Фазометрическое устройство Советский патент 1986 года по МПК G01R25/04 G01R27/32 

ьо

СП

00 кэ

N3.

Изобретение относится к технике фазовых измерений и может быть использовано для измерения относительных фазовых сдвигов двух процессов и для получения двух сигналов, сдвинутых один относительно другого по фазе на заданную величину. Целью изобретения является расширение функциональньЬс возможностей устройства.

12 Для достижения поставленной цели в устройство введены источники 1 3 модулированного оптического сигнала, взаимно ортогональные поляризаторы : 7 и 8, оптический клин 17, линейньй поляризатор 13, фотоприемник 6,нульорган 16. Кроме того, устройство содержит светоделители 18-24, затворы 31-34, зеркала 25-30, источник 14 когерентного света, индикатор 15 перемещений, призмы 9-12, фотоприемники 4 и 5, двустороннее зеркало 35. Зна1

Изобретение относится к технике фазовых измерений и может использоваться для измерения относительных фазовых сдвигов двух процессов и для получения двух сигнапов,сдвинутых один относительно другого по .фазе на заданную величину.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей фазометрического устройства за счет его использования как в качестве калибратора фазы, так и в качестве измерителя фазового сдвига, а также обеспечение самопроверки устройства без привлечения внешних контрольных средств.

На чертеже изображена схема фазометрического устройства.

Фазометрическое устройство содержит три источника 1 - 3 модулированного оптического сигнала (ИМОС) (преобразователи 1 - 3 электрического напряжения в световой поток), фотоприемники 4-6, 93ИМНО ортогональные циркулярнь:е поляризаторы 7 и 8, первую (подвижную) призму 9 и вторую (неподвижную) призму 10 переменной оптической задержки, третью 11 и четвертую 12 призмы, линейный поляризатор 13, источник 14 когерентного света, индикатор 15 перемещений, например счетчик интерференционных полос, нуль-орган 16, оптический клин 17, светоделители 18 - 24, зеркала 25 - 30, затворы 31 - 34 и двустороннее зеркало 35.

Указанные элементы образуют два оптических канала, оптически связанные между собой двумя оптическими трактами самопроверки, причем оптический канал опорного сигнала содержит оптически последовательно связанные пятый светоделитель 22,первьй циркулярный поляризатор 7, оптический клин 17, первый светоделитель 18, первый затвор 31, второй светоделитель 19 и .первьй фотоприемник 4, выход которого является первьм выходом устройства, оптический канал переменной фазы содержит пере менную оптическую задержку, содержа-, щую последовательно оптические связанные второй циркулярный поляризатор 8, первую (подвижную) призму 9, вторую (непОдви:)кную) призму 10, второе зеркало 26 и третье зеркало 27, механически скрепленное с подвижной

0 призмой 9 и с помощью которого переменная оптическая задержка оптически связана с интерферометрическим измерителем перемещений, состоящим из источника 14 когерентного света, оптически связанного через шестой светоделитель 23 как с неподвижным четвертым зеркалом 28, так и с подвижным третьим зеркалом 27 и далее через шестой светоделитель 23 с инди0 катором 15 перемещений. Переменная оптическая задержка в канале переменной фазы оптически связана через пятый светоделитель 22 с последовательно оптически связанными первым зер5 калом 25, третьим светоделителем 20, вторым затвором 32, четвертым светоделителем 21 и вторым фотоприемником 5, выход которого является вторым вькодом устройства. 2 чение фазового сдвига будет получено без систематической погрешности, обусловленной неидентичностью фотоприемников 4 и 5, что позволяет точнее установить величину переменной оптической задержки., Стало возможным совместить в одном приборе как функции калибратора фазы, так и функции измерителя фазы. При этом в обоих режимах работы прибора используются одни и те же оптические каналы. 1 ил.

Устройство содержит также первьй тракт самопроверки, содержащий оптически связанные с первым светоделителем 18 последовательно оптически связанные третий затвор 33, пятое зеркало 29, третью призму 11 и двустороннее зеркало 35, оптически связанное первой стороной с четвертым светоделителем 21, входящим в канал переменной фазы, и второй тракт само проверки, содержащий оптически связанный с третьим светоделителем 20 последовательно оптически связанные четвертый затвор 34, шестое зеркало 30, четвертую призму 12 и двустороннее зер кало 35, оптически связанное второй стороной с вторым светоделителем 19, входящим в канал опорного сигнала,эталонный электрический сигнал подается на первый вход устройства, которым является вход первого преобразователя 1 (ИМОС), который оптически связан с обоими оптическими каналами через седьмой 24 и пятый 22 светоделители. Два электрических входных сигнала при фазовых измерениях подаются на второй и третий входы устройства, которые являются соответственно входами второго и третьего преобразователей 2 и 3 (ИМОС) и оптически связаны соответственно с вторым 19 и четвертым 21 светоделителями, В этом случае оптическая связь в каналах имеет обратное направление исветовые потоки из обоих оптических каналов суммируются на выходе пятого светоделителя 22 и далее оптически связаны через седьмой светоделитель 24 с последовательно оптически связанными линейным поляризатором 13, третьим фотоприемником 6 и нульорганом 16,

Устройство в режимах калибратора фазы, измерителя фазы и в режимах самопроверки работает следующим образом,

В режиме калибратора фазы затворы 33 и 34 закрыты, а затворы 31 и 32 открыты. На вход преобразователя 1 подается электрическое напряжение заданной частоты. На выходе преобразователя 1 появляется модулированный по интенсивности световой поток. На светоделителе 22 образуются два потока - отраженный и проходящий. Отраженный .поток проходит через поляризатор 8 и поступает в переменную оптическую задержку

(призмы 9 и 10 и зеркало 26),После прохождения через призмы 9 и 10 световой поток падает на зеркало 26, отразившись от которого, вновь постпает в призмы 10 и 9 и далее через поляризатор 8 на светоделитель 22, проходит через него и, отразившис ь от зеркала 25, поступает далее через светоделители 20 и 21 и затвор I 32 на фотоприемник 5. Прямой световой поток, прошедший через светоделитель 22, далее поступает через поляризатор 7, клин 17, затвор 31 и светоделители 18 и 19 на фотоприемник 41 Таким образом,формируются дв световых потока - опорный, поступающий на фотоприемник 4, и несущий сигнал со сдвинутой фазой, поступающий на фотоприемник 5, Изменение сдвига фазы осуществляется перемещением подвижного элемента переменной оптической задержки (перемещением призмы 9 вдоль линии АВ). Величина перемещения учитывается счетчиком 15 по сдвигу интерференционной картины, формируемой интерферометром Майкельсона. Влияние на рабочие потоки элементов, не участвующих в рассматриваемом режиме, сводитсяк ослаблению интенсивности, которое выравнивается при настройке прибора с помощью клина 17,

В режиме измерителя фазового сдвига затворы 31 и 32 открыты, а затворы 33 и 34 закрыты. На преобразователи 2 и 3 электрического напряжения в световой поток подаются напряжения, фазовый сдвиг между которыми необходимо измерить. Световой поток преобразователя 2, отразившись от делителя 19, проходит через затВОР 31, светоделитель 18, клин 17, циркулярный поляризатор 7, светоделитель 22 и попадает на светоделитель 24, Световой поток, прямо про шедший через светоделитель 19, задержится в конечном счете закрытым затвором 34,

Световой поток преобразователя 3, отразившись от светоделителя 21 (проходящая часть этого потока задерживается закрытым затвором 33), проходит через затвор 32, светоделитель 20, отражается от зеркала 25 и падает на светоделитель 22, Пройдя через светоделитель 22,циркулярный поляризатор 8 этот поток поступает в переменную оптическую

задержку (призмы 9 и 10 и зеркало 26), Пройдя через, оптическую задержку, световой поток вновь проходит через поляризатор 8 и, отразившись от светоделителя 22, падает на светоделитель 24.

Таким образом в светоделителе 24 накладываются два потока с ортогональной циркулярной поляризацией. Изменяя величину переменной оптической задержки (призмы 9 и 10 и зеркало 26), можно добиться равенства фаз .световых потоков, падающих на светоделитель 24. В этот момент эти потоки имеют равную интенсивность. Благо- 15 5. даря тому, что циркулярные-поляризаторы 7 и 8 взаимно ортогональны в момент совпадения фаз сигналов, модулирующих указанные потоки, результирующий световой поток оказывается линейно поляризованным и задерживается линейным поляризатором 13, если, он заранее ориентирован ортогонально к поляризации результирующего потока. Благодаря этому нуль-орган 16 отмечает минимальный ток в фотоприёмнике 6, Отметив с помощью интерференционного датчика величину перемещения подвижного элемента переменной оптической задержки,полу чаем значение введенного фазово4 о сдвига, компенсировавшего измеряемую разность фаз. Прокалибровав счетчик интерференционных полос непосредственно в фазовых углах, можно получит искомый результат измерений. В режимах самопроверки осуществля ется контроль соответствия нулей переменной оптической задержки и нульоргана, а также контроль подвижного элемента оптической задержки. В режиме контроля соответствия нулей измерителя перемещений оптичес кой задержки и нуль-органа 16 на пре образователи 2 и подают электричес кие колебания с одинаковой фазой. С помощью переменной оптической задержки получают нулевое показание нуль-органа 16 как в указанном режиме разности фаз. Величина ввeдeJ нoго переменной оптической задержкой фазового сдвига показывает величину систематической погрешности в режим измерения фазового сдвига. В режиме контроля положения подвижного элемента переменной оптичес кой задержки с помощью преобразоват ля 1 формируется модулированньй све

товой поток, которьц) создает на фотоприемниках 4 и 5 опорный сигнал и сигнал со сдвинутой фазой. Производятся два Измерения: первое - при открытых затворах 31 и 32 и закрытькс 33 -и 34, второе - при закрытых затворах 31 и 32 и открытых 33 и 34.

При первом измерении световой поток преобразователя 1 проходит через светоделитель 22, затвор 31 и попад,ает на фотоприемник 4, а световой поток, отраженный светоделителем 22, проходит через переменную оптическую Задержку и попадает на фотоприемник .При втором измерении световой оток преобразователя 1 проходит чеез светоделитель 22, затвор 33,призу 11, отражается от зеркала 35-и светоделителя 21, попадая на фотоприемник 5, а. световой пг.ток, отраженный светоделителем 22 проходит через еременную оптическую задержку и, тразившись от светоделителя 20,проодит через затвор 34, призму 12,отажается от зеркала 35 и светоделителя попадает на фотоприемник 4. Пусть при первом измерении на выходе фотоприемника.4 зафиксировано некоторое значение ot., абсолютной фазы с погрешностью . , а на выхо-. де фотоприемника 5 - значение t:f. с погрешностью Д относительного фазового сдвига в первом измереНИИ получаем Ч ot, -Ы + Aoi, -ДЫ, Ч- +йЧ, где - интенсивное значение относительного фазового сдвига;л - систематическая погрешность. При втором измерении на вьгходе фотоприемника 4 фиксируется абсолютная фаза с/. с погрешностью д ot, , а на выходе фотоприемника 5 - абсолютная фаза cs/ с погрешностью до . Для относительного фазового сдвига во втором измерении получаем f о - , + йо... + а Ч . Составив полуразность полученных фаз находим искомое значение фазового сдвига + лЧ + Ч ЛЧ Таким образом значение фазового сдвига получают без систематической

погрешности, обусловленной неидентйчностью фотоприемников 4 и 5, что позволяет точнее установить величину переменной оптической задержки.

Благодаря наличию дополнительных по сравнению с известным устройством преобразователей 2 и 3, пары циркулярных поляризаторов 7 и 8, линейного поляризатора 13, фотоприемника 6 и нуль-органа 16 стало возможным сов-10 местить в одном приборе как функции калибратора фазы, так и функции измерителя фазы. При этом в обоих режимах работы прибора используются одни и те же оптические каналы. Помимо 15 расширения функциональных возможностей прибора имеется возможность самопроверки прибора без использования внешних контрольных средств, что повышает точность как измерений фазо-20 лого сдвига, так .и генерирования двух колебаний с заданным фазовым сдвигом. Благодаря особенности подключения к каналу со сдвинутой фазой перемен-25 ной оптической задержки и включения в ее состав зеркала 26 стало возможным вдвое уменьшить ход подвижного элемента оптической задержки. Послед нее обстоятельство значительно упрощает, удешевляет и повьш1ает точность механических устройств, обслуживающих перемещение подвижного элемента оптической задержки. Формула изобретения Фазометрическое устройство, содер жащее семь светоделителей, четыре затвора, шесть зеркал, три призмы, два фотоприемника, источник когерент ного света и индикатор перемещений, которые образуют два оптических канала и два оптических тракта самопроверки, причем оптический канал .опорного сигнала содержит последовательно оптически связанные первый светоделитель, первый затвор, второй светоделитель и первый фотоприемник, оптический канал сигнала с переменной фазой содержит последовательно оптически связанные третий светоделитель, второй затвор, четвертьй све тоделитель и второй фотоприемник и, кроме того, первое зеркало, пятый .светоделитель, переменнуро оптическую задержку, состояющую из первой (подвижной) призмы, второй (неподвижной)

призмы, второго и третьего зеркала, причем последнее механически скреплено с первой (подвижной) призмой, а переменная оптическая задержка своим третьим зеркалом оптически связана с интерферометрическим измерителем перемещений, состоящим из источника когерентного света, оптически связанного с шестым светоделителем. четвертым зеркалом и через шестой светоделитель с индикатором перемещений, оптические каналы связаны между собой двумя оптическими трактами самопроверки, причем первый тракт самопроЁ ерки содержит оптически связанный с первым светоделителем последовательно оптически связанные третий затвор, четвертое зеркало,третью призму, двустороннее зеркало (первая сторона), которое оптически связано с четвертым светоделителем, второй тракт самопроверки содержит оптически связанный с третьим светоделителем последовательно оптически связанные четвертый затвор и пятое зеркало. а также двустороннее зеркало (вторая сторона), которое оптически связано с вторым -светоделителем, выходы фотоприемников являются выходными клеммами устройства, отличающефункциональных возможностей, в него введены три источника модулированного оптического сигнала, два взаимно ортогональных циркулярных поляризатора, оптический клин и последовательно оптически связанные линейный поляризатор, третий фотоприемник и нуль-орган, причем линейный поляризатор оптически связа.н через седьмой и пятый светоделители с обоими оптическими каналами, первый источник модулированного оптического сигнала оптически связан с седьмым светоделителем, второй источник модулированного оптического сигнала с вторым светоделителем, третий источник модулированного оптического сигнала - с четвертым светоделителем, в оптическом канале опорного сигнала первый светоделитель оптически связан с пятым светоделителем через оптический клин и первый циркулярный поляризатор, в оптическом канале сигнала переменной фазы третий светоделитель оптически связан с пятым светоделителем через первое зеркало, а пятый светоделитель оптически свя9127532210

зан с последовательно оптически свя- входы первого, второго и третьего исэанным вторым циркулярным поляриза- точников модулированного оптического тором, первой призмой, второй приз- сигнала являются сигнальными входамой и вторым зеркалом, электрические ми устройства.