Способ определения расстояния до поверхности объекта Советский патент 1989 года по МПК G01B11/14 

Г

сл

S сл

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в машиностроении и приборостроении, в частности, при настройке и регулировке систем записи и воспроизведения информации. Цель изобретения - увеличение точности определения расстояния до поверхности объекта достигается за счет использования явления многолучевой интерференции. Световой пучок лазера 1 модулируется по интенсивности и спектральному составу и с помощью световода 2 направляется на поверхность 3 контролируемого объекта. В резонаторе, образованном поверхностью 3 и торцом световода 2, возникает многолучевая интерференция, аналогичная интерференции в резонаторе Фабри-Перо. Энергия светового пучка, отраженного от поверхности, с помощью отвода 4 подводится к устройству 5, которое выделяет сигнал второй гармоники частоты модуляции и измеряет его амплитуду, по величине которой определяют расстояние до поверхности 3. 1 ил.

//У/////У /////Л(

J

HawtH fKonwHue

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в машиностроении и приборостроении, в частности при настройке и регулировке систем записи и воспроизведения информации.

Цель изобретения - увеличение . точности определения расстояния до поверхности.

Поставленная цель достигается за счет использования явления многолучевой интерференции.

На чертеже приведена функциональная схема, поясняющая способ изме- рен1|1я расстояния до поверхности объекта.

Способ заключается в следующем.

Лазер 1, являющийся источником монохроматического излучения, выра- батьшает световые колебания, длина волны и амплитуда которых модулированы сигналом, изменяющимся по гармоническому закону. По световоду 2 модулированное излучение лазера 1 попадает во внешний, по отношению к лазеру 1, резонатор, образованный торцом световода 2 и противолежащей ему поверхностью 3, расположенной ria искомом расстоянии. В резонаторе возникают интерференционные явления, следствием которых являются нелинейные искажения, возникающие в оптической системе, состоящей из лазера 1, световода 2 и внешнего резонатора. При помощи отвода 4 световые ко- лебания подводятся к устройству 5, которое вьщеляет сигнал второй гармоники частоты модуляции и измеряет его амплитуду. Выбор второй гармоники в качестве информативной ве- личины вызван тем, что она имеет наибольшую амплитуду среди гармонических составляющих.

Явления, возникающие между торцо световода 2 и поверхностью 3, можно представить моделью многолучевой интерференции в открытом резонаторе Фабри-Перо, коэффициент пропускания которого дается вьфажением

Т --Г7-

1 ч- А sin (|)

4R где А , а R - коэффициент

(1-R) отражения тоца световода и поверхности;

Q

n 5 5 0

5 Q

сГ ftJ Hi л

0

- сдвиг по фазе между соседними лучами в интерферометре;п - показатель преломления,

обычно п 1;

1 - расстояние между торцами световода и поверхностью; л - длина световой волны. Значение А мало при малых R и поэтому справедлива следующая запись выражения (1):

Т (1 - |) + I cos (2)

Из этого выражения следует, что коэффициент пропускания образующегося резонатора является периодической функцией и меняется от максимального значения до минимального с амплитудой А/2.

Выходящий из лазера 1 световой пучок испытьшает некоторую модуляцию интенсивности и связанную с ней девиацию длины волны:

P(t ) лр cosuJt;

A(t ) Лд+л/ созыс,(3)

где ДР и л А - амплитуды отклонения мощности излучаемого света и девиации длины волны при изменении TOKai лазера 1;

о средняя мощность излучения;

До - длина несущей волны излучения.

Предполагая, что функции ЙР(, ( «акач ) линейны и ,выражение (2) подстановкой значений rf и Л приводится к виду

00

т Тр + cos mwt, (4)

fflr

где Тд - коэффициент пропускания резонатора на частоте модуляции;

Тг„ - коэффициент пропускания резонатора на гармониках (т 1,2,.. . ).

Тогда интенсивность света, проходящего через зазор между торцом световодов и поверхностью, равна

T.P(t ) (Т + Т,, cosmuJ t) (Р„ -ьйР coscut)

П- I

ЛРТ.лрт

РоТ ч- -- + ( + Р,Т, - ---J) созыс + -f (m-,- Т,,)) cosmu t/

Из этого выражения следует, что при прохождении излучения через резонатор, образуемый торцом и поверх

10 Ig--.

.

2

+ РоТ, +

Выражение (6) может быть упрощено

41Г п1 аА , . при 1

В этом случае

,

т 4 .ч

То 1 - (1-COS );

А . V п1

-sin --

/ о

О,m 2,2,..

ЛА ,

тогда, при Р о йР К 20 Ig 2(То + Т,)

(7)

Таким образом, коэффициент нелинейных искажений полностью определяется средним значением коэффициента пропускания резонатора и амплитудой гармонических колебаний коэффициента пропускания.

Зависимость амплитуды второй гармоники от расстояния 1 до поверхности объекта имеет такой же характер, что и зависимость коэффициен(5)

10

ностью, происходит генерация выспмх гармоник и коэффициент нелинейных искажений имеет вид:

2

(6)

та нелинейных искажений от расстоя- НИН 1 до поверхности объекта.

Формула изобретения

определения расстояния до поверхности объекта, заключакхцийся в том, что формируют световой пучок, модулируют его по интенсивности, освещают световым пучком поверхность объекта, принимают пучок, отгражен- ный от поверхности объекта, опреде- ляют рас стояние по величине амплитуды гармонической составляющей модуляции отраженного пучка, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности измерений, освещение поверхности объекта и прием отраженного от поверхности пучка осуществляют с помощью световода, одновременно с модуляцией ny4ka по интенсивности модулируют на той же частоте его спектральный состав, а расстояние до поверхности объекта определяют по величине амплитуды второй гармонической составляющей модуляции отраженного пучка.