЙ НАНОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ ДАТЧИК
Б.Г.Турухано1, заведующий ЛГИИС, заслуженный изобретатель РФ, ORCID: 0000-0002-6441-4259 / turukhano_bg@pnpi.nrcki.ru
Н.Турухано1, вед. научн. сотр., ORCID: 0000-0001-6983-5725
Ю.М.Лавров1, науч. сотр., ORCID: 0000-0001-8890-9929
О.Г.Ермоленко1, вед. инженер-технолог, ORCID: 0000-0002-0460-0746
С.Н.Ханов1, вед. инженер-электронщик, ORCID: 0000-0001-5237-1725
Аннотация. Линейный наноизмерительный голографический датчик (ЛНГД) относится к измерительной технике, точнее к области высокоточных измерений длин и перемещений линейными голографическими датчиками на базе голографических дифракционных решеток (ГДР), и может быть использован в машиностроении для прецизионного оборудования, в том числе и станочном, в оптико-механической и аэрокосмической промышленности для измерения концевых мер и т.д. Увеличена точность и разрешение ЛНГД при измерении линейных размеров во всем измеряемом диапазоне перемещений до метра и более, вне зависимости от качества направляющих системы. Таким образом, имеет место расширение диапазона обрабатываемых или исследуемых объектов при сохранении высокой точности и разрешения измерительной системы.
Ключевые слова: голографическая дифракционная решетка, нанодлиномер голографический
Для цитирования: Б.Г. Турухано, Н. Турухано, Ю.М. Лавров, О.Г. Ермоленко, С.Н. Ханов. Линейный наноизмерительный голографический датчик. НАНОИНДУСТРИЯ. 2023. Т. 16, № 1. С. 58–68. https://doi.org/
10.22184/1993-8578.2023.16.1.58.68
Received: 14.12.2022 | Accepted: 20.12.2022 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.1.58.68
Original paper
LINEAR NANOMEASURING HOLOGRAPHIC SENSOR
Annotation. Linear nanomeasuring holographic encoder (LNHS) refers to measuring technology, more exactly precisely, to the field of highly accurate measurements of lengths and displacements by linear holographic sensors based on holographic diffraction gratings (HDG), and can be used in mechanical engineering for precision equipment, including machine tools, optical-mechanical and aerospace industry for measuring end standards, etc. Application of such sensors improves accuracy and resolution of LNHS when measuring linear dimensions in the entire measured range of displacements up to a meter or more, regardless of the quality of the guides of the system. Hence, there is an expansion of the range of processed or studied objects while maintaining high accuracy and resolution of the measuring system.
Keywords: holographic diffraction grating, vertical nanolength holographic encoder
For citation: B.G. Turukhano, N. Turukhano, Yu. M. Lavrov, O.G. Ermolenko, S.N. Khanov. Linear nanomeasuring holographic sensor. NANOINDUSTRY. 2023. V. 16, no. 1. PP. 58–68. https://doi.org/
10.22184/1993-8578.2023.16.1.58.68.
ВВЕДЕНИЕ
Датчики линейных перемещений весьма разнообразны по конструкции и широко применяются во всех отраслях науки и техники. Наибольшей точностью обладают датчики на голографических дифракционных решетках (ГДР), так как они позволяют получать устойчивые сигналы в области наноперемещений, которые не нуждаются в специальной обработке (как это делается в случае использования нарезных дифракционных решеток), причем их освещение когерентным светом от красного полупроводникового лазера дополнительно повышает качество сигналов [1]. Существенное преимущество ГДР состоит также и в том, что за решетками образуются лишь три порядка дифракции: +1, -1 и 0.
В России разработан и выпускается ЛНГД длиной до 1000 мм, который работает на базе голографических дифракционных решеток с шагом 1 микрон [2]. В настоящее время известен датчик линейных перемещений [3] для измерения линейных размеров объектов.
Имеются различные варианты использования направляющей: внешнего устройства, по которому перемещается считывающая головка, к которой прикреплен датчик, с помощью чего осуществляется измерение линейного перемещения или автономная направляющая самого датчика, по которой перемещается его считывающая головка. При этом длина автономной направляющей должна быть не меньше линейного размера измеряемого объекта. Однако для сохранения точности датчика при осуществлении измерений необходимо, чтобы перемещение ГДРинд осуществлялось вдоль некоторой оси, строго перпендикулярной штрихам ГДРизм. Это ставит определенные условия к точности изготовления направляющей, с помощью которой перемещается считывающая головка с ГДРинд. К примеру, если точность датчика порядка 1 микрона на один метр и мы хотим измерять размер объекта с такой же точностью, то, естественно, что качество направляющей внешнего устройства, используемого для перемещения считывающей головки, должно быть не хуже этой величины. Как правило, такие направляющие не изготавливают, особенно при больших длинах (до 1 м), а больше одного метра тем более, так как это очень сложно и для их изготовления необходимо затратить много времени и средств. Разные внешние устройства имеют направляющие разной точности, что делает практически невозможным использование точных датчиков, особенно на базе высокочастотных ГДР (до 1000 лин./мм) к устройствам, станкам, приборам и т. д. с некачественными направляющими. При этом во всех устройствах, где используются ЛГД, не предпринято никаких мер для устранения муаровых полос (рис.1), возникающих благодаря некачественным направляющим, искажающим истинную величину длины или перемещения. Известен ЛГД, описанный в работе [2], при разработке которого авторами была поставлена задача ухода во время измерений от влияния направляющих внешнего устройства и создания при конструкции прибора своей автономной высококачественной независимой направляющей. Она содержит две стеклянные подложки, установленные вдоль линии перемещения. Одна из подложек содержит ГДРизм, другая – автономную направляющую самого датчика. В сечении склейка имеет форму тавра (рис.2). Такая конструкция обеспечивает необходимую жесткость. Стеклянные подложки выполнены из борского стекла, обладающего высокими характеристиками плоскостности. ГДРизм приклеена к базе направляющей одной своей гранью. Каретка является необходимым механизмом для считывания координат с ГДРизм. На каретке расположена считывающая ГДРинд. В корпусе ЛГД размещены ГДРизм с направляющей и каретка, содержащая осветительную систему, ГДРинд и две матрицы, каждая из них содержит два фотоприемника, расположенных по одному в каждом дифракционном порядке. В этом случае автономная направляющая оказывает меньше влияния на результат измерения величины перемещения, чем в случае использования внешней направляющей или автономной направляющей, полученной путем механической обработки. В каждой матрице фотоприемники расположены на прямой, перпендикулярной оси дифракционных пучков и штрихам решеток. Эта прямая обеспечивает возможность счета обтюрационных полос.
Фазовое распределение интерференционных полос в картине взаимодействия интерференционного поля (ИП) с голографической дифракционной решеткой вдоль оси ОХ можно представить как:
Φ(x) = 2kx + Δf(x), (1)
где k=2π/λsin/θ/2 = π/d0 – волновое число, d0 = λ/sin/θ/2 – период линий интерференционного поля, образованного двумя плоскими волнами S10 и S20. В данной работе мы будем исследовать возможность определения величины перемещения с помощью измерительной голографической дифракционной решетки (ГДРизм), действующей совместно с интерференционным полем от интерферометра или ИП, образованного за индикаторной решеткой. При их взаимодействии образуются интерференционные муаровые и обтюрационовые полосы (рис.3) в зависимости от равенства или отличия их периодов. Стрелки на рис.3 совпадают с направлением перемещения считывающей головки ЛГД во время измерения длины объекта.
Покажем, что поставленную задачу можно решить с помощью упорядоченно перемещающейся ГДРизм. Суть метода заключается в том, что информация о фазовом распределении снимается в системе точек, жестко связанных с перемещающейся решеткой. При этом изменение разности фаз между точками будет однозначно определяться только фазовым распределением интерференционного поля. Дополнительная разность фаз, вносимая самим интерферометром или индикаторной решеткой будет постоянной величиной, аддитивно входящей в каждый акт измерения.
Метод определения фазового распределения вдоль измеряемой оси сводится к тому, что определяется фазовое распределение вдоль выбранного направления перемещения, в том числе определяются все граничные условия, позволяющие осуществить полное согласование по фазе значений фазовых распределений при перемещении. Рассмотрим взаимодействия интерференционного поля с ГДРизм в случае образования муаровых полос. Рассмотрение проведем для случая квазиплоских волн. Пусть две квазиплоские монохроматические волны с комплексными амплитудами
S1G(x1,y1) – exp(i)[k1G r1 +Ψ1G (x1,y1)], (2)
S1G(x1,y1) – exp(i)[k2G r1 +Ψ2G (x1,y1)] (3)
формируют в плоскости X1OY1, в которой записывается решетка с амплитудным пропусканием
T(x1,y1) = αcos[kGr1+ΨG(x1,y1)], (4)
где kG=k1G – k2G – волновой вектор решетки, а
ΨG (x,y) = Ψ1G (x1,y1) – Ψ2G (x1,y1), (5)
это функция, характеризующая фазовое распределение штрихов решетки.
Период решетки в этом случае:
dG = π/KG =λ/2sinθ1/2, (6)
где θ1 – угол между волновыми векторами k1G и k2G, KG = |KG| – волновое число решетки. Поместим решетку в плоскость ХOY в системе координат XYZ, которая повернута относительно системы координат XYZ соответственно на углы υγφ и осветим ее двумя квазиплоскими монохроматическими волнами с комплексными амплитудами:
S1(x,y) – exp(i)[k1 r +Ψ1 (x,y)],
S2(x,y) – exp(i)[k2 r +Ψ2 (x,y)], (7)
где k1 = k1G, k2 = k2G. Волны S1(x,y) и S2(x,y) формируют в плоскости XOY исследуемое ИП с фазовым распределением
Ψ(x,y) = Ψ2(x,y) – Ψ1(x,y). (8)
Введем параметр δ, характеризующий рассогласование периода ИП относительно периода ГДРизм таким образом, чтобы волновое число поля
k = |k2 – k1| = kG(1–δ); |δ|"1. (9)
В результате взаимодействия ИП с решеткой в плоскости XOY образуется картина интерференционных обтюрационных и муаровых полос. Совместное решение уравнений (5) и (7) с учетом стандартных формул перехода из одной системы в другую (r1"r) приводит к следующему выражению для распределения интенсивности муаровых полос:
I(x,y)={1 + cos{kG/cosγ[(xcosφ+ysinφ)–
–(1 – δ)xcosγ]+ΨG(x1,y1)-Ψ (x,y). (10)
Поскольку I(x,y) мало изменяется при изменении в широких пределах угла υ, члены, содержащие υ в выражении (10), опущены.
Из (10) можно записать фазовое распределение интерференционных муаровых полос Φ(x,y) в виде:
Φ(x,y) = kG/cosγ[(xcosφ + ysinφ) –
– (1 – δ)xcosγ] + [ΨG (x1,y1) – Ψ (x,y)]. (11)
Таким образом, получено выражение, позволяющее описать картину интерференционных муаровых полос в наиболее общем случае – при взаимодействии произвольным образом ориентированной неидеальной ГДРизм с рассогласованным по периоду ИП. Следует отметить, что поскольку параметр рассогласования выбирался достаточно малым (случай, наиболее часто реализуемый на практике), то выражение (11) справедливо не только в плоскости XOY, но и на достаточно больших расстояниях по направлению распространения каждой из интерферирующих волн. Перейдем к анализу фазового распределения интерференционных муаровых полос. Перепишем (11) в виде:
Φ(x,y) = Φр (x,y) + [ΨG (x1,y1) – Ψ (x,y)], (12)
где Φ(x,y)р = kG/cosγ[(xcosφ + ysinφ) – (1–δ)xcosγ].
Нетрудно заметить, что Φ(x,y)р описывает взаимодействие идеальной ГДРизм с идеальным ИП, сформированным двумя плоскими волнами, а второй член уравнения (11), заключенный в квадратные скобки, описывает отклонения фазовых распределений ИП и ГДРизм от идеальных. Остановимся на анализе Φ(x,y)р. Уравнение, описывающее конфигурацию и расположение муаровых полос в случае ИП и ГДРизм, имеет вид:
kG/cosγ[(xcosφ + ysinφ) – (1 – δ)xcosγ] = 2πn, (13)
где n – целое число. Уравнение (13) описывает ряд равностоящих линий с периодом:
dM = dG cosγ/(cosφ – cosγ + δcosγ)2 + sin2φ, (14)
tgα = – 1/ cosγcosφ[cosγ(1 – δ) + cosφ]. (15)
Наиболее интересным на практике является случай φ"1 и γ"1. При этом, пренебрегая величинами второго порядка малости, имеем dM = dG/φ2 + δ2:
α ≈ arctg(φ/2 + γ2/2 – δ/ φ). (16)
Из (16) видно, что угол γ входит как величина второго порядка малости по сравнению с φ и δ, кроме того, при δ = γ2/2 величина α зависит только от одной переменой α = α(φ). Таким образом, подбирая параметр рассогласования δ, можно компенсировать угол наклона ГДРизм. Поэтому, в дальнейшем мы будем рассматривать только две переменные: φ – угол наклона штрихов ГДРизм относительно полос ИП и параметр δ – рассогласование по периоду. Согласно выражению (11), для Φ(x,y) при δ"1 и φ"1, ΨG(x1,y1) ≈ Ψ(x,y) и, исключая из рассмотрения γ, можно записать:
Φ(x,y) = Φр (x,y) + [ΨG (x1,y1) – Ψ (x,y)], (17)
где Φ(x,y)р ≈ kG [(xcosφ + ysinφ) – (1 – δ)x].
Выражение (17) достаточно точно описывает фазовое распределение интерференционных муаровых полос (во всех практически важных случаях). Подобным же способом можно найти и фазовое распределение интерференционных обтюрационных полос, получаемых благодаря разности частот ИП и ГДРизм. Эти картины (рис.1 и 3) будут лежать в основе действия голографического датчика линейных перемещений. Коллимированный пучок излучения, генерируемый источником излучения, жестко связанным со считывающей головкой, падает на ГДРинд и ГДРизм решетки. При перемещении считывающей головки во время определения линейных размеров объекта, ГДРинд смещается относительно ГДРизм.
В поле интерференционных полос, образующихся за решетками, устанавливаются матрицы фотоприемников, которые расположены на линии, перпендикулярной штрихам решеток с целью регистрации интерференционных обтюрационных полос (рис.3). Стрелками показаны направления смещения обтюрационных (нониусных) полос. При движении одной из решеток в этом же направлении фотоприемники преобразуют распределение интенсивности обтюрационных полос в электрические сигналы. При смещении считывающей головки одновременно с объектом во время определения его линейного размера ГДРинд смещается относительно ГДРизм и на выходах фотоприемников матрицы 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 величина перемещения. Опорные подшипники (первой группы подшипников), жестко связанные с индикаторной решеткой, перемещаются по базовой поверхности подложки измерительной решетки и подпружиненный подшипник этой же группы, перемещающийся по обратной поверхности этой подложки, позволяют сохранять постоянный зазор между решетками, обеспечивая тем самым работоспособность датчика на всем протяжении измерения линейного размера объекта независимо от качества направляющего устройства, к которому закреплена подвижная часть ЛГД.
Недостатки устройства прототипа
При разработке выше описанного устройства ЛГД была решена задача по уменьшению влияния направляющих внешних устройств и создания, при конструкции прибора, своей собственной (автономной) направляющей, более точной и независимой от направляющей внешнего устройства, благодаря чему результаты измерения в меньшей степени зависели бы от качества направляющей внешнего устройства (станка, прибора и т.д.), и в каких-то пределах, зависели лишь от качества своей собственной. В описанном выше устройстве используется автономная, встроенная в самом датчике ЛГД. Однако величина любой реальной направляющей оказывает влияние на результат измерения величины перемещения или длины и это влияние существует, несмотря на то, что качество автономной направляющей намного выше, чем качество направляющей внешнего устройства. Предложенное борское стекло в качестве автономной направляющей само по себе, благодаря технологии изготовления, обладает высокой плоскостностью на большой длине и она не требует дополнительной и сложной механической обработки. Тем не менее, муаровые полосы появляются благодаря существованию реальных (не идеальных) направляющих. При появлении и решении новых современных задач в науке и технологии постоянно растут и требования к точности и разрешению ЛГД, поэтому этот вопрос нуждается в особом решении. Авторы данной работы предлагают исключение влияния автономной направляющей на величину перемещения при измерении длины отдельного изделия. Решение принимается не путем улучшения качества направляющей посредством механической обработки, что дорого, исключительно сложно и практически невозможно, особенно при больших длинах до метра и более, а путем осуществления в реальном времени цифровой компенсации погрешности, внесенные направляющей на величину перемещения или длины поверяемого или изготавливаемого изделия. Устройство ЛГД (рис.4) содержит измерительную дифракционную решетку с подложкой, индикаторную решетку и считывающую головку, источник излучения, коллиматор, матрицу фотоприемников. ЛГД содержит также стеклянную автономную направляющую, имеющую базовую и обратную поверхности, и она жестко присоединена к торцу подложки ГДРизм (рис.2). Длина автономной направляющей не меньше линейного размера измеряемого объекта. Фотоприемники матрицы (рис.5) установлены по два после дифракционных решеток в каждом из ее двух дифракционных порядков, каждый из которых имеет ось параллельную оси пучка источника излучения.
Каждая пара фотоприемников установлена симметрично относительно оси пучков каждого из дифракционных порядков и на линии, перпендикулярной им осей. Кроме этого, дополнительно к каждой паре фотоприемников добавлены по одному фотоприемнику, расположенному в лазерном пучке, на одной линии с одним из имеющийся и на одинаковом от него расстоянии, равном расстоянию от первых двух и на перпендикуляре к линии, соединяющей первые два фотоприемника с той же стороны.
Считывающая головка жестко связана с подвижной частью внешнего устройства. Неточность изготовления направляющих, по которым двигается одна из решеток, влияет на величину периода муаровых полос, а, следовательно, на величину самого перемещения, определяемую с их помощью, поэтому для измерения длины используют не эту величину, а величину обтюрационных полос, так как они не зависят (инвариантны) от направляющих. Чтобы исключить погрешность, вносимую этим недостатком датчика, необходимо использовать идеально плоские направляющие, что на практике практически невозможно. Поэтому в данном устройстве предлагается исключить эту погрешность путем ее вычитания из общей величины перемещения. Таким образом, с учетом того, что ЛГД осуществляет измерения линейных перемещений посредством обтюрационных полос, где Δоб – истинная величина перемещения, вносимая при определении величины перемещения посредством обтюрационных полос, а δнапр.об. – величина погрешности перемещения, то вносимая обтюрационными полосами за счет использования неточных направляющих:
Δперем.об. = Δоб. + δнапр.об.. (18)
В связи с тем, что при измерении перемещения посредством обтюрационных полос ось подшипников, посредством которых одна решетка перемещается по направляющей относительно другой, перпендикулярна направлению перемещения, и решетка может наклоняться только в направлении перемещения, то при данной конструкции ЛГД величина δнапр.об. = 0 и Δперем.об. = Δоб., что означает, что обтюрационные полосы этого датчика независимы (инвариантны) от качества собственной направляющей. С другой стороны, величина перемещения, полученная при регистрации муаровых полос Δперем.м., в рамках нововведенного датчика на базе фотоприемников 7 и 8 (рис.5) следующая:
Δперем.м. = Δм + δнапр.м, (19)
где Δм – величина самого перемещения, в случае ее определения посредством муаровых полос, а δнапр.м. – дополнительная величина перемещения, вносимая в нем за счет использования неточных направляющих. В предложенное устройство ЛГД имеется возможность определить величину δнапр.м., используя датчики на базе фотоприемников 5, 7 и 6, 8. В этом случае истинную величину перемещения можно найти следующим образом:
Δперем. = Δоб. – δнапр.м., (20)
где
δнапр.м. = (Δперем.м. – Δперем.об.). (21)
Устройство ЛГД (рис.4) работает следующим образом: полупроводниковый лазер 1 (рис.5) излучает когерентный луч, направленный на коллиматор, формирующий слабо расходящийся луч. Расходящийся луч позволяет работать как с "обтюрационными", так и с "муаровыми" полосами [3]. Этот луч направляется на ГДРизм 3 и ГДРинд 4 под углом Брэгга. В случае ГДР с 1000 штрих/мм, это угол порядка 20°. После дифракции на ГДРизм решетку 3 свет падает на ГДРинд решетку 4. В данном конкретном случае длина ГДРизм равна 1000 мм. Решетки 3 и 4 параллельны друг другу. Коллиматор необходим для точной настройки периода интерференционных обтюрационных полос. В случае расходящегося пучка лазера период штрихов первой дифракционной решетки 3 увеличивается по мере отдаления этой решетки от второй решетки 4. Таким образом, меняется частота проектируемых штрихов первой решетки благодаря дифракции в плоскости второй решетки. Разность между периодами измерительной и индикаторной решетками определяет период обтюрационных полос, образованных за решетками. Эти полосы, попадая на фотоприемники 5 и 6, создают синусоидальные сигналы (рис.6). Фотоприемники 5 и 6 установлены на линии инварианта, которая перпендикулярна штрихам решеток. В случае использования идеально плоской направляющей величина перемещения ЛГД, определяемая обтюрационными полосами, будет соответствовать истиной величине перемещения. Выбирают ширину интерференционных полос таким образом, чтобы два фотоприемника из каждой матрицы фотоприемников создавали два сигнала, сдвинутых на 90°. Сдвиг на 90° необходим для определения направления перемещения каретки (реверса) и для дальнейшей интерполяции сигналов, что существенно повышает разрешение датчика. Фотоприемники 7 и 8 установлены на линии, перпендикулярной линии инварианта и параллельной штрихам. При движении ГДРинд возникает бегущая синусоида.
Контролировать сдвиг на 90° во время настройки наиболее удобно с помощью метода фигур "Лиссажу" (рис.7). Необходимо получить фигуру "Лиссажу" в виде круга как от пары фотоприемников 5 и 7, так и от пары фотоприемников 6–8. В таком случае устройство будет считывать как обтюрационные, посредством пары фотоприемников 5 и 6, так и муаровые полосы посредством фотоприемников 5–7 и 6–8. Причем при одном и том же перемещении по идеальной направляющей их величины будут равны, то есть Δм. = Δоб. При неидеальной направляющей их разница равна δнапр.м.:
Δперем.м. – Δоб. = δнапр.м. (22)
В предлагаемом авторами устройстве δнапр.м. не оказывает влияние на измеряемую величину длины перемещения размещения фотоприемников 5 и 6 на линии инвариантности. В данном случае также независимо друг от друга считываются перемещения обтюрационных и муаровых полос посредством двух датчиков, соответственно один на базе фотоприемников 5 и 6, а другой на базе фотоприемников 7 и 8. Учитывая уравнение (21) в каждой точке перемещения и в реальном масштабе времени с помощью соответствующей цифровой программы, мы можем находить длину истинного перемещения Δперем, вычитая из величины Δоб. вклад δнапр.м., определяя его с помощью муаровых и обтюрационных полос согласно выражению (20).
ВЫВОДЫ
Линейный наноизмерительный голографический датчик ЛГД на базе голографических дифракционных решеток, в соответствии с изобретением [4], обладает высокими метрологическими характеристиками, так как имеет возможность исключить влияние автономной направляющей на величину перемещения. Такой датчик полностью заменяет любые аналоги подобных датчиков линейных перемещений.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Turukhano B.G., Turukhano N. Phase synthesis of a holographic metrological diffraction gratings of unlimited length. Optics & Laser Technology, 1996. Vol. 28, no. 4, PP. 263–268.
Датчик линейных перемещений. Турухано Б.Г., Турухано Н. Патент РФ № 2197713 от 27.01.2000.
Фотоэлектрический преобразователь перемещений. Горелик В.П., Коваленко С.Н., Турухано Б.Г. Патент РФ № 1 651167. 27.06.1989 .
Датчик линейных перемещений (ПИЯФ). Турухано Б.Г., Турухано И.А., Турухано Н. Патент на полезную модель № 201730, 29.12.2020.
Отзывы читателей
