Исследование лазерного акустооптического датчика для измерения смещения границы детали

результаты, хорошо согласующиеся с экспериментальными данными.

Математическая модель, базирующаяся на волновом уравнении (9), может быть применена при проектировании силовых импульсных систем самого различного назначения: электрических и пневматических молотков, перфораторов для горного дела и строительства, кузнечно-прессового оборудования. Кроме того, она может быть использована на предприятиях машиностроения, занимающихся проектированием и созданием ударных испытательных стендов и устройств.

Литература

1. Александров Е.В., Соколинский В.Б. Прикладная теория и расчеты ударных систем. - М.: Наука, 1969.

2. Алимов О.Д., Манжосов В.К., Еремьянц В.Э. Удар. Распространение волн деформаций в ударных системах. - М.: Наука, 1985.

3. Малков О.Б. Динамика ударников стержне-

вой формы с внутренними граничными поверхностями // Омский госуд. техн. ун-т. - Омск, 1998. -12с. -Библиогр.: 3 назв. - Деп. в ВИНИТИ, № 3480. -В 98.

4. Гольдсмит В. Удар. Теория и физические свойства соударяемых тел // Пер. с англ. - М.: Стройиздат, 1965.

5. Стихановский Б.Н. Передача энергии ударом // Омский госуд. техн. ун-т. - Омск, 1995. - Ч. 2 и 3. -146 с.-Библиогр.: 42 назв. -Деп. в ВИНИТИ, № 1729.-В 95.

6. Малков О. Б. Динамика волноводов стержневой формы с внутренними граничными поверхностями И Омский госуд. техн. ун-т. - Омск, 1998. -14 с. - Библиогр.: 4 назв. - Деп. в ВИНИТИ, №3479. - В. 98.

28.12.98 г.

Малков Олег Брониславович - канд. технич. наук, доцент кафедры деталей машин Омского государственного технического университета.

Информационно-измерительные

приборы и системы

В.И.Телешевский, Е.В.Леун, Н.Н.Абдикаримов

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛАЗЕРНОГО АКУСТООПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СМЕЩЕНИЯ ГРАНИЦЫ ДЕТАЛИ

Представлены результаты исследований лазерного акустооптического датчика (ЛАД) для измерения смещений границы детали с фазовым и частотным выходами. Предложено фазочастотное преобразование датчика осуществлять в электронном канале. Такой датчик позволяет исключать нелинейные эффекты в виде гистерезиса и частотных перескоков, определять положение границы объекта в режиме "абсолютного отсчета".

Введение

При измерении размеров деталей осуществляются две операции: 1) определение положения границ, 2) определение расстояния в интервале между этими границами. Среди оптических средств измерений получило распространение сочетание, при котором первая операция чаще выполняется амплитудным датчиком (измерение амплитуды оптического сигнала), а вторая - интерферометром (измерение фазового набега световых волн). Погрешность определения границ детали при использовании амплитудного датчика составляет « 0,5-1 мкм. При измерении расстояния между этими границами лазерными интерферометрами, производимыми фф. 'Hewlett-Packard" (США), "Zygo"(CllJA), "Renishaw" (Великобритания), погрешность не превышает 0,05 мкм/м. Значительный резерв повышения точности измерений размеров деталей заключается в снижении погрешности измерений первой измерительной операции, которую перспективно реализовать за счет схем, основанных также на измерении фазового набега

световых волн. Поэтому разработка интерферомет-рических способов определения положения границы детали является актуальной задачей.

В данной статье рассматривается лазерный акустооптический датчик (ЛАД), который позволяет определять смещение границы детали в режиме "относительного отсчета". В настоящее время ведутся дальнейшие исследования в этом направлении, которые связаны с поиском путей решения задачи определения положения границы детали в режиме "абсолютного отсчета".

Прототип ЛАД в виде гетеродинной схемы для исследования ультразвуковых полей был предложен в [1]. В нем нулевой Е(0) и первый Е(+1) дифракционные порядки, образующие между собой малый угол а=Х/А, где \ и А - длины световой и ультразвуковой волн, формируют пространственную интерференционную картину (ИК), которая регистрируется в ближней (френелевской) зоне. В работе [2] предложено и теоретически обосновано устройство нового типа - акустооптический гетеродинный сенсор, позволяющий измерять фазовый набег све-

тового сигнала при смещениях границы детали ортогональных распространению лазерного луча.

В [3] исследовалась зависимость фазового набега световых волн этого сенсора от введения границы детали с функцией пропускания T^lfl-y, где 10- координата границы детали; в область перекрытия дифракционных порядков нулевого Е(0) и минус первого Е(-1) (в дальнейшем - область перекрытия). Показано, что для малой интенсивности ультразвука (а<0,1) распределение интенсивности волнового поля на входе фотоприемника содержит информацию о смещении границы детали ЛИ. В данной работе представлены результаты дальнейших исследований ЛАД с фазовым Дф(Д1) и частотным М(Д|) выходами.

Схема датчика представлена на рис.1 и состоит из акустооптичекого модулятора (АОМ) 1, диафрагмы 2, фотоприемника 3, коммутатора 4, генератора 5. При замыкании контактов 1-2 коммутатора 4 выходным сигналом является разность фаз Аф(Д1) между выходами а и 6, а при замыкании контактов 1-3 - изменение частоты Af(Al) на выходе а.

1. ЛАЗЕРНЫЙ АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК С ФАЗОВЫМ ВЫХОДОМ

Введение границы детали в область перекрытия приводит к дифракции минус первого порядка Е(-1) и нулевого Е(0) дифракционных порядков и разделению оптического потока на динамическую и статическую составляющие. Динамическая составляющая состоит лишь из дифрагирующего на границе детали оптического потока и образует динамическую ИК, а статическая составляющая включает в себя оптический поток, который еще не освещает границу детали (рис.1). Оптический поток, образующий динамическую ИК, при дифракции на границе детали меняет свое направление распространения и его часть пространственно совмещается с оптическим потоком, образующим статическую ИК.

Рис.1. Лазерный акустооптический датчик для измерения смещений границы детали

Суммарную ИК можно представить как результат сложения комплексных амплитуд статической UCT и динамической 11д ИК

и(Д1)=ия +U = Aj exp(i(p,) + А2 exp(icp2(Al)), (1) где А^ф, - амплитуда и фаза статической ИК, А2,ф2 - амплитуда и фаза динамической ИК, Al - перемещение границы детали.

Результат сложения в выражении (1) зависит от соотношений A^Aj, ф,-ф2. Так как при введении детали всегда A,>A2, то возможны два случая: 1) А,>А2; ф,>ф2; 2) А,>А2; ф,<ф2. Результат сложения двух сигналов в выражении (1) в виде годографов изображен на рис.2. Как видно из рисунков, в обоих случаях имеется нелинейность, а годограф на рис.2а содержит участки как с отрицательной, так и с положительной чувствительностью.

Линеаризация функции преобразования датчика достигается при смещении диафрагмы фотоприемника вдоль оси Y до минимизации (исчезновения) сигнала иет.

Пространственное смещение границы детали приводит к смещению динамической ИК, а набег фазы сигнала описывается следующим выражением

Дф

где Al - перемещение границы детали (перемещение динамической ИК), D - шаг ИК.

Нелинейная составляющая зависит от многих пространственных параметров оптической схемы: положение диафрагмы по оси OY, расстояние от центра акустооптического взаимодействия до диафрагмы, угол дифракции а и т.д.

Шаг ИК D зависит от оптических параметров оптической схемы: значения шага дифракционной решетки Л, расходимости лазерного пучка у, расстояния от центра акустооптического взаимодействия до контролируемого детали zx, расстояния от центра акустооптического взаимодействия до фокуса лазерного пучка (при использовании дополнительных оптических элементов) гф. Изменения любого параметра приводят к изменению шага ИК и соответственно чувствительности.

Экспериментально для коллимированного пучка диаметром 2 мм значение шага ИК D составит 200 мкм при использовании в качестве светозву-копровода дистиллированной воды (узв-1500 м/с), при частоте модуляции f=8 Мгц, при z^lOO мм. При этом чувствительность датчика с фазовым выходом составила - 0,0314 рад/мкм (рис.За).

Повышение разрешающей способности можно получить при переходе к схеме датчика с частотным выходом с цепью обратной связи, особенности работы которого рассматриваются в следующем разделе.

2. ЛАЗЕРНЫЙ АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМ

Режим работы ЛАД с частотным выходом об-

а)Я>х)<Р2\ Ъ)<рх{<р2.

разуется при использовании АОМ в цепи обратной связи [5-8] или при использовании системы ФАПЧ [9]. Первый тип ЛАД позволяет повысить разрешающую способность в направлении распространения света до Х/1100 /7/, а в ортогональных ему направлениях до Л/1214 /8/, где X и Л - длины световой и ультразвуковых волн. Второй тип позволяет управлять пространственным периодом 1_т и формой статической характеристики.

Экспериментально были определены характеристики ЛАД первого типа при введении детали в область перекрытия (для разной толщины детали 3^1,5 мм и б2=4 мм), которые представлены на рис.Зб. Они имеют ломаный вид и содержат различные генерации ^(1) с нелинейными участками в виде частотных перескоков и гистерезисов. Для всех частотных генераций ^(1) чувствительность была постоянна « 0,3 кГц/мкм и не зависела от толщины э вводимой детали. Расстояние между частотными генерациями бГИ^ОН^О имеет постоянное значение 63 кГц и определяется внутренними параметрами оптической схемы. Как видно из рис.Зб, значительное введение объекта в оптический пучок (А1>3 А1,) приводит к сужению спектра сигнала, уменьшению числа возможных генераций и формированию режима одночастотной генерации.

Частотный режим работы ЛАД определяется соотношением его АЧХ и ФЧХ. АЧХ датчика определяется АЧХ АОМ, АЧХ фотоприемника и АЧХ пространственного фильтра оптической схемы. Под АЧХ пространственного фильтра понимается зависимость амплитуды выходного сигнала от выходной частоты, которая образуется из-за зависимос-

ТЕННИЧЕСКИЕ НАУКИ ЩД

с фазовым и частотными выходами.

ти пространственного положения области перекрытия от выходной частоты [6].

Исследования ФЧХ интерферометра [4,5] показывают, что возможные резонансные частоты генерации ^(1) образуют гребенчатый спектр с интервалом между отдельными частотами определяемыми внутренними параметрами оптической схемы. Для каждой частоты генерации ^(1) выполняется условие М(А1)=кп Аф(А1), где кп=1/2тсДт -коэффициент преобразования, зависящий от времени задержки Ах в цепи обратной связи М=Г(1) + Д^А1) = £(1) +кпДф = Г(1) +А1/2дАтВ, (3) где ^(1) - частотная генерации выходного сигнала, М(Д1) - зависисмость, связывающая изменением частоты ДГ(А1) и смещения детали Д1.

Для практического использования предпочтителен режим, при котором существует однозначная связь фаза-частота. Такой режим реализуется при оптимальном соотношении между АЧХ и ФЧХ и приводит, в конечном итоге, к уменьшению спектральных компонент выходного сигнала [6]. Однако, этот подход может быть справедлив в основном лишь для использования части рабочего диапазона Ц^ и его нельзя считать наилучшим по следующим причинам.

Во-первых, при значительном смещении, превышающем рабочий диапазон, в выходном сигнале датчика появляются нелинейные процессы в виде частотных перескоков и гистерезисов (рис.Зб). Это нарушает устойчивый режим работы датчика и снижает его быстродействие.

Во-вторых, изменение выходной частоты М

приводит к изменению угла дифракции Да и, соответственно, к смещению области перекрытия дифракционных порядков относительно границы детали. Это может приводить к значительному возрастанию погрешности линейности вплоть до полного нарушения режима работы датчика. Например, увеличение выходной частоты на 500 кГц (при МГц) при Х=0,63 мкм с дистиллированной водой в качестве светозвукопровода (уэв»1 500 м/с и Л«200 мкм) и расстоянии от центра акусгооптического взаимодействия до детали г=20 см приводит к смещению минус первого порядка Е(-1) относительно первоначального положения до 42 мкм и увеличению погрешности линейности до 20%.

В связи с вышеизложенным "борьба за схемное совершенство'' датчика с частотным выходом, при котором изменяется частота модуляции, неперспективна. Повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей может быть обеспечено при осуществлении фазочастот-ного преобразования в электронном канале при неизменной частоте модуляции за счет использования высокоточных систем синхронизации. Значительный опыт по разработке таких устройств накоплен в [11,12]. Использование систем синхронизации важно как с точки зрения обеспечения точного фазочастотного преобразования, так и для обеспечения возможности определения положения границы детали в режиме "абсолютного отсчета". Кроме этого, для повышения быстродействия целесообразно формировать треугольную симметричную (с отрицательной крутизной) функцию преобразования ЛАД (рис. Зв).

Заключение

1. Введение границы объекта в область перекрытия дифракционных порядков приводит к образованию динамической и статической составляющих сигнала. Пространственное совмещение этих составляющих формирует нелинейной зависимости Дф(Д1). Нелинейность полученного сигнала зависит от пространственного положения фотоприемника.

2. Использование частотного режима работы ЛАД при образовании обратной связи неэффективно за счет присутствия в выходном сигнале частотных перескоков и гистерезисов.

3. Повышение точности измерений и расширения функциональных возможностей может быть обеспечено при осуществлении фазочастотного преобразования в электронном канале при неизменной частоте модуляции.

Результаты исследований могут быть полезны сотрудникам отделов метрологии ОКБ им. Баранова, НПО "Сибирские приборы и системы", СКБ

приборов, преподавателям и аспирантам физических и приборостроительных специальностей ОмГ-ТУ, Ом ГУ, ОмИИТ, СибАДИ.

Литература

1. Телешевский В.И., Левитес А.Ф. Гетеродинный метод оптического исследования ультразвуковых полей. Дефектоскопия, №5, 1974, с.30-38.

2. A.C. СССР N1714359. - Бюл.изобр.1992, N7.

3. Телешевский В.И., Абдикаримов H.H. 8 ВНТК "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение",-Тезисы докладов. - М.: ВНИИОФИ, 1990, с.228.

4. Леун Е.В., Абдикаримов H.H. Акустооптоэлек-тронный сенсор для измерения смещений границы объекта с фазовым выходом // Тез.докл.4 НТК "Состояние и проблемы технических измерений". -М.: МГТУ, 1997, с.208.

5. A.c. СССР N.1388721 .- Бюл.изобр., 1988, N14.

6. Бабкина Т.В. и др. Квантовая электроника. 18, N12(1991), С.1498-1502.

7. Игнатов С.А. Повышение разрешающей способности лазерных измерительных систем для контроля оборудования ГПС методом акустоопто-электронной обработки информации.: Автореф. канд. техн. наук: 05.11.16. - М.: Мосстанкин, 1987.

8. Яковлев H.A. Построение лазерных систем для измерения перемещений по трем координатам на основе акустооптического преобразования измерительной информации. Автореф. канд. техн. наук: 05.11.16. - М.: Мосстанкин, 1992.

9. Леун Е.В. Исследование адаптивной волоконной измерительной головки для контроля отклонений размеров деталей.: Автореф.канд.техн.наук: 05.11.16. - М.: Мосстанкин,1994.

10. Рыжков A.B., Попов В.Н. Синтезаторы частот в технике радиосвязи. - М.: Радио и связь, 1991. - 246 с.

11. Жилин Н.С. Принципы фазовой синхронизации в измерительной технике. - Томск.: Радио и связь, 1989. - 324 с.

12. Вешкурцев Ю.М. Автокогерентные устройства измерения случайных процессов. Науч.издание. - Омск; 1994. - 163 с.

24.12.98 г

Телешевский Владимир Ильич - д-р технич. наук, профессор кафедры "Измерительные информационные системы и технологии" Московского государственного технологического университета (СТАНКИН).

Леун Евгений Владимирович - докторант кафедры "Измерительные информационные системы и технологии" Московского государственного технологического университета (СТАНКИН).

Абдикаримов Нурлан Николаевич - научный сотрудник кафедры "Измерительные информационные системы и технологии" Московского государственного технологического университета (СТАНКИН).