ИЗМЕРИТЕЛЬ ЛИНЕЙНЫХ РАЗМЕРОВ (ВАРИАНТЫ)

Группа полезных моделей относится к измерительной технике, в частности, к неконтактным средствам измерения линейных размеров, преимущественно больших.
Преимущественная область применения предложенной группы полезных моделей - высокоточный контроль фиксированных (заданных) номинальных линейных размеров в машиностроении: измерение радиусов статоров, обечаек, расстояний между базами при прецизионной сборке крупногабаритных конструкций, - в оптическом приборостроении: измерение отрезков крупногабаритных оптических систем и радиусов кривизны длиннофокусных зеркал.
Абсолютное измерение больших линейных размеров с высокой точностью представляет сложную техническую задачу, решение которой зависит от требований к погрешности, пределам и диапазону измерений.
Известны устройства для измерения больших фиксированных линейных размеров, например, нутромер [А.Д.Рубинов, Контроль больших размеров в машиностроении, Ленинград, Машиностроение, 1982, стр.15, рис.2.1], включающий штангу известной длины с расположенными на ней двумя опорами, причем одна опора - неподвижная, а другая - подвижная, связанная с датчиком абсолютных линейных перемещений.
Основные недостатки нутромера - большие габариты, равные измеряемому расстоянию и сложность применения (например, при измерении больших линейных размеров необходимо дополнительное оборудование в виде промежуточных опор), ограниченные пределы измерения (серийно выпускаемые приборы имеют пределы измерения до 6 м).
Наиболее близким к предлагаемой группе полезных моделей является устройство для контроля концевых мер - интерферометр белого света [см. Оптические приборы в машиностроении, справочник, М., Машиностроение, 1974, с.102], принцип действия которого основан на измерении сдвига ахроматической полосы, пропорционального изменению оптического пути в рабочей ветви интерферометра Майкельсона. Интерферометр включает источник света, коллимирующий объектив, светоделитель, отражатель рабочего канала, установленный с возможностью перемещения вдоль оптической оси и связанный с объектом измерений, отражатель опорного канала, установленный с возможностью перемещения вдоль оптической оси и наклона относительно оптической оси и размещенный в общем ходе лучей проекционный объектив с расположенным в его фокусе приемным устройством (шкалой).
Это устройство используется при контроле концевых мер и работает по методу разновременного сравнения с эталоном. Сначала шкала устройства устанавливается на "ноль" при измерении эталона линейного размера, затем по шкале измеряется отклонение измеряемого линейного размера от эталона. При достаточно высокой точности измерений линейных размеров (0,05 мкм), устройство имеет ограниченные пределы измерений (150 мм) и малый (0,05 мм) диапазон измерений.
Предложенная группа устройств обеспечивает высокоточное измерение линейных размеров в широких пределах и в большом диапазоне линейных размеров.
Такой результат достигнут, когда
- (вариант 1) в измерителе линейных размеров, включающем источник света, размещенные последовательно по ходу луча коллимирующий объектив, светоделитель, отражатель рабочего канала, установленный с возможностью перемещения вдоль оптической оси и связанный с объектом измерений, отражатель опорного канала, установленный на линейной подвижке с возможностью перемещения вдоль оптической оси, и размещенный в обратном ходе лучей проекционный объектив с расположенным в его фокусе приемным устройством, новым является то, что в опорном канале перед отражателем дополнительно установлен многоходовой, призменный компенсатор разности хода, линейная подвижка отражателя опорного канала снабжена абсолютным датчиком линейных перемещений, отражатели рабочего и опорного каналов выполнены в виде триппель-призм, приемное устройство выполнено в виде матричного фотоприемника, связанного с анализатором амплитуды переменной составляющей интерференционной картины, а источник света выполнен некогерентным;
- (вариант 2) в измерителе линейных размеров, включающем источник света, размещенные последовательно по ходу луча коллимирующий объектив, светоделитель, отражатель рабочего канала, установленный с возможностью перемещения вдоль оптической оси и связанный с объектом измерений, отражатель опорного канала, установленный на линейной подвижке с возможностью перемещения вдоль оптической оси и размещенный в обратном ходе лучей проекционный объектив с расположенным в его фокусе приемным устройством, новым является то, что в опорном канале перед отражателем дополнительно установлен волоконно-оптический компенсатор разности хода из одномодового оптоволокна, линейная подвижка отражателя опорного канала снабжена абсолютным датчиком линейных перемещений, отражатели рабочего и опорного каналов выполнены в виде триппель-призм, приемное устройство выполнено в виде матричного фотоприемника, связанного с анализатором сдвига динамической интерференционной картины, а источник света выполнен в виде полупроводникового лазера, подключенного к генератору пилообразно изменяющегося тока.
Подходы к выполнению многоходового призменного и волоконно-оптического компенсаторов разности оптического хода известны.
Подходы к выполнению анализатора амплитуды переменной составляющей интерференционной картины известны.
Подходы к выполнению анализатора сдвига (смещения) интерференционной картины известны.
На фиг.1 приведена схема измерителя линейных размеров (вариант 1), где некогерентный источник 1 света, коллимирующий объектив 2, светоделитель 3, отражатель 4 рабочего канала, проекционный объектив 5, матричное фотоприемное устройство 6 в виде ПЗС-матрицы, анализатор 7 амплитуды переменной составляющей интерференционной картины, компенсатор 8 разности хода из призм 9 и линейной подвижки 10 призмы, отражатель 11 опорного канала, линейная подвижка 12 отражателя, датчик 13 линейных перемещений.
На фиг.2 приведена схема измерителя линейных размеров (вариант 2), где полупроводниковый лазер 18, коллимирующий объектив 2, светоделитель 3, отражатель 4 рабочего канала, проекционный объектив 5, матричное фото приемное устройство 6 в виде ПЗС-маирицы, анализатор 14 сдвига динамической интерференционной картины, компенсатор 8 разности хода из объективов 15 и 16 и одномодового оптического волокна 17, отражатель 11 опорного канала, линейная подвижка 12 отражателя, датчик 13 линейных перемещений, генератор 19 пилообразно изменяющегося тока.
Устройство работает следующим образом.
Вариант 1.
Принцип работы устройства основан на обеспечении достижения равенства измеряемого оптического хода в рабочем плече и известного оптического хода в опорном плече интерферометра. Критерием равенства оптического хода является максимальный контраст статической интерференционной картины, возникающей на фотоприемном устройстве 6 при использовании источника 1 света с большой шириной спектра (низкой когерентностью). При характерной ширине спектра, например, светодиода, равной 40 нм, длина когерентности, определяющая контраст интерференционной картины, и, следовательно, чувствительность продольной наводки отражателя 11 опорного канала, составляет менее 10 мкм.
Применение в качестве отражателей 11 и 4 в опорном и рабочем плечах триппель-призм позволяет отказаться от угловых подвижек отражателей, что упрощает работу при больших измеряемых размерах. Многоходовой призменный компенсатор 8 разности хода с линейной подвижкой призмы, установленный в опорном плече интерферометра, позволяет расширить пределы измерения без увеличения габаритных размеров устройства.
На фиг.1 представлен трехпроходный призменный компенсатор разности хода, реальное количество проходов может превышать десять.
Перед измерениями проводят калибровку измерителя (измерение известного размера, близкого к номинальному). Для этого компенсатор 8 устанавливают на номинальное значение измеряемого линейного размера (оптический путь в компенсаторе должен быть равен измеряемому размеру) при помощи перемещения вдоль оптической оси призмы 9 линейной подвижкой 10; подвижку 12 отражателя 11 опорного канала устанавливают в среднее положение. Расстояние от светоделителя до посадочной поверхности отражателя 4 рабочего канала, равное номинальному значению измеряемого размера, измеряют на оптической скамье при помощи высокоточного прибора, например, лазерного измерителя перемещений. Подвижкой 12 отражателя опорного канала добиваются появления на фотоприемном устройстве 6 интерференционного сигнала максимального контраста (контроль ведется по анализатору амплитуды 7), что соответствует минимальной разности оптических путей в рабочем и опорном каналах. Показания датчика 13 линейных перемещений при этом устанавливают на нуль. Эти показания датчика соответствуют номинальному линейному размеру.
При работе устройства отражатель 4 рабочего канала размещают на объекте, устройство размещают на номинальной дистанции с погрешностью, не превышающей половину хода подвижки отражателя опорного канала, и подвижкой 12 отражателя опорного канала добиваются появления на фотоприемнике 6 интерференционного сигнала максимального контраста. Изменение показаний датчика 13 линейных перемещений при этом соответствует отклонению измеряемого размера от номинала, полученного при калибровке.
Вариант 2.
Принцип работы устройства, как и в варианте 1, основан на достижении равенства измеряемого оптического хода в рабочем плече и известного оптического хода в опорном плече интерферометра. Для расширения пределов измерения в устройстве используется волоконно-оптический компенсатор 8 оптического хода, который может иметь неограниченную длину. Для ввода излучения в одномодовое волокно в качестве источника излучения используют полупроводниковый лазер 18. Полупроводниковый лазер имеет большую длину когерентности, поэтому интерференционная картина на фотоприемнике 6 возникает при больших разностях хода в рабочем и опорном плечах интерферометра.
Для определения равенства оптического хода в плечах интерферометра используется модуляция длины волны полупроводникового лазера, поэтому его питание осуществляют пилообразно изменяющимся током. При модуляции длины волны лазера 18 на фотоприемнике 6 возникает смещающаяся динамическая (меняющаяся во времени) интерференционная картина, смещение которой связано с разностью оптического хода в плечах интерферометра (чем больше разность хода, тем больше смещение динамической интерференционной картины). Критерием равенства оптического хода является минимальное смещение динамической интерференционной картины, возникающей при модуляции длины волны когерентного источника света. Например, при модуляции длины волны на 2,5 нм чувствительность продольной наводки отражателя опорного канала составляет менее 20 мкм.
Калибровка измерителя осуществляется так же, как и в варианте 1, по известному линейному размеру, измеренному при помощи устройства более высокого класса.
Пример конкретного исполнения.
Вариант 1.
По схеме, приведенной на фиг.1, разработан и изготовлен экспериментальный образец измерителя линейных размеров.
Устройство предназначено для прецизионного измерения отклонения от фиксированной длины L=1500 мм в диапазоне ±25 мм. В качестве источника света используется светодиод с длиной волны излучения 635 нм. Многоходовой (трехпроходный) компенсатор разности хода в опорном плече выполнен из призм АР-90, одна из которых установлена на линейной подвижке для перестройки значения номинального размера в диапазоне 750-1500 мм. Отражатель опорного канала (триппель-призма, световой диаметр 20 мм) установлен на микрометрической подвижке с ходом 50 мм, снабженной датчиком перемещений с разрешением 1 мкм (цифровой индикатор фирмы Mitutoyo). Отражатель рабочего канала (триппель-призма, световой диаметр 20 мм) установлен на магнитном основании. В качестве фотоприемника используется ПЗС-камера VBM-741 фирмы ЭВС, г.Санкт-Петербург, максимальный контраст интерференционной картины определяется визуально при помощи телевизионного осциллографа с выделением строк.
Было проведено 5 серий измерений длины.
Среднеквадратическое отклонение результатов измерения размера L=1500 мм составило 10 мкм.
Вариант 2.
По схеме, приведенной на фиг.2, разработан и изготовлен экспериментальный образец измерителя линейных размеров.
Устройство предназначено для прецизионного измерения отклонения от фиксированного значения радиуса R=7500 мм в диапазоне ±25 мм. В качестве когерентного источника используется модуль лазерный точечный KLM-A63 5-2-5 производства фирмы ФТИ-Оптроник, г.Санкт-Петербург на длину волны 0,635 мкм. Частота генератора пилообразного напряжения составляет 0,5 гц, модуляция длины волны лазера - 2,5 нм.
Компенсатор разности хода в данном случае выполнен из кварцевого одномодового оптоволокна с применением серийно выпускаемых устройств волоконно-оптической связи (объективов-фокусаторов, юстировочных устройств). Отражатель опорного канала (триппель-призма, световой диаметр 20 мм) установлен на микрометрической подвижке с ходом 50 мм, снабженной датчиком перемещений с разрешением 1 мкм (цифровой индикатор фирмы Mitutoyo). Отражатель рабочего канала (триппель-призма, световой диаметр 20 мм) установлен на магнитном основании. В качестве фотоприемника используется ПЗС-камера VBM-741 фирмы ЭВС, г.Санкт-Петербург, определение минимального смещения динамической интерференционной картины определяется визуально при помощи телевизионного осциллографа с выделением строк.
Было проведено 5 серий измерений длины.
Среднеквадратическое отклонение результатов измерения диаметра R=7500 мм составило 20 мкм.
В дальнейшем предполагается использование измерителя линейных размеров при сборке статоров крупногабаритных электрогенераторов.