ОПТОЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ КОЛЕБАНИЙ КОНСТРУКЦИЙ

Устройство предназначено для измерения характеристик угловых колебаний конструкций, в частности амплитуды, частоты колебаний, для определения резонансных частот элементов конструкций.
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели является устройство для измерения амплитуды угловых колебаний, описанное в [1], которое содержит лазер, зеркальную поверхность для отражения лазерного луча, фазовую дифракционную решетку, установленную вблизи зеркальной поверхности отдельно от нее, на пути падающего и отраженного от зеркальной поверхности лазерного пучка, фотодетектор с диафрагмой, установленный в первом дифракционном порядке дифракционной картины, образованной после взаимодействия лазерного пучка с фазовой дифракционной решеткой. При угловых колебаниях зеркальной поверхности след отраженного пучка с наложенной на него пространственной модуляцией, полученной в результате взаимодействия падающего лазерного пучка с дифракционной решеткой, смещается поперек штрихов дифракционной решетки, в результате чего интенсивность первых дифракционных порядков изменяется и на нагрузке фотодетектора, установленного в одном из первых дифракционных порядков, вырабатывается выходной сигнал. При достаточно больших отклонениях зеркальной поверхности, при которых след отраженного лазерного пучка на дифракционной решетке смещается по решетке на расстояние, большее, чем период решетки, зависимость интенсивности первого дифракционного порядка от смещения следа пучка имеет гармонический характер при условии, если фазовая дифракционная решетка имеет прямоугольную форму меандра, т.е. выступы и впадины решетки имеют одинаковую протяженность, равную половине периода решетки. Для регистрации и
измерения малых колебаний зеркала используется линейный участок гармонической зависимости.
На практике для того, чтобы получить линейную зависимость между угловым отклонением зеркальной поверхности и выходным сигналом, в схеме аналога [1] выбран определенный начальный наклон зеркальной поверхности, такой, чтобы интенсивность дифрагированного пучка была равна средней величине между максимальной и минимальной интенсивностью дифрагированного пучка первого порядка, которые наблюдаются при отклонении зеркальной поверхности в более широком диапазоне.
К недостаткам прототипа следует отнести неудобство и сложность практического применения, так как дифракционная решетка должна быть установлена на отдельном штативе вблизи объекта измерений, параллельно поверхности, при этом возможны неучтенные вибрации штатива, которые будут вносить искажения в результаты измерений. Кроме того, как показано в [1], схема чувствительна не только к угловым колебаниям зеркальной поверхности, но и к изменению расстояния между дифракционной решеткой и зеркальной поверхностью.
Задачей полезной модели является устранение указанных недостатков и создание устройства более удобного для практического применения.
Сущность полезной модели заключается в том, что устройство для измерения угловых колебаний деталей конструкций, содержащее лазер, зеркальную отражающую поверхность, установленную на конструкции, фазовую дифракционную решетку, установленную на пути падающего и отраженного от зеркала лазерного пучка, фотодетектор с резистором нагрузки, установленный в первом дифракционном порядке дифракционной картины, образованной после взаимодействия лазерного пучка с фазовой дифракционной решеткой, дополнительно содержит блок-сенсор в виде прозрачной пластины, на одной стороне которой нанесена фазовая
дифракционная решетка, а на противоположной стороне напылена зеркальная отражающая пленка.
Схема устройства изображена на фиг.1. Устройство включает лазер 1, блок-сенсор 2 с фазовой дифракционной решеткой 3 на поверхности и зеркальной пленкой 4 на противоположной поверхности. Блок-сенсор 2 закреплен на поверхности исследуемой конструкции.
i
i
i
p
р
В первом порядке дифракции лазерного пучка, выделенном после его взаимодействия с блоком-сенсором 2, расположен фотодетектор 5, включенный по схеме с обратным смещением, с резистора нагрузки 6 которого снимается выходной сигнал. Луч лазера направлен на поверхность решетки 3 под углом падения Θ, а его плоскость падения отражения перпендикулярна штрихам решетки. Угол падения луча лазера Θ можно рассчитать по приближенной формуле Θ=nΛ/8d, где n - показатель преломления прозрачного материала, из которого изготовлен блок-сенсор 2, Λ - период дифракционной решетки, d - толщина блока-сенсора 2.
max
min
max
min
max
min
Устройство работает следующим образом. После изготовления блока-сенсора 2 перед вводом в эксплуатацию необходимо провести операцию его калибровки. Для этого блок-сенсор 2 помещают на поворотный столик гониометра так, чтобы штрихи решетки 3 были параллельны оси вращения столика, а плоскость решетки 3 была бы нормальна к падающему лучу. Затем, поворачивая столик, проводят измерение интенсивности первого порядка дифракции, отмечая при этом углы падения, при которых интенсивность дифрагированного пучка выбранного первого порядка максимальна Θ и углы, при которых интенсивность дифрагированного пучка первого порядка минимальна Θ. Наряду с этим отмечают показания выходного сигнала U и U, соответствующие углам Θ и Θ. Рабочая точка лежит посредине рабочего линейного участка аппаратной характеристики, она соответствует углу падения:
и уровню постоянного напряжения, равному
вых
раб
Установив на выходе напряжение U=U, проводят калибровку крутизны преобразования. Для этого, давая малые приращения поворота ±δφ, измеряют приращения ±δU, а затем рассчитывают крутизну преобразования для данного блока-сенсора
раб
раб
доп
доп
раб
После калибровки блок-сенсор 2 прикрепляют, к примеру, приклеивают, к исследуемой конструкции. На блок-сенсор 2 направляют коллимированный пучок лазерного излучения под углом падения Θ. Фотодетектор 5 устанавливают в одном из первых дифракционных порядков. Проводят измерение величины выходного напряжения на нагрузке фотодетектора 5, и если оно выходит за допустимые рамки U±ΔU, проводят подстройку угла падения до приведения выходного напряжения в эти пределы, где ΔU≪U.
вых
После окончания настройки приступают к измерению колебаний. Выходной сигнал δU, пропорциональный отклонению δφ, снимают с нагрузки фотодиода. При этом, учитывая результаты предшествующей калибровки, легко пересчитать величину выходного напряжения в соответствующую величину угла поворота:
.
Пример практической оценки некоторых параметров устройства
В качестве источника излучения целесообразно использовать маломощный гелий-неоновый лазер (1-2 мВт).
Для практического осуществления датчика следует применять фазовые дифракционные решетки с прямоугольным профилем в форме меандра, которые создают амплитуду пространственной фазовой модуляции
волнового фронта величиной 45°. В результате двойной дифракции на подобных решетках зависимость мощности дифрагированного излучения первого порядка от смещения Δх одной из решеток относительно другой описывается выражением:
0
Здесь P - мощность падающего излучения. R - коэффициент отражения зеркальной поверхности, который при использовании высокоотражающих металлических пленок из серебра и алюминия составляет порядка 0,8-0,9. Величину Δх можно выразить через δφ как
Из формул (4) и (5) можно выразить крутизну преобразования угловых колебаний в колебания мощности первого дифракционного порядка
0
p
Pφ
Так, например, при мощности лазера Р=1 мВт, d=5 мм, Λ=0,1 мм, R=0,9 получим S=0,115 Вт/радиан.
ф
1φ
Если для оценок принять ампер-ваттную крутизну фотодетектора А=0,3 А/Вт, то крутизну преобразования угловых поворотов в ток можно оценить величиной S=0,035 А/радиан.
Источники информации:
1. Комоцкий В.А., Никулин В.Ф. Бесконтактный дифракционный метод измерения угловых смещений и вибраций отражающих поверхностей. - Оптика и спектроскопия. 1992 г. Т.72. Вып.5. С.479-486.