Способ измерения фазового сдвига световых волн Советский патент 1988 года по МПК G01B21/00 

&0

эо

X)

113

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к лазерной интерферометрии, и может быть использовано для измерений перемещений объектов.

Цель изобретения - повышение точности и разрешающей способности измерений путем измерения в качестве информативного параметра, частоты пери- одической структуры.

На чертеже изображена функциональная схема устройства, реализующего способ.

Устройство, реализующее способ, содержит оптически связанные лазер 1 интерферометр Майкельсона, включающий светоделитель 2, измерительный 3 и опорный 4 уголковые отражатели, двойной оптический клапан 5, распо- ложенный в опорном канале интерферометра, модулятор 6 (например, акусто-оптическую ячейку), щелевую диафрагму 7 и фотопреобразователь 8, излучатель 9 ультразвуковой волны, последовательно соединенные резонансный усилитель 10 и коммутатор 11, генератор 12 гармонических колебаний.

Выход генератора 12 гармонических колебаний подключен ко второму входу коммутатора 11. Выход фотопреобразователя 8 подключен ко входу резонансного усилителя 10.

Способ осуществляют следующим образом.

Излучение лазера 1, направляемое на светоделитель 2 интерферометра Майкельсона, делится на два световых пучка соответственно измерительного и опорного каналов. Отраженные от измерительного 3 и опорного 4 уголковых- отражателей световые волны EJ, и Ед„ пространственно совмещаются на светоделителе 2 под углом об , задаваемым двойным оптическим клином 5 опорной световой волне и направляютс на модулятор 6, в котором излучателем 9 создана ультразвуковая волна. В результате дифракции световых волн на ультразвуковой волне, щелевой диафрагмой 7 отфильтровывают на фотопреобразователь 8 пространственно совмещенные порядки дифракционного спектра: нулевой порядок дифракции измерительной световой волны Е„(д и любой из первых порядков дифракции опорной световой волны ЕОП(О ческое гетеродинирование на плоскости фотоприема двух разночастотных из

Я Е

лучений приводит к появлению на выходе фотопреобразователя 8 электрического измерительного сигнала U..,,

В 01 А

на частоте, равной разности взаимодействующих оптических частот, который поступает на резонансный усилитель 10 и далее на выход измерительного преобразователя, а также по каналу положительной обратной связи через коммутатор 11 на возбуждение излучателя 9. Генератор 12 гармонических колебаний на частоте f и

д

коммутатор 11 служат для организации канала положительной обратной связи. Световые волны Е, и Е о„ на выходе из периодической движущейся структуры, отфильтрованные на плоскость фотоприема, описываются формулами

f . -i 2 ir(;). x.v. Е„1„(а)е ; (1)

Е

on(0

Е

()-i.ta.Ub.2)

Я Е

и(о)

и Е

on (О

o(q)

И I

1(0.)

.

соответственно нулевой порядок дифракции измери- тельной и первый порядок дифракции опорной световых волн;

функции Бесселя первого рода нулевого и первого порядков ;

частота световых волн;

частота периодической структуры; фаза измерительной и опорной световых волн;

амплитуда фазовой модуляции света на периодической структуре.

fu ч Ч-с

а

В результате оптического гетеро- динирования, описываемого формулами (1) и (2), на выходе фотопреобразователя 8 возникает электрический измерительный сигнал на частоте, равной разности частот взаимодействующих оптических компонент:

и.

BblV

и. sin2 ir(

+ Cf,), (3)

где Ug - амплитудное значение напряжения выходного сигнала;

Cf - фаза электрического сигнала равная разности фаз оптических компонент.

Электрический сигнал, определяемый формулой (3), по каналу положительной обратной связи поступает на возбуждение излучателя 9 и образует замкнутый контур преобразования измерительной информации в виде накопителя (сумма- тора) доплеровского сдвига частоты. При этом нулевой порядок дифракции измерительной световой волны являясь независимым от частоты периодической структуры, служит кана- лом ввода информации в измерительную систему, а частотнозависимьй первый порядок дифракции опорной световой волны Е. . выполняет роль оптического гетеродина при фотосмешении све- товых излучений.

Наличие канала положительной обратной связи с выхода фотопреобразователя 8 на возбуждение излучателя 9 при изменении выходного электричес- кого сигнала, определяемого по формуле (3), приводит к изменению частоты периодической движущейся структуры, которая, обладая конечной скоростью V pраспространения, достигает коор- динаты Y взаимодействия со световыми волнами Е и Е через время Л С . Наличие канала положительной обратной связи в структуре измерительной системы дает возможность автоматического управления частотой оптического гетеродина Egj,, посредством управления частотой периодической структуры и тем самьп осуществляет операцию суммирования, возникающего в световой измерительной волне доплеровского сдвига частоты с дискретностью времени задержки, равной дсГ , характеризующей процесс распространения периодической структуры от излучателя до координаты Уд взаимодействия со световыми волнами.

Таким образом, электрический измерительный сигнал в конце измерения

описывается выражением

-tu

75

UpSin2 Tr

fco- И

x(t-mi E-) t+cp, UoSin2 Trr f + + f CuCfjJt +(f,},

где n- число дискрет, сумвания;

с 5 0

5 О 0

35

0

5

t - время измерения, равное времени воздействия доплеровского сдвига частоты;

Af(t) - доплеровский сдвиг частоты измерительной световой волны.

Суммарный частотный сдвиг f. (лд..) п .

(t - mu c) в выражении (4) явhl O

ляется дискретным аналогом интеграла и характеризует линейность переноса информации из фазового в частотный спектр электрического измерительного сигнала, причем время лС задержки определяет масштабность преобразования фазового сдвига световых волн в пропорциональное изменение частоты выходного сигнала и может регулироваться изменением координаты взаимодействия периодической структуры со световыми волнами, функция изменения частоты апроксимирует функцию изменения фазыь(с), перенося численное значение фазового сдвига световых волн в частотный спектр выходного электрического измерительного сигнала.

Таким образом, предлагаемый способ измерения фазового сдвига световых волн, основанный на организации положительной обратной связи по фазе с выхода фотопреобразователя на вход излучателя (в отличие от известных) преобразует измеряемый фазовый сдвиг световых волн в пропорциональное изменение частоты электрического сигнала и обеспечивает повьшение точности и разрешающей способности интерференционных измерений за счет повьппе- ния точности измерения информативного параметра - частоты, применение в качестве цифровых отсчетных устройств стандартных электронных приборов, например частотомеров, серийно выпускаемых отечественной промьшленностью, что устраняет расходы на разработку и производство специальных блоков индикации, а следовательно дает экономию в народном хозяйстве, а также оптимизирует процесс дальнейшей обработки измерительной информации с применением микропроцессорной техники.

Формула изобретения

Способ измерения фазового сдвига световых волн, заключающийся в том, что формируют движущуюся с постоян5138872

ной скоростью периодическую структуру, направляют на нее монохроматические когерентные световые потоки опорного и измерительного каналов интерферометра так, что они пересекаются в плоскости периодической структуры под углом, обеспечивающим пространственное совмещение порядков дифракции световых потоков опорного и измери- о тельного каналов интерферометра, разность оптических частот которых равна частоте периодической структуры, регистрируют результат интерференции двух дифрагированных световых пото-

ков опорного и измерительного каналов интерферометра, преобразуют его в электрический сигнал, определяют разность фаз интерферирующих световых потоков, отличающийся тем, что, с целью повышения -точности и разрешающей способности измерений, изменяют частоту возбуждения движущейся периодической структуры путем воздействия на ее формирование выходным электрическим сигналом, а разность фаз интерферирующих световых потоков определяют по изменению частоты выходного электрического сигнала.

Изобретение относится к измерительной технике. Цель изобретения повышение точности и разрешающей способности измерений. Сущность способа заключается в том, что электрический измерительный сигнал с выхода фотопреобразователя направляют на питание излучателя светомодулятора, создавая положительную обратную связь в акус- тооптическом тракте обработки измерительной информации, которая преобразует фазовый сдвиг световых волн на входе в частотный сдвиг выходного электрического измерительного сигнала, по величине которого судят о фазовом сдвиге световых волн. 1 ил.

Л1

,