ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ДАТЧИК УГЛОВЫХ ОТКЛОНЕНИЙ И КОЛЕБАНИЙ

Полезная модель относится к оптоэлектронике и приборостроению. Предлагаемое устройство является датчиком наклона и предназначено для регистрации и измерения величин угловых отклонений объекта от исходного положения, а также для регистрации и измерения формы и амплитуды угловых колебаний объекта или его части, к которой прикреплен блок-сенсор датчика.
Известны конструкции измерителей наклонов и колебаний с использованием оптоэлектроники, например волоконно-оптические датчики наклона, датчики, использующие ножевую диафрагму, датчики, использующие эффект двойной дифракции света на периодической дифракционной решетке.
Наиболее близким аналогом полезной модели является устройство, описанное в патенте на полезную модель №57895 «Оптоэлектронное устройство для измерения колебаний конструкций» [1]. Это устройство содержит лазер, фотодиод с нагрузкой, блок-сенсор в виде прозрачной пластины, на одной стороне которой нанесена прозрачная фазовая дифракционная решетка, а на другой стороне нанесена зеркальная отражающая пленка. Пучок лазерного излучения, поперечный размер которого значительно (в 5-10 раз) больше периода дифракционной решетки, направленный на блок-сенсор, просвечивает фазовую дифракционную решетку, отражается от противоположной зеркальной поверхности блока-сенсора, и вторично просвечивает фазовую дифракционную решетку. При этом образуется дифракционная картина, состоящая из хорошо разделенных в пространстве дифракционных порядков, в который выделяют первый порядок дифракции и направляют его на фотодетектор. При условии, что функция фазовой модуляции дифракционной решетки имеет форму меандра, зависимости мощности дифрагированного излучения в первом порядке от углового
отклонения блока-сенсора имеют гармонический характер. При определенных углах падения лазерного пучка на блок-сенсор, соответствующих середине линейного участка, зависимости мощности дифрагированного лазерного пучка первого порядка от угла поворота блока-сенсора линейны на ограниченном участке, который и используется для измерений [2, 3]. После фотодетектирования излучения первого порядка в линейном режиме получаем выходной сигнал в виде напряжения на нагрузке фотодетектора, форма которого повторяет форму угловых колебаний блока-сенсора, закрепленного на исследуемом объекте.
Недостатком устройства прототипа является то, что масса блока-сенсора, прикрепленного к объекту измерений, может существенно искажать результаты измерений характеристик колебаний, если размер и масса объекта невелики. Так, например, при толщине блока-сенсора равной 0,5 см и размерах площадки 1×1 см его масса составит более 1 гр. Это вполне допустимо при измерениях колебаний крупных конструкций с большой массой, однако, при измерениях колебаний объектов с небольшой массой прикрепление такого блока-сенсора может привести к недопустимым погрешностям измерений. Уменьшение толщины блока-сенсора, изготовленного по схеме прототипа, приводит к пропорциональному уменьшению крутизны зависимости выходного сигнала от углового смещения и в конечном итоге к снижению чувствительности измерений.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в уменьшении погрешности измерений амплитудно-частотных характеристик и резонансных частот колебаний на объектах с малой собственной массой.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения угловых отклонений и колебаний объекта, содержащее лазер, блок-сенсор, включающий фазовую дифракционную решетку, расположенную на пути лазерного пучка, фотодетектор с диафрагмой и резистором нагрузки, установленный в области дифракционной картины лазерного пучка после
его взаимодействия с дифракционной решеткой, фазовая дифракционная решетка блока-сенсора выполнена в виде рельефа прямоугольной формы, с глубиной рельефа, превышающей половину длины волны лазерного излучения, и покрыта высокоотражающей металлической пленкой, фотодетектор установлен в нулевом дифракционном порядке.
В предлагаемом устройстве толщина блока-сенсора уменьшена в сотни раз по сравнению с прототипом, с нескольких миллиметров до нескольких микрометров. При этом крутизна преобразования углового отклонения в выходной сигнал не ниже, а в ряде случаев выше, чем аналогичная крутизна преобразования в устройстве-прототипе при сопоставимой толщине блока-сенсора.
Положительный эффект достигается тем, что фазовую дифракционную решетку покрывают зеркально отражающей пленкой и вместе с этим из схемы блока-сенсора исключают зеркальную поверхность, расположенную на другой стороне подложки, отражающую излучение лазера после первого прохождения лазерного пучка через фазовую дифракционную решетку и возвращающую лазерный пучок для вторичного прохождения через фазовую дифракционную решетку. Крутизна преобразования угла наклона блока-сенсора в выходной сигнал в данном устройстве зависит от глубины рельефа дифракционной решетки, но не зависит от толщины подложки блока-сенсора. В результате нет необходимости увеличивать толщину блока-сенсора для повышения крутизны преобразования углового отклонения в выходной сигнал. Толщина блока-сенсора лишь незначительно превышает глубину рельефа фазовой дифракционной решетки, а в пределе может быть равна ей.
Предлагаемое устройство изображено на фиг.1, на фиг.2, 3, 4, 5 показаны зависимости мощности дифрагированного излучения от угла падения лазерного пучка. Устройство содержит лазер - источник коллимированного излучения 1, блок-сенсор 2, включающий фазовую рельефную дифракционную решетку на подложке 3, с прямоугольным профилем в форме меандра
с глубиной профиля более половины длины волны лазерного излучения, покрытую отражающей пленкой 4, пространственный фильтр 5, включающий линзу и диафрагму для выделения нулевого порядка дифракции в отраженном от сенсора лазерном пучке, фотодетектор 6, расположенный за пространственным фильтром, и резистор нагрузки фотодетектора 7, с которого снимают сигнал в виде напряжения, пропорционального угловому отклонению сенсора.
Устройство работает следующим образом. Пучок излучения лазера 1 направляют на поверхность дифракционной решетки 3, которая покрыта высокоотражающей пленкой 4, например, серебра или алюминия. Диаметр пучка во много раз (типично в 5-10 раз) больше периода дифракционной решетки. В результате отражения и дифракции формируется дифракционная картина, в которой дифракционные порядки хорошо разделены в пространстве. Выделив с помощью пространственного фильтра 5 излучение нулевого порядка дифракции, направляют это излучение на фотодетектор 6.
М
Мощность излучения в нулевом дифракционном порядке зависит от величины амплитуды фазовой модуляции Ф волнового фронта световой волны, отраженной от рельефной поверхности решетки с глубиной h. Эта зависимость определяется выражением
пад
М
где Р - мощность падающего излучения лазера, R - коэффициент отражения, Ф - амплитуда пространственной фазовой модуляции светового пучка, равная половине фазового набега между лучом, отразившимся от выступа, и лучом, отразившимся от впадины рельефа дифракционной решетки.
М
Величина Ф зависит от угла падения лазерного пучка Θ, глубины рельефа h и длины световой волны λ, следующим образом:
В результате зависимость мощности дифрагированного пучка нулевого порядка от угла падения выражается формулой
1
2
i
Эти зависимости мощности от угла (фиг.2, 3, 4, 5) имеют осциллирующий характер и содержат участки, близкие к линейным в районе точек, отмеченных на фиг.2, 3, 4, 5 как S, S,...S.
пад
На фиг.2 показана зависимость мощности дифрагированного излучения нулевого порядка от угла падения лазерного пучка, рассчитанная по формуле (3) при условии, что глубина рельефа блока-сенсора равна длине волны лазерного излучения h=λ, падающая мощность лазерного пучка Р=1 мВт, а коэффициент отражения пленки, покрывающей рельеф, равен 0,9. На фиг.3-5 показаны аналогичные зависимости при условии, что значения глубины рельефа блока-сенсора соответственно равны h=2λ, h=3λ и h=4λ.
i
i
Для измерений выбирают начальный угол падения, соответствующий одной из точек S, и устанавливают пространственный оптический фильтр с фотодетектором таким образом, чтобы фотодетектор захватывал все излучение нулевого порядка. При малых угловых колебаниях поверхности происходят малые изменения угла падения относительно выбранной точки S, которые вызывают пропорциональное изменение мощности в нулевом дифракционном порядке. В результате получаем электрический выходной сигнал с нагрузки фотодетектора, пропорциональный угловому отклонению блока-сенсора.
Предложенное устройство имеет очень малую массу блока-сенсора, прикрепляемого к исследуемому объекту. Так, например, при толщине подложки 10 мкм размерах площадки 1×1 см масса блока-сенсора составит порядка 2 мгр. Уменьшение массы блока-сенсора ведет к уменьшению
погрешностей измерений характеристик колебаний, в частности резонансных частот и частотных характеристик.
Приведем далее некоторые технические характеристики устройства.
Для практической реализации устройства целесообразно выбрать период рельефной решетки в диапазоне 100-200 мкм. При этом решетку нетрудно изготовить, а ее период приблизительно в 5-10 раз меньше типичного диаметра лазерного пучка, излучаемого газовым гелий-неоновым лазером или полупроводниковым лазерным модулем с встроенным коллиматором, что обеспечивает хорошее разделение дифракционных порядков. Следует напомнить, что в данном устройстве, в отличие от прототипа, крутизна не зависит от периода решетки, а зависит от глубины рельефа. Технологически рельеф может быть изготовлен методом фотолитографии, фотолитографии и травления, методом реплики на термопластическом материале.
i
Далее приведены расчетные оценки значений крутизны S преобразования углового отклонения в выходной сигнал при различных значениях глубины рельефа решетки.
пад
Расчетные значения крутизны при мощности падающего излучения P=1 мВт при коэффициенте отражения, равном R=0,9 для различных глубин фазовой дифракционной решетки h=λ, h=2λ, h=3λ и h=4λ приведены на графиках и в таблицах 1-4.
Для датчика-прототипа расчет крутизны производим по формуле  где d - толщина блока-сенсора, Λ - период решетки, n - показатель преломления, дает следующие численные значения:
при d=1 мм S=0,015 мВт/мрад,
при d=0, мм S=0,0015 мВт/мрад,
при d=0,01 мм S=0,00015 мВт/мрад.
i
Сравнение этих данных с данными таблиц 1-4 подтверждает, что крутизна характеристик S предложенного датчика выше крутизны датчика-прототипа при сопоставимых параметрах толщины блока-сенсора.
Таблица 1 (фиг.2)
h=λ
Θ=28°
Θ=51°
S<sub>i</sub>, <img he="11" wi="11" file="00000006.tif" img-content="undefined" img-format="tif" />
-0,0032
0,0049
Таблица 2 (фиг.3)
h=2λ
Θ=20°
Θ=36°
Θ=47°
Θ=56°
S<sub>i</sub>, <img he="11" wi="11" file="00000006.tif" img-content="undefined" img-format="tif" />
-0,0046
0,0074
-0,0091
0,010
Таблица 3 (фиг.4)
H=3λ
Θ=17°
Θ=29°
Θ=38°
Θ=45°
Θ=51°
Θ=57°
S<sub>i</sub>, <img he="11" wi="11" file="00000006.tif" img-content="undefined" img-format="tif" />
-0,0056
0,0092
-0,0113
0,0133
-0,0147
0,0158
Таблица 4 (фиг.5)
H=4λ
Θ=14°
Θ=25°
Θ=33°
Θ=39°
Θ=44°
Θ=49°
S<sub>i</sub>, <img he="11" wi="11" file="00000006.tif" img-content="undefined" img-format="tif" />
-0,0065
0,0107
-0,0135
0,0157
-0,0175
0,0190
Θ=54°
Θ=58°
S<sub>i</sub>, <img he="11" wi="11" file="00000006.tif" img-content="undefined" img-format="tif" />
-0,0202
0,02130
Источники информации:
1. Комоцкий В.А., Соколов Ю.М. Оптоэлектронное устройство для измерения угловых колебаний конструкций. Патент на полезную модель №57895.
2. Комоцкий В.А, Корольков В.И., Соколов Ю.М. Исследование датчика малых линейных перемещений на основе двух фазовых дифракционных решеток. Автометрия. Новосибирск. 2006. Т.42. №6. С.105-112.
3. Комоцкий В.А., Соколов Ю.М. Оптоэлектронный измеритель угловых колебаний конструкций. Вестник РУДН. М. Серия математика, информатика, физика. 2006. №1-2. С.138-146.