ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДИСТАНЦИОННОЙ РЕГИСТРАЦИИ АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ДИФФУЗНО ОТРАЖАЮЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ Российский патент 1999 года по МПК G01B9/00 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам регистрации колебаний поверхности объекта.

Известно интерференционное устройство измерения относительных перемещений диффузно отражающих поверхностей, содержащее лазер, делитель пучка, полуволновую пластину, зеркало, поляризационный анализатор и фоторегистратор (А.С. СССР N 1374042 от 19.06.86 г., МПК G 01 B 9/021).

Недостатками указанного устройства являются малая дальность измерения (практически измерения возможны только в лабораторных условиях), низкая чувствительность и помехозащищенность, а также низкая оперативность использования, связанная с необходимостью размещения на объекте отражателей.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству - прототипом является интерференционное устройство измерения линейных и угловых перемещений, содержащее источник когерентного излучения, акустооптический модулятор, светоделитель, генератор фиксированной частоты, выход которого подключен к электрическому входу модулятора, фотоприемник и фазометр. Кроме того, устройство содержит два отражателя, один из которых установлен на объекте, и две диафрагмы, установленные между светоделителем и каждым из отражателей, а также амплитудную решетку, выполненную с шагом, равным длине акустической волны в модуляторе, расположенную между светоделителем и фотоприемником в плоскости, содержащей точку пересечения оптических осей нулевого и плюс первого дифракционных порядков (АС СССР N 853378 от 20.11.79 г., кл. C 01 B 9/00).

Указанное устройство имеет следующие недостатки:
1. Недостаточная оперативность, связанная с необходимостью установки на контролируемом объекте отражателей. В некоторых ситуациях сделать это неудобно или невозможно;
2. Ограниченная чувствительность, связанная с проникновением оптического излучения на вход фотоприемника, обусловленная рассеянием излучения на неоднородностях акустооптического модулятора и электрическими наводками на вход измерительного тракта от мощного сигнала управления модулятором.

Задачей изобретения является создание устройства, способного регистрировать колебания диффузно отражающих поверхностей на больших расстояниях без использования отражателей, т.е. обладающего большей чувствительностью и оперативностью.

Указанная задача решается устройством, содержащим источник когерентного излучения, светоделитель, акустооптический модулятор, генератор фиксированной частоты f₁, выход которого подключен к электрическому входу акустооптического модулятора, фотоприемник и фазовый детектор, в который введен второй акустооптический модулятор оптически связанный с фотоприемником и через светоделитель - с источником когерентного излучения, генератор фиксированной частоты f₂, выход которого подключен к электрическому входу второго акустооптического модулятора, смеситель электрических сигналов, входы которого подключены, соответственно, к выходам генератора фиксированной частоты f₁ и генератора фиксированной частоты f₂, а выход - к входу фазового детектора, устройство частотной селекции, вход которого подключен к выходу фотоприемника, а выход - ко второму входу фазового детектора, а также установленная по ходу лучей, прошедших первый акустооптический модулятор, оптическая формирующая система для обеспечения фокусировки этих лучей на контролируемом объекте, а также для направления диффузно отраженного от контролируемого объекта излучения на фотоприемник, причем источник когерентного излучения, светоделитель и первый акустооптический модулятор последовательно оптически связаны.

На чертеже представлена схема заявляемого устройства.

Устройство содержит источник когерентного излучения 1, светоделитель 2, акустооптические модуляторы 3 и 4, генератор 5 фиксированной частоты f₂, генератор 6 фиксированной частоты f₁, смеситель электрических сигналов 7, фазовый детектор 8, оптическую формирующую систему 9, фотоприемник 10, устройство частотной селекции 11. Контролируемый объект обозначен цифрой 12. Источник когерентного излучения 1, светоделитель 2 и акустооптический модулятор 3 последовательно оптически связаны. Источник когерентного излучения 1, светоделитель 2, акустооптический модулятор 4 и фотоприемник 10 также последовательно оптически связаны. Выход генератора 5 фиксированной частоты f₂ соединен с входом акустооптического модулятора 4 и с входом смесителя электрических сигналов 7, а генератора 6 фиксированной частоты f₁ - с входом акустооптического модулятора 3 и с другим входом смесителя электрических сигналов 7. Фотоприемник 10 выходом соединен с входом устройства частотной селекции 11, которое выходом соединено с входом фазового детектора 8. Второй вход фазового детектора 8 соединен с выходом смесителя электрических сигналов 7. Оптическая формирующая система 9 установлена по ходу лучей, проходящих через акустооптический модулятор 3, и обеспечивает их фокусировку на контролируемом объекте 12, а также направление диффузно отраженного излучения на фотоприемник 10. Оптическая формирующая система 9 может быть реализована, например, в виде зеркального телескопа, разделенного вдоль оптической оси на две части, одна из которых служит для фокусирования излучения на контролируемом объекте 12, а вторая часть, ввиду обратимости, собирает диффузно отраженное излучение и направляет его на фотоприемник 10.

Устройство частотной селекции 11 реализовано в виде полосового фильтра с шириной пропускания не менее необходимого для регистрации частотного диапазона ω. В качестве источника когерентного излучения может быть использован газовый СО₂ лазер с длиной волны 10,6 мкм. В качестве модуляторов 3 и 4 может быть использован стандартный акустооптический модулятор типа МЛ 206 -1М, в котором сдвиг частоты оптического излучения происходит при рассеянии на бегущей акустической волне, распространяющейся по кристаллу германия. Смеситель электрических сигналов 7 стандартный, настроенный на выделение разностной частоты поступающих на входы сигналов. В качестве фотоприемника 10 может быть использован охлаждаемый жидким азотом фотоприемник типа ФУО-144 чувствительностью в диапазоне 10,6 мкм на уровне 0,44 • 10^-19 Вт/Гц. Фазовый детектор 8 - с линейной характеристикой и динамическим диапазоном 2π
Устройство работает следующим образом:
Излучение от источника когерентного излучения 1 светоделителем 2 делится на два канала: измерительный и гетеродинный. Излучение измерительного канала частотой f проходит через акустооптический модулятор 3, на который подается управляющий сигнал от генератора 6 фиксированной частоты f₁, и сдвигается на частоту f₁. Излучение гетеродинного канала проходит через акустооптический модулятор 4, на который подается управляющий сигнал от генератора 5 фиксированной частоты f₂, и сдвигается на частоту f₂. Излучение измерительного канала с частотой f + f₁ с помощью оптической формирующей системы 9 направляется на контролируемый объект 12, а диффузно отраженное излучение собирается и направляется на фотоприемник 10. Излучение гетеродинного канала частотой f + f₂ также поступает на фотоприемник 10, где смешивается с излучением измерительного канала, диффузно отраженным от контролируемого объекта 12. Фотоприемник 10 преобразует световой поток, возникающий при интерференции гетеродинного и измерительного излучений, в электрический сигнал с частотой фаза которого модулирована колебаниями поверхности δx контролируемого объекта 12.

Однако на фотоприемнике 10 возникают наводки с частотами f₁ и f₂ из-за проникновения на его вход рассеянного оптического излучения и электрические наводки от устройств, питающих акустооптические модуляторы 3 и 4.

Устройство частотной селекции 11 с полосой пропускания Δf ± ω, отделяет полезный сигнал Δf от наводок. На входы фазового детектора 8 поступают сигналы частотой с фотоприемника 10 и смесителя электрических сигналов 7. Сигнал на выходе фазового детектора 8 является функцией разности фаз сигналов на входе и, следовательно, пропорционален величине регистрируемых колебаний δx контролируемого объекта 12.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет, по сравнению с прототипом, снизить уровень шумов и регистрировать слабые оптические сигналы (порядка 10^-16 Вт) и может быть использовано для контроля не только зеркальных, но и диффузно отражающих поверхностей на значительных расстояниях (порядка сотен метров). Возможность работы по диффузно отражающим поверхностям, без применения отражателей, делает такую систему удобной и оперативной.

Интерференционное устройство дистанционной регистрации акустических колебаний диффузно отражающих поверхностей относится к области измерительной техники, а именно к устройствам регистрации колебаний поверхности объекта. Интерференционное устройство дистанционной регистрации акустических колебаний диффузно отражающих поверхностей содержит источник когерентного излучения, светоделитель, два акустооптических модулятора, два генератора фиксированной частоты f₁ и f₂, выходами подключенные к входам соответствующих модуляторов, фазовый детектор, смеситель электрических сигналов, входами подключенный к выходам генераторов, а выходом - к входу фазового детектора, фотоприемник, устройство частотной селекции, входом подключенное к выходу фотоприемника, а выходом - к входу фазового детектора, а также установленную по ходу лучей оптическую формирующую систему. Излучение разделяется на два канала: измерительный и гетеродинный, частота измерительного канала сдвигается на f₁, а гетеродинного на f₂. Излучение измерительного канала, диффузно отраженное от контролируемой поверхности, смешивается с излучением гетеродинного канала. Интерференционный сигнал с разностной частотой Δf=f₁-f₂ регистрируется фотоприемником. Сигнал с выхода фазового детектора пропорционален перемещению контролируемой поверхности. Изобретение позволяет регистрировать акустические колебания поверхности объекта на значительном расстоянии без установки на нем отражателя. Кроме того, оно позволяет снизить уровень шумов и регистрировать слабые оптические сигналы (~10^-16Вт). 1 ил.

Устройство дистанционной регистрации акустических колебаний диффузно отражающих поверхностей, содержащее источник когерентного излучения, светоделитель, акустооптический модулятор, генератор фиксированной частоты f₁, выход которого подключен к входу акустооптического модулятора, фотоприемник и фазовый детектор, отличающееся тем, что оно снабжено вторым акустооптическим модулятором, оптически связанным с фотоприемником и через светоделитель - с источником когерентного излучения, генератором фиксированной частоты f₂, выход которого подключен к электрическому входу второго акустооптического модулятора, смесителем электрических сигналов, входы которого подключены к выходам соответственно генератора фиксированной частоты f₁ и генератора фиксированной частоты f₂, а выход - к входу фазового детектора, устройством частотной селекции, вход которого подключен к выходу фотоприемника, а выход - ко второму входу фазового детектора, а также установленной по ходу лучей, прошедших первый акустооптический модулятор, оптической формирующей системой для обеспечения фокусировки этих лучей на контролируемом объекте, а также для направления диффузно отраженного от контролируемого объекта излучения на фотоприемник, причем источник когерентного излучения, светоделитель и первый акустооптический модулятор последовательно оптически связаны.