Устройство для измерения параметров колебаний объекта Советский патент 1991 года по МПК G01H9/00 

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения амплитуд и фаз колебаний диффузно-отражающих объектов методами фотоэлектронной спекл-интерферометрии в реальнорл времени.

Целью изобретения является повышение информативности за счет измерения от- носительной амплитуды нормальных колебаний двух точек исследуемой поверхности, находящихся на заданном расстоянии одна от другой, и повышение помехозащищенности измерений путем компенсации смещений объекта как целого.

На чертеже схематически изображено устройство для измерения параметров колебаний диффузно-отражающего объекта.

Устройство состоит из источника 1 когерентного излучателя (лазер); дифракционной решетки 2 с углом дифракции а; объектива 3, установленного на расстоянии f - t/2 ctg о. от дифракционной решетки 2, где f - фокусное расстояние объектива, t - расстояние между исследуемыми точками обьекта;

плоскопараллельной пластины 4, установленной под углом л /А к оптической оси и толщиной d rt n2 - 05 , где п - показатель преломления плоскопараллельной стеклянной пластины; фотоприемника 5 с малой инерционностью и апертурой D, который установлен вдоль оптической оси на расстоянии L d D/A от фокальной плоскости объектива, где d - диаметр освещающего пучка в фокальной плоскосш объектива. блока 6 регистрации, вход которого электрически связан с выходом фотоприемника 5; компенсационных плоскопараллельных стеклянных пластин 7 и 8. Позицией 9 обозначен контролируемый объект.

Устройство работает следующим образом.

Излучение от источника 1 падает на дифракционную решетку 2, после которой в результате дифракции образуется два пучка. Эти пучки попадают на объектив 3, установленный на фокусном расстоянии f от решетки 2. Объектив 3 преобразует пучки так. что их оси становятся параллельными и расположенными на расстоянии t 2f гдадруг от друга. Пучки фокусируют в точки на поверхности объекта 9 и, отразившись от нее, попадают на плоскопараллельную пластину 4. Благодаря ориентации пластины под углом 7Г/4 к оси распространения пучков и выбору ее толщины, равной d туп - 0,5 , отраженные от ее граней совмещаются в плоскости регистрации с получением широких интерференционных полос. Распределение ин- тенсивности в плоскости регистрации фиксируется фотоприемником 5 с малой инерционностью, установленным на расстоянии L d D/A от фокальной плоскости объектива 3, в которой расположен исследу- емый объект, где d - диаметр пучков в фокальной плоскости объектива 3, D-диаметр апертуры фотоприемника 5, А - длина волны излучения источника 1.

Для регистрации фотоприемником 5 из- менения интенсивности интерференционной картины, образованной двумя спекл-полями волн, отраженных от двух исследуемых точек диффузно рассеивающего объекта, необходимо, чтобы, во-первых, ди- аметр апертуры фотоприемника не превышал ширины одной интерференционной полосы; во-вторых, размеры спекл-структу- ры должны быть сравнимы с размерами апертуры фотоприемника.

Выполнение первого условия обеспечивается тем, что установка плоскопараллельной пластины заданной толщины под углом л:/4 к оптической оси позволяет совместить изображение исследуемых точек и получить интерференционные достаточно широкие полосы в пространстве регистрации. Кроме того, с целью получения интерференционной спекл-картины с достаточно широкими полосами (ширина полос больше диаметра апертуры ФЭУ) на пути интерферирующих волн установлены компенсационные плоскопараллельные стеклянные пластины 7 и 8. Второе условие выполняется благодаря тому, что оптическая система дифракцион- ная решетка - объектив позволяет существенно (в 40-50 раз) уменьшить диаметр освещающего поверхность пучка и, таким образом, минимальный диаметр спеклов е - существенно возрастает. Кроме то- го, фотоприемник с апертурой D размещается на определенном минимально возможном расстоянии L от объекта вдоль оптической оси устройства. Существенно уменьшить апертуру фотоприемника или увеличить расстояние L от фотоприемника до объекта не позволяют ограниченные чувствительность фотоприемника и мощность используемого лазера. Фокусировка пучка

лазерного излучения на поверхность объекта, кроме того, позволяет уменьшить область поверхности, по которой происходит усреднение измеряемой амплитуды колебаний.

Изменение интенсивности интерференционной картины, образованной волнами, отраженными от двух точек исследуемой поверхности, зарегистрированное фотоприемником 5 малой инерционности, преобразуется в электрический сигнал. По временной эволюции электрического сигнала определяется относительная амплитуда а гармонических колебаний двух исследуемых точек для случая, когда начальная разность фаз оптических волн равна ж/2

а яК+(-1 )Karcsin If/i0 ,

где А -длина волны используемого лазера;

И -значение сигнала в точке 2тг лУ2; f - частота;

р- фаза относительных колебаний; io - максимальное значение электрического сигнала;

К 0, 1,2, ... - число минимумов за половину периода на осциллограмме.

Относительная фаза колебаний двух точек может быть определена следующим образом:

р arccos

а + а§ -1

2ага2

где ai, 32 - амплитуды колебаний двух исследуемых точек, которые определяются предварительно любым из известных способов.

Формула изобретения 1. Устройство для измерения параметров колебаний объекта, содержащее источник когерентного излучения и расположенные по ходу излучения объектив, держатель объекта, фотоприемник и блок регистрации, отличающееся тем, что, с целью повышения информативности и помехозащищенности, оно снабжено дифракционной решеткой, установленной по ходу излучения между источником когерентного излучения и объективом, и плоскопа- раллельной пластиной толщиной d 2ftg - 0,5 . где f - фокусное расстояние объектива, а - угол дифракционной решетки, п - показатель преломления материала пластины, размещенный между объективом и держателем объекта и ориентированной под углом я /4 к направлению потока излучения, держатель объекта установлен в фокальной плоскости объектива, а фотоприемник размещен на расстоянии L по ходу излучения от фокальной плоскости

объектива, удовлетворяющим соотношению L d D/A , где d - диаметр пучка излучения в фокальной плоскости обьектива, D - диаметр апертуры фотоприемника, А - длина волны когерентного излучения.

2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что, с целью измерения параметров

колебаний по всей поверхности объема, держатель обьекта установлен с возможностью перемещения по трем взаимно ортогональным направлением, одно из которых ориентировано вдоль оптической оси объектива.

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и предназначено для измерения паргметров колебаний диффузно отражающих объектов. и. иго- бретения является увеличение информативности за счет определения относительной амплитуды колебаний и повышение помехозащищенности за счет компенсации смещения обьекта как целого. Посредством дифракционной решетки 2 и объектива 3 от источника 1 когерентного излучения формируется два параллельных другу пучка, которые, последовательно отражаясь от объект 9 и плоскопараллельной пластины 4, попа- на фотоприемник 5, которые преобразует интенсивность в электрический сигизп обрабатываемый в блоке 6. 1 з.п. ф-лы, i ил.