ЛАЗЕРНЫЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ
LASER DOPPLER DISPLACEMENT MEASURING DEVICE

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к бесконтактному измерению деформаций твердого тела и микроподвижек в механических системах, и может быть использовано для исследования механических свойств материалов (пластических деформаций, ползучести, разрушения) при одноосных условиях нагружения.
Известен лазерный доплеровский анемометр, содержащий лазер, светоделитель, фокусирующую систему, фотоприемник, блок обработки сигнала и размещенный на пути одного из лучей фазовый модулятор (см. статью "Лазерный доплеровский анемометр для измерения сверхмалых скоростей" в журнале "Измерительная техника", 1986, №5, с.18-30). Величина перемещения при этом может быть вычислена путем интегрирования измеренных значений скорости перемещения.
Недостатком известного устройства является сужающая его функциональные возможности низкая точность измерения сверхмалых скоростей деформаций в реальном масштабе времени, так как на определяемый доплеровский сдвиг частоты влияют фазовые флуктуации сигнала, возникающие вследствие того, что отраженный от реально шероховатой поверхности объекта сигнал формируется случайным ансамблем рассеивателей, вследствие чего доплеровский сигнал оказывается флуктуирующим по фазе.
Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является лазерный доплеровский одноточечный деформометр, который содержит лазер, светоделитель, фазовый модулятор, фотоприемник, на выходе которого образуется сигнал, содержащий компоненту доплеровского сдвига частоты. Это устройство использует пространственно-временную обработку сигнала. По доплеровской компоненте сигнала после обработки в процессоре вырабатывается сигнал обратной связи, который управляет параметрами блока модулятор-сканатор так, чтобы обеспечить нулевое значение фазы этой доплеровской компоненты (см. статью А.Н.Мохеля и др. «Первый опыт применения лазерной технологии для определения анизотропии напряженного состояния нефтяных пластов». Сборник статей «Высоковязкие нефти, природные битумы и остаточные нефти разрабатываемых месторождений». Труды научно-практической конференции VI международной специализированной выставки «Нефть, газ - 99», Казань, 8-9 сентября 1999 г., том II, Казань «Экоцентр» 1999, стр.286-293).
Недостатками известного устройства являются непроработанность конструкции последнего, невозможность проведения измерений при температуре выше 1000°С и влияние размещения измеряемого объекта на точность измерений, зависимость конструктивного решения устройства от измеряемого объекта.
Заявляемое изобретение направлено на расширение функциональных возможностей устройства, обусловленных в первую очередь повышением точности измерений сверхмалых перемещений в реальном масштабе времени, чем это возможно с использованием прототипа.
-3
Доплеровский измеритель перемещений обеспечит высокую оперативность и производительность исследований, позволяя в процессе эксперимента быстро выбирать для наблюдений различные точки объекта, высокую точность измерений (до 0,2 мкм), возможность измерений не только перемещений, но и скорости перемещений вплоть до крайне низких скоростей (порядка 0,5·10 мкм/с), возможность работы при температурах объекта до 1200°С и более через оптические прозрачные окна. Кроме того, прибор компактен, что позволяет удобно разместить его на стенде или укомплектовать им действующие машины для испытания материалов.
Указанный результат достигается тем, что лазерный доплеровский измеритель перемещений, содержащий лазер, светоделитель, фазовый модулятор, размещенный на пути одного из лучей светоделителя, фокусирующую линзу, фотоприемник и сканатор, дополнительно содержит установленные на пути одного из лучей светоделителя и луча с фазового модулятора поворотные зеркала, установленную между фокусирующей линзой и фотоприемником приемную линзу, при этом выход фотоприемника связан через полосовой фильтр с одним из входов фазового детектора, а второй вход фазового детектора связан через фазовращатель с синхронизатором, который также связан с фазовым модулятором, и, кроме того, фазовый детектор связан с интегратором, который цепью обратной связи соединен с приводом сканатора, на котором установлены поворотные зеркала, фокусирующая и премная линзы и фотоприемник, в совокупности образующие сканатор.
Отличительными признаками заявляемого изобретения являются:
- введение в устройство сканатора и привода сканатора, в виде размещенных на приводе сканатора двух наклонных зеркал, фокусирующей и приемной линз и фотоприемника;
- соединение привода сканатора с фотоприемником цепью обратной связи через полосовой фильтр, фазовый детектор и интегратор.
Сканатор обеспечивает направление обоих зондирующих лучей в одну и ту же область на поверхности объекта, тем самым обеспечивается неизменность ансамбля рассеивателей в процессе слежения за движением поверхности. Это означает, что измерения производятся в путевой (Лагранжевой) системе координат.
Наклонные зеркала в предложенном варианте сканатора должны быть расположены таким образом, чтобы при перемещении сканатора не возникала разность оптических путей двух световых лучей, сводящихся в исследуемой точке объекта, так как в противном случае возникнет дополнительная погрешность измерений.
Сущность заявляемого лазерного доплеровского измерителя микроперемещений поясняется графическими материалами. На фиг.1 представлена структурная схема измерителя, на фиг.2. - вариант оптической схемы фазового модулятора, фиг.3. поясняет принцип формирования доплеровского сигнала, а на фиг.4 представлен вид сигнала на выходе фазового детектора при разомкнутой петле обратной связи.
Устройство содержит лазер 1, светоделитель 2, фазовый модулятор 3, сканатор 4, состоящий из наклонных зеркал 5 и 6, фокусирующей линзы 7, приемной линзы 8 и фотоприемника 10; сканатор 4 снабжен жестко связанным с ним линейным приводом 16, который через цепь обратной связи, включающей полосовой фильтр 11, фазовый детектор 3 и интегратор 15, связан с фотоприемником 10.
Устройство содержит также синхрогенератор 13, непосредственно соединенный с фазовым модулятором 3, а через фазовращатель 14 с фазовым детектором 12. Фазовый модулятор состоит из подвижного зеркала 17, жестко закрепленного на одной из обкладок пьезокерамического элемента 18, вторая обкладка которого жестко соединена с корпусом устройства, и зеркала 19, стоящего на пути луча, отраженного от подвижного зеркала 17.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Луч лазера 1 делится на два луча с помощью светоделителя 2 (например, делительного кубика). Далее эти лучи направляются на фокусирующую линзу 7, причем первый луч предварительно изменяет свое направление с помощью первого наклонного зеркала 5, а второй вначале проходит через фазовый модулятор 3 и отклоняется вторым наклонным зеркалом 6. Далее прошедшие фокусирующую линзу 7 лучи сводятся в зондируемой (измеряемой) точке или области исследуемого объекта 8.
В зондируемой (измеряемой) точке или области исследуемого объекта 8 в результате интерференции лучей образуется полосообразное распределение интенсивности I светового поля, как это показано на фиг.3. При движении объекта вдоль оси X относительно положения лучей в рассеянном неоднородностями поверхности излучении будет присутствовать доплеровская компонента с частотой F=2Usinα/2/L; где:
U - скорость объекта, L - длина волны излучения лазера, α - угол между лучами.
Часть рассеянного излучения (в соответствии с индикатриссой рассеяния поверхности) с помощью фокусирующей линзы 7 и приемной линзы 9 воспринимается фотоприемником 10. Однако в рассеянном излучении кроме полезной доплеровской компоненты (несущей информацию о движении объекта) содержатся также мешающие составляющие от постоянной засветки и низкочастотной части спектра огибающей сигнала (так называемого спектра пьедестала).
Для осуществления эффективного выделения (фильтрации) доплеровской компоненты сигнала применяется сдвиг спектра сигнала в частотной области на величину частоты вводимой модуляции. Так же, как и в прототипе, в предлагаемом устройстве используется фазовая модуляция одного из зондирующих лучей.
В предлагаемом изобретении используют гармоническую фазовую модуляцию, полученную с помощью фазового модулятора 3, питаемого синхронизатором 13, хотя могут быть использованы и другие формы модулирующего сигнала.
В результате на выходе фотоприемника 10 полезная компонента сигнала будет сконцентрирована вблизи частоты модуляции f, и после фильтрации полосовым фильтром 11 эта компонента демодулируется с помощью фазового детектора 12, на второй вход которого поступает сдвинутый на π/2 с помощью фазовращателя 14 сигнал от синхронизатора 13.
Поскольку реальная поверхность объекта в электродинамическом приближении будет представлять собой ансамбль случайно расположенных центров рассеяния (фасцетов), то доплеровский сигнал будет представлять собой некоторую сумму сигналов с одной и той же доплеровской частотой, но со случайными амплитудами и фазами. Такой сигнал будет уже не периодическим, а квазипериодическим, т.е. сигналом с флуктуирующей фазой (см. фиг.4). Именно поэтому широко известные варианты обработки доплеровского сигнала, сводящиеся к измерению частоты при малом количестве доступных для обработки периодов сигнала, которые имеют место при малых скоростях перемещений объекта, дают низкие точности измерений, поскольку не работает механизм усреднения по достаточному количеству периодов сигнала.
Принцип измерения перемещения X объекта 8 в предлагаемом устройстве заключается в следующем. Если предположить, что в течение некоторого малого интервала времени обратная связь с выхода интегратора 15 на привод сканатора 16 будет разорвана, то при движении объекта 8 на выходе фазового детектора 12 появится доплеровский сигнал (см. фиг.4) как функция относительного перемещения. При этом ансамбль рассеивателей в измерительной области будет все время оставаться одним и тем же, поэтому не периодичность доплеровского сигнала, вызванная фазовыми флуктуациями, не будет влиять на точность измерений. Тем самым будут достигнуты преимущества заявляемого изобретения по отношению к известным устройствам: повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей, в том числе и за счет возможности работы в реальном масштабе времени.
Фазовый модулятор функционирует следующим образом. Один из лучей светоделителя 2 попадает на подвижное зеркало 17, закрепленное на пьезокерамическом элементе 18, которое перемещается в нормальном по отношению к своей поверхности направлении при приложении напряжения к пьезоэлементу. Тем самым изменяется длина пути одного из лучей, а следовательно, и фаза электромагнитного колебания. Далее луч поступает в сканатор 4.
Техническая реализация описанного измерителя и его испытания показали возможность достижения точности измерения перемещений на уровне 0,2 мкм, а скоростей перемещений - на уровне 0,5 нм/с при измерениях в реальном масштабе времени.