Пространственные реперные точки в гетеродинных лазерных акустооптических интерферометрах

Капезин С.В., Базыкин С.Н., Базыкина Н.А., Базыкина К.С. ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ РЕПЕРНЫЕ ТОЧКИ В ГЕТЕРОДИННЫХ ЛАЗЕРНЫХ АКУСТООПТИЧЕСКИХ ИНТЕРФЕРОМЕТРАХ

Рассматривается схема измерения линейных перемещений с пространственными реперными точками, расположенными по трассе измерения. Приведен расчет расстояния между реперными точками в зависимости от значения длины волны лазера оптического излучения.

Повышение качества и надежности работы машин и оборудования является одной из основных проблем современного машиностроения. Эффективность систем управления и контроля во многом определяет точность и надежность функционирования всех видов автоматизированного технологического оборудования: станков с числовым программным управлением, робототехнических комплексов, транспортных систем и т.д. При этом метрологические требования контроля автоматизированного оборудования имеют тенденцию к увеличению числа параметров контроля, что приводит к созданию управляющих систем, качество которых во многом зависит от функциональных возможностей и точностных характеристик входящих в их состав измерительных систем.

Наиболее полно удовлетворяют этим требованиям измерительные системы, работающие на принципах гетеродинной лазерной интерферометрии. Бесконтактный принцип интерференционных измерений, модульность конструкции, возможность построения многофункциональных измерительных систем, наличие связи с ЭВМ - все это позволяет включать современные акустооптические лазерные интерферометры в системы управления и контроля многокоординатных станков во время обработки, тем самым гарантируя качество готовой продукции.

В условиях ограниченного энергетического потенциала источника оптического излучения особенно остро встает проблема повышения помехоустойчивости, поскольку значение этого параметра определяет уровень функциональных возможностей лазерных интерферометров [1].

Помехоустойчивость измерительных сигналов определяется количеством сбоев измерительной информации в единицу времени. В фазовых измерительных системах измерительная информация накапливается постепенно во время движения отражателя.

Действие электромагнитных помех приводит к возникновению или исчезновению информационных импульсов. Защита от действия подобных помех осуществляется методом электрической фильтрации измерительных сигналов.

Существенным недостатком фазовых измерительных устройств с накоплением информации является вероятность потери достоверности сигналов при случайных перерывах оптической связи и сбоях в системе сетевого питания приборов, при которых прохождение измеряемой трассы приходится проводить заново.

Для повышения помехоустойчивости измерительных сигналов необходима система с реперными точками, организованными по трассе измерения перемещений, по которым возможно было бы восстановление информации о перемещении. В метрологическом обеспечении отечественного и зарубежного производства подобные системы организуются посредством применения контактных и бесконтактных позиционных датчиков касания, которые обеспечивают в лучшем случае точность позиционирования порядка 0,1±0,04 мкм.

В качестве пространственной реперной метки в лазерных интерферометрах может быть использовано значение разности фаз двух одновременно распространяющихся по измеряемой трассе световых волн, образованных двумя ортогональными поляризованными спектральными линиями лазера, работающего в двухмодовом режиме [2].

Схема лазерной измерительной системы с организованными по трассе измерения пространственными реперными метками представлена на рисунке 1.

Рисунок 1

Излучение лазера 1 направляют на акустооптический блок формирования разночастотных лазерных пучков, состоящий из акустооптического модулятора 2 и оптической системы линз 3. Разночастотные оптические пучки направляют соответственно: " + 1" - на неподвижный уголковый отражатель 5; "0" -

на уголковый отражатель 7, установленный на каретке 8, имеющей возможность перемещаться по направляющим 9.

Затем оптические пучки интерферируют на светоделительной грани оптического куба 6 и через поворотное зеркало 10 поступают на поляризационный куб 11. На этот куб приходит оптический сигнал, состоящий из двух ортогонально поляризованных составляющих, имеющих различные спектральные линии излучения Хг и Х2. В результате разделения этого сигнала по поляризации на кубе 11 происходит также разделение сигнала и по частоте. На фотоприемник 12 поступает оптический сигнал на спектральной составляющей Хг, а на фотоприемник 13 - сигнал с длиной волны оптического излучения Х2. Разность длин волн Хг и Х2 составляет 8,6-10-7 мкм (для лазера ЛГН-303).

Особенностью данной схемы является то, что в обоих плечах, измерительном и опорном, одновременно распространяются пучки обеих составляющих излучения. А на выходах фотоприемников 12 и 13 формируются фотоэлектрические квазисинусоидальные сигналы с периодом следования Хг/2 и Х2/2.

Схемы формирования измерительных импульсов 14, 15 выделяют узкие импульсы, соответствующие переходам через реперные метки. При движении отражателя счетчики в блоке 16 подсчитывают количество импульсов с пространственным периодом излучения Хг/2 и Х2/2, накапливающихся в измеряемой величине перемещения Ь.

Таким образом, при движении отражателя для отличающихся значений Х1 и Х2 счетчики насчитывают разные количества импульсов N1 и N2, причем Ь = N1X1 = N2X2 на схему совпадений в блоке 16. Электрический сигнал со схемы совпадений появится только при условии одновременной подачи на нее узких импульсов с выходов схем формирования измерительных импульсов 14 и 15. Это произойдет только в том случае, когда будут равны абсолютные значения фаз электрических измерительных сигналов с фотоприемников 12 и 13. При дальнейшем движении отражателя 7 из-за различных значений Х1 и Х2 абсолютные значения фаз двух электрических измерительных сигналов будут различны. Следующий сигнал с выхода схемы совпадений 16 возникает при условии

Ь = N1^X1 = N2^X2,

N1 = N2 + 1.

Решая систему уравнений (1), получаем

Ь = Х1Х2/

Таким образом, при движении подвижного отражателя 7 через равные промежутки, равные Ь/2, на выходе схемы совпадений будут формироваться электрические сигналы. Причем, взяв электрический измерительный сигнал с одного из фотоприемников, схема работает, как лазерный измеритель линейных перемещений.

Подставляя в формулу (2) паспортное значение длины волны оптического излучения и зная значение АХ, можно подсчитать численное значение Ь. Для лазера ЛГН-303 Ь » 0,46 м.

Так как в оптической схеме используется двойное прохождение пучка света, то расстояние между двумя пространственными реперными точками при движении подвижного отражателя равно Ь/2 » 0,23 м.

Восстановление информационного параметра при использовании электрических сигналов с фотоприемников 12 и 13 происходит не только при перерывах оптической связи между прибором и подвижным отражателем, но и при отключении питания лазера до его полного охлаждения до комнатной температуры.

Периодичность изменения разности фаз в пространстве составляет » 0,23 м, что дает возможность построения датчиков обратной связи с абсолютным отсчетом измерения перемещений.

Таким образом, представленная в статье схема лазерного интерферометра линейных перемещений с организованными по трассе реперными метками позволила существенно повысить помехоустойчивость информационных сигналов. В результате этого разработанная схема имеет более высокие точностные характеристики по сравнению с аналогичными схемами лазерных интерферометров для измерения линейных величин.

ЛИТЕРАТУРА

1. Телешевский В.И., Базыкин С.Н. К анализу влияния мощности лазерного излучения на точность измерений в гетеродинной лазерной интерферометрии. Фотометрия и ее метрологическое обеспечение. Материалы 8 Всесоюз.конф. - Москва, 1990.

2. Базыкин С.Н. Помехоустойчивые лазерные акустооптические интерферометры для управления автоматизированным технологическим оборудованием. Афтореферат диссертации на соискание уч. ст. к.т.н. Пенза, 1996.