Структурные схемы информационно-измерительных систем на основе лазерных акустооптических интерферометров

Капезин С.В. , Базыкин С.Н., Базыкина Н.А., Абузярова Г.Х. СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ЛАЗЕРНЫХ АКУСТООПТИЧЕСКИХ ИНТЕРФЕРОМЕТРОВ

С широким развитием нанотехнологий, особенно в станкостроении для алмазного точения и фрезерования, где в качестве датчиков обратной связи используются информационно-измерительные системы с малым шагом дискретности отсчета порядка 0,01 мкм и менее, лазерные интерференционные системы приобретают дальнейшее развитие.

Использование в информационно-измерительных системах (ИИС) перемещений в качестве источников света лазеров, обладающих большой пространственной и временной когерентностью, позволяет перекрыть необходимые для станкостроения диапазоны измерения.

Информационно-измерительные системы на основе лазерных интерференционных интерферометров, ввиду малого значения интервала меры g = — , где А - длина оптического излучения, имеют высокую несущую частоту, порядка единиц-десятков МГц. Построение ИИС на основе фазовых интерференционных интерферометров перемещений с высокой несущей частотой возможно на принципах гетеродинной лазерной интерферометрии.

Гетеродинные методы лазерной интерферометрии основаны на фотоэлектрической регистрации поля интерференции двух когерентных световых волн, имеющих определенный частотный сдвиг. Измеряемая величина (перемещение, показатель оптического преломления), вызывающая изменение оптической длины хода одной из световых волн - сигнальной, преобразуется в пропорциональное изменение значения фазы электрического сигнала, несущая частота которого равна разности частот интерферирующих волн. По сравнению с гомодинными гетеродинные методы обладают более высокой чувствительностью и помехоустойчивостью, а высокая несущая частота сигнала обеспечивает детектирование измеряемых величин в более широком спектре частот и скоростей их изменения во времени и пространстве [1].

Схема ИИС на основе гетеродинного интерферометра определяется заложенным в ней способом когерентного смещения частот интерферирующих волн. Известны различные методы преобразования частоты световых волн: механические и оптоэлектронные. Механические методы основаны на доплеровском сдвиге частоты при отражении или прохождении через подвижные оптические элементы (зеркала, решетки и т.д.) и характеризуется низким быстродействием (порядка миллисекунд). Оптоэлектронные методы, использующие взаимодействие оптического излучения с полями различной физической природы (электрическими, магнитными), обладают большим быстродействием (менее микросекунды), широкополосностью и возможностью электрического управления параметрами излучения.

Возможны две основные структуры ИИС на основе фазовых интерференционных измерительных приборов перемещений: с акустооптическим преобразованием частоты до модуляции перемещением контролируемого

объекта (рисунок 1) и с преобразованием частоты после модуляции перемещением контролируемого объекта (рисунок 2).

На рисунке 1 звено Gv - лазер является источником излучения с частотой V, звено АОП - акустооп-тический преобразователь частоты. Интерференционная схема представляется двумя оптическими линиями задержки. Одна из них Ти, переменная по пути, соответствует измерительному плечу интерферометра и имеет функцию пропускания [2]

-/ • + 2х0) • щ

Ти = exp

где с - скорость света.

Опорному плечу интерферометра соответствует элемент Топ -постоянная оптическая линия задержки с функцией пропускания

exp

где: со1г а>2 -частоты оптического излучения, распространяющиеся в линиях задержки Ти и Тол; Ь1г

І2 - длины оптических путей лазерного излучения в линиях задержки Ти и Топ; Хо - измеряемое перемещение.

Выходной сигнал фазового измерительного прибора перемещений формируется звеном ФЭП - фотоэлектрический преобразователь, включающим фотоприемник и избирательный усилитель, настроенный на разностную частоту интерферирующих волн.

В структурной схеме информационно-измерительной системы с акустооптическим преобразователем частоты на входе (рисунок 1) сигнал оптического генератора Еі = Еоехр(-іюі) преобразуется в звене АОП в два сигнала Е(Фі) = Еіехр(-і С0іЬ) и Е(Ю2) = Е2ехр(-і^2^). Сигнальная и опорная волны на входах звена ФЭП соответственно равны Ес = Е(Фі)Т„ и Еоп = Е(^2)Топ и имеют вид

E = E • exp |—i • +k • (l + 2x0)] J,

E, = E2 • exp [-i • (rn21 + k2L2 )]

^2

где k = —1; k2 = —2 .

c c

Сигнал на выходе звена ФЭП является результатом фильтрации фототока, пропорционального интенсивности поля интерференции волн Ес и Еоп

1инт = \Ес + Еоп |2 = \Ес |2 + |ЕоЛ |2 + Ес • Еоп + Ес ' Еоп

и равен

иеЬх

где ц = (ki Li - k2 L2) - постоянная фаза; кф - коэффициент преобразования в звене ФЭП.

Аналогичным образом получается выходной сигнал для схемы с акустооптическим преобразованием на выходе. Сигнальная и опорная световые волны, соответственно равные Ес = Ei exp(-i&it)TM и Еоп = E2exp(-ia>2t)Ton (принимается Ео = 0r5-Ei), после акустооптического преобразования в звене АОП имеет вид Ес = Е(о>1)Ти, Еоп = Е(ю2)Топ. Результат фотосмешения этих волн и последующей временной фильтрации совпадает с выражением (4). Таким образом, при идентичных параметрах звеньев структурные схемы измерительных приборов перемещений дают одинаковые сигналы измерительной информации и принципиально равноправны.

Т

on

Рисунок 1 Структурная схема фазовых интерференционных информационно-измерительных систем для измерения перемещений с акустооптическим преобразованием частоты до модуляции сигнала перемещением контролируемого объекта

Рисунок 2 Структурная схема фазовых интерференционных информационно-измерительных систем для измерения перемещений с акустооптическим преобразованием частоты после модуляции сигнала перемещением контролируемого объекта

С конструктивной и метрологической точки зрения каждая из структур информационно-измерительной системы имеет свои особенности. Отечественной промышленностью выпускаются информационно-измерительные системы на основе отечественных лазерных интерферометров, использующие схему, изображенную на рисунке 2.

Таблица 1 Основные структурные схемы фазовых информационно-измерительных систем на основе гетеродинных лазерных интерферометров

Первая группа структурных схем (Таблица 1, схемы 1, 2) соответствует акустооптическому преоб-

разованию частоты оптического излучения, не несущего информацию о контролируемом перемещении. В структурной схеме 1 фазовое измерительное преобразование перемещений осуществляется с малой дискретностью и на высокой несущей частоте. Однако присутствует нескомпенсированность плеч интерферометра вследствие присутствия в одном из них акустооптического модулятора. В структурной схеме 2 акустооптическому преобразованию одновременно подвергается сигнальная и опорная световые волны на входе в интерферометр. Эта схема информационно-измерительной системы имеет повышенную стабильность измерений за счет акустооптического преобразования частоты исходного лазерного излучения, а также повышенную помехоустойчивость за счет более эффективного использования мощности оптического измерительного сигнала.

Вторая группа структурных схем (Таблица 1, схемы 3 и 4) является представлением фазовых гетеродинных информационно-измерительных систем, в которых осуществляется акустооптическое преобразование частоты световой волны, несущей информацию о контролируемом перемещении. В структурной схеме 3 акустооптическому преобразованию частоты подвергается сигнальная волна после линии задержки, то есть после отражения от подвижного отражателя. В этой схеме, также как и в схеме 1, имеет место нескомпенсированность плеч. В структурной схеме 4 акустооптическому преобразованию подвергаются одновременно сигнальная и опорная волны на выходе интерферометра. Эта информационноизмерительная система обладает повышенной стабильностью измерений за счет скомпенсированной схемы общего акустооптического преобразования частоты на выходе интерференционной схемы.

Представленные в таблице 1 структурные схемы информационно-измерительных систем являются основными и описывают формирование сигнала измерительной информации ивых(1). Гетеродинные акустооп-тические информационно-измерительные системы могут иметь комбинированную структуру, сочетающую различным образом признаки перечисленных схем.

Литература

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

2. Капезин С.В. Повышение точности лазерных интерференционных акустооптических измерительных систем методом автоматической компенсации. Автореф. дис. на соис. уч. ст. к.т.н. М. 1984.