Волоконно-оптический виброметр Советский патент 1990 года по МПК G01B21/00 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быт использовано в разработке оптических приборов для виброметрии и измерения микроперемещений.

Целью изобретения является повыше нне точности и производительности измерений за счет уменьшения погрешностей, связанных с флуктуациями оптического тракта, и исключения необхо- Димости перекалибровки в кавдой точке измерения путем снижения требований к стабильности рабочего расстояния виброметра и расширение диапазона измерений в сторону высоких частот за счет перенесения диапазона регистри- руекых информационных сигналов в область низких частот.

На чертеже представлена функциональная схема;, предлагаемого виброметра.

Виброметр содержит последователь- но соединенные звуковой генератор 1 . источник 2 тока накачки и источник 3 излучения, волоконный зонд 4 с ответ- вителем 5, оптически соединенный с источником 3 излучателя и устанавли- ваемый над поверхностью измеряемого объекта, пьезодержатель 6, предназначенный для закрепления ка нем измеряемого объекта, поляризатор 7 и фотопри емник 8, оптически -связанный с волоконным зондом 4 через ответвитель S и поляризатор 7, генератор 9 модуляции, выход которого соединен с входом пьезодержателя 6, первый и второй синхроусилители 10 и 11, основные ЕХО- ды которых соединены с выходом фотоприемника 8, а опорные с выходом генератора 9 модуляции, и измеритель 12

(ЧТ t-I/MIfi ттт1т% ,

отношений, входы которого соединены соответственно, с выходами первого и второго синхроусилителей 10 и 11.

Виброметр работает следуюнщм образом.

20 25п

.„ .. 5

Оптическая волна от источника 3 излучения Распространяется через волоконный зонд 4 к его выходному тор- ЦУ, гд,е часть ее (примерно.4% по мощности) отражается от выходного торца .и образует опорную волну, распространяющуюся в обратном направлении. Другая ее часть в виде зондирующего луча выходит наружу и отражается от поверхности объекта, закрепленного на пьезодер,;,ателе 6. Небольшая часть, отраженного зондирующего луча попадает обратно в волоконный зонд 4. Отраженный зондирующий луч и опорная волна через ответвитель 5 и поляризатор 7 попадают на фотоприемник 8, на фоточувствительной поверхности которого интерферируют. Интенсивность интерференционной картины в нулевой зоне изменяется, если изменяется разность оптических путей, пройденных опорной волной и зондирующим лучом. Если выходной торец неподвижен относительно поверхности объекта, то разность оптических путей постоянна и уровень интенсивности оптического сигнала в нулевой зоне интерфереционной карти- ны постоянен. Если поверхность объек- та вибрирует, то уровень интенсивности оптического сигнала изменяется с частотой вибра1щи. Вибрации могут возникать на самом объекте, а могу- создаваться пьезодержателем 6, на котором он закреплен. Колебания пьезодержателя 6 заданной частоты и постоянной амплитуды создаются под воздействием сигнала с генератора 9 модуляции. 1аким образом на выходе фотоприемника а образуется электрический сигнал содержащий частоты смещений пьезодержателя 6 и вибраций Объекта, точнее поверхности объекта. Сигнал с фотоприемника 8 поступает на основные (информаодонные) входы первого и второго синхроусилителей 10 и 11, а на

их опорные входы подается сигнал с генератора 9 модуляции. Частота генератора 9 модуляции Я выбирается низкой, равной величине собственных частот пьезодержателя 6.. Обычно это порядка 1 кГц. В этом случае эффективно работает пьезодержатель 6,кроме того, фотоприемник 8 и синхроусилите- ли 10 и 11 могут быть выполнены на основе простых нискочастотных схем что существенно снижает стоимость виброметра. Первый и второй синхро- усилители 11 и 10 выделяют сигнал частоты Я из спектра сигналов фотопри-- емника 8. Спектральный анализ показывает, что составляющие и и U сигнала на выходе, соответств енно, первого и второго синхроусилителей 10 и 1 1, обусловленные колебаниями пьезодержателя 6, определяются соотношениями

де

USZ,PO З .Т, Г, (/5ij). Л (/iQ) sin4(p

.(О

Рр - интенсивность оптического сигнала в нулевой зоне интерференционной картины постоянной составляющей мощности ОП-- тического излучения;

Т((г коэффициент преобразования фотоприемником 8 оптической мощности в электрическую;

7i коэффициенты усиления соответственно первого и второго еинхроусили- телей 10 и 11;

Г - функция Бесселя первого порядка;

/3 ,

где - длина волны оптического излучения;л

н ймплитуда колебаний пьезодержателя 6;

4Ч р,4ГГ1р/;,

где 1р - рабочее (среднее) расстояние между выходным торцом волоконного зонда 4 и поверхностью объекта.

Интенсивность Р излучения на выходе источника 3 излучения равна

Р РО ч- ЛР cos ,

(2)

10

15

20

5

где Р - постоянная составляющая; JPj - амплитуда переменной составляющей.

С учетом переменной составляющей интенсивности излучения-в спектре сигнала фотоприемника 8 появляется еще одна низкочастотная составляющая, равная

П C/3t)sin4((uJ-aipt, (3)

где /3

W амплитуда измеряемых вибраций.

Выбирая полосу усиленного первого синхроусилителя 10 щирокой, а полосу усиления второго синхроусилителя узкой, можно установить величину раз- ностной частоты такой, что сигнал разностной частоты будет усилен только первым синхроусилителем 10. Для этого достаточно, чтобы бьшо выполнено условие

(4) 10 ,

где idw, и /Зи)- полосы усиления, соответственно, первого и второго синхроусилителей 10 и .11; частота звукового генератора 1;. U) - частота вибрации. В результате на выходах первого и второго синхроусилителей 10 и 11 буут сигналы:

О),

и, ,«i %t-I«(/3

40

Ар

Ji ()J

(5)

Пз1пЛ(р Ii ()3я) На выходе измерителя 12 отношений появляется сигнал, пропорциональный величине

,

и

Г1+ 1 ) 1 1

L ОР J

у/(6)

50

При малых амплитудах измеряемых вибраций () выходной сигнал измерителя 12 отношений оказывается в широком диапазоне величины линейным в этом случае 1, U) „ожно с высокой 55 точностью заменить на 4ГА-/Л. Полученный в устройстве выходной сигнал оказывается независящим от случайных изменений оптической мощности, поляризации, изменений рабочего расстояхарактеристик оптического II

ни я 1

I

Имерт место, главным образом, .зависимость от параметров электрической части устройства, которые могут быть стаб1шизированы с высокой точностью.

Полученная в устройстве независимость выходного си гнала от оптических шумов позволяет значительно повысить точность вибраций в реальных условиях эксплуатации, когда значителен фон акустических шумов, а также шумов позиционирования (люфт сканеров и т.д.) Отсутствие точечной калибровки и переход к „непрерывной самокалибровке позволяют существенно быстродействие устройства и применять предлагаемый виброметр для технической диагностики.

Использование предлагаемого волоконно-оптического виброметра обеспечивает по сравнению с суш;ествующими устройствами следующие преимущества: создается непрерывная калибровка за счет того, что она включается в процесс измерения вибраций; устраняются шумы выходного сигнала, создаваемь.1е изменениями параметров- оптического контакта волоконно-оптического виброметра с вибрирующей поверхностью, что особенно важно при-оперативном измерении вйброполей, когда необходимо применять сканирующие устройства; высокочастотные вибрации регистриру- КИгся и обрабатываются аппаратурой.

Формула изобретения

1. Волоконно-оптический виброметр, о содержашряй последовательно соединен-

о

0

5

0

5

ные источник тока накачки и источник излучения, волоконный зонд с ответви- телем, оптически соединенный с источником излучения, поляризатор, фотоприемник, оптически связанный с волоконным зондом через ответвитель, и поляризатор, последовательно соединенные генератор-модуляции и пьезодер- жатель для закрепления на нем измеряемого объекта и регистратор, вход которого соединен с выходом фотоприем- ника, о т ли чающийся тем, что, с целью повышения точности и производительности измерений за счет уменьшения погрешностей, связанных с,- флуктуациями оптического тракта, исключения нпобходимости перекалибровки в каждой точке измерения путем сниже-. ния требований к cтaбиJ ьнocти рабочего расстояния виброметра и расширения диапазона измерений в сторону высоких частот за счет перенесения диапазона регистрируемых информа1щонных сигналов .в область низких частот, он снабжен звуковым генератором, выход которого соединен с входом источника тока накачки, синхроусилителем и измерителем отношений, а регистратор выполнен TJ виде синхроусилителя, при этом основные входы синхроусилителей соединены с выходом фотоприемниха, опорные входы - с выходом -генератора модуляции, а выходы соединены соответственно с входами измерения отношений.

2. Виброметр по п. 1, о т л и ч а- ю щ и и с я тем, что он снабжен неподвижной платформой для установки на ней измеряемого объекта, а волоконный зонд установлен на пьезодержателе.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности и производительности измерений за счет уменьшения погрешностей, связанных с флюктуациями оптического тракта, исключения необходимости перекалибровки в каждой точке измерения путем снижения требований к стабильности рабочего расстояния виброметра и расширения диапазона измерений в сторону высоких частот за счет перенесения диапазона регистрируемых информационных сигналов в область низких частот. Модулированное синусоидой оптическое излучение от источника 3 излучения распространяется по волоконному зонду 4 и отражается от поверхности вибрирующего объекта, при этом часть излучения отражается обратно от выходного торца зонда 4. Таким образом, создаются зондирующий луч и опорная волна, интерферирующие на фотоприемнике 8. Сигнал с выхода фотоприемника 8 поступает на первый 10 и второй 11 синхроусилители, на опорные входы которых подается частота Ω модуляции от генератора 9 модуляции. Синхроусилители выделяют составляющую сигнала частоты Ω. Полоса усиления синхроусилителя 10 выбрана широкой, а синхроусилителя 11 - узкой таким образом, что сигнал разностной частоты усилен только первым синхроусилителем 10 из условия 10Δω 2*98/Ω-Ω г/*98ДΩ 1, где Δω 1 и Δω 2 - полосы усиления соответственно первого и второго синхроусилителей 10 и 11

ω г - частота звукового генератора 1

ω - частота вибрации. Полученные сигналы поступают на измеритель 12 отношений, сигнал на выходе которого при малых амплитудах вибрации оказывается в широком диапазоне линейным и не зависящим от рабочего расстояния виброметра и флюктуаций других параметров оптического тракта. Таким образом, достигается повышение точности, а непрерывная перекалибровка обеспечивается автоматически в процессе измерения вибраций, а обработка сигналов с выхода фотоприемника 8 осущесуществляется на основе низкочастотной аппаратуры. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.