АКУСТООПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ СМЕЩЕНИЙ Российский патент 2003 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к лазерной интерферометрии, и может быть использовано для измерения перемещений объектов в станко-, приборо- и машиностроении.

Известно устройство для подсчета порядка интерференции [1] (аналог), содержащее лазер, светоделительный кубик, опорный и измерительный уголковые отражатели, модулятор, оптический клин, фотоприемник, блок цифровой индикации, n балансных смесителей, генератор стабильной частоты, n синхронных выходов которого связаны со входами балансных смесителей, а вторые входы балансных смесителей связаны с выходом фотоприемника, и логический блок, оно снабжено n триггерами Шмитта, выходы балансных смесителей через триггеры Шмитта соединены с логическим блоком, выходы младших разрядов логического блока связаны с младшими разрядами блока индикации, а старшие разряды через реверсивный счетчик - со старшими разрядами блока индикации.

К недостаткам этого аналога следует отнести сложность устройства из-за необходимости использования большого числа балансных смесителей.

Известно устройство автоматической интерполяции фазового сдвига в лазерных интерферометрах [2] (аналог), содержащее лазер, светоделительный кубик, опорный и измерительный отражатели, модулятор, генератор стабильной частоты, фотоприемник, два балансных смесителя, связанных с фотоприемником, вторые входы балансных смесителей связаны с выходами сигналов, сдвинутыми на π/2 генератора, выходы балансных смесителей связаны через формирователи прямоугольных импульсов с блоком индикации, оно снабжено делителем частоты с нечетным коэффициентом деления, генератор стабильной частоты связан через делитель с оптическим модулятором.

К недостаткам этого аналога следует отнести сложность устройства из-за необходимости использования большого числа балансных смесителей.

Известно устройство, реализующее интерференционный способ измерения фазового сдвига световых волн [3] (аналог), которое содержит лазер, акустооптический (АО) модулятор, коллимирующую оптическую систему, элементы оптической схемы интерферометра, отражающую триппель-призму, фотоприемное устройство, фазовый детектор экстремальных значений, счетчик импульсов, генератор, управляемый кодом.

Особенность данного устройства-аналога является совместная работа АО модулятора и системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Такое техническое решение позволяет управлять пространственным периодом и чувствительностью [4] , а также обладает высокой точностью измерения за счет высокого соотношения сигнал/шум, получаемого в результате фильтрации системой ФАПЧ дробовых шумов фотоприемника [5].

Однако основным недостатком этого устройства-аналога следует считать изменения частоты АО модуляции, повышающие требования к частотным параметрам АО модулятора и приводящие к усложнению измерительной схемы из-за необходимости исключения нелинейных процессов в виде частотных перескоков из процесса преобразования.

Известно устройство автоматической интерполяции порядка интерференции [6] (прототип), содержащее интерференционный преобразователь, включающий лазер, два отражателя, светоделитель, оптический клин, акустооптический модулятор, фотоприемник и электрическую схему, включающую генератор, два балансных смесителя, логический блок, реверсивный счетчик и индикатор, и схему формирования, схема формирования выполнена в виде резистивного делителя с шестнадцатью сопротивлениями и инвертора, выходы балансных смесителей связаны с резистивным делителем, таким образом, что выход одного балансного смесителя подключен к одному концу делителя непосредственно, а к другому концу через инвертор, а выход другого балансного смесителя связан со средней точкой делителя, выходы резистивного делителя связаны с логическим блоком, а выход логического блока связан с реверсивным счетчиком.

К недостаткам устройства-прототипа следует отнести ограничение точности измерений из-за ограничений стабильности и точности резистивного делителя вследствие сложности расчета и подбора значений резисторов, а также ограничение разрешающей способности, определяемое малым числом используемых резисторов.

Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, который заключается в повышении разрешающей способности и точности измерений.

Согласно изобретению это достигается тем, что акустооптическое устройство измерения смещений, состоящее из оптически связанных лазера, акустооптического модулятора, отражателя, фотоприемника, генератора, выход которого подключен к электрическому входу акустооптического модулятора, между лазером и акустооптическим модулятором введен коллиматор, при этом устройство снабжено оптической схемой, связывающей акустооптический модулятор, отражатель и фотоприемник, причем устройство также снабжено измерительной схемой с двумя электрическими входами и выходами, при этом выходы фотоприемника и генератора подключены к первому и второму входам измерительной схемы, причем измерительная схема состоит из двух делителей частоты, фазового детектора, усилителя, компаратора, фазовращателя, логической схемы и генератора, при этом входы измерительной схемы подключены ко входам делителей частоты, выходы которых соединены с первыми входами фазового детектора и фазовращателя, соответственно, при этом выход последнего соединен со вторым входом фазового детектора, причем к выходу фазового детектора подключены последовательно соединенные усилитель, компаратор и первый вход логической схемы, а первый вход последней связан с выходом генератора, при этом выходы логической схемы подсоединены ко входам первого счетчика, причем первый выход этого счетчика подключен ко второму входу фазовращателя и является вторым выходом измерительной схемы, а другие выходы этого счетчика подключены ко входам второго счетчика, выходы которого являются первым выходом измерительной схемы.

Полученное новое качество от данной совокупности признаков ранее не было известно и достигается только в данном устройстве.

Осуществление работы устройства поясняется чертежом, на котором представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит следующие блоки: лазер 1, коллиматор 2, акустооптический (АО) модулятор 3, генератор 4, интерферометр 5, триппель-призма 6, фотоприемник 7, измерительная схема 8, состоящая из делителей частоты 9 и 14, фазового детектора 10, усилителя 11, компаратора 12, фазовращателя 13, счетчиков 15 и 17, логической схемы 16 и генератора 18.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Излучение лазера 1 преобразуется коллиматором 2 в коллимированный пучок и направляется на АО модулятор 3. На электрический вход АО модулятора 3 от генератора 4 поступает сигнал U₁=U_osin2πf_ot, формирующий в нем движущиеся с постоянной скоростью ультразвуковые волны, которые приводят к дифракции проходящего коллимированного лазерного пучка. На оптическом выходе АО модулятора 3 создается набор разночастотных пространственно разнесенных дифрационных порядков, например, Е(-1), Е(0) и Е(+1), следующих на вход интерферометра 5.

Конструкция интерферометра 5 является стандартной оптической схемой, например, как в [1-3,6], состоящая из оптических элементов, с помощью которых из набора дифракционных порядков Е(+1), Е(0) и Е(-1) выделяются два, например Е(0) и Е(+1). Далее один из них направляется на подвижную триппель-призму 6, отражается от нее и затем пространственно совмещается с другим дифракционным пучком и оба следуют на фотоприемник 7.

Оптическое гетеродинирование на плоскости фотоприема двух разночастотных излучений приводит к появлению на выходе фотоприемника 7 электрического сигнала на частоте f_o, равной разности оптических частот этих излучений U₂ = U_osin(2πf_ot+Δϕ), где U_o и f_o - амплитуда и частота сигнала, а Δϕ- фазовый сдвиг, обусловленный смещением триппель-призмы 6 Δ1, за счет двойного хода пучка, равный Δϕ = 4πΔ1/λ, гдеλ- длина световой волны.

Сигналы U₁ и U₂ делителями частоты 14 и 9 с равными коэффициентами деления k_дч преобразуются в сигналы U₄=U_osin2πf_ot/k_дч и U₃ = U_osin(2πf_ot/k_дч+4πΔ1/λ•k_дч). Сигнал U₃ поступает на первый вход фазового детектора 10, а сигнал U₄, проходя через фазовращатель 13, получает сдвиг фазы Δϕ_фв и подается на второй вход фазового детектора 10.

Последовательное соединение фазового детектора 10, усилителя 11, компаратора 12, логической схемы 16, счетчика 15 и фазовращателя 13 образует замкнутый контур фазовой автоподстройки фазы (ФАПФ). За счет большого коэффициента усиления в этом контуре системы ФАПФ режим ее работы основан на уравновешивании фазовых сдвигов входного 4πΔ1/λ•k_дч и, вводимого фазовращателем 13, Δϕ_фв:
4πΔ1/λ•k_дч = Δϕ_фв. (1)
Из уравнения (1) можно получить выражение для пространственного периода 1_пп, как масштаба перемещений, равного смещению Δ1, при котором фазовый сдвиг Δϕ_фв достигает значения 2π
1_пп=λ•k_дч/2. (2)
Измерение смещения Δ1 заключается в определении целой части 1ц, кратной масштабу 1_пп, и дробной части 1_др, изменяющейся пропорционально от 0 до 1 от масштаба 1_пп и равной числу его дробных долей (квантов) N_др:
Δ1=1_ц+1_др=N_ц•1_пп+N_др•1_кв=N•1_пп+N_др•1_пп/N_max=1_пп[N_ц+N_др/(2ⁿ-1) (3)
где N_ц - целое число пространственных периодов 1_пп, укладывающихся в пределах измеряемого смещения Δ1, N_др - число квантов в пределах дробной части 1_др, 1_кв - длина одного кванта, N_max - максимальное число квантов в пределах 1_пп, n - количество разрядов числа N_max, представленного в двоичной системе счисления.

Для подсчета N_др в устройстве используется счетчик 15, а для подсчета N_ц - счетчик 17. Фазовращатель 13 в соответствии с цифровым кодом N_др, следующим от счетчика 15, осуществляет фазовый сдвиг сигнала U₄ и формирует сигнал U₅ = U_osin(2πf_ot/k_дч+Δϕ_фв), поступающий на второй вход фазового детектора 10. Разность фазовых сдвигов сигналов U₃ и U₅ на входах фазового детектора 10 приводит к формированию сигнала U₆, который после преобразования усилителем 11 и компаратором 12, позволяет создать на первом входе логической схемы 16 сигнал U₈. Его уровень определяет направление счета счетчика 15 и при логической "1" импульсы генератора 18, приходящие на второй вход логической схемы 16, направляются на суммирующий вход счетчика 15, а для логического "0" на вычитающий вход счетчика 15.

Так как параметры измерительной схемы 8 подобраны так, что постоянно выполняется равенство (1), то изменения цифровых кодов N_др и N_ц жестко синхронизированы с перемещением Δ1 триппель-призмы 6.

Пусть, например, в начальный момент времени N_др=N_ц=000.....0 и триппель-призма 6 начинает приближаться к интерферометру 5. Пока смещение мало Δ1<1_пп, то цифровой код N_др, индицирующий дробную часть от пространственного периода 1_пп, линейно нарастает. При превышении значения 1_пп код N_др, достигший при Δ1=1_пп своего максимального значения N_др=N_max=111...1, обнуляется N_др= 000. ....0, а на втором выходе счетчика 15 появляется импульс, поступающий на суммирующий вход счетчика 17. В результате на его выходе изменяется младший разряд N_ц=000.....1, который индицирует об однократном превышении Δ1 над 1_пп.

При дальнейшем перемещении Δ1 триппель-призмы 6 цифровые коды N_др и N_ц, индицирующие старшие и младшие разряды и являющиеся выходными кодами устройства, также продолжают возрастать.

В случае смены направления движений режим суммирования меняется на режим вычитания, при этом алгоритм работы и последовательность поступления импульсов полностью сохраняется.

Сущность работы устройства заключается в следующем.

В предлагаемом изобретении реализована измерительная схема на основе системы ФАПФ, осуществляющая фазоцифровое преобразование в режиме следящего уравновешивания с равномерно-ступенчатым изменением фазового сдвига [7].

В контуре системы ФАПФ используется цифроуправляемый фазовращатель, например, на основе цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) [8]. ЦАП, используемые в цифровых фазовращателях, содержат стандартную резистивную матрицу R-2R в интегральном исполнении, предполагающая большое число резисторов, с малым шагом квантования и высокой идентичностью.

Использование делителей частоты на входе системы ФАПФ обеспечивает частоту сигнала f_o/k_дч приемлимую для прецизионного цифрового фазовращателя [8] и уменьшает уровень входных фазовых флуктуации.

В общем случае, при минимальном уровне шумов и помех в измерительном сигнале разрешающая способность предлагаемого устройства определяется погрешностью квантования и зависит от числа разрядов n используемого фазовращателя δ_Δ1 = 1_пп/(2ⁿ-1) = λ•k_дч/2•(2ⁿ-1).
Таким образом, предлагаемое техническое решение повышает разрешающую способность и точность измерений.

Предлагаемое акустооптическое устройство может быть реализовано, например, при использовании в АО модулятора на основе кристалла парателлурита (TeO₂), как в [9], с f_o=25 МГц, λ=0,6328 мкм, n=12 разрядов. Тогда при k_дч= 256 получим значение пространственного периода 1_пп≈81 мкм и разрешающей способности δ_Δ1 = λ/128≈0,005 мкм.

Для АО модулятора на основе воды (H₂O), как в /4/, и для f_о=8 МГц, λ= 0,6328 мкм, n=12 разрядов и k_дч=16 значение пространственного периода будет равно 1_пп≈5 мкм, а разрешающая способность δ_Δ1 = λ/512≈0,001 мкм. По полученным характеристикам предлагаемое акустооптическое устройство превосходит устройство-прототип.

Источники информации
1. Патент РФ 2017061, МПК G 01 В 9/02. Способ подсчета порядка интерференции и устройство для его осуществления / Михальченко Е.П., Рюмин А.В., Яковлев Н.А. Опубл. в БИ 14, 1994 (аналог).

2. Патент РФ 2016380, МПК G 01 В 21/00. Способ автоматической интерполяции фазового сдвига в лазерных интерферометрах и устройство для его осуществления / Михальченко Е.П., Рюмин А.В., Яковлев Н.А. Опубл. в БИ 13, 1994 (аналог).

3. Патент РФ 2023982. Интерференционный способ измерения фазового сдвига световых волн. Телешевский В.И., Леун Е.В., Коренев М.С., Ройтман Е.В. Опубл. в БИ 22, 1994 (аналог).

4. Леун Е. В. Исследование адаптивной волоконной измерительной головки для бесконтактного измерения отклонении размеров деталей на основе управляемой акустооптоэлектронной обратной связи. Автореф. дисс. на соиск. учен. степени канд. техн. наук. 05.11.16. М., 1994.

5. Шахгильдян В.В., Ляховкин А.А. Системы фазовой автоподстройки частоты. - М.: Радио и связь, 1972.

6. Патент РФ 2016381, МПК G 01 В 21/00. Способ автоматической интерполяции порядка интерференции и устройство для его осуществления / Михальченко Е.П., Рюмин А.В., Яковлев Н.А. Опубл. в БИ 13, 1994 (прототип).

7. Автоматические измерения и приборы (аналоговые и цифровые) / П.П.Орнатский. - 5-е изд. К.: Вища шк., 1986, с. 393-403.

8. Сапельников В.М. Цифроаналоговые преобразователи в калибраторах фазы. - Уфа, 1997, 152 с.

9. Балакший В. И., Казарьян А.В. Акустооптическая стабилизация направления лазерного пучка / Квантовая электроника, 1998, т. 25, 11, с. 988-992.

Акустооптическое устройство измерения смещений состоит из лазера, акустооптического модулятора, отражателя, фотоприемника, генератора, выход которого подключен к электрическому входу акустооптического модулятора, Между лазером и акустооптическим модулятором введен коллиматор, при этом устройство снабжено оптической схемой, связывающей акустооптический модулятор, отражатель и фотоприемник. Устройство также снабжено измерительной схемой с двумя электрическими входами и выходами, при этом выходы фотоприемника и генератора подключены к первому и второму входам измерительной схемы. Измерительная схема состоит из двух делителей частоты, фазового детектора, усилителя, компаратора, фазовращателя, логической схемы и генератора. Технический результат - повышение разрешающей способности и точности измерений. 1 ил.

Акустооптическое устройство измерения смещений, состоящее из оптически связанных лазера, акустооптического модулятора, отражателя, фотоприемника, генератора, выход которого подключен к электрическому входу акустооптического модулятора, отличающееся тем, что между лазером и акустооптическим модулятором введен коллиматор, при этом устройство снабжено оптической схемой, связывающей акустооптический модулятор, отражатель и фотоприемник, причем устройство также снабжено измерительной схемой с двумя электрическими входами и выходами, при этом выходы фотоприемника и генератора подключены к первому и второму входам измерительной схемы, причем измерительная схема состоит из двух делителей частоты, фазового детектора, усилителя, компаратора, фазовращателя, логической схемы и генератора, при этом входы измерительной схемы подключены ко входам делителей частоты, выходы которых соединены с первыми входами фазового детектора и фазовращателя, соответственно, при этом выход последнего соединен со вторым входом фазового детектора, причем к выходу фазового детектора подключены последовательно соединенные усилитель, компаратор и первый вход логической схемы, а первый вход последней связан с выходом генератора, при этом выходы логической схемы подсоединены ко входам первого счетчика, причем первый выход этого счетчика подключен ко второму входу фазовращателя и является вторым выходом измерительной схемы, а другие выходы этого счетчика подключены ко входам второго счетчика, выходы которого являются первым выходом измерительной схемы.