УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ВЫСОКОТОЧНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕКТА
DEVICE FOR CONTACTLESS HIGH-PRECISION MEASUREMENT OF OBJECT PHYSICAL AND TECHNICAL PARAMETERS

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено в машиностроении для бесконтактного, высокоточного измерения линейных перемещений, угла наклона, профиля и вибрации поверхности исследуемых объектов и дефектоскопии их материала. Изобретение также может быть использовано в медицинской технике, в частности в томографической аппаратуре.
Известны оптические двухлучевые и многолучевые интерферометры типа Майкельсона с параллельными пучками света в рабочем и опорном оптических каналах, предназначенные для бесконтактного измерения линейного перемещения и профиля поверхности объекта с точностью до 0,05 мкм (Коломийцов Ю. В. Интерферометры: основы инженерной теории и применение. - Л.: Машиностроение, 1976).
Их недостатком является требование, чтобы шероховатость поверхности объекта была менее 0,01 мкм и не была покрыта пленкой из светорассеивающего или светопоглощающего материала. Также с их помощью невозможно измерять параметры объекта с углом наклона поверхности относительно оси рабочего канала более 20 секунд. В этом случае картина интерференции не поддается обработке, т.к. она изменяется даже при незначительном плоскопараллельном смещении или повороте объекта. В силу этих причин данные оптические интерферометры имеют узкоспециализированное применение.
Для бесконтактного измерения параметров объекта с шероховатостью поверхности более 0,1 мкм, а также для дефектоскопии оптически непрозрачных материалов используются акустические устройства типа эхолокаторов, дефектоскопов, томографов (Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М.: ИЛ, 1957). В этих устройствах расстояние до исследуемого объекта определяется как произведение заданной скорости звука в среде на половину времени распространения звука до объекта и обратно. Данное время определяется путем измерения интервала времени между посылкой и приемом импульсного звукового сигнала или разностной частоты между моментами посылки и приема непрерывно излучаемого звукового сигнала с линейно изменяющейся частотой.
В высокоточных акустических устройствах для измерения линейных перемещений с точностью до 1,0 мкм можно использовать импульсно-фазовый способ, применяемый при измерении скорости звука в твердой или жидкой среде (Колесников А.Е. Ультразвуковые измерения. - М.: изд. Стандартов, 1970, с.62-70). В основу данного способа положен принцип противофазной суперпозиции двух импульсов ультразвука, бегущих в сторону буферного стержня в источнике ультразвука после их отражения от объекта, расположенного на фиксированном расстоянии от буферного стержня. Совмещение импульсов в пространстве и во времени осуществляется путем прецизионного управления моментами их возбуждения в источнике ультразвука. При этом к моменту их наложения первый импульс должен двукратно отразиться от объекта и однократно от торца буферного стержня, а второй импульс однократно отразиться от объекта.
2
Для обеспечения высокой точности совмещения ультразвуковых импульсов необходимо, чтобы в пространстве между буферным стержнем и объектом они распространялись с плоским волновым фронтом. Этому препятствуют явления дифракции и рассеяния ультразвуковых волн. В силу этого конструкция и параметры источника ультразвука, включающего пластину пьезокристалла и буферный стержень, должны удовлетворять весьма жестким условиям: пьезо- и упругие свойства пластины пьезокристалла должны быть очень однородны, чистота ее поверхности - не ниже 12 класса, поперечные размеры - не менее 25 длин волн Λ ультразвука при непараллельности рабочих поверхностей не более 10 секунд. Поперечные размеры буферного стержня должны составлять не менее 40 Λ, длина буферного стержня должна обеспечивать затухание многократно отраженных от его торцов эхоимпульсов к моменту возбуждения в нем следующего импульса, непараллельность торцов буферного стержня, а также отражающей поверхности исследуемого объекта, не должна превышать 20-30 секунд. При использовании дегазированной, дистиллированной воды в качестве звукопроводящей среды частота излучаемого звукового сигнала должна быть в пределах 1-60 МГц, а уровень мощности не более 0,25 Вт/см, чтобы не сказывалось затухание звука под действием нелинейных эффектов и не возникала кавитация жидкости. Звуковой сигнал должен быть в виде коротких, прямоугольных импульсов с частотой следования 50-100 Гц, чтобы обеспечивалось затухание всех эхоимпульсов к моменту возбуждения в пьезокристалле очередной серии импульсов.
Данный способ измерения используется в изобретении для определения расстояния до исследуемого объекта, но при этом устранены его основные недостатки.
2
Аналогичные требования накладываются на конструкцию и рабочие параметры точных ультразвуковых дефектоскопов и томографов, работающих на принципах просвечивающих и отраженных импульсов. Но даже при выполнении всех требований разрешающая способность дефектоскопов при обнаружении в непрозрачной среде небольших объектов с большой кривизной поверхности, например металлических шариков и проволочек в пластмассе и жидкости, не превышает 0,1 мм из-за их сильного рассеивающего действия. В ультразвуковых томографах разрешающая способность при эхографической визуализации мягких тканей организма значительно меньше, чем в дефектоскопах. Это связано с тем, что неоднородности в тканях организма мало отличаются по плотности и скорости звука, хотя могут иметь большую кривизну поверхности. Например, кровеносные капилляры, лимфатические протоки и железы в коже, мускулах и внутренних органах. При этом ультразвуковой зонд должен быть ориентированным строго перпендикулярно кожному покрову и контактировать с ним через слой масла или вазелина. При движении зонда по коже между ними не должен попадать воздух, т.к. воздушная прослойка толщиной даже в 0,001 мм не пропускает ультразвуковые волны. Поэтому в томографах используются медленные и сложные механические системы сканирования, а в вычислительном устройстве - сложные алгоритмы послойного построения двумерного изображения тканей с использованием статистических методов обработки эхограмм и пространственных координат. И несмотря на это в современных томографах получают достаточно грубые изображения тканей организма (см., например, патент RU 2203622 С2, 20.09.2000, МПК А61В 8/14).
Использование предлагаемого устройства в дефектоскопах и томографах позволяет устранить их основные недостатки.
Отметим, что требование, чтобы источник и приемник ультразвука располагались вместе с объектом в объеме жидкости или устанавливались на поверхности объекта с использованием пленки вязкой жидкости для обеспечения между ними акустического контакта, является серьезным недостатком акустических устройств. В силу приведенных выше основных недостатков известные акустические измерительные устройства имеют узкоспециализированное применение и не обеспечивают высокую точность.
Большую часть жестких требований к конструкции и параметрам акустических и оптических измерительных устройств можно устранить, если, во-первых, пучок звуковых или световых волн сфокусировать в точку на поверхности (или внутри) исследуемого объекта с помощью соответствующей линзы. Благодаря усилению этих волн по амплитуде в области фокуса, а также тому, что в центре этой области они имеют плоский фронт, влияние дифракционных явлений на амплитуду и фазу отраженной волны из-за рассеивающего действия шероховатости и криволинейности поверхности объекта существенно уменьшается. Кроме этого, если звуковые или световые волны до прохождения линзы движутся с плоским фронтом параллельно ее оси, то после отражения от поверхности объекта данные волны, пройдя линзу в обратном направлении, движутся опять с плоским фронтом параллельно ее оси. Это выполняется также в случае, когда поверхность объекта расположена под небольшим углом к падающей волне. Во-вторых, если между измеряемым устройством и объектом распространение звуковых или световых волн осуществлять через проточную жидкость, характеризующейся незначительным поглощением этих волн и имеющей низкую стоимость, то измерение физико-технических параметров можно производить как неподвижного, так и движущегося объекта. Причем излучение и прием этих волн можно производить под достаточно большим углом к поверхности объекта. В-третьих, если в акустическом устройстве вместо пьезоэлектрического приемника ультразвуковых волн использовать акустооптическую систему, формирующую оптический образ звукового пучка (Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. - М.: Радио и связь, 1985), то можно более простыми, но точными средствами реализовать наблюдение интерференции и измерение пространственных параметров, по крайней мере, двух пространственно разнесенных звуковых пучков. В этом случае также можно повысить чувствительность и расширить динамический диапазон измерения отраженного звукового сигнала. В-четвертых, если для измерения величины перемещения функциональных узлов и элементов, например акустических и оптических линз, вместо контактных механических индикаторов использовать бесконтактную оптическую измерительную систему белого света (Фотева И.И. и др. Измерение толщины полупроводниковых пленок интерферометрическим методом. - «ОМП», 1975, №1, с.62), то можно существенно повысить точность, надежность и производительность данных измерений.
Известны устройства и способы, в которых акустооптическая система применяется для измерения физико-технических параметров объекта. Например, известен способ оптического контроля шероховатости поверхности путем анализа зависимости интенсивности света от угла его рассеяния поверхностью объекта, который основан на эффекте угловой селекции интенсивности диафрагмированного светового пучка при пропускании расходящегося пучка света через звуковую волну, бегущую в активной акустооптической среде (патент RU №2217696 С2, 2002 г., МПК G01B 11/30).
Известны устройства и способы, в которых для измерения физико-технических параметров объекта используется оптическая измерительная система белого света. Например, данная система используется в контактном оптическом устройстве для прецизионного измерения размеров деталей (а.с. СССР №1052856 А, 1982 г., МПК G01B 11/02).
Для проведения бесконтактного высокоточного измерения линейного перемещения объекта, а также профиля его поверхности при шероховатости менее 0,01 мкм в предлагаемое измерительное устройство включены основные элементы двухлучевого оптического интерферометра типа Захарьевского-Миро, в котором используется фокусировка пучка света в рабочем и опорном каналах (Васильев В.Н., Гуров И.П. Компьютерная обработка сигналов в приложении к интерферометрическим системам. - СПб.: БХВ - Санкт-Петербург, 1998. с.80). Интерферометр содержит монохроматический, когерентный источник света, включающий излучатель света и коллиматор в виде линзы, формирующей свет излучателя в параллельный пучок света, первое светоделительное зеркало, расположенное на пересечении оптической оси устройства и оси коллиматора под углом 45° к ним, фокусирующую линзу, установленную на оптической оси устройства между светоделительным зеркалом и объектом, второе светоделительное зеркало, установленное на оптической оси устройства под углом 45° между фокусирующей линзой и объектом, которое часть светового потока направляет на опорное зеркало, расположенное на оси, пересекающей перпендикулярно оптическую ось устройства, матрицу фотоэлементов, установленную на оптической оси устройства перед первым светоделительным зеркалом. На поверхности матрицы фотоэлементов интерферируют рабочий и опорный световые пучки, отраженные от поверхности объекта и опорного зеркала. С матрицей фотоэлементов соединено вычислительное устройство, с помощью которого определяются геометрические параметры поверхности исследуемого объекта в окрестности фокусной точки. Данный интерферометр позволяет проводить высокоточные измерения геометрических параметров объекта с плоской поверхностью.
Недостатками являются требования, чтобы, во-первых, угол между пучком света, падающим на поверхность исследуемого объекта, и пучком света, отраженным от объекта, не превышал 30 секунд, потому что опорное зеркало плоское и неподвижно. Во-вторых, настройка фокуса на поверхности исследуемого объекта осуществляется путем линейного перемещения объекта вдоль оптической оси устройства, потому что фокусирующая линза и опорное зеркало неподвижны. Для контроля перемещения используется измерительное устройство, например, контактного типа, обеспечивающее меньшую точность по сравнению с интерферометром. В заявляемом изобретении эти недостатки устранены.
По совокупности общих признаков наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого изобретения является акустическое устройство для дефектоскопии листовых материалов с помощью просвечивающих звуковых импульсов (Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М.: ИЛ, 1957). В данном устройстве излучатель и приемник ультразвука имеют идентичную конструкцию. В их корпусе в виде металлической трубы расположены ввод и вывод для проточной жидкости, высокочастотный пьезоэлектрический преобразователь в виде кварцевой пластины, закрепленной на торце буферного стержня. К электродам на кварцевой пластине подведено переменное напряжение от внешнего генератора. В приемнике снимаемое с кварцевой пластины переменное напряжение подается на внешний индикатор. Объект в виде листового материала располагается между выводами для проточной жидкости излучателя и приемника. Ультразвуковая связь между ними осуществляется через проточную жидкость. Для устранения в пространстве между буферным стержнем и объектом эффекта стоячей звуковой волны в генераторе переменное напряжение с частотой 1 МГц модулируется по амплитуде с частотой 100 Гц.
2
Недостатком данного дефектоскопа является небольшая разрешающая способность, не превышающая 5 мм, потому что он работает в режиме просвечивающих импульсов с относительно низкой несущей частотой и в нем отсутствует фокусировка ультразвукового пучка. В принципе, с помощью данного устройства можно измерять линейные перемещения объекта, используя, например, описанный выше импульсно-фазовый способ для измерения времени прохождения звука от источника до объекта. Но в этом случае на конструкцию и рабочие параметры устройства необходимо накладывать жесткие требования, описанные выше. Эти недостатки устранены в заявляемом изобретении.
Задачей изобретения является создание устройства бесконтактного высокоточного измерения комплекса физико-технических параметров исследуемого объекта.
Техническим результатом является возможность измерения с помощью одного устройства линейного перемещения объекта, его угла наклона, шероховатости и вибрации поверхности, а также эхографическую визуализацию структуры его материала на основе интерференции ультразвукового и светового сигнала.
Поставленная задача решается тем, что заявляемое устройство, содержащее корпус с вводом и выводом для проточной жидкости и расположенный в нем высокочастотный ультразвуковой излучатель, включающий буферный стержень и закрепленную на нем пьезоэлектрическую пластину с электродами для соединения с внешним высокочастотным генератором, согласно техническому решению дополнительно содержит акустическую линзу, расположенную в корпусе и выполненную с возможностью перемещения вдоль ее оси для фокусировки звукового сигнала на объекте, акустооптический формирователь оптического образа звуковых сигналов с двумя акустооптическими каналами, измеритель перемещения акустической линзы, вычислительное устройство, при этом акустооптический формирователь оптического образа звуковых сигналов включает источник монохроматического когерентного излучения, первую оптическую систему, состоящую из линз и зеркал для формирования в акустооптических каналах рабочих световых пучков, у которых оси расположены в одной плоскости перпендикулярно друг другу и проходят между буферным стержнем и акустической линзой через область распространения звуковых сигналов для генерации диафрагмированных световых пучков, вторую оптическую систему, состоящую из зеркал для разделения диафрагмированных световых пучков рабочего светового пучка в каждом акустооптическом канале на первый и второй диафрагмированные световые потоки, сферических линз для интегрирования каждого первого диафрагмированного светового потока в фокусные точки и цилиндрических линз для интегрирования каждого второго диафрагмированного светового потока в фокусные линии, фотоприемники, установленные за сферическими и цилиндрическими линзами соответственно, при этом фотоприемники и измеритель перемещения акустической линзы соединены с вычислительным устройством, а объем корпуса разделен на две изолированные полости, первая из которых расположена между буферным стержнем и акустической линзой, а вторая - между акустической линзой и выводом для проточной жидкости, при этом первая полость предназначена для заполнения жидкостью с высоким коэффициентом акустооптического качества, а вторая - для заполнения проточной жидкостью.
Благодаря данным отличиям, с помощью предлагаемого устройства можно измерять расстояние до объекта не только когда звуковой импульс отражается от объекта в том же направлении, в каком он падал на него, но также когда он отражается под углом. Эта возможность реализуется за счет фокусировки звуковых волн на поверхности объекта, для чего используется перемещающаяся вдоль своей оси жидкостная акустическая линза в виде оболочки сферической формы, расположенная между буферным стержнем и выводом для проточной жидкости. В заполняющей акустическую линзу жидкости звуковые импульсы движутся с плоским фронтом параллельно ее оси как по направлению к объекту, так и при отражении от него, включая случай, когда звук отражается от объекта под углом. Но в этом случае волны плотности прямого и отраженного звукового импульса накладываются друг на друга лишь частично, в силу чего произвести их совмещение одновременно во времени и пространстве невозможно.
В изобретении производится совмещение одновременно во времени и пространстве их оптических образов, формируемых с помощью явления акустооптической дифракции Римана-Ната (Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. - М.: Радио и связь, 1985). Для этого между акустической линзой и буферным стержнем введена акустооптическая система, содержащая два акустооптических канала. В данной акустооптической системе излучение монохроматического когерентного источника света с помощью первой оптической системы, состоящей из линз и зеркал, направляется в оба акустооптических канала в виде ленточных рабочих световых пучков, которые затем пропускаются через жидкость, заполняющую пространство между акустической линзой и буферным стержнем. Оба акустооптических канала расположены в одной плоскости перпендикулярно друг другу, а также перпендикулярно оси акустической линзы, и проходят через область распространения звуковых сигналов. В этой области в результате акустооптического взаимодействия звуковых волн и света в каждом акустооптическом канале генерируются диафрагмированные пучки света, амплитуда и фаза светового поля которых описывают амплитудно-фазовые характеристики звуковой волны. В изобретении используются диафрагмированные пучки первого порядка.
Для наблюдения в каждом акустооптическом канале интерференции и пространственного положения диафрагмированных световых пучков, несущих оптический образ прямого и отраженного звуковых пучков, используется вторая оптическая система, содержащая зеркала для разделения диафрагмированных пучков рабочего светового пучка в каждом акустооптическом канале на два световых потока. Первый световой поток используется для наблюдения интерференции оптических образов звуковых волн с помощью явления дифракции Фраунгофера, для чего используются сферические оптические линзы. Линзы интегрируют световые поля диафрагмированных пучков первого порядка в побочных фокусных точках, в которых расположены фотоприемники. С их помощью в обоих акустооптических каналах определяется момент во времени, когда в результате интерференции подавят друг друга оптические образы падающего и отраженного от объекта звуковых импульсов. Второй световой поток используется для регистрации пространственного положения звуковых пучков относительно оси акустической линзы. Для этого данный световой поток фокусируется цилиндрическими оптическими линзами в побочных фокусных линиях, вдоль которых расположены линейки фотоприемников. С помощью линеек фотоприемников в обоих акустооптических каналах отображаются данные о поперечных размерах оптических образов звуковых пучков и расстоянии между их осями по двум перпендикулярным направлениям. Число фотодиодов в линейках выбирается из условия достижения максимальной точности при определении размеров оптических образов звуковых пучков.
В изобретении, чтобы использовать импульсно-фазовый способ измерения расстояния до объекта, необходимо иметь данные о расстоянии между акустической линзой и буферным стержнем. Для определения этого расстояния с высокой точностью в изобретение используется известный способ (Фотева И.И. и др. Измерение толщины полупроводниковых пленок интерферометрическим методом. - «ОМП», 1975, №1, с.62), основанный на резонансном прохождении белого света через расположенные последовательно опорный и рабочий интерферометры Фабри-Перо. Для этого необходимо, чтобы произошло совмещение основного максимума спектрограммы белого света, формируемой в рабочем интерферометре Фабри-Перо, с основным или первым побочным максимумом спектрограммы белого света, формируемой в опорном интерферометре Фабри-Перо. Эти условия выполняются, когда опорный и рабочий интерферометры Фабри-Перо заполнены одинаковой оптической средой и когда расстояние между светоделительными зеркалами в опорном интерферометре Фабри-Перо равно или в два раза больше расстояния между светоделительными зеркалами в рабочем интерферометре Фабри-Перо.
op
op
Данный способ определения расстояния между акустической линзой и буферным стержнем используется в первой измерительной системе белого света. В рабочем интерферометре этой измерительной системы подвижное зеркало установлено на акустической линзе. Измерение расстояния между зеркалами в рабочем интерферометре осуществляют в два этапа. Сначала расстояние между зеркалами опорного интерферометра изменяется до величины, равной расстоянию между зеркалами в рабочем интерферометре, что фиксируется по моменту совмещения основных максимумов спектрограмм белого света, формируемых в опорном и рабочем интерферометрах. Затем расстояние между зеркалами опорного интерферометра изменяют на удвоенную величину, что фиксируется по моменту совмещения первого побочного максимума спектрограммы белого света, формируемой в опорном интерферометре, с основным максимумом спектрограммы белого света, формируемой в рабочем интерферометре. Одновременно производится подсчет числа полуволн биения, возникающих при интерференции света в измерительном интерферометре монохроматического света Фабри-Перо, т.к. расстояние между его зеркалами изменяют синхронно с изменением расстояния L между зеркалами опорного интерферометра белого света. В силу этого расстояние между зеркалами в опорном интерферометре равно L=n λ/2, где n - число полуволн биения в измерительном интерферометре монохроматического света Фабри-Перо.
В вычислительном устройстве обрабатываются данные с фотоприемников на выходе рабочего интерферометра белого света и измерительного интерферометра монохроматического света, а также данные с линеек фотоприемников в акустооптической системе формирования оптического образа звукового пучка. По результатам обработки определяются расстояние между акустической линзой и поверхностью исследуемого объекта, а также угол наклона поверхности объекта относительно направления падающего на него звукового пучка.
В предлагаемом устройстве имеется возможность динамично сканировать в двух перпендикулярных направлениях излучение и прием ультразвуковых волн, что существенно расширяет возможности при измерении геометрических параметров объекта и дефектоскопии его материала, а также при использовании в медицинских томографах для эхографической визуализации тканей организма. С этой целью в устройство во вторую полость корпуса введено акустическое зеркало, расположенное между акустической линзой и выводом для проточной жидкости. Зеркало может качаться вокруг двух взаимно перпендикулярных осей: первая ось вращения совпадает с осью акустической фокусирующей линзы, а вторая ось вращения перпендикулярна к первой оси.
Предлагаемое устройство позволяет через струю проточной жидкости измерять частоту и амплитуду вибрации поверхности объекта. Используя высокочастотный источник ультразвука, работающий в диапазоне 1-60 МГц, данные измерения можно проводить двумя способами. Первый способ заключается в измерении времени прохождения звука от акустической линзы до объекта и обратно описанным выше импульсно-фазовым способом, т.к. это время меняется в такт с частотой вибрации и зависит от ее амплитуды. Этот способ применим для измерения низкочастотных вибраций. Второй способ заключается в измерении спектра частот биений при интерференции отраженного и излучаемого звуковых сигналов, т.к. за счет эффекта Доплера частота отраженного сигнала сдвинута относительно частоты излучаемого сигнала на частоту вибрации. Этот способ применим для измерения высокочастотных вибраций. В обоих случаях используется акустооптическая система для трансформации амплитудно-фазовых параметров звуковых пучков в амплитудно-фазовые параметры диафрагмированных пучков света.
Однако при шероховатости поверхности объекта более Λ/8 происходит интенсивное рассеяние отраженного звукового сигнала, что сильно влияет на точность измерения параметров вибрации. Поэтому эти измерения в изобретении проводятся на более низких звуковых частотах, т.к. в этом случае Λ значительно больше шероховатости и, кроме того, в проточной жидкости начинают преимущественно распространяться не продольные, а объемные звуковые волны, эффективно передающие низкочастотную вибрацию. Однако на этих частотах теряются фокусирующие свойства акустической линзы и направляющие свойства акустического зеркала. Поэтому в предлагаемое устройство во вторую полость корпуса между акустическим зеркалом и выводом проточной жидкости введен низкочастотный звуковой излучатель-приемник, работающий в диапазоне от единиц Гц до 100 кГц. Данный звуковой излучатель-приемник может быть выполнен из высокоэффективного пьезоэлектрического материала в виде пластины, цилиндра или фокусирующего зеркала, в центре которых имеется отверстие. Размер отверстия обеспечивает прохождение высокочастотных звуковых волн как по направлении к объекту, так и отраженных от него. Низкочастотный звуковой излучатель-приемник соединен через коммутатор со звуковым генератором и индикатором.
С помощью низкочастотного звукового излучателя-приемника можно в случае необходимости реализовывать кавитацию проточной жидкости, например воды. В частности, при совместной работе высокочастотного и низкочастотного излучателей под действием звуковых волн низкой и высокой частоты можно реализовать стимулированную кавитацию проточной жидкости в области фокуса акустической линзы в непосредственной близости от поверхности объекта. Образующиеся при этом газовые и вакуумные пузырьки, заполняя пространство между шероховатостями поверхности объекта, будут как бы выравнивать ее и тем самым уменьшать рассеяние отраженного высокочастотного звукового сигнала. Благодаря этому можно проводить точные измерения размеров объекта даже при шероховатости поверхности более Λ/8.
Используемый в изобретение акустический способ измерения линейных перемещений объекта применяется при шероховатости его поверхности более 0,1 мкм. Когда же шероховатость меньше 0,1 мкм и требуется прецизионно анализировать профиль поверхности объекта, включая случай, когда поверхность расположена под углом к падающему на нее пучку света, в предлагаемом устройстве применяется более точный оптический способ измерения. Он основан на интерференции двух монохроматических световых пучков, один из которых фокусируется на поверхности исследуемого объекта, а другой - на опорной поверхности. При этом опорная поверхность расположена на том расстоянии и с тем же углом наклона, что и исследуемая поверхность объекта. Для реализации данного способа измерения предлагаемое устройство содержит измерительную оптическую систему типа интерферометра Захарьевского-Миро (Васильев В.Н., Гуров И.П. Компьютерная обработка сигналов в приложении к интерферометрическим системам. - СПб.: БХВ - Санкт-Петербург, 1998, с.80). Данная измерительная оптическая система включает первое светоделительное зеркало и матрицу фотоэлементов, расположенные за пределами корпуса, второе светоделительное зеркало и опорное зеркало, расположенные во второй полости корпуса в проточной жидкости, оптическую фокусирующую систему, встроенную в стенку второй полости корпуса. При этом первое и второе светоделительные зеркала и расположенная между ними оптическая фокусирующая система образуют рабочий оптический канал, ось которого проходит через акустическое зеркало и вывод для проточной жидкости, в котором данные зеркала установлены под углом 45° к оси. Второе светоделительное зеркало и опорное зеркало образуют опорный оптический канал, ось которого перпендикулярна оси рабочего оптического канала. Так как рабочий и опорный оптические каналы располагаются в проточной жидкости, в них обеспечиваются одинаковые условия для распространения световых пучков. Второе светоделительное зеркало, опорное зеркало и оптическая фокусирующая система выполнены подвижными. Возможность перемещения оптической фокусирующей системы вдоль оси рабочего оптического канала обеспечивает настройку оптического фокуса на поверхности объекта или внутри его, когда материал оптически прозрачен. Второе светоделительное зеркало имеет на поверхности три участка с прозрачным, светоделительным и зеркальным покрытием. Возможность движения этого зеркала перпендикулярно оси рабочего оптического канала обеспечивает дискретное переключение его коэффициента отражения. Опорное зеркало выполнено с возможностью перемещения вдоль оси опорного оптического канала, вращения вокруг данной оси, а также вращения вокруг оси, перпендикулярной оси опорного оптического канала. Благодаря этому поверхность опорного зеркала можно расположить на том же расстоянии и с тем же углом наклона, что и поверхность объекта. Так как акустическое зеркало расположено на оси рабочего оптического канала, оно выполнено из оптически прозрачного материала, чтобы свет проходил через него.
Излучение источника монохроматического света направляется по рабочему оптическому каналу на исследуемый объект, а по опорному оптическому каналу на опорное зеркало. Световые пучки, отраженные от объекта и опорного зеркала, интерферируют на поверхности второго светоделительного зеркала, а затем направляются первым светоделительным зеркалом на двумерную матрицу фотоэлементов, подключенную к вычислительному устройству.
Измерение величины перемещения оптической фокусирующей системы производится с помощью введенной в устройство второй измерительной системы белого света. Для этого подвижное светоделительное зеркало в составе рабочего интерферометра белого света этой измерительной системы установлено на оптической фокусирующей системе. Принцип работы данной измерительной системы белого света рассмотрен выше.
Необходимым условием точного измерения микропрофиля поверхности объекта способом интерференции двух монохроматических световых пучков, отраженных из фокусных точек на поверхности объекта и опорного зеркала, является требование, чтобы длины светового пути вдоль опорного и рабочего оптических каналов были равными. Измерение длины светового пути вдоль этих каналов производится с помощью введенной в устройство третьей измерительной системы белого света. В рабочем интерферометре белого света этой измерительной системы в качестве зеркала поочередно используются поверхность объекта и опорное зеркало. Для переключения света на опорный или рабочий оптический канал используется второе светоделительное зеркало, обладающее свойствами зеркала с дискретно меняющимся коэффициентом отражения, которое можно двигать поперек рабочей оптической оси.
Если в качестве второго светоделительного зеркала используется акустическое зеркало, то ось опорного канала совпадает с осью акустической линзы. Акустическое зеркало в данном случае имеет на поверхности три участка с прозрачным, отражающим и светоделительным покрытием, т.е. исполняет роль зеркала с дискретно меняющимся коэффициентом отражения. Совмещение этих участков с рабочим оптическим каналом производится путем движения акустического зеркала вдоль его второй оси вращения.
Когда по рабочему оптическому каналу пропускается белый свет, на втором светоделительном зеркале устанавливается либо прозрачный участок, либо участок с покрытием в виде отражающего зеркала. В первом случае измеряется длина светового пути в рабочем оптическом канале. С этой целью в третьей измерительной системе белого света производится последовательное совмещение соответствующих максимумов спектрограмм белого света опорного и рабочего интерферометров белого света, в котором в данном случае в качестве одного из зеркал используется поверхность объекта. Во втором случае измеряется длина светового пути в опорном оптическом канале. Тогда в рабочем интерферометре белого света в качестве одного из зеркал используется опорное зеркало. В обоих случаях для измерения длины светового одновременно с совмещением соответствующих максимумов спектрограмм белого света проводится подсчет числа полуволн биения в измерительном интерферометре монохроматического света, расположенном в третьей измерительной системе белого света, который синхронно перемещается с опорным интерферометром белого света этой измерительной системы.
Если поверхность объекта расположена под углом к оси рабочего оптического канала, то требуется выполнить условие равенства углов, определяющих наклон опорного зеркала к оси опорного оптического канала и наклон поверхности объекта к оси рабочего оптического канала, что достигается за счет движения и вращения опорного зеркала.
В изобретении с помощью оптического интерференционного способа можно достаточно точно измерять геометрические параметры поверхности объекта, если ее шероховатость более 0,05 мкм, а также в случае, когда поверхность объекта покрыта пленкой из светорассеивающего или светопоглощающего материала. Пленку из светорассеивающего или светопоглощающего материала, например масляную, в процессе измерения можно удалять или утончать до размера меньше λ/4 с помощью струи проточной жидкости, в которую по необходимости вводятся активные добавки, например щелочь, кислота, соль. Для усиления их воздействия может применяться явление кавитации жидкости под действием ультразвуковых волн, возбуждаемых низкочастотным звуковым излучателем. Для уменьшения рассеивающего действия шероховатости пространство между микронеровностями поверхности объекта можно временно заполнить электропроводным материалом. Для этого в проточную жидкость вводится суспензия из электропроводных частиц, например наночастиц металла или графита. В этом случае акустическую линзу и фокусирующую оптическую систему фокусируют в одной точке на поверхности объекта. Тогда под действием звука низкой и высокой частот за счет стимулированной кавитации жидкости в области фокусной точки образуются газовые и вакуумные пузырьки, захватывающие электропроводные частицы. Газовые и вакуумные пузырьки с наночастицами под действием сил радиационного давления концентрируются в области минимумов колебательной скорости звуковой волны, расположенных между шероховатостями поверхности. В силу этого между шероховатостями возрастает концентрация наночастиц. Тем самым уменьшается рассеяние отраженного от шероховатой поверхности как белого, так и монохроматического света.
Функциональные возможности предлагаемого устройства позволяют его эффективно использовать в медицинских акустических томографах в качестве ультразвукового зонда. С его помощью можно реализовать усиление звуковых волн по амплитуде внутри организма в области фокуса, что позволяет существенно повысить разрешающую способность при эхографической визуализации тканей организма. Имеется возможность перемещения области фокуса в широких пределах за счет движения акустической линзы вдоль своей оси и качания акустического зеркала вокруг двух взаимно перпендикулярных осей. Возможность передачи звуковых волн к поверхности организма через проточную воду, имеющей волновое сопротивление, сопоставимое с волновыми сопротивлениями различных видов тканей, позволяет ультразвуковой зонд быстро перемещать по кожному покрову организма и располагать под достаточно большим углом к ней. При этом обеспечивается минимальное отражение звука от кожного покрова. Значительное повышение разрешающей способности и быстродействия эхографической визуализации мягких тканей организма можно достичь при использовании двумерных матриц из предлагаемых устройств, т.к. при этом каждое устройство может устанавливаться не только вертикально к поверхности исследуемого объекта, но и под некоторым углом к ней, и принимать эхо-сигнал, вызванный излучением остальных устройств.
Для уменьшения расхода проточной жидкости в предлагаемом измерительном устройстве используется манжетка, у которой корпус выполнен в виде трубы из упругого материала, поглощающего звук. Манжетка устанавливается на выводе для проточной жидкости. Чтобы обеспечить минимальный зазор между торцовой поверхностью манжетки и объектом и, одновременно, иметь возможность изменять угол излучения или приема звука или света относительно поверхности объекта, часть корпуса манжетки выполнена гофрированной. С этой же целью торцовая поверхность манжетки, контактирующая с объектом, имеет форму, соответствующую форме поверхности исследуемого объекта. Также контактирующая торцовая поверхность манжетки может быть щеткой из упругих штифтов или вакуумными присосками, соединенными через пневматические каналы в стенках корпуса манжетки с откачным штуцером.
Заявляемое изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен вариант конструкции предлагаемого устройства, в котором бесконтактное измерение геометрических параметров объекта и дефектоскопия материала производится с помощью ультразвука.
На фиг.2 и фиг.3 схематически изображена акустооптическая система, формирующая оптические образы звуковых пучков в двух взаимно перпендикулярных акустооптических каналах. Здесь введены обозначения: а - сечение падающего на объект звукового пучка и b - сечение отраженного от объекта звукового пучка.
На фиг.4 изображен вариант конструкции предлагаемого устройства, в котором бесконтактное измерение геометрических параметров объекта и дефектоскопия материала производятся с помощью ультразвукового и светового сигналов.
На фиг.5 изображен вариант конструкции манжетки, у которой контактирующая торцовая поверхность имеет щетку из упругих штифтов.
На фиг.6 изображен вариант конструкции манжетки, у которой контактирующая торцовая поверхность имеет вакуумные присоски.
На фиг.7 схематически изображены эпюры изменения интенсивности световых сигналов на выходе каналов монохроматического и белого света в процессе изменения расстояния между зеркалами опорного интерферометра белого света Фабри-Перо, где введены обозначения: е - максимумы монохроматического света, соответствующие моментам просветления измерительного интерферометра монохроматического света, f - основной максимум белого света, s - первый побочный максимум белого света.
На фиг.8 изображены траектории пути распространения звуковых пучков для случая, когда поверхность объекта расположена под углом α/2 к падающему пучку звука, где обозначены: а - траектория пути падающего на объект звукового пучка, b - траектория пути от объекта звукового пучка, с - область взаимодействия звуковых и световых пучков.
Позициями на фигурах обозначены: 1 - ультразвуковой пьезоэлектрический излучатель; 2 - буферный стержень; 3 - высокочастотный генератор; 4 - ввод проточной жидкости; 5 - проточная жидкость, заполняющая вторую полость корпуса; 6 - исследуемый объект; 5 - вывод проточной жидкости; 8 - акустическая линза; 9 - гофрированная оболочка первой полости корпуса; 10 - жидкость, заполняющая первую полость корпуса; 11 - резервуар термостата; 12 - поршень, обеспечивающий изменение объема резервуара термостата; 13 - акустическое зеркало; 14 - низкочастотный пьезоэлектрический излучатель-приемник; 15 - устройство, содержащее коммутатор, низкочастотный звуковой генератор и индикатор; 16 - когерентный монохроматический источник света; 17, 18 - светоделительные зеркала; 19, 20 - отражающие зеркала; 21, 22 - диафрагмы; 23, 24 - схематическое изображение оптических осей акустооптических каналов; 25, 26 - сферические оптические линзы; 27, 28 - линейки фотоприемников, установленные в фокусных точках сферических оптических линз; 29 - светоделительные зеркала в каждом акустооптическом канале, направляющие первые диафрагмированные световые потоки на сферические оптические линзы; 30 - отражающее зеркало в каждом акустооптическом канале, направляющее вторые диафрагмированные световые потоки на цилиндрические оптические линзы; 31, 32 - цилиндрические оптические линзы; 33, 34 - линейки фотоприемников, установленные в фокусных линиях цилиндрических оптических линз; 35 - зеркало, направляющее свет когерентного монохроматического источника в канал монохроматического света; 36 - источник белого света; 37, 38 - подвижное и неподвижное светоделительные зеркала измерительного интерферометра монохроматического света Фабри-Перо первой измерительной системы белого света соответственно; 39 - зеркало, направляющее свет из измерительного интерферометра монохроматического света Фабри-Перо первой измерительной системы белого света в фотоприемник; 40 - фотоприемник, регистрирующий оптический сигнал на выходе измерительного интерферометра монохроматического света Фабри-Перо; 41, 42 - подвижное и неподвижное светоделительные зеркала опорного интерферометра белого света Фабри-Перо соответственно первой измерительной системы белого света; 43 - подвижное светоделительное зеркало рабочего интерферометра белого света Фабри-Перо первой измерительной системы белого света, установленное на акустической линзе; 44 - вспомогательное зеркало рабочего интерферометра белого света Фабри-Перо первой измерительной системы белого света; 45 - фотоприемник, регистрирующий оптический сигнал на выходе рабочего интерферометра белого света Фабри-Перо первой измерительной системы белого света; 46 - вычислительное устройство; 47 - первое светоделительное зеркало в рабочем оптическом канале; 48 - оптическая фокусирующая система; 49 - гофрированная оболочка второй полости корпуса, на которой установлена оптическая фокусирующая система; 50 - опорное зеркало в опорном оптическом канале; 51 - светоделительное зеркало, направляющее свет монохроматического источника в рабочий оптический канал; 52, 53 - светоделительные зеркала опорного интерферометра белого света второй измерительной системы белого света; 54 - подвижное светоделительное зеркало рабочего интерферометра белого света второй измерительной системы белого света, установленное на оптической фокусирующей системе; 55, 56 - зеркала, направляющие излучение источника белого света во вторую измерительную систему белого света; 57 - зеркало, направляющее излучение из рабочего интерферометра белого света второй измерительной системы белого света на фотоприемник; 58 - фотоприемник, регистрирующий оптический сигнал на выходе рабочего интерферометра белого света второй измерительной системы белого света; 59, 60, 61 - светоделительные зеркала подвижного блока, входящие в состав рабочего интерферометра белого света третьей измерительной системы белого света; 62 - матричный фотоприемник; 63 - гофрированная часть корпуса манжетки; 64 - щетка упругих штифтов на контактирующей с исследуемым объектом торцовой поверхности корпуса манжетки; 65 - вакуумные присоски на контактирующей с исследуемым объектом торцовой поверхности корпуса манжетки; 66 - пневматические каналы в стенках корпуса манжетки; 67 - откачной штуцер.
лж
Изображенный на фиг.1 вариант конструкции предлагаемого устройства содержит ультразвуковой пьезоэлектрический излучатель 1, закрепленный на торце буферного стержня 2. К электродам ультразвукового пьезоэлектрического излучателя 1 подводится переменное напряжение от высокочастотного генератора 3, работающего в диапазоне 1-60 ГГц. В корпусе устройства расположен ввод 4 проточной жидкости 5, например воды, которая вытекает на поверхность исследуемого объекта 6 через вывод проточной жидкости 7. Излучаемые из ультразвукового излучателя 1 звуковые волны распространяются по проточной жидкости 5 до поверхности объекта 6. Распространяющиеся в жидкости 5 звуковые волны фокусируются жидкостной акустической линзой в виде сферической оболочки 8 радиуса R. Пространство, ограниченное оболочкой 8 и буферным стержнем 2, а в поперечном направлении - гофрированной оболочкой 9, заполнено жидкостью 10, которая имеет меньшую скорость звука, чем проточная жидкость 5, и обладает большим коэффициентом акустооптического качества. Такими свойствами обладают, например, этиловый спирт и йодистый пропил. Фокусирующая оболочка 8, закрепленная на гофрированной оболочке 9, может двигаться вдоль своей оси с помощью прецизионного двигателя (на фиг.1 не показан). Связанное с движением оболочки 8 изменение объема жидкости 10 компенсируется соответствующим изменением объема резервуара термостата 11, например, путем перемещения поршня 12. Температура жидкостей 5 и 10 измеряется с помощью температурных датчиков (на фиг.1 не показаны), чтобы можно было точно определять изменение плотности и скорости звука в этих жидкостях от температуры. Для изменения направления излучения и приема ультразвуковых волн используется акустическое зеркало 13, образуемое двумя параллельными пластинами с тонким воздушным зазором между ними. Акустическое зеркало 13 расположено на пересечении оси акустической линзы 8 и оси, перпендикулярной к ней и проходящей через центр отверстия в выводе проточной жидкости 7. Акустическое зеркало 13 может качаться вокруг двух осей с помощью прецизионных двигателей (на фиг.1 не показаны). Первая ось вращения совпадает либо с осью акустического зеркала 8, либо с осью, проходящей через центр отверстия в выводе проточной жидкости 7. Вторая ось вращения перпендикулярна к первой оси.
Низкочастотный пьезоэлектрический излучатель-премник 14 используется для измерения частоты и амплитуды низкочастотных вибраций поверхности объекта 6, распространяющихся через проточную жидкость 5 в виде объемных звуковых волн, а также для создания кавитации проточной жидкости 5 в области фокуса акустической линзы 8. Излучатель 14 расположен на акустической оси между акустическим зеркалом 13 и отверстием в выводе проточной жидкости 7. Он может быть выполнен в виде пластины, цилиндра или фокусирующего зеркала, в центре которых имеется отверстие. Размер отверстия обеспечивает прохождение через него высокочастотных звуковых пучков, излучаемых из акустической линзы 8 или отраженных от объекта 6, а внешний размер излучателя и тип пьезоэлектрического материала выбираются из требования его эффективной работы в диапазоне 10-500 кГц. Излучатель 14 соединен с устройством, включающим коммутатор, низкочастотный звуковой генератор и индикатор 15.
ло1
жл
ло1
ло2
жл
ло2
Для создания оптических образов прямого и отраженного звуковых пучков используется акустооптическая система, формирующая оптический образ звуковых пучков. Приведенный вариант конструкции данной системы включает монохроматический когерентный источник света 16, светоделительные зеркала 17 и 18, отражающие зеркала 19, 20 и диафрагмы 21, 22 (данные зеркала на фиг.2 и фиг.3 не показаны). С помощью этих оптических элементов в двух акустооптических каналах 23 и 24 формируются два ленточных световых пучка, которые пропускаются через жидкость 10 в одной плоскости перпендикулярно друг другу, а также перпендикулярно акустической оси акустической линзы 8. Для этого зеркала 17 и 18, расположенные на общей оптической оси, расположены под углом 45° и развернуты вокруг оси относительно друг друга на угол 90°. Направление распространения одного из световых пучков изменяется на угол 180° с помощью зеркал 19 и 20. В каждом акустооптическом канале часть светового потока диафрагмированных пучков света, отображающего оптический образ звуковых пучков, направляется через светоделительные зеркала 29, а затем интегрируется сферическими оптическими линзами 25, 26. В побочных фокусных точках этих линз установлены линейки фотоприемников 27, 28 (см. фиг.2-3), которые отображают интерференцию оптических образов звуковых пучков в виде электрического сигнала. Чтобы фотоприемники 27, 28 были совмещены со световыми пятнами диафрагмированных пучков, фотодиоды в них располагаются с шагом λF/Λ, где F - фокусное расстояние линз 25, 26. Для регистрации пространственного положения звуковых пучков относительно оси акустической линзы 8 в обоих акустооптических каналах вторая часть светового потока диафрагмированных пучков направляется с помощью светоделительных 29 и отражающих 30 зеркал через цилиндрические оптические линзы 31, 32 на линейки фотоприемников 33, 34. Число линеек 33 и 34 соответствует числу анализируемых диафрагмированных пучков, а число фотодиодов в этих линейках выбирается из условия достижения максимальной точности при определении размеров оптических образов звуковых пучков. Чтобы линейки фотоприемники 33, 34 были совмещены со световыми пятнами диафрагмированных пучков, они располагаются с шагом λF/Λ, где F - фокусное расстояние линз 31, 32.
Точное определение расстояния между фокусирующей оболочкой 8 и буферным стержнем 2 осуществляется в интерференционной измерительной системе белого света путем совмещения соответствующих максимумов спектрограмм белого света после прохождения последовательно расположенных двух интерферометров Фабри-Перо. Данная оптическая система включает канал монохроматического света, в который направляется свет монохроматического когерентного источника 16 с помощью, например, светоделительных зеркал 17, 35, и канал белого света, в который направляется свет источника белого света 36. Канал монохроматического света образует измерительный интерферометр монохроматического света Фабри-Перо, который включает подвижное светоделительное зеркало 37 и неподвижное светоделительное зеркало 38. Из интерферометра монохроматического света Фабри-Перо пучок света направляется с помощью зеркала 39 в фотоприемник 40, подключенный к вычислительному устройству 46. Таким образом, в этом интерферометре с точностью λ/2 определяется расстояние между зеркалами 37, 38. В канале белого света световой пучок направляется в опорный интерферометр белого света, образуемый подвижным светоделительным зеркалом 41 и неподвижным светоделительным зеркалом 42. После многократного отражения от зеркал 41, 42, пучок белого света направляется через светоделительное зеркало 42 в рабочий интерферометр белого света, образуемый неподвижным светоделительным зеркалом 42 и подвижным светоделительным зеркалом 43, установленными на акустической линзе 8. Между зеркалами 42 и 43 белый свет изменяет направление распространения с помощью, например, вспомогательного отражающего зеркала 44. Подвижное зеркало 37 и подвижное зеркало 41 расположены в подвижном блоке и механически связаны, поэтому они перемещаются синхронно с помощью прецизионного двигателя (на фиг.1 не показан). Таким образом, зеркала 41, 42 и 42, 43 образуют два интерферометра Фабри-Перо, установленных последовательно в канале белого света. Спектрограмма исходного белого света формируется между зеркалами 41 и 42. Когда в результате перемещения зеркал 41 и 43 длины путей белого света между зеркалами первого и второго интерферометров белого света становятся одинаковыми, в них формируются одинаковые спектрограммы белых света. В этом случае пучок белого света проходит через зеркало 43 и попадает в фотоприемник 45, подключенный к вычислительному устройству 46. В вычислительном устройстве 46 проводится совместная обработка данных с фотоприемников 40, 45 и линеек фотоприемников 27, 28 и 33, 34. В результате вычислений с точностью до λ/2 определяется расстояние между буферным стержнем 2 и акустическим зеркалом 8, а также определяется момент взаимного гашения прямого и отраженного звуковых импульсов и их пространственное положение. По этим данным вычисляется линейное перемещение объекта 6 и угол наклона его поверхности относительно направления распространения падающих на нее звуковых импульсов. Таким же способом определяются размеры и положение дефекта в материале объекта 6.
Изображенное на фиг.4 предлагаемое устройство предназначено для бесконтактного измерения физико-технических параметров объекта с помощью интерференции ультразвука и света. Оно включает элементы устройства на фиг.1. Для проведения измерений с помощью двухлучевой интерференции монохроматических световых пучков, фокусируемых на поверхности объекта и опорном зеркале, введены следующие элементы.
Вдоль оси рабочего оптического канала расположены последовательно первое светоделительное зеркало 47 и оптическая фокусирующая система 48, которая установлена в гофрированной оболочке 49. Благодаря гофру на оболочке 49 фокусирующая система 48 может двигаться вдоль главной оптической оси с помощью прецизионного двигателя (на фиг.4 не показан). Тем самым обеспечивается настройка ее оптического фокуса на поверхности исследуемого объекта 6. За оптической фокусирующей системой 48 расположено зеркало с дискретно меняющимся коэффициентом отражения света 13. В устройстве на фиг.4 в качестве данного зеркала использовано акустическое зеркало из оптически прозрачного материала, на поверхности которого имеется три участка с прозрачным, светоделительным и отражающим покрытием. Далее расположен низкочастотный звуковой излучатель-приемник 14, соединенный с устройством 15, включающим коммутатор, генератор и индикатор. Через отверстие в выводе 7 по проточной жидкости 5 распространяются звуковые и световые пучки до поверхности исследуемого объекта 6. В опорном оптическом канале, ось которого проходит через центр зеркала 13 и совпадает с осью акустического зеркала 8, расположено опорное зеркало 50, которое может вращаться вокруг оси опорного оптического канала, двигаться вдоль нее, а также вращаться вокруг оси, перпендикулярной оси опорного оптического канала. Пучок монохроматического света от источника 16 направляется вдоль рабочего оптического канала через светоделительное зеркало 51. Зеркало 51 установлено в подвижном блоке, который вводит это зеркало в рабочий оптический канал при измерении параметров поверхности объекта 6 интерференционным способом. Отраженные от объекта 6 и опорного зеркала 50 пучки монохроматического света с помощью зеркала 13, оптической фокусирующей системы 48 и первого светоделительного зеркала 47 направляются в матричный фотоприемник 62, подключенный к вычислительному устройству 46.
Для измерения с высокой точностью перемещения фокусирующей оптической системы 48 используется вторая измерительная система белого света. В устройстве на фиг.4 данная система содержит измерительный интерферометр монохроматического света, содержащий те же оптические элементы - зеркала 35, 37, 38, 39 и фотоприемник 40, что и в устройстве на фиг.1. Во второй измерительной системе белого света опорный интерферометр белого света включает светоделительные зеркала 52 и 53, а рабочий интерферометр белого света - светоделительные зеркала 53 и 54. Причем зеркало 54 установлено на оптической фокусирующей системе 48. Белый свет источника 36 направляется во вторую измерительную систему белого света через светоделительное зеркало 55 и отражающее зеркало 56, а выходное излучение белого света направляется зеркалом 57 в фотоприемник 58, подключенный к вычислительному устройству 46.
Для измерения с высокой точностью расстояния до объекта 6 используется третья измерительная система белого света. В данной системе используются измерительный интерферометр монохроматического света (зеркала 35, 37, 38, 39 и фотоприемник 40) и опорный интерферометр белого света (зеркала 51 и 52), используемые во второй измерительной системе белого света. В третьей измерительной системе рабочий интерферометр белого света образуют оптические элементы либо зеркало 59, прозрачное покрытие на зеркале 13, поверхность объекта 6, либо зеркало 59, отражающее покрытие на зеркале 13, опорное зеркало 50. Белый свет источника 36 направляется из опорного интерферометра белого света (зеркала 52 и 53) в рабочий интерферометр белого света через подвижный блок зеркал 59, 60, 61. Выходное излучение белого света через зеркало 61 и первое светоделительное зеркало 47 направляется на матрицу фотоприемников 62, подключенную к вычислительному устройству 46.
На фиг.5 и фиг.6 изображены варианты конструкции манжеток, предназначенных для уменьшения расхода проточной жидкости в предлагаемом устройстве. Корпус манжетки выполнен в виде трубы из упругого материала, например резины. При этом часть корпуса - гофрированная 63. Контактирующая с исследуемым объектом торцовая поверхность корпуса манжетки может иметь форму, соответствующую форме поверхности объекта. Эта поверхность снабжена щеткой упругих штифтов 64 (фиг.5) или вакуумными присосками 65 (фиг.6), соединенных через пневматические каналы 66 в стенках корпуса манжетки с откачным штуцером 67, который соединяется с пневматическим насосом (на фиг.6 не показан). Манжетки устанавливаются на выводе 7 для проточной жидкости.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
При измерении линейного перемещения исследуемого объекта акустическим способом применяется конструкция акустооптического устройства, приведенная на фиг.1. Измерение проводится способом противофазного совмещения во времени и в пространстве амплитудно-фазовых характеристик двух последовательно излученных, бегущих в одну сторону импульсов звука путем прецизионного управления их амплитудой и моментом излучения в источнике ультразвука. Причем к моменту совмещения первый импульс звука должен по разу отразиться от объекта и источника ультразвука, а второй еще только излучиться из источника звука.
3
жл
жпр
лж
лж
В этом устройстве генератор 3 генерирует высокочастотные электрические колебания в диапазоне 1-60 МГц на частотах Ω=n ω, кратных частоте ω, где n=1, 2, 3, 4, 5, в виде коротких, прямоугольных импульсов, амплитуда и временной интервал между которыми регулируются с высокой точностью. Частота ω определяется размерами пластины ультразвукового пьезоэлектрического излучателя 1. Выбор рабочей частоты Ω определяется шероховатостью поверхности объекта 6 и требуемой точностью измерения (чем выше генерируемая частота, тем выше точность измерения; чем ниже генерируемая частота, тем при большей шероховатости можно измерять геометрические параметры объекта). Высокочастотные электрические колебания подводятся к электродам пьезоэлектрического излучателя 1, в котором они преобразуются в продольные механические колебания пьезоэлектрической пластины. В качестве материала пьезоэлектрической пластины целесообразно использовать ниобат лития (LiNbO), хорошо работающий на ультразвуковых частотах от 0,5 МГц до 150 МГц. Излученный пластиной 1 звуковой импульс в виде плоской, продольной волны распространяется вдоль оси буферного стержня 2. Из торца буферного стержня 2 звуковой импульс излучается в жидкость 10, заполняющую пространство фокусирующей акустической линзы. Оптимальные условия для прохождения звука из стержня в жидкость 10, а также для отражения падающего на стержень звука, обеспечиваются, когда коэффициент отражения звука по мощности порядка 0,5 (Каневский И.Н. Фокусирование звуковых и ультразвуковых волн. - М.: 1977). Это условие достигается при использовании двухслойного буферного стержня, состоящего, например, из последовательно расположенных пластин кварца и полистирола. В жидкости 10 звуковой импульс распространяется в виде плоской, продольной волны до фокусирующей оболочки акустической линзы 8. За оболочкой 8 звуковой импульс переходит в проточную жидкость 5. При этом плоский фронт продольной звуковой волны преобразуется в сферический фронт за счет преломляющего действия фокусирующей оболочки 8. Для этого необходимо, чтобы скорость звука с в жидкости 10 была меньше скорости звука с в жидкости 5, а сферическая оболочка 8 радиуса R была обращена своей выпуклостью в сторону жидкости 5. Благодаря этому звуковой импульс фокусируется в фокусной точке, расположенной от оболочки 8 на расстоянии F (Каневский И.Н. Фокусирование звуковых и ультразвуковых волн. - М.: 1977)
лж
⊥
лж
||
Размер области фокуса в поперечном (ΔF) и продольном (ΔF) направлениях равен
жпр
жпр
жпр
п
где Λ=Ω/с - длина волны звука в жидкости 5, характеризующейся плотностью ρ, d - поперечный размер звукового пучка, излученного из буферного стержня 2.
Чтобы отражение звука от оболочки 8 было минимальным и, следовательно, были минимальными дифракционные искажения фронта звуковой волны, должны выполняться условия
жл
об
об
лж
где ρ - плотность жидкости 10; c - скорость звука в материале оболочки 8 толщиной d, Г - коэффициент отражения звука от поверхности оболочки 8. При этом жидкости 5 и 10 должны минимально поглощать звук на рабочих частотах. Данным условиям удовлетворяют вода, используемая в качестве проточной жидкости 5, и этиловый или метиловый спирт или йодистый пропил, используемые в качестве жидкости 10. В качестве материала фокусирующей оболочки 8 можно использовать, например, оргстекло или полистирол.
Сферическая звуковая волна распространяется в жидкости 5 до поверхности акустического зеркала 13, которое направляет звуковую волну через отверстие в низкочастотном звуковом излучателе 14 в отверстие в выводе 7 для проточной жидкости 5. Зеркало 13 образуют две параллельные пластины с тонким воздушным зазором между ними. В качестве материала пластин можно использовать алюминий, кварц или сапфир. За отверстием в выводе проточной жидкости 7 импульс звука проходит по струе проточной жидкости 5 до поверхности объекта 6. При этом он фокусируется в области с поперечными размерами, определяемыми выражениями (2). Для обеспечения фокусировки звука на поверхности объекта 6 фокусирующую оболочку 8 акустической линзы двигают вдоль ее оси с помощью прецизионного двигателя (на фиг.1 не показан). Связанное с движением оболочки 8 изменение объема жидкости 10 компенсируется соответствующим изменением объема резервуара жидкостного термостата 11 путем перемещения поршня 12. Гофрированная оболочка 9 препятствует смешиванию жидкостей 5 и 10 при движении оболочки 8.
Для более точной установки звукового фокуса в заданной точке поверхности объекта 6 с помощью акустического зеркала 13 в некоторых пределах изменяют направление излучения и приема ультразвуковых волн. Это осуществляется путем вращения зеркала 13 вокруг его первой оси вращения, совпадающей с осью акустической линзы 8, и второй оси вращения, перпендикулярной к первой оси. Вращение зеркала 13 по обеим осям обеспечивается прецизионными двигателями (на фиг.1 не показаны).
Если звуковой импульс падает на поверхность объекта 6 вертикально, то отразившийся импульс звука возвращается к буферному стержню 2 по той же траектории. Отразившись от него, он опять направляется в сторону объекта 6 по той же траектории. При проведении измерений в момент отражения первого импульса из буферного стержня 2 излучается второй импульс. При этом в генераторе 3 осуществлено прецизионное управление амплитудой и моментом его излучения из источника ультразвука 1. Так как в жидкости 10 оба импульса движутся по одной и той же траектории с плоским фронтом звуковой волны, то они полностью накладываются друг на друга, интерферируют в противофазе и таким путем подавляют друг друга.
В случае когда поверхность объекта 6 расположена под углом к направлению распространения падающего на нее импульса звука, отраженный импульс возвращается к буферному стержню 2 по другой траектории. Но и в этом случае звуковая волна движется в жидкости 10 с плоским фронтом параллельно оси акустической линзы 8. Однако первый импульс, отраженный от буферного стержня 2, и второй импульс, излученный из него, накладываются друг на друга лишь частично. Но могут и не накладываться, если их поперечные размеры небольшие.
жпр
жпр
жпр
жл
жл
жл
жл
жл
жл
жл
жл
3
3
3
3
3
3
Поэтому в изобретении вместо совмещения звуковых импульсов одновременно во времени и пространстве, как в известном способе (Колесников А.Е. Ультразвуковые измерения. - М.: изд. Стандартов, 1970, с.62-70), применяется совмещение оптических образов звуковых импульсов. Для этого используется явление трансформации амплитудно-фазовых параметров звукового пучка в амплитудно-фазовые параметры диафрагмированных ленточных пучков света. Диафрагмированные пучки света генерируются при прохождении ленточного пучка монохроматического когерентного света через жидкость параллельно фронту звуковой волны. Это явление называется акустооптической дифракцией Римана-Ната. В изобретении используются диафрагмированные пучки света первого порядка (m=±1), потому что их амплитуда и фаза пропорциональны интегральной величине амплитуды и фазы звуковой волны в направлении прохождения ленточного пучка света. Диафрагмированные пучки излучаются в виде ленточных пучков света под углом θ=±λ/Λ к падающему пучку света, где λ и Λ - длина волны света и звука соответственно. При применении воды в качестве проточной жидкости 5, имеющей n=1,33, с=1,49·10 м/с, ρ=1,0 г/см, для заполнения объема акустической линзы 8 целесообразно использовать жидкость 10, характеризующуюся на частотах 1-60 МГц малыми потерями звука и значением волнового сопротивления ρ·c, сравнимым с волновым сопротивлением воды, а также высоким относительным коэффициентом акустооптического качества М (коэффициент М определяется относительно коэффициента акустооптического качества кварца). Таким требованиям удовлетворяют, например, этиловый спирт с М=415, n=1,37, c=1,15·10 м/с, ρ=0,79 г/см и йодистый пропил с М=1240, n=1,51, c=0,93·10 м/с, ρ=0,84 г/см. Отметим, что использование в акустооптической системе йодистого пропила позволяет реализовать динамический диапазон чувствительности предлагаемого устройства выше 80 дБ. Поэтому использование в устройстве обратного преобразования звуковой энергии в электрическую энергию с помощью пьезоэлектрика 1 можно рассматривать лишь как вспомогательное средство, т.к. реализуемый в этом случае динамический диапазон чувствительности не превышает 40 дБ.
п
п
z
у
01
02
E
E0
Е
Е
E
п
у
Е
Е0
жлин
0
п
z
В качестве примера, иллюстрирующего предлагаемый в изобретении способ измерения, рассмотрим случай, когда в жидкости 10 распространяются в одном направлении параллельно оси акустической линзы 8 (вдоль координаты х) два звуковых пучка, имеющих квадратное сечение d×d (см. также фиг.2 и фиг.3). Ось первого звукового пучка совпадает с осью акустической линзы 8, а ось второго звукового пучка смещена на d в направлении распространения (вдоль координаты z) падающего на звуковые пучки ленточного пучка света и на d в поперечном направлении (вдоль координаты у). Для первого звукового пучка начальная фаза звуковой волны равна ψ, а для второго - ψ. Пучок света падает на звуковые пучки параллельно фронту их волны плотности. Согласно (Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. - М.: Радио и связь, 1985) его поле имеет вид E(x,у,z)=Eexp{j[v·t-k·z]}, где k=2π/λ, |x|≤Δ/2, |у|≤L/2 при L>Max2(d+|d|). Поле светового пучка, прошедшего через звуковые пучки, имеет вид Е(х,у,z)=Eexp{j[ν·t-k·z-ψ(t,x,y,z)]}, где Ψ - фаза светового поля. Фаза Ψ определяется изменением показателя преломления жидкости n в пределах фронта звуковой волны. Для случая, когда фронт волны одного звукового пучка частично накладывается на фронт волны другого пучка, фаза Ψ в плоскости z=d+d описывается выражением
п
0
у
п
Здесь для участка фронта волны первого звукового пучка, не накладывающегося на фронт волны второго звукового пучка, т.е. при - d/2≤у≤d-d/2, имеем
п
0
у
п
для участка фронта волны второго звукового пучка, не накладывающегося на фронт волны первого звукового пучка, т.е. при d/2≤у≤d+d/2, имеем
у
п
0
п
и для участков фронта звуковых волн первого и второго пучков, накладывающихся друг на друга, т.е. при d-d/2≤у≤d/2, имеем
0
п
z
В этом случае в плоскости z=d+d поле диафрагмированных световых пучков m-го порядка задается выражением
m
Ех(m)
Ex
п
z
л
Ех(m)
0
Ex(m)
л
где J(µ) - функция Бесселя первого рода, Δ=Δ+mλ(d+|d|)/Λ - ширина диафрагмированного светового пучка m-го порядка, - Δ/2≤х≤Δ/2, К=2π/Λ.
Из (5)-(10) следует, что распределение амплитуды и фазы света в дифракционных пучках света, прежде всего первого порядка, отображает распределение амплитуды и фазы волн плотности в звуковых пучках. Причем это отображение происходит только в направлении, поперечном направлению распространения света (в данном случае по оси у).
z
п
у
п
0
п
z
л
0
Интересующий нас случай - пространственно-спектральное отображение интерференции волн плотности двух звуковых пучков, не накладывающихся друг на друга (при d>d и d>d), - получим, если диафрагмированные пучки пропустим через оптическую фокусирующую сферическую линзу. Полагаем, что плоскость z=(d+d), в которой формируется поле диафрагмированных световых пучков , описываемое (10), совпадает с передней фокальной плоскостью круглой тонкой линзы, а пространственно-спектральное изображение поля диафрагмированных световых пучков U(x, у) формируется в задней фокальной плоскости линзы z=2F+z. Если воспользоваться формулой Френеля и передаточной функцией тонкой сферической оптической линзы, то поля диафрагмированных световых пучков в передней и задней фокальных плоскостях этой линзы связываются функцией вида
Подставив (10) в (11), для интересующего нас случая имеем
где использовано обозначение: sinc ζ=(sinζ)/ζ.
Из (12) следует, что максимумы интенсивности поля диафрагмированных световых пучков располагаются в побочных фокальных точках оптической линзы вдоль линии, параллельной оси акустической линзы (ось х), в виде светящихся пятен прямоугольной формы. Центры пятен находятся в точках
Fу(m)
Fx(m)
а их поперечные размеры σ (по оси у) и σ (по оси х) равны
Ex
л
Чтобы пятна полей диафрагмированных пучков со смежными индексами m, например m=0 и m=±1, не накладывались друг на друга, необходимо иметь Δ>Λ/2.
д
Для обработки в вычислительном устройстве информации об оптическом отображении интерференции двух звуковых пучков необходимо интенсивность света в пятнах диафрагмированных пучков, предпочтительно, с индексом m=±1 измерить с помощью фотодетектора, ток в котором i пропорционален
д
д
д
Fу(m)
д
Fх(m)
п
д
л
Ex
д
л
где δ×δ - поперечный размер фотодетектора, удовлетворяющий δ<<σ и δ<<σ. Используя (12) и учитывая sinc(πdδ/λF)≈sinc(πΔδ/λF)≈1, имеем
y
д
л
1
2
02
01
д
у
у
Путем выбора оптимальных рабочих параметров и размеров конструктивных элементов предлагаемого устройства можно обеспечить sinc(πdδ/λF)≈1. Тогда при выполнении двух условий: µ=µ - равенство амплитуд звуковых волн у обоих импульсов звука и ψ-ψ=π - противофазное наложение их оптических образов, из (15) следует, что i=0. Таким образом, решена требуемая техническая задача - наблюдение интерференции двух звуковых пучков с помощью интерференции их оптических образов как случае, когда звуковые пучки накладываются в пространстве друг на друга (d=0), так и в случае, когда они не накладываются в пространстве друг на друга (d≠0).
Для регистрации пространственного положения звуковых пучков относительно оси акустической линзы диафрагмированные пучки необходимо пропустить через цилиндрические оптические линзы. Используя передаточную функцию тонкой цилиндрической линзы, поля диафрагмированных световых пучков в передней и задней фокальных плоскостях этой линзы связываются функцией вида
Подставив (16) в (17), имеем
где
д
Для обработки в вычислительном устройстве оптического отображения пространственного положения двух звуковых пучков необходимо распределение интенсивности света диафрагмированных пучков с индексом m=±1 вдоль фокальных линий цилиндрической линзы измерить с помощью фотодетектора, ток в котором i, согласно (15), пропорционален
у
у
Таким образом, решена требуемая техническая задача - наблюдение оптического отображения пространственного положения двух звуковых пучков как случае, когда звуковые пучки накладываются в пространстве друг на друга (d=0), так и в случае, когда они не накладываются в пространстве друг на друга (d≠0).
Для создания оптических образов прямого и отраженного звуковых пучков используется акустооптическая система формирования оптических образов звуковых пучков. Данная система работает следующим образом. Свет монохроматического когерентного источника 16 с помощью светоделительных зеркал 17, 18 и отражающих зеркал 19, 20 делится на два пучка света, которые диафрагмами 21, 22 формируются в виде двух ленточных световых пучков. Эти световые пучки пропускаются через жидкость 10 по двум акустооптическим каналам 23 и 24, расположенным в одной плоскости перпендикулярно друг другу, а также перпендикулярно оси акустической линзы 8. Для этого зеркала 17 и 18, расположенные на общей оптической оси, развернуты относительно друг друга на угол 90°, а с помощью зеркал 19 и 20 направление распространения одного из световых пучков поворачивается на угол 180°.
ло1
0жл
ло1
ожл
В каждом акустооптическом канале 23, 24 часть светового потока диафрагмированных пучков света направляется через светоделительные зеркала 29 на интегрирующие сферические оптические линзы 25 или 26. Установленные в побочных фокусных точках этих линз линейки фотоприемников 27 и 28 (см. фиг.2 и фиг.3) воспринимают оптические сигналы, отображающие интерференцию об оптических образах звуковых пучков. Чтобы фотоприемники 27, 28 отображали световые пятна диафрагмированных пучков первого порядка при работе генератора 3 на частотах Ω=n ω, кратных частоте ω, фотодиоды в них располагаются с шагом nλF/Λ, где F - фокусное расстояние линз 25, 26, Λ - длина звуковой волны на частоте ω.
ло2
0жл
ло2
Необходимые при проведении измерений данные о пространственном положении звуковых пучков относительно оси акустической линзы 8 регистрируются в обоих акустооптических каналах 23, 24 с помощью цилиндрических оптических линз 31, 32. Для этого вторая часть светового потока диафрагмированных пучков направляется на эти линзы через светоделительные 29 и отражающие 30 зеркала. Диафрагмированные пучки света фокусируются в цилиндрических линзах 31, 32 в их фокусных линиях. Распределение интенсивности света вдоль фокусных линий воспринимается соответствующими линейками фотоприемников 33, 34. Число линеек 33 и 34 в соответствии с числом анализируемых диафрагмированных пучков равно 2n. Чтобы линейки 33, 34 были совмещены со световыми пятнами диафрагмированных пучков, они располагаются с шагом nλF/Λ, где F - фокусное расстояние линз 31, 32. Число фотодиодов в линейках 33, 34 выбирается из условия достижения максимальной точности при определении размеров оптических образов звуковых пучков. Оно ограничивается существующими технологическими возможностями при создании линеек фотодиодов с минимальным пиксельным разрешением. В настоящее время получено пиксельное разрешение в 5 мкм.
сл
pp
При измерении линейного перемещения объекта 6 требуемые в этом случае данные о расстоянии между фокусирующей оболочкой 8 и буферным стержнем 2 определяются с высокой точностью с помощью измерительной системы белого света. Входящие в эту систему измерительный интерферометр монохроматического света, образуемый светоделительными зеркалами 37, 38, а также опорный интерферометр белого света, образуемый светоделительными зеркалами 41, 42, и рабочий интерферометр белого света, образуемый светоделительными зеркалами 42, 43, расположены в одной и той же оптической среде, например в воздухе. Причем расстояние между зеркалами 37, 38 всегда равно расстоянию между зеркалами 41, 42, т.к. зеркала 37 и 41, входящие в состав подвижного блока, перемещаются синхронно. Расстояние L между оболочкой 8 и буферным стержнем 2 связано с расстоянием L между зеркалами 42, 43 в рабочем интерферометре белого света через коэффициент пропорциональности k, определяемый конструктивными параметрами устройства, т.е.
op
Измерительная система белого света работает следующим образом. В исходном состоянии расстояние между зеркалами 37 и 38, равное расстоянию L между зеркалами 41 и 42, устанавливается минимальным. После этого фокусирующая оболочка 8 перемещается в положение, обеспечивающее фокусировку звуковых импульсов на поверхности объекта 6. Этот момент фиксируется в обоих акустооптических каналах 23, 24 по минимуму поперечного размера оптического образа звукового импульса, отраженного от объекта 6 с помощью линеек фотодиодов 31 и 32. Эта информация передается с фотодиодов в вычислительное устройство 46 для дальнейшей обработки.
op
op
pp
Так как в данном случае длины оптического пути белого светового пучка между зеркалами 41, 42 опорного и зеркалами 42, 43 рабочего интерферометров белого света не одинаковые, то в этих резонаторах за счет многократных отражений формируются не одинаковые спектрограммы белого света. В силу этого белый свет не выходит через зеркало 43. Перемещают подвижный блок зеркал 37 и 41 до тех пор, пока расстояние между зеркалами 41, 42 в опорном интерферометре не станет равным расстоянию между зеркалами 42, 43 в рабочем интерферометре белого света. Так как при этом в данных интерферометрах длины оптического пути белого света становятся одинаковыми, то одинаковыми будут формируемые в них спектрограммы белых световых пучков. В силу этого пучок белого света выходит через зеркало 43 и попадает в фотоприемник 45, электрический сигнал с которого поступает в вычислительное устройство 46. Тем самым в данном устройстве отмечается начальная точка отсчета расстояния между фокусирующей оболочкой 8 и буферным стержнем 2 (см. фиг.7). Подвижный блок зеркал 37, 41 продолжает перемещаться в ту же сторону до тех пор, пока в опорном интерферометре белого света расстояние L между зеркалами 41, 42 не станет равным удвоенному расстоянию между зеркалами 42, 43 в рабочем интерферометре белого света, т.е. L=2 L. В этот момент между зеркалами 42, 43 формируется первый боковой максимум спектр белого света (см. фиг.7).
0
В подвижном блоке при перемещении зеркала 41 в опорном интерферометре белого света синхронно перемещается зеркало 37 в измерительном интерферометре монохроматического света. В нем благодаря многолучевой интерференции монохроматического пучка света, периодически, в соответствии с изменением расстояния между зеркалами на величину λ/2, монохроматический свет через зеркало 38 поступает в фотоприемник 40. Следовательно, синхронно с перемещением зеркал 37 и 41 между начальной и конечной точками на вычислительное устройство 46 поступают n электрических импульсов с фотоприемника 40. В результате в устройстве 46 с точностью до λ/2 определяется изменение расстояния между зеркалами 41 и 42 и тем самым определяется величина перемещения фокусирующей оболочки 8 акустического зеркала. Данный расчет проводится по формуле
Обработка в вычислительном устройстве 46 полученных с фотоприемников 24, 25 и 30, 31 данных об интерференции оптических образов звуковых пучков и их пространственном положении позволяет совместно с данными расчета по (22) производить вычисление линейного перемещения и угла α/2 наклона поверхности объекта 6 (см. фиг.8).
При выводе расчетной формулы использовано условие
бсл
лоп
лоо
жл
жпр
л
где L - звуковой путь между вершиной фокусирующей оболочки 8 и торцом буферного стержня 2, определяемый по формуле (22); L - звуковой путь от вершины фокусирующей оболочки 8 до поверхности объекта 6; L - звуковой путь от поверхности объекта 6 до точки преломления отраженного звукового пучка на фокусирующей оболочке 8; Т - интервал времени, соответствующий моменту подавления бегущих в одном направлении двух звуковых импульсов путем изменения в генераторе амплитуды и временного интервала между импульсами высокочастотных колебаний, при этом в этот момент времени первый звуковой импульс однократно отразился от объекта 6 и буферного стержня 2, а второй импульс излучился из буферного стержня 2; р=с/c; ΔL - звуковой путь между вершиной и плоскостью, пересекающей фокусирующую оболочку 8 в точке преломления отраженного звукового пучка, определяемый по формуле
Учитывая, что
,
лоп
расчет величины L проводим по формуле
где
Расчет величины угла α проводим по формуле
бсл
п
лоп
-4
-9
В выражениях (25), (26) точность задания L составляет λ/2 точность задания Δd, ограничиваемая пиксельным разрешением линеек фотоприемников 33, 34, составляет ~10. Поэтому погрешность расчета величины L определяется точностью задания величины Т, которая определяется аппаратными возможностями измерения интервалов времени. В настоящее время с помощью современных логических элементов вычислительной техники вполне достижимо определение величины Т с точностью 10 сек.
Измерение линейного перемещения и угла наклона объекта оптическим способом производится с помощью устройства, приведенного на фиг.4. В этом устройстве измерение проводится способом интерференции двух монохроматических световых пучков, один из которых фокусируется в рабочем оптическом канале на поверхности исследуемого объекта 6, а другой - в опорном оптическом канале на поверхности опорного зеркала 50. Работа предлагаемого устройства начинается с установки в исходную позицию второй измерительной системы белого света. Для этого зеркала 59, 60 и 61, расположенные в подвижном блоке третьей измерительной системы белого света, выводятся за пределы рабочего оптического канала, а также за пределы второго рабочего многолучевого интерферометра белого света (зеркала 53, 54). Выставляется минимальное расстояние между зеркалами 37 и 38 в измерительном интерферометре монохроматического света. Одновременно минимальные расстояния, равные минимальному расстоянию между зеркалами 37, 38, устанавливаются между зеркалами 52, 53 во втором опорном интерферометре белого света и между зеркалами 53, 54 во втором рабочем интерферометре белого света, потому что они синхронно перемещаются с зеркалами 37, 38. В этом случае длины оптического пути пучков белого света между зеркалами 52, 53 и 53, 54 одинаковые, поэтому между ними формируются одинаковые спектрограммы белого света. В силу этого белый свет выходит через зеркало 54 и, отразившись от зеркала 57, попадает в фотоприемник 58, подключенный к вычислительному устройству 46. Тем самым отмечается начальная точка отсчета в процедуре перемещения оптической фокусирующей системы 49.
Затем производится настройка оптического фокуса на поверхности объекта 6 с использованием монохроматического света. На втором светоделительном зеркале 13 (играющем роль оптического зеркала с дискретно меняющимся коэффициентом отражения света) устанавливается участок с прозрачным покрытием. В рабочий оптический канал вводится подвижное зеркало 51. Тогда излучение монохроматического источника 16 направляется через зеркала 17 и 51 в рабочий оптический канал. Монохроматический пучок света проходит через первое светоделительное зеркало 47, оптическую фокусирующую систему 49 и прозрачный участок второго светоделительного зеркала 13 до поверхности объекта 6 и, отразившись от нее, проходит в обратном направлении до зеркала 47, которое направляет отраженный пучок света на матричный фотоприемник 62. В вычислительном устройстве 46, подключенном к матрице 62, фиксируется положение и поперечный размер светового пятна пучка света, отраженного от объекта 6.
После этого производится перемещение оптической фокусирующей системы 49 вдоль оси рабочего оптического канала до момента, когда на матричном фотоприемнике 62 поперечный размер светового пятна отраженного от объекта 6 пучка света станет минимальным. Это соответствует установке фокуса фокусирующей системы 49 на поверхности объекта 6.
На следующей операции производится предварительная установка в рабочее положение опорного зеркала 50. Для этого на втором светоделительном зеркале 13 устанавливается участок с зеркальным покрытием. В этом случае монохроматический пучок света проходит через первое светоделительное зеркало 47, оптическую фокусирующую систему 49 и, отразившись от зеркала 13, проходит до зеркала 50. Отразившись от него, проходит в обратном направлении до зеркала 47, которое направляет отраженный пучок света на матричный фотоприемник 62. Движениями зеркала 50 путем перемещения вдоль оси опорного оптического канала и вращения вокруг этой оси добиваются совмещения световых пятен пучков света, отраженных от поверхности объекта 6 и от зеркала 50, а затем уменьшают поперечный размер светового пятна пучка, отраженного от зеркала 50. Это производится автоматически с помощью вычислительного устройства 46, подключенного к матричному фотоприемнику 62 и управляющего работой соответствующих двигателей.
На следующей серии операций производится, во-первых, измерение величины перемещения оптической фокусирующей системы 49. Во-вторых, измерение длины оптического пути белого света между входной точкой и выходной точкой на светоделительном зеркале 59 для пучка света, отраженного от объекта 6, и для пучка света, отраженного от зеркала 50. В-третьих, зеркало 50 устанавливается в окончательное рабочее положение за счет дополнительных движений. Этому соответствует равенство длин оптического пути белого света между входной точкой и выходной точкой на зеркале 59 для пучка света, отраженного от объекта 6, и для пучка света, отраженного от зеркала 50. С этой целью подвижное зеркало 51 выводится из рабочего оптического канала. Подвижное зеркало 52 во втором опорном интерферометре белого света синхронно перемещается до момента, когда между его зеркалами 52 и 53 и зеркалами 53 и 54 второго рабочего интерферометра белого света будут формироваться одинаковые спектрограммы белого света. Тогда пучок белого света опять выходит через зеркало 54 и, отразившись от зеркала 57, попадает в фотоприемник 58. Так как подвижное зеркало 37 в измерительном интерферометре монохроматического света синхронно перемещается с зеркалом 52, на вычислительное устройство 46 синхронно с перемещением зеркал поступают импульсные электрические сигналы с фотоприемника 40. В результате в устройстве 46 с точностью до λ/2 определяется изменение расстояния между зеркалами 53 и 54 и тем самым определяется величина перемещения оптической фокусирующей системой 49.
На следующем этапе зеркала 59 и 61 подвижного блока вводятся в рабочий оптический канал, зеркало 60 этого блока вводится между зеркалами 53, 54 во втором рабочем интерферометре белого света. Для измерения длины оптической траектории между входной точкой и выходной точкой на зеркале 59 для пучка света, отраженного от объекта 6, на втором светоделительном зеркале 13 устанавливается участок с прозрачным покрытием. Зеркало 52 устанавливается в исходное состояние, соответствующее минимальному расстоянию между зеркалами 52 и 53. Затем зеркало 52 синхронно с зеркалом 37 перемещаются до момента, когда между его зеркалами 52, 53, а также между зеркалом 59 и поверхностью объекта 6, будут формироваться одинаковые спектрограммы белого света. В этом случае пучок белого света выходит через зеркало 59 и через светоделительное зеркало 61, отразившись от зеркала 47, попадает в матричный фотоприемник 62. Так как зеркало 37 синхронно перемещается с зеркалом 52, в устройстве 46 с точностью до λ/2 определяется искомая длина оптической траектории.
Для измерения длины оптической траектории между входной точкой и выходной точкой на зеркале 59 для пучка света, отраженного от опорного зеркала 50, на втором светоделительном зеркале 13 устанавливается участок с отражающим покрытием. Зеркало 52 устанавливается в исходное состояние, а затем оно и зеркало 37 синхронно перемещаются до момента, когда между его зеркалами 52, 53, а также между зеркалом 59 и зеркалом 50, будут формироваться одинаковые спектрограммы белого света. В этом случае пучок белого света выходит через зеркало 59 и через светоделительное зеркало 61, отразившись от зеркала 47, попадает в матричный фотоприемник 62. Так как зеркало 37 синхронно перемещается с зеркалом 52, в устройстве 46 с точностью до λ/2 определяется искомая длина оптической траектории.
Если длины оптической траектории между входной точкой и выходной точкой на зеркале 59 для пучков света, отраженного от зеркала 50 и от объекта 6, не совпадают, то путем дополнительных движений зеркала 50 добиваются этого равенства.
По завершении данных измерений осуществляется операция по измерению профиля поверхности объекта 6. Для этого на втором светоделительном зеркале 13 устанавливается участок со светоделительным покрытием. В рабочий оптический канал вводится подвижное зеркало 51, и излучение монохроматического источника 16 направляется через зеркала 17 и 51 в этот канал. Монохроматический пучок света проходит через первое светоделительное зеркало 47, оптическую фокусирующую систему 49 и светоделительный участок зеркала 13 до поверхности объекта 6 и проходит в обратном направлении до зеркала 47, которое направляет отраженный пучок света на матричный фотоприемник 62. Одновременно часть светового потока, отразившись от зеркала 13, проходит до опорного зеркала 50, а затем проходит в обратном направлении до зеркала 47, которое направляет отраженный пучок света на матричный фотоприемник 62. На матричном фотоприемнике 62 оба пучка света интерферируют. В вычислительном устройстве 46 фиксируется интерференционная картина, по которой производится вычисление геометрических параметров для профиля поверхности объекта 6 в соответствии с методиками работы (Васильев В.Н., Гуров И.П. Компьютерная обработка сигналов в приложении к интерферометрическим системам. - СПб.: БХВ - Санкт-Петербург, 1998). В этом же устройстве также проводится вычисление расстояния от фокусирующей оптической системы 48 до объекта 6 и угла α/2 наклона поверхности объекта относительно оси рабочего оптического канала.
л
л
Для случая когда в качестве фокусирующей оптической системы 48 используется стеклянная сферическая линза радиуса R с показателем преломления стекла n, при выводе расчетной формулы использовано условие
лз
лоп
лоо
лоо
жпр
л
л
где ΔL - световой путь между вершиной фокусирующей оболочки 8 и зеркалом 59, определяемый по формуле (22); L - световой путь от вершины фокусирующей линзы 48 до поверхности объекта 6; L - световой путь от поверхности объекта 6 до точки преломления отраженного звукового пучка на поверхности фокусирующей линзы 8; L - световой путь между зеркалами 52, 53; р=n/n; ΔL - световой путь между вершиной линзы 48 и плоскостью, пересекающей ее поверхность в точке преломления отраженного светового пучка, определяемый по формуле
Учитывая, что
,
лоп
расчет величины L проводим по формуле
где
лз
op
п
лоп
-4
В выражениях (25), (26) точность задания ΔL составляет λ/2; точность задания L составляет λ/2; точность задания Δd, ограничиваемая пиксельным разрешением матрицы фото приемников 62, составляет ~10. Поэтому погрешность расчета величины L составляет ~λ/2.
2
Дефектоскопию трещин, пустот и уплотнений в оптически непрозрачном материале исследуемого объекта можно осуществлять с помощью устройств на фиг.1 и фиг 4. Для этого используются те же принципы работы и методики, что и при измерении линейных перемещений. Отличие лишь в том, что звуковой пучок фокусируется внутри материала объекта. Если при этом используется одно устройство, то дефектоскопия проводится в режиме отраженных звуковых импульсов. Если используется два и более устройств, то дефектоскопия может проводиться одновременно в режимах просвечивающих и отраженных звуковых импульсов. Но при использовании отраженных импульсов достигается большая чувствительность, что позволяет обнаруживать дефекты, отражающие лишь 5% звуковой энергии. Возможность использовать высокие частоты, 1-60 МГц, обеспечивает разрешающую способность до 0,1 мм.
Большие возможности при исследовании конфигураций нескольких внутренних дефектов или при построении двумерных изображений сечений объекта 6 появляются при использовании комплекса из нескольких предлагаемых устройств, работающих на разных частотах, причем каждое одновременно может работать на нескольких кратных частотах. Благодаря передаче звука к объекту через струю проточной жидкости 5, их можно располагать в разных точках объекта 6 под разными углами к его поверхности. При этом можно использовать сканирование направления распространения звуковых импульсов с помощью подвижного акустического зеркала 13. Эти технические возможности позволяют использовать современные вычислительные методы обработки сложных сигналов, с помощью которых устраняются влияние паразитных эхоимпульсов, проявления рефракции при распространении звука в материале объекта и аппаратно-зависимые искажения ультразвукового сигнала. Это особенно важно при использовании предлагаемого устройства в медицинских ультразвуковых томографах как для исследования мягких тканей организма, так и для ранней диагностики заболеваний головного мозга.
С помощью предлагаемого устройства на фиг.1 и фиг.4 можно измерять частоту и амплитуду вибрации поверхности объекта. Используя высокочастотный источник звука 1, данные измерения проводятся через струю проточной жидкости 5 двумя способами. Первый способ заключается в измерении времени прохождения звука между объектом 6 и акустической фокусирующей линзой 8. В этом случае с помощью акустооптической системы, формирующей оптические образы звуковых пучков, в вычислительном устройстве 46 фиксируются моменты прохождения излученного и отраженного импульсов звука, по которым производится спектральный анализ вибрации. Частота следования звуковых импульсов должна быть значительно выше частоты вибраций, но при этом в промежутках между двумя излучаемыми импульсами должны обеспечиваться условия для затухания отраженных импульсов, в частности от буферного стержня 2. Для повышения разрешающей способности спектрального анализа вибраций используется второй способ, заключающийся в измерении спектра частот биений при интерференции отраженного и излучаемого звуковых сигналов с помощью акустооптической системы. Эти биения возникают за счет доплеровского сдвига частоты отраженного сигнала относительно частоты излучаемого сигнала, равного частоте вибрации.
3
При больших шероховатостях поверхности объекта из-за рассеяния отраженного звукового сигнала измерения проводятся на более низких звуковых частотах, 10-500 кГц, с использованием низкочастотного звукового излучателя-приемника 14, воспринимающего как продольные, так и объемные звуковые волны, эффективно передающие низкочастотную вибрацию поверхности объекта 6. Для изготовления излучателя/приемника можно использовать высокоэффективные пьезоэлектрики, например, пьезокерамику из титаната бария (BaTiO). Измерения можно проводить в непрерывном режиме при работе генератора в устройстве 15 с линейным изменением частоты. В этом случае параметры вибрации передаются через коммутатор и индикатор в устройстве 15 на вычислительное устройство 46 в виде биений, возникающих за счет доплеровского сдвига частоты между излучаемым и отраженным сигналами.
При проведении измерений физико-технических параметров неподвижного или малоподвижного объекта в предлагаемом устройстве для уменьшения расхода проточной жидкости 5 используются манжетки, которые устанавливаются на выводе 7 для проточной жидкости 5 (фиг 5 и фиг.6). Например, манжетка, имеющая на контактной торцовой поверхности корпуса вакуумные присоски (фиг.6), работает следующим образом. Выбирается манжетка, контактирующая поверхность которой имеет форму, соответствующую форме поверхности объекта 6. Манжетка устанавливается на выводе 7, и к штуцеру 67 подсоединяется через шланг откачной насос. Манжетка прижимается к поверхности объекта 6, и включается откачной насос. После присасывания манжетки измерительное устройство устанавливается под требуемым углом к поверхности объекта 6 за счет действия гофра 63, а затем в него подается через ввод 4 проточная жидкость 5.