СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ Российский патент 2000 года по МПК G01B11/14 G01B11/02 

Изобретение относится к волоконно-оптическим системам измерения и может быть использовано для измерения перемещений объекта.

Известна работа [1] , где представлен способ, позволяющий измерить перемещение объекта с использованием интерферометра Фабри-Перо, заключающийся в том, что формируют монохроматическое излучение, при помощи передающего волоконно-оптического канала подводят его в зону измерения, далее при помощи принимающего волоконно-оптического канала подводят излучение к фотоприемнику. Здесь используются гомодинные методы измерения различных физических величин, изменяющихся по гармоническому закону, в основу которых заложено исследование гармонических составляющих сигнала на выходе гомодинной системы с дальнейшей дешифровкой и анализом его огибающей. Так для реализации одного из описанных методов используют разложение сигнала, снимаемого с выхода измерительной системы, в спектр. Устанавливают величину разности фаз θ между начальным излучением и излучением, прошедшим по измерительному тракту таким образом, чтобы Затем из состояния покоя плавно возбуждают колебания и находят первое максимальное значение амплитуды гармонической составляющей на основной частоте колебаний исследуемого объекта ω₁. Затем измеряют неизвестную амплитуду колебаний: вновь устанавливают величину θ = π/2+πk, k = 1,2..., раскладывают сигнал, снимаемый с выхода измерительной системы в спектр и определяют амплитуду гармонической составляющей на частоте ω₁. Далее по формулам находят неизвестную величину.

Основными недостатками описанного в работе [1] способа являются: необходимость вычисления аргументов функции Бесселя и установок величин разности фаз θ в измерительной системе, ограничение, накладываемое на диапазон измерений, связанное с областью однозначности функций Бесселя, а также предположение, что при необходимых двух установках величины разности фаз θ остаются постоянными характеристики лазерного излучения (частота, интенсивность лазерного излучения, уровень шумов) и параметры окружающей среды. Реализовать эти условия на практике чрезвычайно трудно.

Известен способ, позволяющий измерить величину перемещения объекта [2]. Этот способ заключается в том, что формируют монохроматическое излучение, модулируют его интенсивность и длину волны на частоте ω₁ по гармоническому закону и освещают при помощи передающего волоконно-оптического канала поверхность объекта на измеряемом расстоянии, где возникают интерференционные явления, следствием которых являются нелинейные искажения фотоэлектрического сигнала. Далее с использованием приемного волоконно-оптического канала световые колебания подводятся к устройству, которое выделяет сигнал второй гармоники частоты модуляции ω₁ и по величине его амплитуды определяется искомое расстояние. В данном случае реализация способа основана на следующем физическом явлении: мощность и длина волны излучения полупроводникового лазера зависит от его тока накачки [3].

Недостатками способа являются относительно невысокие точность измерения перемещений, помехоустойчивость и достаточно сложная реализация. Это объясняется тем, что во-первых, не производится учет мультипликационных помех, во-вторых, хотя вторая гармоника и является периодической функцией разности фаз, ее амплитуда изменяется на периоде нелинейно. Поэтому определение неизвестной величины на основе амплитуды второй гармоники является неточным ввиду нелинейности последней. Рассмотрим подробнее возникновение помех, которые, как известно, подразделяются на мультипликативные и аддитивные. С их учетом мощность излучения в оптическом канале P может быть выражена следующим образом [3]
P = f(t,z)•P₀ + A(t,z), (1)
где f(t,z) - выражение для мультипликативной помехи;
P₀ - исходная оптическая мощность;
A(t,z) - выражение для аддитивной помехи;
t - время;
z - внешнее воздействие.

Аддитивные помехи возникают, например, из-за нежелательного попадания внешнего света в волоконно-оптические каналы, в зону измерений или на фотоприемник. Их подавить относительно несложно - проводить более тщательную защиту чувствительных элементов от внешнего излучения. Мультипликативные помехи обусловлены следующими факторами: нестабильность источников излучения, неоднородность прозрачной среды волоконно-оптического тракта, связанная со старением волокна, его микроизгибами, температурой. Для компенсации мультипликативных помех требуется принципиальное изменение способа определения искомой величины.

К недостаткам также относится ограничение, накладываемое на диапазон измерений, связанное с областью однозначности функции на периоде.

Известен способ, позволяющий измерить величину перемещения объекта [4]. Этот способ заключается в том, что формируют излучение, освещают стеклянную линейку с штриховой шкалой, расположенной в зоне измерения, и перемещающийся вдоль линейки ползунок со сканирующим растром. Излучение, прошедшее через линейку, подают на фотоприемники, где его преобразуют в электрические сигналы. При перемещении относительно линейки сканирующего растра интенсивность прошедшего излучения периодически изменяется. Выходные сигналы фотоприемников представляют собой два синусоидальных сигнала со сдвигом фазы на 90^o. Эти сигналы поступают на электронный блок интерполяции и электронное устройство обработки сигналов, которые обеспечивают преобразование результатов измерения в цифровую форму и обработку выводимых системой измерения сигналов. Основу работы преобразователя, реализующего данный способ, представляет подсчет импульсов фотоэлектрического сигнала. Для распознавания направления перемещения системы измерения используются два импульса со сдвигом фазы на 90^o. В промежутках между импульсами применяется интерполяция путем векторного сложения двух исходных синусоидальных сигналов.

Недостатками способа являются относительно невысокая точность измерения перемещений, достаточно сложная реализация и необходимость размещения электрических компонентов, таких как источник излучения и фотоприемник в непосредственной близости от зоны измерения.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по своей технической сущности является способ измерения перемещений [5]. Этот способ, выбранный в качестве прототипа, заключается в том, что излучение посредством передающего волоконно-оптического канала подводят в зону измерений и освещают входной торец приемного волоконно-оптического канала, находящегося на расстоянии от выходного торца передающего волоконно-оптического канала, при этом выходной торец передающего и входной торец приемного волоконно-оптических каналов образуют интерферометр Фабри-Перо (ИФП), выходной сигнал которого посредством принимающего волоконно-оптического канала подводят на вход ИФП со сканируемой базой, выходной сигнал последнего подают на фотоприемник, усиливают и обрабатывают. Сигнал, подаваемый на фотоприемник, представляет собой импульсы интенсивности излучения в зависимости от времени. Форма получаемой кривой содержит информацию об измеряемом перемещении - величине базы чувствительного ИФП h₁. Ток фотоприемника I_фп можно представить следующим образом [5]

где k - коэффициент, характеризующий потери излучения;
S(λ) - спектральная характеристика излучателя;
F(λ,h₁), F(λ,h₂) - передаточные характеристики чувствительного ИФП и ИФП со сканируемой базой в зависимости от длины излучения λ и значений баз интерферометров h₁ и h₂;
P(λ) - спектральная характеристика фотоприемника.

Передаточная характеристика интерферометра Фабри-Перо в общем виде представима следующим образом [3]

где ρ - коэффициент отражения зеркал.

Недостатками способа являются относительно невысокая точность измерения перемещений, невысокая помехоустойчивость и достаточно сложная реализация. Это объясняется тем, что, во-первых, производится недостаточная компенсация мультипликативных помех, во-вторых, данный способ требует наличия двух интерферометров Фабри-Перо, что в значительной мере усложняет конструкцию преобразователя, реализующего способ.

Задачей изобретения является устранение названных недостатков, то есть повышение точности и надежности измерения перемещения объекта.

Поставленная задача достигается способом измерения перемещений, заключающимся в том, что излучение посредством передающего волоконно-оптического канала подводят в зону измерений, освещают входной торец приемного волоконно-оптического канала, находящегося на расстоянии от выходного торца передающего волоконно-оптического канала, далее с использованием приемного волоконно-оптического канала излучение подводят к фотоприемнику, который отличается от известного тем, что формируют излучение, модулированное по интенсивности и длине волны, сигнал с выхода фотоприемника подают на вход электронного коммутатора, выходные сигналы последнего подают на компараторы и на блок интерполяции, выходной сигнал блока интерполяции и выходные сигналы компараторов подают на электронное устройство обработки сигналов, выходные сигналы которого подают на блок интерполяции и на вход системы индикации, по показаниям которой определяют измеряемую величину взаимного перемещения торцов волоконно-оптических каналов.

Для измерения перемещения необходимо знать направление перемещения. В данном способе предлагается проводить второе физическое измерение (при другом спектральном составе излучения). При этом появляется дополнительная информация о направлении перемещения.

Основными признаками, отличающими предлагаемый способ от известного, являются модуляция излучения и дальнейшее преобразование сигнала в цифровой форме, чем определяется новизна. Из вышеизложенного следует, что предложенный способ соответствует критерию "изобретательский уровень".

Это дает преимущество перед известными решениями в отношении увеличения точности измерений, кроме того, упрощается конструкция преобразователя, реализующего данный способ, за счет усовершенствования обработки сигнала.

Сущность изобретения поясняется функциональной схемой устройства, реализующего предлагаемый способ, представленной на фиг. 1; на фиг. 2 представлены передаточные характеристики ИФП в моменты отсутствия а) и наличия б) импульса, генерируемого устройством 3; на фиг. 3 - диаграмма импульсов напряжения, получаемых в результате обработки электронным устройством 12 выходных сигналов компараторов 9 и 10; на фиг. 4 - диаграмма импульсов напряжения, поступающих на вход системы индикации 13.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит излучатель 1, выполненный в виде полупроводникового лазера, являющийся источником излучения, устройство формирования постоянного тока 2, устройство модуляции излучения 3, передающий волоконно-оптический канал 4, входной торец которого оптически связан с излучателем 1, а выходной торец расположен в зоне измерения, приемный волоконно-оптический канал 5, входной торец которого расположен в зоне измерения соосно с выходным торцом передающего волоконно-оптического канала 4, выходной торец приемного волоконно-оптического канала 5 оптически связан с фотоприемником 6, усилителем 7 и входом электронного коммутатора 8, управляющий вход которого связан с устройством 3, выходы электронного коммутатора 8 соединены со входами компараторов 9 и 10, которые соединены также с блоком опорного напряжения 11, выходы компараторов 9 и 10 соединены с входами 1 и 2 электронного устройства обработки сигналов 12, выход U_вых которого соединен с входом системы индикации 13. Входы 1 и 2 блока интерполяции 14 соединены с выходами электронного коммутатора 8, входы 3 и 4 соединены с выходами 01 и 02 электронного устройства обработки сигнала 12, выход блока интерполяции 14 соединен с входом 3 электронного устройства обработки сигнала 12. Электронный коммутатор 8 выполнен в виде устройства выборки и хранения (УВХ), то есть на выходах коммутатора поддерживается напряжение, соответствующее интенсивности излучения при отсутствии и наличии импульса с устройства 3.

Устройство формирования постоянного тока 2 выводит излучатель 1 в рабочую точку, устройство модуляции 3 изменяет ток накачки излучателя 1 по импульсному закону, что в свою очередь влияет на интенсивность и спектральный состав излучения последнего [3]. Значение частоты модуляции ω выбирается наибольшим для данной аппаратной реализации схем 6 - 14. Модуляция тока накачки устройством 3 приводит к модуляции излучения, а именно, кроме постоянной составляющей длины волны λ₀, появляется дополнительная величина Δλ.
Значение Δλ выбирается из следующих условий: во-первых, модуляция излучения не должна приводить к появлению следующего порядка интерференции. Т.е.

где m - порядок интерференции;
во-вторых, амплитуда модуляции излучения ΔI должна быть такой, чтобы передаточная характеристика преобразователя в момент импульса, генерируемого устройством 3, смещалась по фазе на некоторую величину Δϕ относительно передаточной характеристики преобразователя в момент отсутствия импульса с устройства 3, что позволяет однозначно определить направление перемещения (фиг. 2). Расчет величины Δϕ приведен ниже. Ток накачки излучателя 1 на одном периоде T работы устройства 3 можно представить следующим образом:
I = I₀+ΔI•sign(t), (5)
где I₀ - постоянная составляющая тока накачки, обеспечиваемая устройством 2;
ΔI - амплитуда модуляции излучения по импульсному закону;

T - период следования импульсов с устройства 3;
τ - время, в течение которого действует импульс.

Тогда мощность излучения лазера будет определяться в первом приближении [3]
P₀ = a•I + b, (6)
где a - постоянная величина порядка 7,5•10^-2 Вт/А [3];
b - постоянная величина порядка - 2,5•10^-3 Вт [3],
или с учетом (5) следующим образом
P₀= a•(I₀+ΔI•sign(t))+b, (7)
В результате модуляции тока накачки длина волны излучения является переменной величиной и может быть выражена [3]
λ = λ₀+к•I, (8)
где λ₀ - длина волны излучения при постоянном токе накачки I₀;
k - параметр dλ/dI ≈ 6•10^-9 м/А [3];
с учетом (5) длина волны будет представлена
λ = λ₀+к•ΔI•sign(t), (9)
или
λ = λ₀+Δλ, (10)
Таким образом, длина волны излучения периодически меняется. В течение времени τ излучение производится на длине волны λ₀. Далее происходит подключение импульсного устройства модуляции излучения 3, что приводит к изменению длины волны, согласно (10), и излучение производится на длине волны λ. Величины Δϕ, соответственно Δλ и ΔI, выбраны из условия, что максимум передаточной характеристики при излучении на длине волны λ (фиг. 2, кривая б) совпадает с участком наибольшей крутизны передаточной характеристики на длине волны λ₀ (фиг. 2, кривая а).

Сформированное излучение поступает по передающему волоконно-оптическому каналу 4 в зону измерения. Выходной торец передающего 4 и входной торец приемного 5 волоконно-оптических каналов представляют собой зеркала ИФП. Известно, что передаточная характеристика ИФП является функцией расстояния между его зеркалами, т.е. величины разности хода лучей δ [3]. Кроме того, разность хода лучей зависит от параметров ИФП и подаваемого излучения

где l_опт - расстояние между зеркалами ИФП h с учетом показателя преломления n и угла падения лучей при ортогональном падении лучей на зеркала ИФП l_опт = h•n;
λ - длина волны излучения.

Под действием измеряемого физического параметра, в частности при перемещении исследуемого объекта, происходит изменение величины разности хода лучей δ в ИФП, которая линейно зависит от расстояния между зеркалами h согласно выражению (11), что вызывает соответственно изменение интенсивности излучения в приемном волоконно-оптическом канале 5. Физический принцип работы преобразователя, реализующего данный способ, основан на подсчете и анализе резонансных пиков интенсивности излучения, проходящих перед фотоприемником. Для удобства настройки прибора на данный режим работы целесообразно выбирать параметры ИФП, обеспечивающие относительно небольшую крутизну его передаточной характеристики. Наиболее оптимально выбирать коэффициент отражения зеркал ИФП ρ небольшим.

Посредством приемного волоконно-оптического канала 5 излучение подводят к фотоприемнику 6, где его преобразуют в пропорциональный электрический сигнал, затем усиливают посредством усилителя 7 и подают на вход электронного коммутатора 8. Управляющий вход последнего соединен с выходом устройства модуляции излучения 3. Во время отсутствия импульса с устройства 3 излучение происходит на длине волны λ₀ и вход электронного коммутатора 8 соединен с его первым выходом, соответственно с первым входом блока интерполяции 14 и входом компаратора 9. Во время генерации импульса устройством 3 излучение происходит на длине волны λ, кроме того, на управляющий вход электронного коммутатора 8 подается импульс, согласно которому коммутатор 8 переключен на второй выход, соответственно соединен со вторым входом блока интерполяции 14 и входом компаратора 10. Посредством блока опорного напряжения 11 выставлен уровень опорного напряжения на компараторы 9 и 10. Компараторы служат для преобразования аналогового сигнала в цифровую форму.

Выходные сигналы компараторов 9 и 10 поступают соответственно на входы 1 и 2 электронного устройства обработки сигналов 12, где они логически связываются друг с другом так, что получаются два сигнала в виде прямоугольных импульсов U_a1 и U_a2 (фиг. 3) со сдвигом фазы одного сигнала относительно другого на некоторый угол [6]. На периоде между резонансами передаточной характеристики ИФП происходит изменение комбинации цифровых сигналов четыре раза и можно провести четыре измерения (фиг. 3). Сигналы, подаваемые на первый и второй входы блока интерполяции 14, подвергаются интерполяции, что увеличивает разрешающую способность измерений. Из обоих сигналов с использованием выходных сигналов электронного устройства обработки сигналов 12 на выходах 01 и 02, подаваемых на входы 3 и 4 блока интерполяции соответственно, путем векторного сложения дополнительно получают сигналы со сдвигом фазы, для чего можно использовать, например, резистивные схемы. Выходной сигнал блока интерполяции 14 подают на вход 3 электронного устройства обработки сигналов 12, которое далее формирует импульсы напряжения на выходе U_вых, служащие для образования результата измерения и подаваемые на вход системы индикации 13 (фиг. 4). Коэффициент интерполяции определяет размер шага измерения. Например, при коэффициенте интерполяции х10 шаг измерения составляет 1/40 расстояния между резонансами передаточной характеристики ИФП (3). С целью компенсации различных мультипликативных помех в электронном устройстве обработки сигналов 12 помимо импульсов прямоугольной формы обрабатываются и их инверсные варианты.

Предлагаемый способ измерения перемещений позволяет увеличить надежность измерений по отношению к прототипу за счет подавления мультипликативных помех благодаря совместной обработке двух последовательностей импульсов. Кроме того, упрощается конструкция преобразователя. По отношению к аналогу [4] предлагаемый способ позволяет увеличить точность измерений за счет уменьшения шага измерений. А именно, вместо штриховой шкалы предлагается использовать такое свойство ИФП, как периодичность импульсов интенсивности. Так, например, наименьший период изменения сигналов согласно [4] может составлять порядка 20 мкм. Предлагаемый способ позволяет уменьшить период изменения сигналов до 0,4 мкм, если длина волны излучения λ = 0,8 мкм. Последующая цифровая обработка сигнала позволяет дополнительно уменьшить шаг измерений в четыре раза и ввести линейную поправку внутри шага благодаря аналоговой обработке сигнала. Кроме того, в работе [4] предполагается размещать электрические компоненты в непосредственной близости от зоны измерений, чего не требует предлагаемый способ.

Конкретно способ может быть реализован следующим образом. Проведем расчет амплитуды модуляции тока накачки для полупроводникового GaAs-лазера. Воспользуемся численными данными, приведенными в [3].

Устройство формирования постоянного тока 2 выводит излучатель 1 в рабочую точку, формируя постоянный ток I₀ = 100 мА. Модуляция тока накачки устройством 3 обеспечивает добавку к длине волны λ₀ на величину Δλ. Определим величину смещения по фазе Δϕ передаточных характеристик и амплитуду модуляции излучения ΔI.
Крутизна передаточной характеристики ИФП максимальна в точке, где максимальна первая производная по δ(F)′ или (F)'' = 0. Итак, ищем максимальные значения функции U = (F)', если


где A = 4ρ/(1-ρ)²,
первая производная функции U по δ имеет вид

Величина при cos(δ)•(1+A•sin²(δ/2))-A•sin²(δ) = 0 и далее получаем при

в точке δ^* передаточная характеристика ИФП имеет наибольшую крутизну.

Величина разности хода лучей δ является функцией длины волны излучения λ (11). При изменении λ меняется и величина δ следующим образом

Величина δ^* представляет собой относительное смещение передаточных характеристик, или δ^* = Δδ = Δϕ. Изменение длины волны в выражении (9) будет представлено

Для рассчета примем k = 6•10^-9 м/А, λ₀ = 8•10^-7 м, ρ = 0,1. Расчет показывает, что для измерений изменения базы ИФП h, составляющей порядка нескольких миллиметров, целесообразнее всего устанавливать значение ΔI порядка 5 мА. Смещение по фазе Δϕ получается в пределах 70^o, а величина изменения длины волны Δλ = 6,1•10^-11 м. При этом модуляция излучения не приводит к смещению порядка интерференции на единицу и глубина модуляции интенсивности излучения остается меньше 10%. Частоту модуляции необходимо выбирать больше, чем верхняя частота мультипликативной помехи для эффективного подавления последней. При этом частота модуляции не должна быть слишком большой, для того чтобы электронная схема устройства успевала правильно обрабатывать сигнал. Практически частота модуляции может быть выбрана в диапазоне от 1 до 10 МГц.

Таким образом, в отличие от прототипа и аналогов предложенный способ позволяет увеличить точность и надежность измерения перемещений. Кроме того, способ позволяет упростить конструкцию преобразователя, реализующего данный способ.

Источники информации
1. Усанов Д. А., Скрипаль А.В., Варагин В.А., Васильев М.Р. Оптические гомодинные методы измерений. //Зарубежная радиоэлектроника. - 1995, N 6. - С. 43-48.

2. Авт. св. СССР N 1516775, МКИ⁵ G 01 B 11/14. Способ определения расстояния до поверхности объекта; БИ N 39, 1989.

3. Бутусов М.М. Волоконная оптика и приборостроение. - М.: Машиностроение, 1987. - 330 с.

4. Фотоэлектрическое сканирование. Каталог поставляемых изделий фирмы HEIDENHAIN, Д-р Иоганнес Хайденхайн ГмбХ, 8225 Траунройт/ФРГ, 1989., издание 4, - С. 10, 11.

5. Горшков Б. Г., Первушин Ю.Б. Исследование спектрального волоконно-оптического датчика перемещений. //Радиотехника. - 1988. N 8 - С. 5-8 (прототип).

6. Тихомиров Э. Л., Васильев В.В., Коровьев Б.Г., Яковлев В.А. Микропроцессорное управление электроприводами станков с ЧПУ. - М.: Машиностроение, 1990. - 320 с. (с. 38 - 45).

Изобретение относится к волоконно-оптическим системам измерения и может быть использовано для измерения перемещений объекта. Формируют излучение, модулированное по интенсивности и длине волны, с помощью передающего волоконно-оптического канала подводят его в зону измерения, сигнал с выхода приемного волоконно-оптического канала подают на фотоприемник, а с него на вход электронного коммутатора, выходные сигналы последнего подают на компараторы и на блок интерполяции, выходной сигнал блока интерполяции и выходные сигналы компараторов подают на электронное устройство обработки сигналов, выходные сигналы которого подают на блок интерполяции и на вход системы индикации, по показаниям которой определяют измеряемую величину взаимного перемещения торцов волоконно-оптических каналов. Изобретение позволяет повысить точность и надежность измерений. 4 ил.

Способ измерения перемещений, заключающийся в том, что излучение посредством передающего волоконно-оптического канала подводят в зону измерений, освещают входной торец приемного волоконно-оптического канала, находящегося на расстоянии от выходного торца передающего волоконно-оптического канала, далее с использованием приемного волоконно-оптического канала излучение подводят к фотоприемнику, отличающийся тем, что формируют излучение, модулированное по интенсивности и длине волны, сигнал с выходом фотоприемника подают на вход электронного коммутатора, выходные сигналы последнего подают на компараторы и на блок интерполяции, выходной сигнал блока интерполяции и выходные сигналы компараторов подают на электронное устройство обработки сигналов, выходные сигналы которого подают на блок интерполяции и на вход системы индикации, по показаниям которой определяют величину взаимного перемещения торцов волоконно-оптических каналов.