Оптический способ определения перемещения объекта Советский патент 1989 года по МПК G01B11/16 

1

Изобретение относится к измерительной технике, к определению перемещений .объектов оптическими методами.

Цель изобретения - повышение точности и расширение диапазона определения перемещений объекта посредством сканирования разности хода в пределах величины измеряемого перемещения.

На фиг. 1 приведена схема устройства, реализующая оптический способ измерения перемещений с использованием интерферометра Фабри-Перо; на фиг. 2 - вариант схемы устройства с использованием волоконного интерферометра Маха-Цандера; на фиг. 3, 4 и 5 - спектры излучения на выходе измерительного интерферометра; на

фиг.6 и 7 - эпюры сигнала на выходе устройства.

Способ осуществляется с помощью устройства, содержащего широкополост- ный источник 1 излучения (например, вольфрамовая лампа накаливания, газоразрядная лампа и т.п.), волоконный световод 2, измерительньп интерферометр 3, служащий чувствительным элементом, микрообъективы 4, сканируемый интерферометр-анализатор 5, фотоприемник 6 (например, фототран- зистор), устройство 7 регистрации (например, осциллограф), устройство 8 управления (например, генератор пилообразного напряжения), При зтом излучение источника 1 вводится с помощью микрообъектива 4 в световод 2. Устройство 8 управления ос т1ествляет сканирование интерферометра 5 и уп05

сд о

о

465696

мум интенсивности значительно меньшей велнчины (по сравнению с основным). При полном несовпадении спектральных функций пропускания интенсивность на выходе интерферометра-анализатора имеет незначительную величину.

Расширение динамического диапазо- 10 на измеряемой величины достигается однозначностью отсчета измеряемого параметра за счет превращения периодической зависимости мощности прошедшего через измерительньй интерферо- 15 метр светового потока от фазового набега в нем в непериодическую зависимость, имеющую в случае использования широкополосного излучения и пропускания излучения через второй 20 интерферометр вид отдельного пика, сопровождающегося пиками с существенно меньшей амплитудой.

Повышение точности измерения переный измерительному. Базу ( или ра-з- мещения при воздействии дестабили- ность хода)интерферометра-анализато- 25 зирующих факторов достигается тем, ра 5 периодически сканируют от мини- что измерительный параметр воздеист- мального до максимального значения вует на спектральную характеристику измеряемого перемещения. Регистри- чувствительного элемента и о его зна- руют интейсивность прошедшего опти- чении судят по положению максимума ческого излучения, измерит положения зо интенсивности, а не по величине ин- осноЕНОГо максимума выходного сигна- тенсивности регистрируемого сигнала ла, по положению которого судят об измеряемом перемещении, Спектр источника 1 должен быть гладким и охваI

|равляет устройством 7 регистрации.

Сканирование интерферометра 5(фиг.1) осуществляется устройством 9 управления базой (например, пьезопреобра- зователем), на которое поступает сигнал с устройства 8 управления. Сканирование интерферометра 5(фиг.2) :осуществляется фазовым модулятором 10 I. (например, пьезопреобразователем) сигналом с устройства 8 управления. IB случае использования в качестве устройства регистрации осциллографа на вход X его подает сигнал, управляющий перестройкой базы или разности хода, а на вход Y - сигнал с фотоприемника.

Способ осуществляется следующим образом.

Пропускают излучение широкополосного источника 1 последовательно через измерительный интерферометр 3 и интерферометр-анализатор 5, аналогичИзлучение от широкополосного истывать область длин волн, отличаю щихся в 1,5-2 раза, например от 0,5 до 1,0 мкм.

База (разность хода) измерительного интерферометра 3 равна значению

точника 1 с помощью микрообъектива 4 .вводится в световод 2 и доставляется к чувствительному элементу - измерительному интерферометру 3 Фабри- Перо, излучение в виде параллельного пучка для которого формируется объективами 4. Функция пропускания интерtHJ 1 W л.л, А - К измеряемого перемещения и определяет до ферометра- с базой t 9писывается

его спектральную характеристику пропускания оптического излучения. Спектральная функция пропускания ин- т ерферометра-анализатора 5 периодически изменяется при его сканировании от минимального до максимального значения измеряемого параметра. Когда базы (разности хода) оказываются равными, их спектральные характеристики совпадают, при этом наблюдается основной максимум выходного сигнала, по положению которого судят об измеряемом перемещении. При различных базах (разностях хода) измерительного интерферометра и интерферометра-анализатора спектральные функции пропускания могут совпадать частично. ПРИ частичном совпа:дении спектральных характеристик наблюдается макси45

функцией Эйри

(i-R) ,-i (ЬкР +4Кз1п сГУ2

где сГ- фазовый набег, равный

R - коэффициент отражения зеркал. Величина R доджна мало изменяться во всем диапазоне длин волн излучения источника.

Спектр излучения на выходе измерительного интерферометра 3 представлен на фиг.3 (кривая 1). Излучение данного, спектрального состава доставляется световодом 2 к сканируемо- t му интерферометру 5 с переменной ба - ЗОЙ tg,, функция пропускания которого описывается функцией Эйри и приведена на фиг. 3 (кривая 2). При равен- стве баз интерферометров 3 и 5 t,t:j

мещения при воздействии дестабили- зирующих факторов достигается тем, что измерительный параметр воздеист- вует на спектральную характеристику чувствительного элемента и о его зна- чении судят по положению максимума о интенсивности, а не по величине ин- тенсивности регистрируемого сигнала

Излучение от широкополосного источника 1 с помощью микрообъектива 4 .вводится в световод 2 и доставляется к чувствительному элементу - измерительному интерферометру 3 Фабри- Перо, излучение в виде параллельного пучка для которого формируется объективами 4. Функция пропускания интерферометра- с базой t 9писывается

5

функцией Эйри

(i-R) ,-i (ЬкР +4Кз1п сГУ2

где сГ- фазовый набег, равный

R - коэффициент отражения зеркал. Величина R доджна мало изменяться во всем диапазоне длин волн излучения источника.

Спектр излучения на выходе измерительного интерферометра 3 представлен на фиг.3 (кривая 1). Излучение данного, спектрального состава доставляется световодом 2 к сканируемо- t му интерферометру 5 с переменной ба - ЗОЙ tg,, функция пропускания которого описывается функцией Эйри и приведена на фиг. 3 (кривая 2). При равен- стве баз интерферометров 3 и 5 t,t:j

все максимумы функций пропускания интерферометров совпадают (кривые 1 и 2 на фиг.З) и светопропускание устройства максимально. При разных ,базах Ц ty максимумы функций пропускания не совпадают (кривые 1 и 2 на фиг.4) и светопропускание устройства незначительно.

Наряду с наличием основного максимума функции пропускания интерферометров при t, t2 наблюдаются побочные максимумы при t - t, t

о

ь-.

Iv

, и т.п.

-i 3 i. 2 2, Это объясняется частичным совпадение кривых пропускания измерительного и сканируемого интерферометров (кривые 1 и 2 соответственно на фиг. 5

2

;для случая t« гг t,). Сигнал S полуЧ I

ю

20

65696

опорным и сканируемым плечами интерферометра, что достигается, например, пьезопреобразователями.

Использование изобретения позволяет проводить измерения перемещений в широком диапазоне;от единиц мкм до метров и более с высокой степенью точности. При этом обеспечивается независимость измерений от флуктуации интенсивности источника излучения и от изменения светопропус- кания элементов устройства при воздействии на них неблагоприятных факторов окружающей среды (вибраций, температуры, ионизирукщего излучения). Благодаря применению световод- ной техники предлагаемый способ измерения перемещения применим в условиях сипьных электромагнитных помех, для дистанционных измерений (до сотен метров).

15

Изобретение относится к измерительной технике, к определению перемещений объектов оптическими методами. Цель изобретения - повьш1ение точности и расширение диапазона опреде- ( ления перемещений объекта посредством сканирования разности хода в пределах величины определяемого перемещения. Пропускают излучение широкополосного источника последовательно через измерительный интерферометр и интерферометр-анализатор. Базу (или разность хода) интерферометра-анализатора периодически сканируют от минимального до максимального значения из epяeмoгo перемещения. Регистрируют интенсивность прошедшего оптического излучения, измеряют положение основного максимума выходного сигнала, по положению которого судят об измеряемом перемещении. 7 ил. , § (Л

чают на устройстве регистрации, который представляет собой функцию пропускания устройства при изменении

базы сканируемого интерферометра t. Устройство регистрации вьделяет основной максимум сигнала, по положению которого-можно однозначно судить о величине измеряемого перемещения.

На фиг.2 представлено устройство, являющееся разновидностью устройства изображенного на фиг.1 и отличающееся тем, что в нем использованы волоконные интерферометры. Принцип работы устройства аналогичный, различие заключается в том, что воздействие перемещения на измерительный интерферометр приводит не к изменению его базы (как это происходит в устройстве на фиг.1), а к изменению оптической разности хода между измерительным и опорными плечами интерферометра 3. Процесс сканирования интерферометра-анализатора заключается в изменении разности хода между .

Формула изобретения

Оптический способ определения перемещения объекта, заключающийся в том, что формируют поток излучения, пропускают его через измерительный интерферометр, регистрирующий выходящее из интерферометра излучение, по характеристикам которого и определяют перемещения, отличающийся тем, что, с целью повьш1е- ния точности и расщирения диапазона определения, формируют поток из излучения, имеющего широкий спектр, ЕЫ- шедшее из интерферометра излучение направляют в интерферометр-анализа-, тор, разность хода которого периодически сканируют в пределах величины измеряемого перемещения, регистрируют вышедшее из интерферометра-анализатора из луче ime, а в качестве характеристики принимают положение основного максимума излучения.

- 4 у -

и

8

11-2

сЦ-Гу

1465696

34

о

б If.

Z/ 4

м

фаэ.1

в-

--л 5 /

5 с

fO

ipuS.Z

Фиг.З

FfA)

jnuuuuv

F(A)i

-fnk

I I

1l2ti едда/ 2

1465696

Фиг4

Фиг.5

г

Фие.7