ИНТЕРФЕРОМЕТР ПОВЫШЕННОЙ ТОЧНОСТИ С АКТИВНЫМ ПОДАВЛЕНИЕМ ПАРАЗИТНЫХ ВИБРАЦИЙ
HIGH-PRECISION INTERFEROMETER WITH ACTIVE SUPPRESSION OF SPURIOUS VIBRATIONS

Изобретение относится к области спектроскопии, а именно к интерферометрам и фурье-спектрометрам.
Уровень техники
Одной из задач современной техники является подавление и устранение нежелательных вибраций. В интерферометрии надежная защита от вибраций определяет стабильность интерферограммы и корректное функционирование прибора. Задача подавления вибраций решается с использованием пассивных мер, например при помощи изоляции поглощающими звук материалами и увеличения массы прибора. Кроме того, известны активные системы подавления вибраций, которые содержат электронную систему с петлей обратной связи и средства компенсации вибрации. В свою очередь, активные системы делятся на системы, стабилизирующие платформу, на которой закреплен интерферометр, и системы, стабилизирующие движение зеркал.
Традиционно в интерферометрии распространены активные системы, которые направлены на защиту от вибрации прибора в целом, то есть обеспечивают виброразвязку платформы, на которой установлен интерферометр. Например, известны активные системы [патент США №6511035, опубликован 28 января 2003 г., патент США №8651447, опубликован 18 февраля 2014 г.], содержащие акселерометр, регистрирующий вибрации, и систему подавления вибраций, выполненную, например, при помощи пьезодвигателей.
С другой стороны известна система [патент США №5008606, опубликован 16 апреля 1991 г.], в которой зеркало интерферометра размещено на каретке, подключенной к акселерометру и содержащей управляющий элемент, например линейный пьезодвигатель, который корректирует смещение зеркала в зависимости от зарегистрированных вибраций.
В качестве прототипа выбирается интерферометр Майкельсона [патент РФ №2239801, опубликован 10 ноября 2004], в котором подвижное зеркало движется по гармоническому синусоидальному закону. Недостатком перечисленных решений применительно к прототипу является их сложность и неспособность надлежащего подавления резонансных колебаний зеркал, которые образуются на характерной частоте электродинамической головки. При работе интерферометра из-за колебания зеркала и приводят к снижению точности измерения спектра.
Техническая задача
r
При работе интерферометра электродинамическая головка колеблется по заданному синусоидальному закону с частотой F. Но из-за наличия у головки собственной резонансной частоты f появляются паразитные вибрации, которые приводят к искажению синусоидального закона колебаний зеркала, что, в свою очередь, приводит к снижению точности измерений сигнала спектра. Перед настоящим изобретением ставится задача повышения точности работы прибора.
Решение
Для решения поставленной задачи предлагается следующее изобретение.
r
r
Интерферометр, содержащий в оптической схеме, по крайней мере, одно зеркало, причем зеркало жестко закреплено на электродинамической головке, колеблющейся с частотой F, которая разнесена на частотной оси относительно собственных резонансных частот f головки настолько, что паразитные вибрации на частотах f эффективно подавляются электронной системой с частотно зависимой обратной связью в цепи драйвера электродинамической головки.
В качестве возможной реализации интерферометра может быть использовано решение, отличающееся тем, что имеет оптическую схему интерферометра Майкельсона.
В качестве возможной реализации интерферометра может быть использовано решение, отличающееся тем, что в электрической цепи обратной связи используеся частотный фильтр верхних частот, причем нижняя граничная частота фильтра больше F.
В качестве возможной реализации интерферометра может быть использовано решение, отличающееся тем, что в качестве частотного фильтра используется фильтр нижних частот, причем верхняя граничная частота фильтра меньше F.
В качестве возможной реализации интерферометра может быть использовано решение, отличающееся тем, что в качестве частотного фильтра используется режекторный фильтр на частоте F.
В качестве возможной реализации интерферометра может быть использовано решение, отличающееся тем, что в качестве датчиков колебаний на нежелательных частотах используются электродинамические головки интерферометра.
Описание чертежей
Фиг. 1. Пример схемы системы активного подавления вибраций зеркал A1. Здесь 1 - генератор колебаний; 2 - суммирующий усилитель; 3 - зеркало, закрепленное на электродинамической головке; 4 - фильтр верхних частот; 5 - усилитель сигнала обратной связи; 6 - выключатель обратной связи.
Фиг. 2. Схема измерения коэффициента подавления вибраций зеркал, вызванных внешним воздействием. Здесь 8 - генератор возбуждения внешних колебаний; 3 - зеркало, закрепленное на электродинамической головке; 7 - внешний громкоговоритель (в качестве источника сигнала для внешних вибраций); 9 - измерительный выход.
Фиг. 3. Пример измеренного спектра колебаний зеркала, возбуждаемых громкоговорителем при выключенной (1) и при включенной (2) системе активного подавления вибраций зеркал A1. Отн. ед. соответствуют милливольтам.
Фиг. 4. Измеренный спектр коэффициента подавления вибраций зеркала при включенной активной системы A1.
Детальное описание решения
В традиционных интерферометрах с подвижными зеркалами, которые используются для фурье-спектроскопии, зеркало, как правило, стабилизируется для движения по линейному закону. Фактически система стабилизации движения зеркала совмещает в себе функции подавления ускорений зеркала. Как правило, для фурье-спектроскопии зеркало должно периодически двигаться строго по линейному закону, который описывается непрерывной кусочно-линейной функцией Ф(t). Данная функция может быть представлена в виде суммы гармонических колебаний следующим образом:
где w=2πf.
Как следует из формулы, фурье-спектр этой функции содержит множество гармоник, охватывающих широкую область частот. Это делает затруднительным применение методов частотной фильтрации для подавления нежелательных колебаний, так как частотно-зависимая обратная связь неизбежно будет влиять на гармоники и, соответственно, на линейность закона перемещения.
Особенностью настоящего изобретения является то, что оно направлено на подавление вибраций зеркала, которое двигается строго по гармоническому закону, то есть на единственной частоте F. То есть функция управляющего сигнала Y(t) может быть представлена формулой: Y(t)=Asm(Ft).
r
Благодаря тому, что полезный сигнал расположен на единственной частоте, стало возможным применить методы частотной фильтрации для подавления как резонансных колебаний зеркала, так и других частот, которые соответствуют, например, внешнему акустическому шуму. Это достигается разнесением по спектру частоты управляющего сигнала F и резонансной частоты электродинамической головки f. Далее описывается активная электронная схема, показанная на фиг. 1.
r
Схема A1 на фиг. 1 работает следующим образом. Генератор 1 через суммирующий усилитель 2 подключен к электродинамической головке 3, на которой закреплено зеркало. Цепь обратной связи реализована через усиливающий фильтр верхних частот (4, 5), вход которого подключен к электродинамической головке 3, используемой в качестве датчика вибраций (микрофонный эффект), а выход - к суммирующему усилителю 2. Схема подавления вибраций работает при замкнутом выключателе 6. При наличии источника, возбуждающего колебания диффузора электродинамической головки, наиболее интенсивные колебания возникают на частоте резонанса f. По цепи обратной связи колебания на частоте резонанса поступают на вход фильтра и суммирующего усилителя 2, на выходе которого суммируются с усиленным управляющим сигналом от генератора 1. При этом, обратная связь, обеспечиваемая фильтром с помощью внутренних фазосдвигающих цепей, является отрицательной во всей частотной области, включая частотную область управляющего сигнала. Это обеспечивает устойчивость драйвера управления и подавление нежелательных вибраций не только на резонансной частоте электродинамической головки, но и в остальной частотной области пропускания фильтра.
r
На Фиг. 2 показана схема измерения коэффициента подавления вибрации с помощью активной схемы A1. В данной схеме резонансная частота электродинамической головки 3 равнялась f=112 Гц. Измерение проводили следующим образом. От генератора 8 на громкоговоритель 7 подавали возбуждающий сигнал с частотой f, которая выбиралась в диапазоне от 20 до 400 Гц. Звуковая волна приводила в движение зеркало 3 на возбуждаемой частоте колебаний.
На Фиг. 3 показаны амплитуды возбуждаемых колебаний зеркала в зависимости от частоты, наводимые внешним возбудителем 8, при выключенной (1) и при включенной (2) обратной связи в активной системе подавления A1. Амплитуда напряжения на головке 8 была одинаковой для всех частот.
На Фиг. 4 показан спектр коэффициента подавления вибраций зеркала при включенной активной системе A1.
Пример
1
Согласно Фиг. 2 была собрана схема измерения коэффициента подавления вибраций активной схемой A1. В схеме для элементов 3 и 7 использовались одинаковые электродинамические головки Wavecor SW070-WA-02 с номинальным сопротивлением 8 Ом и резонансной частотой 112 Гц. Сопротивление R=12 Ом. Измерения проводили по описанию, приведенному выше. Для каждого спектра наведенных вибраций фиксировалась максимальная амплитуда на частоте f. Результаты измерения амплитуды вибраций на разных частотах f показаны на Фиг. 3.
На Фиг. 4 показан частотный спектр коэффициента подавления вибраций, обеспечиваемого активной системой A1. Коэффициент подавления превышает значение К=10 вблизи резонансной частоты электродинамической головки.
Таким образом, система подавляет вибрации примерно в 10 раз, т.е. на 20 дБ.