Способ измерения расстояний Советский патент 1993 года по МПК G01B21/00 

щий и опорный лучи смешивают со вспомогательным лучом, прошедшим через частотно-сдвигающее устройство, квадратично детектирует, выделяют электрические колебания с частотой сдвига и измеряют их разность.

Однако эти способы не позволяют достигнуть высокой точности измерения.

Известен способ измерения расстояний, выбранный в качестве прототипа, заключающийся в том, что формируют лазерный световой поток, разделяют его на опорный и зондирующий лучи, формируют интерференционную картину путем совмещения зондирующего луча, отраженного от зеркала, жёстко связанного с контролируемым объектом, и опорного луча, отраженного от подв ижн.ого зеркала, измеряют интенсивность интерференционной полосы в контрольной точке интерференционной картины фотоприемником, изменяют частоту лазерного светового потока и определяют расстояние до объекта,

Недостатком способа является невысокая точность измерения.. ; .

Целью изобретения является повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения расстояний, заключающемся в том, что формируют лазерный световой поток, разделяют его на опорный и зондирующий лучи, формируют интерференционную картину путем совмещения зондирующего луча, отраженного от зеркала, жестко связанного с контролируемым объектом, и опорного луча, отраженного от подвижного зеркала, измеряют интенсивность интерференционной полосы в контрольной точке интерференционной картины фотоприемником, изменяют частоту лазерного светового потока и определяют расстояние до объекта, дополнительно измеряют максимальное и минимальное значение ин- тенсивноетей интерференционной полосы путем смещения интерференционной картины изменением частоты лазерного светового потока модулирующими радиочастотными колебаниями, определяют среднее значение интенсивности интерференционной полосы, устанавливают значение частоты модулирующих радиочастотных колебаний, соответствующее определенному среднему значению интенсивности интерференционной полосы, затем формируют дополнительный фазовый сдвиг между опорным и зондирующими лучами путем изменения длины пути опорного луча в пределах изменения интенсивности интерференционной полосы на линейном участке характеристики фотоприемника, опи

и

и

10

15

20

25

30

35

40

45

ределяют коэффициент Р изменения длины пути опорного луча, изменяя частоту радиочастотных модулирующих колебаний до полной компенсации дополнительного фазового сдвига, а расстояние Lx до объекта определяют по формуле

U(1±)Lo,

где LQ - длина пути опорного луча; v - начальная частота лазерного светового потока; ДРК - компенсирующее изменение радиочастотных колебаний; знак + берется при LX 5: LO ; знак - при Lx о.

На чертеже представлена структурная схема устройства, реализующая предложенный способ измерения расстояний.

Устройство содержит последовательно расположенные лазер 1, электрооптический модулятор 2 перестройки частоты оптического излучения и коллиматор 3, выход которого оптически соединен через полупрозрачное зеркало 4 с отражающими зеркалами 5. и 6, Зеркало 5 является опорным и может перемещаться на длину волны лазерного излучения ± Д L0, а зеркало 6 жестко связано с контролируемым объектом (не показан), расстояние до которого подлежит измерению. С полупрозрачным зеркалом 4 оптически связаны последовательно расположенные линза 7, диафрагма 8 и фотоприемник 9, к выходу которого подключен цифровой милливольтметр 10. К управляющему входу электрооптического модулятора 2 подключен генератор 11 радиочастотных колебаний и цифровой частотомер 12. Управляющий вход пьезоэлектрического модулятора 13, на котором расположено зеркало 5, соединен с источником 14 регулируемого постоянного напряжения.

Способ определения расстояний осуществляют следующим образом.

Оптическое излучение лазера 1 частоты v разделяется полупрозрачным зеркалом 4 на опорный и информационный лучи. Опорный луч направляется на зеркало 5 и задерживается на время

П

2L0n

(1)

50

55

где LO - расстояние до опорного зеркала 5 при отсутствии управляющего напряжения на управляющем входе пьезоэлекрического модулятора 13; п - показатель преломления среды распространения луча (например, воздуха); С - скорость света в вакууме.

Информационный луч направляется на подвижное зеркало 6, жестко связанное с контролируемым объектом, расстояние до которого измеряется, Отраженный от зеркала 6 информационный луч на время

2 Lxn

г2

где Lx - расстояние до зеркала 6.

Информационный луч совмещается с опорным лучом полупрозрачным зеркалом 4, фокусируется линзой 7 с образованием интерференционной картины в плоскости диафрагмы 8 фотоприемника 9. Интенсивность интерференционной полосы в .выбранной точке отсчета с помощью фотоприемника 9 преобразуется в электрическое напряжение, которое измеряется милливольтметром 10.

В выбранной точке интерференционной картины интенсивность оптического излучения полосы определяется выражением

| h + I2 +.2 у h cos (Ф2 - ФО, (3-) где h и 2 - интенсивности опорного и информационного лучей; Ф и Фг фазы Опорного и информационного лучей в выбранной точке интерференционной картины; у- коэффициент контрастности. Фазовые сдвиги, испытываемые опорным и Информационным лучами на частоте исходного оптического излучения v лазера 1, при отсутствии модуляции (генератор 11 выклю- ) с учетом выражений (1) и (2) имеют вид

2nvTi (4)

Фг InvTi 4 nv

С Lx п

(5)

где v- частота излучения, генерируемая лазером 1. .

Интенсивность (3) интерференционной полосы с учетом выражений (4) и (5) имеет вид

+ I2 + 2 у

/ГТ AJIV ,. . ,, h h n()

h ir 4 Л п /. . .., ,, i2 cos -5- (LX-LO) , (6)

; И + 12+2 У

где Я - длина волны оптического излучения Ь вакууме (Я С/V). При измерениях рассто- |«ний в атмосфере (оптическая плотность Ьоздуха близка к единице) можно считать, что . Тогда выражение (6) примет более простой вид

1 21о{1+ (Lx-L0)}. (7)

Фотоприемником 9 интенсивность (7) интерференционной полосы преобразуется в напряжение

U S (1 + Е) 10 + д 2S (1 + Е) 10{1 + Г4лгп

I + (Lx-U)}+ (5, (8)

где S - нормируемая чувствительность фотоприемника; -относительная погрешность чувствительности фотоприемника, отражающая изменение наклона граду- йровочной характеристики от влияющих

факторов (температуры, процессов старения и т.п.); д - Д U - абсолютная погрешность нуля, отражающая смещение градуировочной характеристики от влияю5 щих факторов (фоновая засветка, дрейф темнового тока и т.п.).

Включают генератор 11 модулирующих колебаний и изменением его частоты F смещают интерференционную картину относи10 тельно диафрагмы 8 фотоприемника 9 и измеряют милливольтметром 10 максимальное Umax и минимальное Umin напряжения. Определяют границу светлой и темной полос интерференционной картины по дости15 жению среднего значения выходного напряжения фотоприемника, т.е. 90° сдвига фаз интерферируемых лучей

, . Umax Ь Urrvin q fi + p max Ь Imln , s

20

я

2S(1+E) + усоз() + , (9)

где К - целое число полуволн оптических пучков до точки отсчета интерференционной картины; а- угловая погрешность уста25 новки 90-градусного сдвига фаз между информационным и опорным лучами.

Из сопоставления выражений (8) и (9) и сдвига частоты .излучения модулирующими колебаниями частоты излучения модулиру30 ющими колебаниями частоты F следует, что

4 vc+FMu-Lo) . 00)

где v + F - частота сдвинутого излучения, при котором достигается равенство (10).

35 Измеряют среднее значение выходного напряжения фотоприемника 9 милливольтметром 10, которое соответствует условию (10). Затем плавно увеличивают управляющее напряжение от источника 14 на входе пьезоэлектрического

40 модулятора 13 и тем самым перемещают опорное зеркало 5. В результате микроперемещения зеркала 5 изменяется длина пути, проходимого опорным лучом. Задержка опорного луча (1) изменяется и принимает вид

45ri+Ato 2(Lo±ALo)Ј

2L0 (I ±P),.(11)

где - заданное перемещения зеркала 50 5; p ALo/L0 - коэффициент изменения длины пути опорного луча. Значение коэффициента р выбирают таким, чтобы обеспечить работу фотоприемника 9 на линейном участке характеристики в окре- 55 стностях установленного 90-градусного сдвига фаз интерферируемых лучей (р«1). В результате изменения длины пути, проходимого опорным лучом, происходит смещение границы выбранных полос в поле

зрения фотоприемника 9. В результате такого смещения выходное напряжение фотоприемника 9 принимает значение

(1 + E)I0{1 + ycostjp x

x(Lx-U)(1 ±.p))}+ (5,(12) где ДА - изменение длины волны из-за сдвига частоты оптического излучения.

Смещение границы являются также следствием возникновения дополнительного фазового сдвига опорного луча .. , . пч LO Р п Ал

47T(V + F) j--гР Un,

..;;(13) где - дополнительный сдвиг фазы опорного луча на оптической частоте V, возникающей при изменении длины пути опорного луча.

С учетом выражения (13) равенство (10) принимает вид

(1±Р) .(14)

Как следует из выражения (14), для однозначности фазовых измерений необходимо, чтобы дополнительный фазовый сдвиг л, а для работы на линейном участке характеристики фотоприемника достаточно, чтобы 0,1 п.

ыходное напряжение фотоприемника 9 увеличивается или уменьшается в зависимости от направления перемещения зеркала 5 (± Р) при увеличении напряжения на управляющем входе пьезоэлектрического модулятора 13.,Новое значение выходного напряжения U2 фотоприемника 9, соответствующее выражению (12), измеряется милливольтметром 10.

Далее с помощью радиочастотных колебаний генератора.1 1 дополнительно сдвигают частоту оптйчетЬкото излучения на величину ДР|с. При этом направление из- мёнения частоты оптического излучения (v + F 4- Д FU) выбирают таким, чтобы изменяющееся выходное напряжение фотоприемника 9 приближалось к ранее установленному среднему значению напряжения (9)

(1+E)lo{1+ + + AF Wx-Lo(1±

±Р))} + б.(15) При изменении частоты оптического излучения на значение частоты Д Fk возникает второй дополнительный фазовый сдвиг

- - с

(1 ±P).(16)

При полной компенсации дополнительных сигналов ( + &.pz 0) выходное напряжение фотоприемника 9 принимает первоначальное значение (Ui Уз). При этом выполняется равенство

f ±AP- n Lx-Lo(1±P)

К п ± ± а.

(17)

Приравнивая левые части уравнений (10) и (17), получаем

(v + F) (U - U) (v + F ± Д Fk)x (1 ± Р)Ь(18) Решив уравнение (18) относительно измеря- емого расстояния Ц, получим

Lx ( t/-|-F:)p-pAFK LQ . ± Д FK

±AFK±v(i +)р-рдрк

vj

U.(19)

±ДРК.

Пренебрегая членами второго порядка малости (F/v « 1) и Р окончательно получим

Lx()Lo, (20)

где знак + означает Lx Lo, а знак - соответствует условию Lx п.

Таким образом, при выбранной частоте оптического излучения и заданной длине

опорного луча LO.значении коэффициента его изменения р и измеренном значении приращения частоты модулирующих колебаний можно определить по формуле (20) измеряемое расстояние Lx.

Значение коэффициента р задают с помощью источника 14 управляющего напряжения и милливольтметра 10. Для этого на модулятор 13 подают такое напряжение, которое за счет микроперемещения зеркала 5

вызывает дополнительный фазовый сдвиг, определяемый выражением (13). Последний можно контролировать с помощью милливольтметра 10. Если показание милливольтметра при подаче управляющего

напряжения стало равным U-2 (при первоначальном показании милливольтметра Ui), то для линейного участка характеристики фотоприемника 9 справедливо отношение Ua - Ui .

Umax Umln n

(21)

Для достижения значения фазового сдвига Др1 « 0,1я необходимо на модулятор подать такое управляющее напряжение, чтобы

55,,и2.1 S0.1. (22)

Umax Umln

Из выражения (22) следует, что показание милливольтметра 10 при действии управляющего напряжения должно достигнуть выбранного значения

U2 0.1(Umax-Umln).+ Ul -(23)

Таким образом, приращение показаний

милливольтметра не должны превышать 810% от напряжения контрастности (UmaxUmin) интерференционной картины.

Поскольку значение коэффициента р со гласно выражения (13) не зависит от изме ряемого расстояния Lx, то его определяют

калибровкой по известному расстоянию Lk

и в дальнейшем используют для вычисления

измеряемых расстояний по формуле (20).

При калибровке зеркало 6 устанавлива ют на расстоянии и из соотношения

(20) определяют значение коэффициента р

изменения длины пути опорного луча

Р ±

U - Lo Д Fk

(24)

Lov где Д Fk - компенсирующее изменение частоты модулирующих колебаний. Измерение расстояния до объекта, положение которого определяется по зеркалу б, осуществляется в следующей последовательности.

В начале на модуляторе 13 перемещением зеркала 5 управляющее напряжение Отсутствует. Изменением частоты генератора 11 устанавливают максимальное Umax и Минимальное Umin напряжения на выходе фотоприемника 9, которые измеряют милливольтметром 10. Определяют среднее значение измеренных напряжений Ucp (Umax+Umin)/2 и изменением частоты генератора 11 устанавливают по милливольтметру 10 среднее напряжение () на выходе фотоприемника 9. Соответствующее Значение частоты F колебаний генератора

11 измеряют частотомером 12. Затем плавно увеличивают управляющее напряжение на модуляторе 13 от источника 14 и фиксируют примерно 10% изменение (согласно

5 предельному значению, которое определяется из выражения 23) от контраста интерференционной картины.

По формуле (24) в процессе калибровки определяют фактическое значение коэффи10 циента изменения длины опорного луча (р) и запоминают значение управляющего напряжения на модуляторе 13, при котором, это достигнуто. Затем плавным изменением частоты генератора 11 восстанавливают

15 первоначальное показание милливольтметра 10 и измеряют частоту колебаний F2 час- тотомером 12 на выходе генератора 11. Определяют компенсирующее изменение частоты модулирующего напряжения (AFk

20 ). По формуле (20) определяют рас-.

: стояние Lx до зеркала 6. В дальнейшем, при

измерений новых значений Lx измеряют

только изменение частоты Д Fk, а значение

коэффициента р задают фиксированным

25 значением управляющего напряжения на модуляторе 13.

Использование предлагаемого способа измерения расстояний обеспечивает повы30 шение точности измерений как за счет уменьшения масштабного коэффициента, так и за счет исключения влияния показателя преломления среды распространения оптического излучения, а следовательно,

35 колебаний температуры, влажности и давления в зоне измерения.

Формула изобретения Способ измерения расстояний, заключающийся в том, что формируют лазером световой поток, разделяют его на опорный и зондирующий лучи, формируют интерференционную картину путем совмещения зондирующего луча, отраженного от зеркала, жестко связанного с контролируемым объектом, и опорного луча, отраженного от подвижного зеркала, измеряют интенсивности интерференционной полосы в контрольной точке интерференционной картины фотоприемником, изменяют частоту лазерного светового потока; определяют расстояние до объекта, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, измеряют максимальное и минимальное значения интёнсивностёй интерференционной полосы путем смещения интерференционной картины изменением частоты лазерного светового потока модулирующими радиочастотными колебаниями, определяют среднее значение интенсивности интерференционной полосы, устанавливают значение частоты модулирующих радиочастотных колебаний, соответствующее определенному среднему значению интенсивности интерференционной полосы, формируют дополнительный фазовый сдвиг между опорным и зондирующим лучами путем изменения длины пути опорного луча в пределах изменения интенсивности интерференционной полосы на линейном участке характеристики фотоприемника, определяют коэффициент р изменения длины путем опорного луча, изменяя частоты радиочастотных модулирующих колебаний до полной компенсации дополниV- начальная частота лазерного светотельного фазового сдвига, а расстояние Lx

до объекта определяют по формулевого потока;

A Fk - компенсирующее изменение радиочастотных колебаний; + - при Lx U; - - при Lx LO.

U ()Lo,

где U - длина пути опорного луча;

г-А

га-3

V- начальная частота лазерного свето потока;