ЛАЗЕРНЫЙ ДАТЧИК УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ Российский патент 1995 года по МПК G01B9/00 

Изобретение относится к контрольно-измерительным приборам, а именно к регистрации ультразвуковых сигналов.

Известны лазерные интерферометры [1] использующие явление интерференции для измерения расстояний до выбранного объекта, положение которого может меняться во времени.

Недостатком этих приборов является ограничение частотного диапазона регистрируемых смещений узкой низкочастотной областью, малая чувствительность и невысокая точность измерений.

Наиболее близким к изобретению по техническим признакам и достигаемым результатам является устройство [2] в котором на базе двухлучевого интерферометра реализована схема регистрации колебаний объекта в широкой области частот ультразвукового диапазона.

Недостатком является ограниченный диапазон амплитуд измеряемых колебаний, невысокая точность определения величины смещения диагностируемой поверхности, заметное искажение формы регистрируемого ультразвукового сигнала.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений и расширение диапазона фиксируемых амплитуд ультразвуковых волн, достигаемое регистрацией смещений диагностируемой поверхности как меньших длины волны лазерного излучения, так и превышающих эту величину.

Это достигается тем, что в лазерном датчике ультразвуковых сигналов, содержащем сдвоенный лазерный интерферометр, два фотоприемника, положение которых друг относительно друга отрегулировано в направлении падающих электромагнитных лучей с помощью пьезокерамических пластин, и электронный блок обработки результатов измерений, состоящий из разностного усилителя и выходного усилителя, согласно изобретению на фотоприемники поданы сигналы с опережением друг друга по фазе на половину длины волны падающего излучения, а их выходы подсоединены к входам дифференциального усилителя, выход которого подключен параллельно к входам аналогового коммутатора и линии управления аналоговым коммутатором, состоящей из компаратора с порогом, выход которого соединен со входом S триггера, причем его вход R подключен к выходу схемы ИЛИ, три входа которой соединены соответственно с выходом схемы начальной установки и входом R реверсивного счетчика, выходом "<0" реверсивного счетчика и выходом S схемы синхронизации.

Выход Q триггера подключен на управляющий вход аналогового коммутатора, выходы которого подсоединены к входам двух линий, одна из которых, включающая линейный усилитель, подключена к одному из входов аналогового сумматора, стоящего на выходе блока электронной обработки сигнала, тогда как со вторым выходом аналогового коммутатора связана вторая линия, в начале которой помещена схема синхронизации, имеющая на входе параллельно соединенные триггер Шмитта и дифференцирующий усилитель, выход которого подсоединен к входу компаратора, имеющего на выходе один из входов оконечной схемы И. Выход этой схемы И является выходом S схемы синхронизации, а выход триггера Шмитта подключен к входам двух формирователей, выходы которых соединены соответственно с входами объединяющей схемы ИЛИ, входами R и S триггера и входами двух схем И, вторые входы которых подключены к выходам Q и триггера, причем выходы этих двух схем И соединены соответственно с входами оконечной схемы ИЛИ, выход которой является выходом С схемы синхронизации. При этом выход 2 объединяющей схемы ИЛИ через инвертор подсоединен к второму входу оконечной схемы И, а также на вход делителя частоты, выход которого образует выход Т схемы синхронизации, соединяемый с входами двух знакоопределяющих схем И, вторые входы которых подключены соответственно к выходам Q и знакоопределяющего триггера. Выход объединен с входом D последнего, вход С соединен с выходом С схемы синхронизации, а входы S и R подключены к выходам двух установочных схем И, первые входы которых подсоединены к выходам знакоопределяющего триггера Шмитта с входом, подключаемым к выходу линейного усилителя. Вторые входы двух установочных схем И объединены и соединены с выходом установочного компаратора, вход которого подключен к объединенным выходу ЦАП и входу фильтра, причем цифровые входы ЦАП соединены с соответствующими выходами реверсивного счетчика, два знаковых входа которого подсоединены соответственно к двум выходам знакоопределяющих схем И, а выход фильтра подключен к второму входу аналогового сумматора.

На фиг. 1 представлена оптическая схема лазерного датчика; на фиг. 2 схема блока электронной обработки сигнала; на фиг. 3 схема синхронизации.

Лазерный датчик содержит источник 1 когерентного электромагнитного излучения (лазер), полупрозрачные зеркала 2-5, разделяющие падающие электромагнитные потоки на два пучка примерно одинаковой интенсивности, линзу 6, фокусирующую прошедший пучок излучения на объект 7, уголковый отражатель 8 с регулируемым перемещением вдоль каналов интеpференции, направляющий опорный пучок на призму 9, находящуюся на юстируемом расстоянии от уголкового отражателя 10, неподвижное зеркало 11, фотоприемники 12 и 13, блок 14 электронной обработки сигнала.

На входе блока электронной обработки сигнала помещают дифференциальный усилитель 15, приемные каналы которого подсоединяют к выходам фотоприемников 12 и 13 (фиг. 1). Выход усилителя (фиг. 2) соединяют с входом аналогового коммутатора 16 и входом компаратора 17 с порогом. Выход компаратора 17 соединяют с входом S-триггера 18, а R вход последнего подключают к выходу элемента ИЛИ 19, один из входов которой соединяют с выходом схемы 20 начальной установки и входом R реверсивного счетчика 21, второй с выходом <0 реверсивного счетчика 21, а третий подают на S выход схемы синхронизации 22.

Один из выходов аналогового коммутатора 16 соединяют с входом линейного усилителя 23, выход которого подключают к одному из входов аналогового сумматора 24, а также к входу знакоопределяющего триггера Шмитта 25. Выход Q триггера 18 подсоединяют к входу управления аналогового коммутатора 16. Выходы триггера Шмитта 25 соединяют с первыми входами элементов И 26 и 27, выходы которых подключают соответственно к входам S и R знакоопределяющего триггера 28. Вторые входы элементов И 26 и 27 объединяют и подключают к выходу установочного компаратора 29. Второй выход аналогового коммутатора 16 подключают к входу схемы 22 синхронизации, выход С которой соединяют с входом С триггера 28, а выход Т с первыми входами знакоопределяющих элементов И 30 и 31, вторые входы элементов которых подключают соответственно к выходам Q и триггера 28. Выход триггера 28 объединен с входом D последнего. Выходы схем 30 и 31 подключают соответственно к знаковым входам "+" и "-" реверсивного счетчика 7, выходы разрядов которого подсоединяют к соответствующим цифровым входам ЦАП 32. Выход последнего соединяют с входами компаратора 29 и фильтра 33, выход которого подсоединяют к второму входу аналогового сумматора 34.

Вход схемы синхронизации подключают к одному из выходов аналогового коммутатора 16 (фиг. 2). На вход схемы синхронизации (фиг. 3) подключают объединенные входами триггер Шмитта 35 и дифференцирующий усилитель 36. Выход триггера Шмитта подключают к входам формирователей 37 и 38, выходы которых соединяют с входами объединяющей схемы ИЛИ 39, соответственно к входам R и S триггера 40 и первыми входами схем И 41 и 42, вторые входы которых подсоединяют соответственно к выходам Q и триггера 40, а выходы на входы оконечного элемента ИЛИ 43, выход которой является выходом С схемы синхронизации.

Выход элемента ИЛИ 39 подключают к входам делителя частоты 44, выход которого является выходом Т схемы синхронизации, а также на вход инвертора 45. Выход дифференцирующего усилителя 36 подсоединяют к входу компаратора 46, выход которого, а также выход инвертора 45 подключают ко входам оконечного элемента И 47, выход которой является выходом S схемы синхронизации.

Регистрация ультразвуковых колебаний происходит следующим образом.

Непрерывный поток когерентного электромагнитного излучения (фиг. 1) от источника 1 частично проходит через полупрозрачное зеркало 2, а частично отражается в опорное плечо интерферометра перпендикулярно падающему лучу. Прошедший пучок электромагнитных волн попадает на линзу 6, в фокусе которой находится поверхность диагностируемого объекта 7, так что отраженное от нее излучение, проходя в обратном направлении линзу, образует луч, параллельный падающему.

Отражаясь от полупрозрачных зеркал 4 и 5, этот луч образует два измерительных пучка электромагнитного излучения, каждый из которых используется для создания интерфеpенционной картины в одном из двух каналов интерферометра. Неподвижное зеркало 11 введено в один из каналов интерферометра для того, чтобы избежать искажающего перемещения лучей в разных каналах. Излучение в опорном плече проходит уголковый отражатель 8, частично отражаясь от полупрозрачного зеркала 3, и образует два параллельных опорных луча, по одному в каждом канале интерферометра. При этом в каждом из каналов предусмотрена возможность изменения длины оптического пути опорного луча.

В одном случае это достигается перемещением уголкового отражателя 8 в направлении образуемых параллельных опорных лучей, определяющих положение коллинеарных осей каналов интерференции, которые заканчиваются фотоприемниками 12 и 13 соответственно. В другом канале длина оптического пути варьируется при настройке изменением расстояния между призмой 9 и уголковым отражателем 10 с помощью регулировочных винтов. Соединяясь с измерительными пучками электромагнитного излучения, эти опорные лучи образуют в каждом из каналов бегущую волну, амплитуда которой модулируется величиной отношения смещения диагностируемой поверхности 7 к длине волны излучения. Получаемый в каждом из каналов сигнал регистрируется фотоприемниками 12 и 13.

С помощью регулировки длины оптического пути каждого опорного луча устанавливают такую разность фаз между сигналами, регистрируемыми фотоприемниками 12 и 13, когда максимальное значение выходного напряжения на одном из них соответствует минимальной амплитуде выходного сигнала другого. Выходы фотоприемников 12 и 13 соединяют с входом блока 14 электронной обработки сигналов, обеспечивающего получение конечного результата измерений.

Работа блока электронной обработки сигналов происходит следующим образом.

При включении блока (фиг. 2) со схемы 20 начальной установки через элемент ИЛИ 19 на R вход триггера 18 поступает импульс, что приводит к появлению на выходе Q триггера логической "1" и включению аналогового коммутатора 16 в положение, когда его вход подключен к входу линейного усилителя 23.

Импульс со схемы начальной установки 20 поступает также на R вход реверсивного счетчика 21 и устанавливает его разряды в логический 0. Сигналы с фотоприемников 12 и 13 (фиг. 1) поступают на входы дифференциального усилителя 15 (фиг. 2), где происходит вычитание шумов и усиление полезного сигнала, проходящего через аналоговый коммутатор 16, линейный усилитель 23 и аналоговый сумматор 24 на выход блока.

При увеличении сигнала до U_пор1, говорящего о том, что перемещение поверхности объекта (фиг. 1) близко к длине волны лазера, на одном из выходов триггера Шмитта 25 (фиг. 2) появляется импульс установки триггера 28, причем, если сигнал > 0, то импульс установки проходит через элемент И 26 на вход S триггера 28, устанавливает выход Q триггера в логическую 1, что разрешает прохождение тактовых импульсов с выхода Т схемы синхронизации 22 через схемы И 30 на вход "+" реверсивного счетчика 21. Если сигнал <0, то импульс установки проходит через элемент И 27 на R вход триггера 28, устанавливает выход триггера в логическую 1, что разрешает прохождение тактовых импульсов с выхода Т схемы 22 синхронизации через элемент И 31 на вход "-" реверсивного счетчика.

При дальнейшем увеличении сигнала до U_пор2 > U_пор1 на выходе компаратора 17 появляется импульс, устанавливающий Q выход триггера в положение логического "0", что приводит к переключению аналогового коммутатора во второе положение: сигнал поступает на вход схемы синхронизации 22.

Схема синхронизации (фиг. 3) работает следующим образом.

Сигнал поступает одновременно на входы триггера Шмитта и дифференцирующего усилителя. Триггер Шмитта 35 (фиг. 3) имеет порог срабатывания U_пор3 > U_пор2. Формирователи 37 и 38 вырабатывают импульсы, если сигнал имеет соответственно положительную или отрицательную полярность. Если сигнал является периодическим (т. е. является функцией синуса или косинуса) и имеет равное число положительных и отрицательных полупериодов, то равное количество импульсов, поступающих с формирователей 37 и 38 на R и S входы триггера 40, приводит к появлению на С выходе схемы синхронизации четного числа импульсов. Это, в свою очередь, приводит к четному количеству перебросов триггера 28 (фиг. 2) и к тому, что направление счета реверсивного счетчика 21 остается неизменным.

Импульсы с формирователей 37 и 38 (фиг. 3) поступают также на входы схемы ИЛИ 39, где суммируются. Таким образом, движению диагностируемой поверхности на длину волны лазерного излучения соответствуют два импульса. Импульсы с выхода элемента ИЛИ 39 проходят через делитель 44 с коэффициентом 2 и поступают через один из элементов И 30 и 31 (фиг. 2) на соответствующие входы реверсивного счетчика 21. Цифровой код последнего преобразуется с помощью ЦАП 32 в аналоговый сигнал и через сглаживающий фильтр 33 поступает на второй вход аналогового сумматора 34. Движение диагностируемой поверхности в одном направлении приводит к плавному увеличению амплитуды сигнала на выходе аналогового сумматора.

Изменение направления движения поверхности приводит к сбою фазы сигнала, поступающего на вход схемы синхронизации 22, что выявляется с помощью дифференцирующего усилителя 36 (фиг. 3), компаратора 46, инвертора 45 и схемы И 47. На выходе последней появляется импульс, поступающий на один из входов схемы ИЛИ 19 (фиг. 2), проходящий через нее на R вход триггера 18 и переключающий аналоговый коммутатор на первый канал.

Процесс обработки сигнала повторяется. Однако, поскольку на выходе ЦАП 32 имеется напряжение, компаратор 29 закрывает элементы И 26 и 27, а сбой фазы входного сигнала приводит к тому, что на С выходе схемы синхронизации 22 проходит нечетное количество импульсов. Это приводит к перебросу триггера 28 и тактовые импульсы с Т выхода схемы синхронизации 22 будут поступать на другой знаковый вход реверсивного счетчика, что приведет и к изменению аналогового сигнала на выходах ЦАП 32 и аналогового сумматора 24. Когда сигнал на входе блока уменьшится до нуля, до нуля уменьшатся и показания реверсивного счетчика и сигнал на выходе ЦАП 32. При этом сработает компаратор 29, дающий разрешение на прохождение импульсов через элементы И 26 и 27, а импульс с выхода <0 реверсивного счетчика 21 через элемент ИЛИ 19 и триггер 18 установит аналоговый коммутатор в исходное состояние.

Процесс обработки сигнала повторяется.

Предлагаемый лазерный датчик ультразвуковых сигналов позволяет повысить точность измерений и расширить диапазон фиксируемых амплитуд ультразвуковых волн, что достигается регистрацией смещений диагностируемой поверхности, как меньших длины волны используемого лазерного излучения, так и превышающих эту величину.

Изобретение относится к контрольно-измерительным приборам, а именно к регистрации ультрозвуковых сигналов, и может быть использовано в ультрозвуковой дефектоскопии и акустоэмиссионной диагностике. Технический результат - повышение точности измерений и расширение диапозона фиксируемых амплитуд ультрозвуковых волн, это достигается регистрацией смешений диагностируемой поверхности как меньших длины волны лазерного излучения, так и превышающих эту величину. Отличительные признаки изобретения сводят к следующему: автоматический переход от одного диапозона измерений амплитуд ультразвуковых смешений поверхности к другому диапозону, границей между которыми является величина длины волны используемого лазерного излучения; оригинальная схема двухканального лазерного интерферометра с минимальными световыми потерями в каждом канале; увеличение чувствительности измерений за счет применения дифференциальной обработки регистрируемых величин и повышения при этом отношения сигнал/шум. 3 ил.

ЛАЗЕРНЫЙ ДАТЧИК УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ, содержащий сдвоенный лазерный интерферометр с двумя фотоприемниками и регулирующими их положение двумя пьезопреобразователями и электронный блок обработки результатов измерений, включающий в себя дифференциальный усилитель, входы которого подключены к выходам фотоприемников соответственно, и выходной усилитель, отличающийся тем, что электронный блок обработки результатов измерений выполнен из последовательно соединенных первого компаратора, первого триггера, коммутатора, вход которого связан с выходом дифференциального усилителя и входом первого компаратора, дифференцирующего усилителя, второго компаратора, первого элемента И и первого элемента ИЛИ, выход которого связан с R-входом первого триггера, первого триггера Шмитта, второго и третьего элементов И, подключенных первыми входами соответственно к выходам первого триггера Шмитта, подключенного к выходам второго и третьего элемента И установочными входами D-триггера, инверсный выход которого связан с его D-входом, последовательно соединенных реверсивного счетчика, цифроаналогового преобразователя, фильтра и аналогового сумматора, выход которого является выходом блока обработки результатов измерений, а второй вход подключен к выходу выходного усилителя, соединенного входом с вторым выходом коммутатора, второго компаратора, включенного между выходом цифроаналогового преобразователя и вторыми входами второго и третьего элементов И, блока начальной установки коммутатора, подключенного к второму входу первого элемента ИЛИ и R-входу реверсивного счетчика, выход сигнала обнуления которого связан с третьим входом первого элемента ИЛИ, четвертого элемента И, включенного между прямым выходом D-триггера и суммирующим входом реверсивного счетчика, пятого элемента И, включенного между инверсным выходом D-триггера и вычитающим входом реверсивного счетчика, второго триггера Шмитта, вход которого подключен к первому выходу коммутатора, последовательно соединенных первого формирователя импульсов, вход которого связан с выходом второго триггера Шмитта, шестого элемента И и второго элемента ИЛИ, выход которого подключен к счетному входу D-триггера, последовательно соединенных второго формирователя импульсов, вход которого подключен к выходу второго триггера Шмитта, и седьмого элемента И, выход которого связан с вторым входом второго элемента ИЛИ, последовательно соединенных третьего элемента ИЛИ, входы которого подключены соответственно к выходам формирователей импульсов, и делителя частоты, выход которого соединен с вторыми входами четвертого и пятого элементов И, инвертора, включенного между выходом третьего элемента ИЛИ и вторым входом первого элемента И, и второго триггера, установочные входы которого связаны с выходами первого и второго формирователей импульсов, а инверсный и прямой выходы соответственно с вторыми входами шестого и седьмого элементов И, а фотоприемники настроены на прием сигналов с разностью фаз, равной половине длины волны лазера.