Методика измерения перемещений при помощи лазерных интерферометров

| Категория реферата: Рефераты по технологии
| Теги реферата: диплом, решебник класс по математике
| Добавил(а) на сайт: Мусин.

Фиксируя пересечения сигналами (3) среднего уровня (рис. 2б), измеряют приращения ГРХ c дискретой l/4. Знак каждой дискреты оп- ределяют по фазовому сдвигу между сигналами, который в зависимости от направления изменения ГРХ равен p/2 или 3 p /2.
[pic]

На рис. 2а изображена схема ЛИС, где квадратурные сигналы получают оптическим способом. Плоскость поляризации излучения од- ночастотного лазера 1 составляет угол 450 с плоскостью чертежа.
Фазовая пластина l/8 - позиция 3, одна из собственных осей кото- рой лежит в плоскости чертежа, вносит в интерферометр, образован- ный светоделительной призмой-куб 2 и отражателями 4, разность
ГРХ, равную l /4, для составляющих излучения лазера параллельной и перпендикулярной плоскости чертежа. Поляризационная призма-куб 6 разделяет эти составляющие. В результате интерференционные сигна- лы I1 и I2 на фотоприемниках 6 сдвинуты по фазе на p/2.

Информационный спектр сигналов (3) содержит постоянные сос- тавляющие I10 и I20. Подобные ЛИС называют системами без переноса спектра сигнала или системами "постоянного тока".

Метод счета полос на основе квадратурных интерференционных сигналов не ограничивает скорость изменения и максимальное значе- ние диапазона измеряемых расстояний. Время измерения в ЛИС, рабо- тающих на основе этого метода, определяется только пропускной способностью электронного тракта и может составлять сотые доли микросекунды (скорость счета полос 100 МГц), что при дискpете l/4 соответствует скорости приращения ГРХ 16 м/с. Измеряемые расстоя- ния превышают десятки метров. Минимальную погрешность измерения расстояния определяет дискрета счета, чаще всего равная l/8.
2.2 Интерферометр со счетом полос на основе частотной модуляции

[pic]

На рис. 3а приведен пример схемы ЛИС. Двухчастотный лазер 1 излучает две волны с частотами n1 и n2, одна из которых поляризо- вана параллельно, а другая - перпендикулярно плоскости чертежа.
Светоделитель 2 отклоняет часть излучения каждой частоты для фор- мирования опорного сигнала I0. Поляризационная призма-куб 3 раз- деляет составляющие излучения разных частот и направляет их в разные плечи интерферометра. Пластины l/4 - позиция 7, оптические оси которых составляют угол 450 с плоскостью чертежа, меняют сос- тояние поляризации дважды прошедших пучков на ортогональное. По- ляризационная призма-куб 3 обеспечивает суперпозицию пучков, возвращенных отражателями 4 и 5, в направлении I1. После поляри- заторов 6, ось пропускания которых составляет угол 450 с плос- костью чертежа, в результате интерференции пучков с разными час- тотами образуются опорный I0 и измерительный I1 сигналы биения.

Поскольку номенклатура двухчастотных лазеров и значения раз- ности частот, которые они обеспечивают, ограничены, в качестве источника излучения часто используют одночастотный лазер, сдвигая частоты ортогональных составляющих его излучения акустооптически- ми модуляторами, которые устанавливают на входе, выходе или в од- ном из плечей интерферометра . В этом случае опорный сигнал
I0 может быть получен непосредственно из модулирующих сигналов, подаваемых на акустооптические модуляторы.

Частота частотной модуляции, аналогично частоте фазовой модуляции, ограничивает время измерения . Однако при использовании акустооптических модуляторов она может быть установлена достаточно большой, чтобы этим ограничением можно было пренебречь. Тогда время однократного измерения фазы определяется временем задержки фазоизмерительного устройства и составляет для современных ЛИС около 10 мкс .

Так как ЛИС на основе частотной модуляции обеспечивают время измерения на порядок меньше, чем ЛИС на основе фазовой модуляции, допустимые скорости изменения ГРХ в них на порядок выше. Эти ЛИС считаются в большей степени подходящими для высокоточных измерений в реальном масштабе времени . При равной погрешности они имеют несколько больший диапазон измерения ГРХ.

На основе методов прямого измерения фазы разрабатывают ЛИС для измерения медленно меняющихся во времени и незначительных по величине расстояний с высокой точностью. Основная область применения таких ЛИС - контроль профиля и шероховатости поверхностей, в том числе оптических.
Другая обширная сфера применения - интерференционные датчики физических величин, изменение которых можно преобразовать в изменение еометрической или оптической разности хода интерферирующих лучей (давление и влажность атмосферы, температура, напряженность электрического и магнитного полей и др.).
Частотную модуляцию интерференционного сигнала обеспечивают путем суперпозиции двух волн разной оптической частоты. В этом случае закон изменения интенсивности имеет вид

[pic](4)

где I1 и I2 - интенсивности, n1 и n2 - оптические частоты, f1 и f2 - фазы интерферирующих волн.

Все переменные составляющие сигнала (4), кроме последней, вследствие высокой частоты не могут быть детектированы фотоприемником непосредственно.

Выбирая близкие оптические частоты интерферирующих волн, получают частоту fb= n1- n2 последней составляющей, удобную для обработки в фотоэлектронной системе. Эту частоту называют сигналом биения.

Особенность сигнала биения в том, что даже в отсутствие изменения
ГРХ между интерферирующими волнами интенсивность изменяется по гармоническому закону. Если одна из интерферирующих волн проходит дополнительный геометрический путь 2L, то сигнал биения получает дополнительный фазовый сдвиг f=4pL/l, эквивалентный фазе немодулированного интерференционного сигнала на длине волны l при
ГРХ интерферирующих лучей, равной 2L.

Чтобы определить ГРХ, измеряют фазовый сдвиг (рис. 3б) f(t)=2p*t*fb между опорным и измерительным сигналами биения:

I0(t)=A0 *COS[2p(n1- n2)t+(f1-f2)] ,

(5)

I1(t)=A1 *COS[2p(n1- n2)t+(f1-f2)+ f(t)] ,

где A0 и A1 - их амплитуды.

Вместо непрерывного измерения разности фаз между сигналами подсчитывают число биений каждого из них N0 и N1 и отслежи- вают разность DN=N1-N0 (рис. 3в). Если ГРХ в интерферометре не меняется, частоты опорного и измерительного сигналов равны f0=f1= u1 -u2, и DN=0. При движении отражателя 4 частота биения измерительного сигнала становится равной f1= u1- u2+Du, где
Du=Df(t) / Dt. Изменение ГРХ равно 2DL= DN*l=(N1-N0)*l.

Знак при Dn зависит от направления движения отражателя 4.
Связь между знаками DL и D u остается однозначной до тех пор, пока
[D u]7.91 м |>0.079 м |
| | p/16 |>98.87 м |>0.98 м |>9.88*10-3|
| | | | |м |
|Ближняя зона | p/2 |