СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ РАЗМЕРА ЕДИНИЦЫ СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ ИЛИ ЭНЕРГИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК G01J5/50 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к способам и устройствам передачи размера единиц физических величин.

Известны способы передачи размера единицы средней мощности непрерывного и энергии импульсного лазерного излучений от рабочего эталона к образцовому средству измерений (ОСИ) и от ОСИ к рабочему средству измерений, основанные на использовании метода прямых измерений [1,2].

Известные способы одновременного воспроизведения и передачи размера единиц СМ и Э лазерного излучения и устройства, реализующие их, выбраны в качестве прототипа. Основными недостатками прототипа являются следующие.

Большие затраты времени на аттестацию ОСИ в нескольких точках диапазона измерений, обусловленные необходимостью калибровки эталонного преобразователя в каждой точке за счет измерения поступающей на его вход СМ или Э лазерного излучения, приводят к существенному снижению производительности аттестационно-поверочных работ.

Сильная зависимость изменения коэффициента K_i от угла поворота платформы, особенно при K_i>10³. Так, в последнем случае поворот платформы менее чем на 2^о приводит к изменению K_i от 10³ до 10⁷, т.е. на четыре порядка. Данная зависимость существенно усложняет выставку значения K_i=K_зад. и приводит к значительному возрастанию погрешности передачи размера единиц СМ или Э лазерного излучения с ростом K_i.

Высокие требования к точности изготовления платформы и жесткости ее конструкции, а также к точности установки и жесткости крепления излучателя на платформе. Так, при вращении платформы на угол ± 45^онаибольшее смещение центра лазерного пятна в плоскости апертур приемных элементов первичных измерительных преобразователей эталона и образцового средства измерений не должно превышать 0,5 мм для уменьшения влияния зонной составляющей погрешности этих преобразователей. Учитывая, что расстояние между излучателем лазера и первичными измерительными преобразовате- лями составляет ≈ 2,0 м, то максимальное угловое отклонение лазерного пучка от оптической оси эталона (поверочной установки), обусловленное указанными выше факторами, не должно превышать 50 угл.сек.

Цель изобретения - разработка способа передачи размера единицы средней мощности или энергии лазерного излучения, обеспечивающего повышение производительности аттестационно-поверочных работ в случае аттестации средства измерений в нескольких точках его диапазона измерений при одновременном повышении точности передачи размера единиц физических величин, а также устройства, реализующего данный способ.

Указанная цель достигается поляризационным делением лазерного излучения на два пучка с последующим поляризационным ослаблением одного (поступающего на измерительный преобразователь аттестуемого или поверяемого средства измерений) из этих пучков.

Сущность предлагаемого способа состоит в совокупности операций, выполняемых в следующей последовательности:
а) генерируют непрерывное (для передачи размера единицы СМ) или импульсное (для передачи размера единицы энергии) лазерное излучение:
б) осуществляют с помощью поляризатора линейную поляризацию лазерного излучения;
в) делят линейно-поляризованное лазерное излучение с помощью двулучевой призмы поляризационного делителя на два пучка (импульса) с взаимно ортогональными плоскостями поляризации, т.е. на обыкновенный и необыкновенный лазерные пучки, направляют один из лазерных пучков (например, обыкновенный) непосредственно на измерительный преобразователь эталона или ОСИ, а другой (необыкновенный) - через поляризационный ослабитель на измерительный преобразователь аттестуемого или поверяемого средства измерений;
г) перед передачей размера единицы выставляют поляризационный ослабитель в исходное положение, при котором он имеет коэффициент ослабления поляризационных элементов, равный 1,0. Известно, что коэффициент ослабления одноступенчатого (состоит из двух) и двухступенчатого (состоит из трех элементов) поляризационных ослабителей определяется соответственно формулами
γ₁= = ;; _=,, (1) где ϕ - угол между осями поляризационных элементов (призм) ослабителя;
Р₂( ϕ_i=0) - средняя мощность лазерного пучка на выходе поляризационного ослабителя при параллельном расположении осей призм, т.е. когда ϕ_i = 0;
Р₂(ϕ_i= ϕ) - средняя мощность лазерного пучка на выходе поляризационного ослабителя при угле между осями призм, равном ϕ.

Очевидно, что коэффициенты ослабления поляризационных ослабителей будут иметь аналогичные выражения и при ослаблении импульсного лазерного излучения.

После того, как выставлен γ = 1,0 с помощью линейного поляризатора поворачивают плоскость поляризации лазерного излучения, падающего на двухлучевую призму поляризационного делителя, на угол, при котором средние мощности (энергии) лазерных пучков (импульсов) на входах обоих измерительных преобразователей, указанных в операции в) одинаковы. Это соответствует коэффициенту деления лазерного излучения K_i=1,0.

В общем случае K_i характеризует отношение средней мощности Р₁непрерывного или энергии Е₁ импульса лазерного излучения на входе измерительного преобразователя эталона или ОСИ к средней мощности Р₂(ϕ_i) непрерывного или энергии Е₂ (ϕ_i) импульса лазерного излучения на входе измерительного преобразователя аттестуемого (поверяемого) средства измерений, т. е.

K_i= ,, K_i= . (2)
При применении поляризационных ослабителей, состоящих из двух и трех призм, коэффициент деления лазерного излучения определяется соответственно формулами
K_1i= , K_2i= .. (3)
Выполнение условий γ = 1,0 и P₁ = Р₂ (ϕ_i = 0) или Е₁ = Е₂ (ϕ_i = 0) контролируют с помощью двух эталонных измерительных преобразователей на эталоне и двух ОСИ на поверочной установке. При этом контроль за выполнением этих условий достаточно проводить один раз в течение межповерочного интервала эталона или поверочной установки, так как поляризационный делитель и ослабитель обладают стабильными характеристиками, определяемыми свойствами материалов, из которых изготовлены их поляризационные элементы;
д) осуществляют сначала передачу размера единицы от эталона или ОСИ к аттестуемому (поверяемому) средству измерений при K_i=1,0, a затем при K_i= K_зад. В последнем случае поворачивают подвижную призму поляризационного ослабителя на угол ϕ_зад, определяемый выражениями
ϕ_зад=arcCosK - для одноступенчатого ослабителя; или
ϕ_зад=arcCosK - для двухступенчатого ослабителя.

Показания Р_а(Е_а) аттестуемого (поверяемого) средства измерений должны соответствовать значениям Р_а^I или Е_а^I, рассчитываемым по формулам
Р_а^I = P₁/K_i или E_a^I = E₁/K_i, где Р₁, Е₁ - значения средней мощности непрерывного и энергии импульса лазерного излучения, измеренные эталоном или ОСИ.

В предложенном способе определение основной погрешности измерений аттестуемого (поверяемого) средства измерений в любой заданной точке его диапазона измерений осуществляется в соответствии с выражениями
Δ Р = Р_а^I - P_a или Δ Е = Е_а^I - E_a.

Сравнение предлагаемого способа со способом-прототипом показывает следующее.

В предлагаемом способе один из выходных лазерных пучков поляризационного делителя направляют непосредственно на измерительный преобразователь эталона (ОСИ), а другой через поляризационный ослабитель - на измерительный преобразователь аттестуемого (поверяемого) средства измерений. В прототипе оба выходных лазерных пучка поляризационного делителя направляют непосредственно на измерительные преобразователи указанных средств измерений.

В предлагаемом способе операция по определению коэффициента τ поляризационного делителя исключена, в прототипе она является одной из основных.

В предлагаемом способе введена операция выставки поляризационного ослабителя в исходное состояние, при котором у него коэффициент ослабления γ = 1,0, что соответствует ϕ_i = 0. Эта операция в прототипе отсутствует.

В предлагаемом способе установка K_i = = K_зад осуществляется путем поворота подвижного элемента поляризационного ослабителя на угол ϕ_i = ϕ_зад. При этом значение угла ϕ_зад может быть любым в пределах от 0 до ± 90^о, в то время как в прототипе значение угла Δα может изменяться в пределах от 0 до ± 45^о. Этим достигается более плавный характер изменения K_i от угла ϕ_i по сравнению с прототипом.

Из сопоставительного анализа следует, что предлагаемый способ соответствует критерию "новизна".

Существенными признаками заявляемого способа являются следующие:
тождественное равенство между коэффициентом деления K_i лазерного излучения и коэффициентом ослабления γ_i поляризационного ослабителя;
сохранение значения средней мощности (энергии) лазерного излучения на входе измерительного преобразователя эталона (ОСИ) при изменении K_i, это особенно важно для эталона, так как исключает необходимость его перекалибровки при каждом изменении K_i;
исключение необходимости определения коэффициентов пропускания элементов оптического тракта эталона или поверочной установки за счет выполнения условия Р₁ = = Р₂ (Е₁ = Е₂).

На чертеже показана структурная схема устройства для осуществления предлагаемого способа.

Устройство, осуществляющее предлагаемый способ, состоит из лазера 1 непрерывного излучения, электромеханического затвора 2, поляризационного делителя 3, состоящего из соосно расположенных друг за другом линейного поляризатора 4 и двухлучевой призмы 5, измерительного преобразователя 6 эталона или ОСИ, установленного непосредственно на пути распространения одного из выходных пучков поляризационного делителя 3, поляризационного ослабителя 7 и измерительного преобразователя 8 аттестуемого или поверяемого средства 9 измерений, последовательно установленных на пути другого лазерного пучка, выходящего с поляризационного делителя 3. Электрические сигналы с измерительных преобразователей 6 и 8 поступают соответственно на аппаратуру измерения эталона или индикаторный блок ОСИ и индикаторный блок 10 аттестуемого (поверяемого) средства измерений.

Устройство работает следующим образом. Включаются лазер 1, аппаратура измерения эталона (ОСИ) и аттестуемое (поверяемое) средство измерений в соответствии с их инструкциями эксплуатации. По угломерному лимбу поляризационного ослабителя 7 выставляется угол ϕ_i = 0, что cоответcтвует K_i = 1,0. С помощью затвора 2 подается непрерывное или импульсное лазерное излучение на поляризационный делитель 3, который делит лазерное излучение на два луча, один из которых поступает непосредственно на измерительный преобразователь 6, а другой - через поляри- зационный ослабитель 7 на измерительный преобразователь 8. Снимается серия одновременных показаний обоих средств измерений, которая фиксируется как результат передачи размера единицы средней мощности (энергии) лазерного излучения от эталона (ОСИ) к аттестуемому (поверяемому) средству 10 измерений при K_i = 1,0.

Затем по пункту д) предлагаемого способа рассчитывают для поляризационного ослабителя 7 ряд значений углов ϕ_i, соответствующих контролируемым точкам диапазона измерений аттестуемого (поверяемого) средства измерений. По угломерному лимбу ослабителя 7 выставляется угол ϕ_i=ϕ₁ и вновь снимается серия одновременных показаний обоих средств измерений, которая фиксируется как результат передачи размера единицы средней мощности (энергии) лазерного излучения от эталона (ОСИ) к аттестуемому (поверяемому) средству 10 измерений при K_i = K₁. В других контролируемых точках диапазона измерений аттестуемого (поверяемого) средства измерений устройство работает аналогично.

Устройство, реализующее заявляемый способ, отличается от устройства-прототипа тем, что излучатель лазера не требует для своего размещения поворотной платформы (обеспечивается существенное упрощение конструкции устройства) и введен поляризационный ослабитель, устанавливаемый перед измерительным преобразователем аттестуемого (поверяемого) средства измерений. Данные отличия показывают на соответствие устройства критерию "новизна".

Устройство, реализующее заявляемый способ, обладает существенными признаками, присущими данному способу. Сравнение заявленного объекта не только с прототипами, но и с другими техническими решениями в измерительной технике показывает на отсутствие решений со сходными признаками, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

Осуществлена экспериментальная проверка предложенных способа и устройства с использованием следующей аппаратуры: лазер непрерывного излучения типа ЛГН-503; электромеханический затвор типа ЗС14.000; призмы из состава электрооптических модуляторов МЛ-3; измерительный преобразователь типа ПИ-1 с аппаратурой калибровки и измерения его выходных сигналов из состава рабочего эталона средней мощности лазерного излучения, либо измерительный преобразователь типа ПМ-2 с аппаратурой калибровки и измерения его выходных сигналов из состава рабочего эталона энергии импульсного лазерного излучения; измерительный преобразователь типа ПМ-4 (для СМ) и типа ПИ-5 (для энергии); специализированный цифровой вольтметр типа Щ 68006 (для СМ) и типа Щ 68005 (для энергии).

Измерительный преобразователи 6 и 8 размещаются в термокамере, разработанной заявителем.

В поляризационном ослабителе в качестве угломерного устройства используется оптическая делительная головка типа ОДГ-5.

Предлагаемые способ и устройство позволяют повысить производительность аттестационно-поверочных работ, особенно на эталонах, за счет исключения затрат времени на перекалибровку их измерительных преобразователей при аттестации (поверке) средства измерений.

Заявленные способ и устройство передачи размера единицы средней мощности или энергии лазерного излучения могут найти широкое применение при разработке и эксплуатации эталонов и поверочных установок.

Аппаратурная реализация данного способа и устройства технических трудностей не вызывает.

Использование: способ передачи размера единицы средней мощности или энергии предназначен для калибровки эталонов, поверочных установок и средств измерения мощности и энергия лазерного излучения. Сущность: способ заключается в том, что из входного лазерного излучения формируются два пучка с известным соотношением средних мощностей (энергией), один из которых направляют на эталонное (образцовое) средство измерений, а другой - на аттестуемое (поверяемое) средство измерений. Сравнивая с учетом соотношения средних мощностей (энергий) одновременные показания обоих средств измерений, определяют основную погрешность аттестуемого (поверяемого) средства измерений. Устройство для реализации способа содержит соосно последовательно размещенные лазерный излучатель, затвор, поляризационный делитель, содержащий линейный поляризатор и двухлучевой поляризационный элемент, причем линейный поляризатор выполнен с возможностью вращения вокруг оси лазерного излучателя. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ передачи размера единицы средней мощности или энергии лазерного излучения, состоящий в том, что непрерывное или импульсное лазерное излучение линейно поляризуют, пучок линейно-поляризованного лазерного излучения делят с помощью двухлучевого поляризационного элемента на обыкновенный и необыкновенный лазерные пучки, один из которых направляют на измерительный преобразователь эталона или образцового средства измерений, а другой - на измерительный преобразователь аттестуемого средства измерений, причем первоначально выравнивают средние мощности пучков или энергий импульсов лазерного излучения на входах обоих измерительных преобразователей, устанавливают заданное значение коэффициента деления K_i средней мощности или энергии импульсов лазерного излучения между двумя пучками, по показаниям обоих средств измерений определяют основную погрешность аттестуемого средства измерений, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности аттестационно-поверочных работ при одновременном снижении погрешности передачи размера единиц физических величин, перед измерительным преобразователем аттестуемого средства измерений устанавливают поляризационный ослабитель, коэффициент ослабления которого первоначально выставляют равным 1,0, а затем для получения заданного коэффициента K_i поворачивают подвижный элемент поляризационного ослабителя на угол α_i , определяемый по формуле
α_i= arccos(K_i) - для одноступенчатого ослабителя,
или
α_i= arccos(K_i) - для двухступенчатого ослабителя,
где α_i - угол поворота подвижного элемента поляризационного ослабителя от положения, при котором его коэффициент ослабления равен 1,0. 2. Устройство для передачи размера единицы средней мощности или энергии лазерного излучения, содержащее соосно и последовательно размещенные друг за другом лазерный излучатель, затвор, поляризационный делитель, состоящий из линейного поляризатора и двухлучевого поляризационного элемента, а также измерительные преобразователи эталона или образцового средства измерений и аттестуемого средства измерений, установленные в направлениях распространения выходных лазерных пучков поляризационного делителя, отличающееся тем, что, с целью повышения производительности аттестационно-поверочных работ при одновременном снижении погрешности передачи физических величин, перед измерительным преобразователем аттестуемого средства измерений размещен поляризационный ослабитель, а линейный поляризатор выполнен с возможностью вращения вокруг оптической оси лазерного излучения и установлен в положении, при котором для начального коэффициента ослабления поляризационного ослабителя, равного единице, выполняется условие равенства средней мощности либо энергии импульсов лазерного излучения на входах обоих измерительных преобразователей.