Фазометр Советский патент 1992 года по МПК G01R25/00 

Изобретение относится к области измерительной техники оптического диапазона и может найти применение для измерения угла фазового сдвига, вносимого прозрачным фазовым объектом в когерентное излучение лазеров, работающих в импульсном режиме.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому фазометру является фазометр 1.

Известный фазометр позволяет расширить скважность исследуемых сигналов, од- нако обладает низкой точностью измерений, которая обусловлена нестабильностью частоты опорного генератора, за счет нестабильности скорости вращения электродвигателя, что является его существенным недостатком,

f- Целью изобретения является повышение точности измерения угла фазового сдвига в оптическом диапазоне между двумя кратковременными импульсами света.

-.кИзобретение поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема предлагаемого фазометра.

Фазометр содержит одночастотный лазер 1,светоделительную пластину 2, оптический двухканальный интерферометр 3, светоделительные пластины 4 и 5, зеркало на пьезокерамике 6, светоделительные пластины 7-10.зеркала на пьезокерамике 11 и 12, фазовый объект 13, блок фазового сдвига 14, поглотители света 15 и 16, фотоприемники 17 и 18, усилители постоянного тока 19 и 20, запоминающие устройства 21 и 22, усилитель постоянного тока 23, фотоприемник 24, перемножители 25 и 26, полосовой фильтр 27, фазовращатель 28, сумматор 29, формирователь 30, триггер 31, делитель частоты 32, генератор счетных импульсов 33, элемент совпадений 34, формирователь 35, синхронизатор импульсов 36 и счетчик импульсов 37.

Фазометр работает следующим образом.

Излучение лазера 1 делится светодели- тельной пластиной 2 на два равных по интенсивности световых .потока, один из которых, пройдя входное окно двухканаль- ного оптического интерферометра 3, попадает на светоделительную пластину 4, которая также делит его на два равных по интенсивности световых потока и направляет их в сигнальный и опорный каналы. В опорном канале пучок света проходит путь до свето- делительной пластины 5 и, отражаясь от пьезокерамического зеркала б, поступает на пластину 7 пространственного совмещения пучков и пластину 8. В сигнальном канале интерферометра пучок отражается от светоделительной пластины 9, поступает на зеркало 11, которое направляет отраженный пучок по пути падающего, и далее поступает на пластину 7 пространственного совмещения пучков. В сигнальном канале интерферометра пучок, отражаясь от светоделительной пластины 10 и зеркала 12, проходит через фазовый объект 13 дважды и далее направляется на пластину 8 пространственного совмещения пучков. Уп- равление пьезокерамическими зеркалами 6 и 12 осуществляется блоком фазового сдвига 14 так, что создается 90°-йфазовый набег в сигнальном канале интерферометра. На пластинах 7 и 8 интерферометра 3 происходит пространственное совмещение пучков сигнального и опорного каналов, а нерабочие пучки поглощаются поглотителями 15 и 16.

Суммарные световые потоки поступают на фотоприемники 17 и 18 соответственно, на которых осуществляется фотосмещение оптических спектров. Спектр электрических выходных сигналов фотоприемников, получаемых в результате фотосмещения, содер- жит как переменную, так и постоянную составляющую. Ввиду инерционности фотоприемников 17 и 18 переменные составляющие токов отфильтровываются.

Амплитудное значение уровней выход- ных видеоимпульсов фотоприемников 17 и 18 изменяется пропорционально Ui cos U2 sin (p, где р -намеряемое значение угла фазового сдвига. Через усилители постоянного тока 19 и 20 импульсы подаются на входы запоминающих устройств 21 и 22, которые запоминают амплитуды импульсов до прихода импульса сброса с выхода усилителя постоянного тока 23, подключенного к выходу фотоприемника 24, входом оптиче- ски связанного со светоделительной пластиной 2. С учетом постоянных времени разряда конденсаторов запоминающих устройств 21 и 22 их выходные напряжения равны

1Н Ui p , U2 -U2 e rsin (f.

d) (2)

Выходные напряжения (1) и (2) поступают на первые входы перемножителей 25 и 26. На второй вход перемножителя 25 поступает сигнал с выхода генератора счетных импульсов 33 через делитель частоты 32 и полосовой фильтр 27. Этот же сигнал, сдвинутый фазовращателем 28 на лг/2, поступает на второй вход перемножителя 26.

В результате перемножения этих напряжений, выходные напряжения перемножителей имеют вид

Us Us Qt cos p, U4 Qt ,

(3) (4)

где Q - круговая частота выходного сигнала делителя частоты 32,

Напряжения (3) и (4) подаются на сумматор 29. Выходное напряжение сумматора 29 несет информацию об исходном значении фазового сдвига р, перенесенного без изменений на частоту Q;

i г Us Us (Qt + Ј).

(5)

Сигнал (5) поступает на первый формирователь 30, представляющий собой усилитель-ограничитель, на выходе которого формируется усиленный и ограниченный по амплитуде сигнал, поступающий на первый вход триггера 31. На выходе триггера 31 формируется прямоугольный импульс с длительностью, пропорциональной измеряемому значению уз. Триггер 31 опрокидывается импульсами, поступающими на его второй вход с выхода делителя частоты 32.

Выходной импульс триггера 31 поступает на первый вход элемента совпадения 34 и открывает его, для прохождения счетных импульсов с выхода генератора 33 на вход счетчика импульсов 37. Коэффициент деления делителя частоты 32 выбран равным 360° 10П, гдеп 1,2,3..,, Кроме того, выходной сигнал делителя частоты 32 поступает на второй вход синхронизатора импульсов 36. При этом в счетчик импульсов 37 поступает количество импульсов, соответствующее измеряемому значению фазового сдвига, выраженное в градусной мере.

В начале измерения производится установка нулевого состояния счетчика импульсов 37 путем подачи на его второй вход сигнала, сформированного из светового пучка, отраженного от светоделительной пластины 2 с помощью третьего фотоприемника 24, усилителя постоянного тока 23 и второго формирователя импульсов 35. При этом длительность сформированного импульса должна быть не менее времени переходных процессов в фазометре. По концу сформированного импульса на выходе синхронизатора импульсов 36 формируется сигнал, синхронизированный с сигналом делителя частоты 32 и равный длительности его периода. Этим сигналом дается разрешение на работу элемента совпадения 34. Сравнительный анализ предложенного технического решения с прототипом показывает, что введение ряда новых функциональных узлов обеспечивает синхронность их функционирования и позволяет повысить точность измерения угла фазового сдвига оптического излучения. Это преимущество достигается в предложенном фазометре за счет повышения стабильности его работы функциональных узлов, так как полностью исключены электромеханические преобразователи,свойственные прототипу. Так, относительная погрешность прототипа составляет не менее ±3%, а предложенного фазометра - не более ±1,5%. Таким образом обеспечивается повышение точности измерений не менее чем в два раза.

Формула изобретения Фазометр, содержащий одночастотный лазер, оптический двухканальный интерферометр, второй и третий входы которого соединены с выходами блока фазового сдвига, вход которого соединен с первым выходом оптического интерферометра, второй и третий выходы которого через первый и второй усилители постоянного тока соответственно подключены к первым входам первого и второго запоминающих устройств, фазовращатель, первый формирователь, выход которого через триггер подключен к первому входу элемента совпадения, второй вход которого соединен с выходом генератора счетных импульсов, а выход элемента совпадения подключен к входу счетчика импульсов, второй формирователь и третий усилитель

постоянного тока, отличаю-щийся тем, что, с целью повышения точности измерения угла фазового сдвига в оптическом диапазоне между двумя кратковременными импульсами света, в него дополнительно

введены два перемножителя, полосовой фильтр, сумматор, делитель частоты, третий фотоприемник, синхронизатор импульсов и светрделительная пластина, оптически связанная с выходом одночастотного лазера,

первым входом двухканального интерферометра и входом третьего фотоприемника, первый и второй перемножители первыми входами подключены к выходам первого и второго запоминающих устройств, второй

вход первого перемножителя подключен к выходу фазовращателя, а второй вход второго перемножителя - к входу фазовращателя и к выходу полосового фильтра, выходы перемножителя подключены к входам сумматора, выход которого подключен к входу первого формирователя, вход делителя частоты подключен к выходу генератора счетных импульсов, а выход - к входу полосового фильтра и второму входу триггера, выход третьего фотоприемника через третий усилитель постоянного тока подключен к вторым входам первого и второго запоминающих устройств и к входу второго формирователя, выход которого подключен

к второму входу счетчика импульсов и к входу синхронизатора импульсов, втррой вход которого подключен к выходу делителя частоты, а выход - к третьему входу элемента совпадения.

Использование: измерительная техника оптического диапазона, измерение угла фазового сдвига. Сущность изобретения: устройство содержит одночастотный лазер, светоделительные пластины 2,4,5,7,8,9 10, оптический двухканальный интерферометр 3, зеркала на пьезокерамике 6,11, 12, фазовый объект 13, блок фазового сдвига 14, поглотители света 15, 16, фотоприемники 17, 18, 24, усилители постоянного тока 19, 20, 23. запоминающие устройства 21, 22, перемножители 25, 26, полосовой фильтр 27, фазовращатель 28, сумматор 29, формирователи 30, 35, триггер 31, делитель частоты 32, генератор счетных импульсов 33, элемент совпадения 34, синхронизатор импульсов 36, счетчик импульсов 37. 1 ил.