СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АМПЛИТУД ВИБРАЦИЙ Российский патент 2003 года по МПК G01H9/00 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для определения амплитуд нановибраций.

Известен способ определения малых амплитуд вибраций, основанный на фазовой модуляции опорного пучка в голографической интерферометрии и заключающийся в регистрации голографического изображения колеблющегося объекта с глубиной модуляции опорного пучка такой величины, при которой квадрат функции Бесселя первого рода нулевого порядка имеет первый корень (см. Ю.И. Островский и др. Голографическая интерферометрия. - М.: Наука, 1977, с.322).

Однако техническая реализация данного способа требует сложной экспериментальной схемы.

Известен способ бесконтактного измерения колебаний объекта, заключающийся в том что зондируют исследуемый объект ультразвуковыми колебаниями, принимают отраженный от этого объекта модулированный сигнал, смешивают зондирующий и отраженный сигналы, выделяют из суммарного сигнала две соседние доплеровские гармоники, по отношению мощностей этих гармоник определяют амплитуду колебаний, а по разности их - частоту колебаний объекта (см. а.с. СССР 12622995, кл. G 01 Н 9/00).

Недостатком способа является ограниченный диапазон контролируемых амплитуд колебаний и недостаточная точность проводимых измерений.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ измерения амплитуд гармонических колебаний, заключающийся в том, что лазерное излучение направляют в зону колебаний объекта и на опорное зеркало через делитель, из отраженных от них лучей формируют интерференционную картину, преобразуют ее в электрический сигнал и снимают его спектр, по амплитудам гармоник спектра судят о величине колебаний, причем в спектре регистрируют гармонику с максимальной амплитудой, определяют ее частоту, по которой судят об амплитуде колебаний объекта (см. патент РФ 2060475, кл. G 01 Н 9/00).

Однако данный способ имеет ограниченный диапазон контролируемых амплитуд колебаний и недостаточную точность проводимых измерений.

Задача настоящего способа заключается в расширении диапазона контролируемых амплитуд колебаний.

Поставленная задача достигается тем, что в способе определения амплитуд вибраций облучают когерентным излучением объект, преобразуют отраженное от него излучение в электрический сигнал, проводят разложение сигнала в первый спектральный ряд, возбуждают в источнике излучения и/или объекте дополнительные механические колебания, преобразуют отраженное от объекта излучение при воздействии дополнительных колебаний в электрический сигнал, раскладывают его во второй спектральный ряд, изменяют амплитуду дополнительных колебаний до достижения максимального значения амплитуды отраженного излучения или амплитуды гармоники спектрального ряда на частоте дополнительных механических колебаний и амплитуду вибраций определяют по соотношению амплитуды гармоники первого спектрального ряда на частоте колебаний объекта и максимального значения амплитуды гармоники второго спектрального ряда на частоте дополнительных механических колебаний или максимального значения амплитуды гармоники всего второго спектрального ряда.

Оригинальность предлагаемого решения заключается в использовании новой методики определения амплитуды отраженного от вибрирующего объекта оптического излучения или амплитуды гармоники спектрального ряда на частоте дополнительных механических колебаний, включающей увеличение (если амплитуда отраженного излучения не достигла участка насыщения, в противном случае пользуются прототипом) амплитуды колебаний объекта до величины, после которой амплитуда отраженного оптического излучения или амплитуда гармоники спектрального ряда на частоте дополнительных механических колебаний достигает своего максимального значения. Подобная совокупность действий определения амплитуды колебаний объекта не известна.

Предлагаемый способ поясняется чертежами:
Фиг. 1 - схема измерительной системы: 1 - источник когерентного света, 2 - источник питания, 3 - объект, 4 - пьезокерамика, 5 - стержень, 6 - генератор звуковых колебаний, 7 - фотоприемник, 8 - фильтр переменного сигнала, 9 - усилитель, 10 - аналого-цифровой преобразователь, 11 - компьютер, 12 - держатель объекта.

Фиг.2 - вид продетектированного фотоприемником сигнала для амплитуды колеблющегося объекта, равной 0,01λ, где λ - длина волны излучения источника света.

Фиг.3 - первый спектральный ряд продетектированного фотоприемником сигнала для амплитуды колеблющегося объекта, равной 0,01λ.
Фиг.4 - теоретическая зависимость амплитуды отраженного от объекта излучения от амплитуды колебаний объекта.

Фиг.5 - вид продетектированного фотоприемником сигнала для амплитуды колеблющегося объекта, равной 2λ.
Фиг.6 - второй спектральный ряд продетектированного фотоприемником сигнала для амплитуды колеблющегося объекта, равной 2λ.
Фиг. 7 - теоретическая зависимость максимального спектрального значения амплитуды гармоники от амплитуды колебаний объекта.

Фиг. 8 - вид измеренного продетектированного фотоприемником сигнала для искомой (неизвестной) амплитуды колеблющегося объекта.

Фиг. 9 - первый спектральный ряд измеренного продетектированного фотоприемником сигнала для искомой (неизвестной) амплитуды колеблющегося объекта.

Фиг. 10 - вид измеренного продетектированного фотоприемником сигнала для амплитуды колеблющегося объекта, при котором произошло достижение максимального значения амплитуды отраженного излучения.

Фиг. 11 - второй спектральный ряд измеренного продетектированного фотоприемником сигнала для случая, приведенного на фиг.10.

Фиг. 12 - второй спектральный ряд измеренного продетектированного фотоприемником сигнала при достижении максимального значения амплитуды гармоники спектрального ряда на частоте дополнительных механических колебаний.

Фиг. 13 - вид измеренного продетектированного фотоприемником сигнала для случая, приведенного на фиг.12.

Способ заключается в следующем.

На измеряемый объект направляют когерентное излучение от источника света 1 измерительной системы (фиг.1). Преобразуют, например с помощью фотоприемника 7, отраженное от объекта излучение в электрический сигнал, форма которого приведена на фиг.2 для амплитуды колеблющегося объекта, равной 0,01 λ, где λ - длина волны излучения источника света. Раскладывают электрический сигнал с помощью фильтра переменного сигнала 8, усилителя 9, аналого-цифрового преобразователя 10 и компьютера 11 в первый спектральный ряд, форма которого приведена на фиг.3 (для случая, представленного на фиг.2). Фиксируют амплитуду гармоники первого спектрального ряда на частоте колебаний объекта. Возбуждают в источнике излучения и/или объекте с помощью стержня 5, пьезокерамики 4 и генератора звуковых колебаний 6 (или электромагнитного возбудителя) дополнительные механические колебания, амплитуда которых изменяется во времени, например, по гармоническому закону.

Преобразуют отраженное от объекта излучение при воздействии дополнительных колебаний в электрический сигнал и раскладывают его во второй спектральный ряд. Увеличивают амплитуду дополнительных колебаний, при этом регистрируют амплитуду отраженного излучения, график зависимости которой приведен на фиг. 4. Амплитуду дополнительных колебаний увеличивают до достижения максимального значения амплитуды отраженного излучения. На фиг.4 достижение максимального значения соответствует участку зависимости амплитуды отраженного от объекта излучения U от амплитуды колебаний объекта ξ, где достигается насыщение, которое, как следует из фиг.4, можно считать начинающимся от значений амплитуд вибраций объекта ξ_насыщU = 0,12λ с погрешностью менее 1%. На фиг.5 приведен вид продетектированного фотоприемником сигнала, соответствующий участку насыщения, при возбуждении в объекте дополнительных механических колебаний, амплитуда которых, например, равна 2λ.

Другим параметром, который может достичь максимального значения при наложении на объект дополнительных механических колебаний, является амплитуда гармоники спектрального ряда S. На фиг.6 приведен второй спектральный ряд продетектированного фотоприемником сигнала при возбуждении в объекте дополнительных механических колебаний, соответствующих фиг.5. Как видно из фиг. 6, максимальное значение имеет гармоника с номером m=23. По полученному набору спектральных гармоник, используя методику, описанную в прототипе для определения больших амплитуд колебаний, может быть определена амплитуда колебаний объекта при воздействии дополнительных механических колебаний.

При меньших значениях амплитуды механических вибраций максимальным значением будет обладать гармоника с меньшим номером. При амплитудах вибраций, меньших ξ_насыщS ≅ 0,25λ, во втором спектральном ряде S_m продетектированного сигнала максимальным значением будет обладать гармоника на частоте дополнительных механических колебаний (с номером m=1). В этом случае амплитуды высших спектральных гармоник принимают столь малые значения, что их использование для расчета амплитуды колебаний объекта по прототипу становится невозможным.

На фиг.7 приведена теоретическая зависимость максимального спектрального значения амплитуды гармоники S_mmax от амплитуды колебаний объекта, из которой следует, что достижение максимального значения амплитуды гармоники спектрального ряда на частоте дополнительных механических колебаний соответствует величине ε_maxS ≅ 0,15λ. Таким образом, в этом случае (регистрации амплитуды гармоники второго спектрального ряда) амплитуду дополнительных колебаний увеличивают до достижения максимального значения амплитуды гармоники спектрального ряда на частоте дополнительных механических колебаний. Амплитуду вибраций объекта определяют по соотношениям амплитуды гармоники первого спектрального ряда на частоте колебаний объекта и максимального значения амплитуды гармоники второго спектрального ряда на частоте дополнительных механических колебаний или максимального значения амплитуды гармоники всего второго спектрального ряда, которые следуют из следующих теоретических предпосылок.

Переменная нормированная составляющая интерференционного сигнала записывается в виде (см. Коронкевич В.П., Соболев B.C., Дубинцев Ю.Н. Лазерная интерферометрия. - Новосибирск: Наука, 1983, 212 с.)
U_A(t)=Acos(θ+f(t)), (1)
где t - время,
θ - фаза сигнала,
А - амплитудный коэффициент, зависящий от интенсивностей интерферирующих лучей и передаточной характеристики регистрирующей аппаратуры,
f(t) - функция, характеризующая продольные движения объекта, которая для гармонических колебаний записывается в виде
f(t) = σsin(ωt+ε), (2)

ξ и ω- амплитуда и частота колебаний объекта.

Можно рассматривать только нормированную переменную составляющую интерференционного сигнала
U(t)=cos(θ+f(t)), (3)
По приведенным соотношениям можно построить теоретическую зависимость амплитуды отраженного от объекта излучения от амплитуды колебаний объекта, которая приведена на фиг.4.

Однако при амплитудах колебаний объекта в единицы и доли нанометров (для лазерного источника излучения видимого диапазона) увеличивается уровень шумов, затрудняющих проведение измерений. В этом случае для повышения точности требуется анализ всей совокупности регистрируемых во времени мгновенных значений амплитуд отраженного сигнала, что достигается использованием разложения зарегистрированного ряда значений в спектральный ряд.

Функцию U(t) можно представить в виде разложения в ряд по функциям Бесселя (см. Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Вагарин В.А., Васильев М.Р. Оптические гомодинные методы измерений // Зарубежная радиоэлектроника, 1995, N 6, с.43-48.):

Как видно из выражения (4), интерференционная компонента сигнала состоит из постоянной компоненты cosθ•J₀(σ), гармоники на основной частоте и составляющих на более высоких гармониках основной частоты.

Для гармонических колебаний объекта амплитуды спектральных составляющих выходного сигнала детектора прямо пропорциональны функциям Бесселя J_2n(σ) и J_2n-1(σ), и связаны с ними соотношениями:

При малых амплитудах колебаний объекта (меньших ξ_maxS ≅ 0,15λ) в спектре продетектированного сигнала максимальным значением будет обладать гармоника, совпадающая с частотой колебаний объекта. На фиг.7 приведена теоретическая зависимость максимального спектрального значения амплитуды гармоники от амплитуды колебаний объекта. Как видно из этой зависимости, наблюдается четко выраженный максимум на кривой, знание которого позволяет использовать приведенную зависимость в качестве нормировочной зависимости.

Используя значение амплитуды гармоники в максимуме S_1max второго спектрального ряда, по отношению к измеренному значению амплитуды гармоники колеблющегося объекта S_1изм первого спектрального ряда можно определить амплитуду колебаний объекта в отсутствие дополнительных механических колебаний ξ_изм:

Амплитуда колебаний объекта ξ_изм определяется из решения уравнения (6).

Поскольку в ряде случаев может оказаться проблематичным нахождение максимума кривой зависимости, представленной на фиг.7, порядок определения амплитуды колебаний может включать:
- изменение амплитуды дополнительных колебаний до достижения максимального значения амплитуды отраженного излучения,
- измерение максимального значения амплитуды гармоники второго спектрального ряда S_mmax, где m - отношение частоты гармоники, имеющей максимальное значение, к частоте дополнительных механических колебаний,
- расчет амплитуды дополнительных колебаний ξ_nor по набору спектральных составляющих, например, по методике прототипа,
- определение амплитуды вибраций объекта ξ_изм по соотношению амплитуды гармоники первого спектрального ряда на частоте колебаний объекта S_1изм и амплитуды гармоники второго спектрального ряда S_mmax:

Амплитуда колебаний объекта ξ_изм определяется из решения уравнения (7).

Пример практической реализации способа.

На фиг. 1 приведена схема измерительной системы. Излучение полупроводникового лазера 1, стабилизированного источником тока 2, направлялось на объект 3, закрепленный держателем 12. Часть излучения, отраженного от объекта, возвращалась в резонатор полупроводникового лазера, изменение выходной мощности которого регистрировалось фотодетектором 7. Сигнал с фотодетектора поступал через усилитель 9, содержащий фильтр переменного сигнала 8, на вход аналого-цифрового преобразователя 10 компьютера 11. В состав дополнительного устройства для возбуждения колебаний в объекте входили стержень 5, пьезокерамика 4 и генератор звуковых колебаний 6.

На фиг.8 и 9 приведены измеренный продетектированный фотоприемником сигнал и первый спектральный ряд для искомой (неизвестной) амплитуды колеблющегося объекта. По спектру, приведенному на фиг.9, была определена амплитуда гармоники первого спектрального ряда на частоте колебаний объекта, которая составила S_изм=0,3931 отн. ед.

При воздействии дополнительных механических колебаний, частота которых нами была выбрана равной частоте колебаний объекта, по достижении максимального значения амплитуды отраженного излучения был зарегистрирован измеренный фотоприемником сигнал, вид которого приведен на фиг.10. По измеренному сигналу, приведенному на фиг. 10, было определено максимальное значение амплитуды отраженного излучения, которое составило U_max=6,362 мВ. Зарегистрированный фотоприемником сигнал был разложен во второй спектральный ряд, который приведен на фиг.11. Величина максимального значения амплитуды гармоники спектрального ряда (m=5) составила S_mmax=6,18 отн. ед. По полученному спектру, используя прототип для определения больших амплитуд колебаний, была определена амплитуда колебаний объекта при воздействии дополнительных механических колебаний, которая составила ξ_nor/= 420 нм. Используя соотношение (7), была вычислена амплитуда колебаний объекта ξ_изм = 1,04 нм.
По второму варианту увеличивали амплитуду дополнительных механических колебаний до тех пор, пока максимальную амплитуду не стала иметь гармоника второго спектрального ряда, совпадающая с частотой колебаний объекта. На фиг.12 приведен спектр измеренного продетектированного фотоприемником сигнала при достижении максимального значения амплитуды гармоники второго спектрального ряда на частоте дополнительных механических колебаний, которая составила S_1max=15 отн. ед. На фиг.13 приведен измеренный продетектированный фотоприемником сигнал для случая, приведенного на фиг.12. По значению амплитуды колебаний объекта в максимуме зависимости, приведенной на фиг.7, ξ_nor = 150 нм, используя соотношение (7), была вычислена амплитуда колебаний объекта ξ_изм = 1,02 нм.е

Использование: для определения амплитуд нановибраций. Сущность: облучают когерентным излучением объект. Преобразуют отраженное от него излучение в электрический сигнал. Проводят разложение сигнала в первый спектральный ряд. Возбуждают в источнике излучения и/или объекте дополнительные механические колебания. Преобразуют отраженное от объекта излучение при воздействии дополнительных колебаний в электрический сигнал, раскладывают его во второй спектральный ряд. Изменяют амплитуду дополнительных колебаний до достижения максимального значения амплитуды отраженного излучения или амплитуды гармоники спектрального ряда на частоте дополнительных механических колебаний. Амплитуду вибраций определяют по соотношению амплитуды гармоники первого спектрального ряда на частоте колебаний объекта и максимального значения амплитуды гармоники второго спектрального ряда на частоте дополнительных механических колебаний или максимального значения амплитуды гармоники всего второго спектрального ряда. Технический результат: расширение диапазона контролируемых амплитуд колебаний. 13 ил.

Способ определения амплитуд вибраций, заключающийся в облучении когерентным излучением объекта, преобразовании отраженного от него излучения в электрический сигнал, разложении сигнала в первый спектральный ряд, отличающийся тем, что возбуждают в источнике излучения и/или объекте дополнительные механические колебания, преобразуют отраженное от объекта излучение при воздействии дополнительных колебаний в электрический сигнал, раскладывают его во второй спектральный ряд, изменяют амплитуду дополнительных колебаний до достижения максимального значения амплитуды отраженного излучения или амплитуды гармоники спектрального ряда на частоте дополнительных механических колебаний, и амплитуду вибраций определяют по соотношению амплитуды гармоники первого спектрального ряда на частоте колебаний объекта и максимального значения амплитуды гармоники второго спектрального ряда на частоте дополнительных механических колебаний или максимального значения амплитуды гармоники всего второго спектрального ряда.