Интерференционное устройство для измерения расстояния Советский патент 1988 года по МПК G01B9/02 

и

f

tk

W

Oi

о

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расстояния до неподвижных объектов. Цель изобрете- ния - расширение диапазона измерений. Это достигается за счет искажения эффективной рабочей частоты интерферометра. Принцип действия устройства основан на интерференции частотно-мо- дулированньпс световых пучков, которые создаются путем модуляции лазера 1 пьезозлементом 2, имеющих разные начальные фазы, зависящие от расстояния до зеркала 5 (объектива). Устройство состоит из двух интерферометров, измерительные плечи которых различаются на постоянную величину, что позволяет компенсировать изменение показателя преломления воздуха. Расстояние определяется пи значениям частот, измеренных частотомерами 10 и 16. Сиг- налы на входы частотомеров поступают после частотной фильтрации узкополосными фильтрами 9 и 15. 1 ил. (Л

5

i Изобретение относится к измеритель- йой технике и может быть использовано для измерения расстояния до неподвижных объектов.

Цель изобретения - расширение диапазона измерений за счет снижения эффективной рабочей частоты интерферометра путем использования двух час тотно-модулированных световых пуч- JQ ков, имеющих разные начальные фазы, которые определяются положением объ- кта.

На чертеже показана функциональная схема устройства.|5

Устройство содержит лазер 1, час тотный модулятор 2 излучения лазера, генератор 3 электрических колебаний, светоделитель 4, первый интерферо метр, включающий в себя зеркала 5 и 20 6 и светоделительный кубик 7, первый фотопреобразователь 8, узкополосный фильтр 9, вход которого соединен с выходом фотопреобразователя 8, и 1астотометр 10, вход которого соеди- 25 нен с выходом узкополосного фильтра |9, второй интерферометр, включающий В себя зеркала 11 и 12 и светодели- )гельный кубик 13, второй фотопреобразователь 14, узкополосный фильтр 15, ЗО 9ХОД которого соединен с выходом фо- )гопреобразователя 14, частотомер 16, бход которого подключен к вьпсоду узко- цолосного фильтра 15.

Устройство работает следующим об- ,5 разом.

Излучение лазера 1 модулируется по частоте модулятором 2, на который поступает переменное напряжение от генератора 3 электрических колебаний, дд Измерение напряжения на обкладках пьезоэлектрического модулятора 2 приводит к изменению его геометрических размеров (толщины), и за счет измене- ВИЯ длины резонатора лазера происхо- 45 дит смещение частоты его колебаний. Фотопреобразователь 8 первого интерферометра и фотопреобразователь 14 второго интерферометра регистрируют интерференционные картины.Из-за разности длин измерительных плеч интерферометров на постоянную величину 1 сигналы, снимаемые с выходов фотопреобразователей 8 и 14, будут различнь. С выходов фотопреобразователей 8 и 14 сигналы пос- -с тупают на узкополосные фильтры 9 и 15 соответственно. Выделенные измерительные сигналы поступают на частбто- меры 10 и 16, где измеряются их час

тоты, по значениям которых вычисляется расстояние до отражателя 5, являющегося основным. Расстояние вычисляется по формуле

Ь.::.1.

1 arc8in n-F,/45 8

arc8in lrFt/4S 3

acrsin Fi/4J -arcsin TF,

(1)

где L0 и Lot. - длина опорных плеч

первого и второго ийтерферометров;

F, и F - частоты измерительных сигналов, измеренные частотомерами 10 и 16;

OV - девиация частоты излучения лазера.

Принцип измерения расстояния основан на следующем. Из-за разных длин опорного и измерительного плеч интерферометра интерферирующие световые пучки, имеющие частотную модуляцию, обладают разными начальными фазами, и в результате интерференции этих световых пучков интенсивность результирующего пучка также промодулирована по частоте, причем спектр интенсивности результи13ующего светового пучка зависит от разности длин опорного и измерительного плеч интерферометра.

Частоты интерферирующих световых пучков записьгоаются

)

)-, -t-Ncosfot +tp, ); а )о +B-)cos(Qt +Q 2 ), где 0 - частота несущей светового излучения j

- частота модуляции, ( С|, иср - начальные фазы, зависящие от соотношения длин опорного и измерительного плеч интерферометра и определяемые выражениями

,л - y/f-f li2L. ttt - J ::f . cp, 2 irf Ч г- 2lit ,

с . L

ui

o

- скорость света в воздухе;

-длина измерительного плеча интерферометра;

-длина опорного плеча интерферометра.

Сигнал на выходе фотопреобразова- получим выражение (1) для 14 м ёряемо- теля описывается выражениемго расстояния.

Формула изобретения

(k,-k,)-2 tj ()-i- 0, )dtj s(2) Интерференционное устройство для

измерения расстояния, содержащее опгде IP - постоянная составляющая сиг- тически связанные лазер, светодели- нала;тель, первый и второй интерферомет1 - амплитуда сигнала; Q ры, оптические длины измерительных X - координата, в направлении |Плеч которых отличаются на постоянную которой регистрируется ия- величину, каждый из которых состоит терференция;из светоделителького кубика и двух

k и k, - волновые числа интерфериру зеркал, первьй и второй фотопреобра- ющих световых пучков. g зователи, установленные на выходах

соответствующих интерферометров, о Спектр сигнала, описываемого выра- личающееся тем, что, с ;жейием (2), состоит из несущей с час- целью увеличения диапазона измерений, тотойоно снабжено, частотным модулятором

, л J .у .20 излучения лазера, генератором злек- F, -;:- ainCZITf- -r--) (3) трических колебаний и двумя электронными схемами, каждая из которых

и боковых составляющих с частотами, состоит из последовательно соединен- райными сумме и разности несущей час- ных узкополосного фильтра и частото- то.ты F и частот, равных 2nQ, где 25 мера, входы электронных схем соедине- ,2,,.. . Частота несущей выделяет- ны с выходами соответствующих фото- ся уэкополоснь1м фильтром 6 и измеря- преобразователей, выход генератора ется частотомером 7. Аналогично рабо- электрических колебаний соединен с 1тает второй интерферометр. Записав вы- входом частотного модулятора излуче- выражение для частоты F аналогично ЗО ия лазера,, который кинематически (3) и решив совместно эти уравнения, jсвязан с лазером.