Измерение линейных перемещений

Капезин С.В., Базыкин С.Н., Базыкина Н.А. ИЗМЕРЕНИЕ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ

Рассмотрена схема лазерного акустооптического интерферометра для измерения линейных величин с увеличенным периодом однозначности получаемой информации. Проведен анализ данного варианта схемы для измерения линейных величин.

Перспектива развития акустооптических лазерных интерферометров заключается, в основном, в достижении ими как можно большего количества выполняемых функций. В настоящее время методы измерения линейных размеров лазерными интерферометрами перемещений, несмотря на высокую точность измерений, обладают некоторым эксплуатационным недостатком. Длина волны лазерного излучения измеряется долями и единицами микрометров, поэтому для измерения размеров в пределах единиц и десятков метров требуется последовательное накопление в процессе движения подвижного отражателя целых и дробных долей периода изменения фазы световой волны. Случайные помехи, перекрытия светового луча во время измерения приводят к потере измерительной информации. В результате процесс измерения необходимо повторять. Это отрицательно сказывается на производительности процесса измерения. Поэтому необходима лазерная измерительная система с абсолютным отсчетом измерения. Пространственный период однозначности лазерных измерительных систем определяется длиной волны света X. Увеличение пространственного периода однозначности отсчета возможно за счет использования излучения с большей длиной волны. Но увеличение длины волны оптического излучения уводит частотный спектр оптического излучения в инфракрасную область, что накладывает определенные трудности, связанные с юстировкой и контролем оптической схемы.

Увеличение периода однозначности возможно получить, используя явление взаимодействия двух когерентных электромагнитных колебаний, имеющих разные пространственные периоды (Ххи Х2).

Предлагаемая схема представлена на рисунке 1. Нахождение определенной точки в пределах периода однозначности определяется как разность абсолютных мгновенных значений фаз двух измерительных сигналов с соответствующих фотоприемников.

Излучение лазера 1 коллимируется оптической системой 2 и пропускается через акустооптический модулятор 3. В схеме используются разночастотные оптические пучки, названные ”0” и ”+1” порядками, которые распространяются под углом дифракции друг к другу и имеют разные временные частоты, отличающиеся на величину частоты сигнала возбуждения в акустооптическом модуляторе. Эти пучки направляются на отражатель и, отражаясь от него, снова пропускаются через акустооптический модулятор, подвергаясь вторичной дифракции. Пучок ”+1” дифракционного порядка после вторичной дифракции получает дополнительный частотный сдвиг на 8,0М Гц и угловой наклон а, совпадающий с направлением ”0”-го пучка. Эта пара пучков направляется через собирающую линзу 5 на фотоприемник 7. Световые волны описываются выражениями [1]:

Ь

/0 = /1sin| v0t + | '

(v0 + 2F )t + 4xL cos—

где Ь - расстояние от акустооптического модулятора до отражателя; частота возбуждения в

акустооптическом модуляторе; X - длина волны света.

Рисунок 1 - Схема с увеличенным периодом однозначности На выходе фотоприемника выделяется сигнал разностной частоты

U = Um cos 2Ft + 4kLX cos-----------

I 1 - cosa

Смещение этого сигнала по фазе на период соответствует изменению положения отражателя по линии измерения на расстояние

L = X-

2

Таким образом, пространственный период однозначности данной схемы определяется по выражению

(3).

Изменяя частоту возбуждения сигнала в акустооптическом модуляторе, можно варьировать значением периода однозначности, так как

/+1 = I2 sin

. XF a = arcsin--

где Суз - скорость распространения ультразвуковой волны в акустооптическом модуляторе.

Изменяя частоту возбуждения в акустооптическом модуляторе в пределах от 6 до 9 МГц, период однозначности изменяется от 105 до 45 мм.

Предложенный метод позволяет измерять перемещения подвижных объектов в абсолютном режиме по имеющимся реперным точкам. Измерение между реперными точками проводится обычным способом с использованием лазерного интерферометра перемещений. В случае воздействия случайных помех во время проведения измерения нет необходимости проводить процесс заново. В этом случае возобновляют процесс измерения перемещений подвижного объекта от ближайшей реперной точки, пройденной этим подвижным объектом.

ЛИТЕРАТУРА

1. Коронкевич В.П., Ханов В.А. Лазерная интерферометрия. Новосибирск.: Наука. 1984 - 102 с.

2. Телешевский В.И. Основы теории и принципы построения акустооптических измерительных систем высокоточных станков. Автореферат дис. на соис. уч. ст. д.т.н. Москва, 1980.