Лазерный интерферометр с абсолютным отсчетом измерения

Капезин С.В., Базыкин С.Н., Базыкина Н.А. ЛАЗЕРНЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР С АБСОЛЮТНЫМ ОТСЧЕТОМ ИЗМЕРЕНИЯ

Перспектива развития акустооптических лазерных интерферометров заключается, в основном, в достижении ими как можно большего количества выполняемых функций. В настоящее время методы измерения линейных размеров лазерными интерферометрами перемещений, несмотря на высокую точность измерений, обладают некоторым эксплуатационным недостатком. Длина волны лазерного излучения измеряется долями и единицами микрометров, поэтому для измерения размеров в пределах единиц и десятков метров требуется последовательное накопление в процессе движения подвижного отражателя целых и дробных долей периода изменения фазы световой волны. Случайные помехи, перекрытия светового луча во время измерения приводят к потере измерительной информации. В результате процесс измерения необходимо повторять. Это отрицательно сказывается на производительности процесса измерения. Поэтому необходима лазерная измерительная система с абсолютным отсчетом измерения. Пространственный период однозначности лазерных измерительных систем определяется длиной волны света X. Увеличение пространственного периода однозначности отсчета возможно за счет использования излучения с большей длиной волны. Но увеличение длины волны оптического излучения уводит частотный спектр оптического излучения в инфракрасную область, что накладывает определенные трудности, связанные с юстировкой и контролем оптической схемы.

Увеличение периода однозначности возможно получить, используя явление взаимодействия двух когерентных электромагнитных колебаний, имеющих разные пространственные периоды (Хх и Х2). Предлагаемая схема представлена на рисунке 1. Нахождение определенной точки в пределах периода однозначности определяется как разность абсолютных мгновенных значений фаз двух измерительных сигналов с соответствующих фотоприемников.

В интерференционных методах увеличение периода однозначности также возможно при взаимном гетеро-динировании двух одинаковых по частоте волн, одновременно распространяющихся по наклонным направлениям по отношению к направлению линии измерения [2].

Излучение лазера 1 (рисунок 1) коллимируется оптической системой 2 и пропускается через акусто-оптический модулятор 3. В схеме используются разночастотные оптические пучки, названные ”0” и ”+1” порядками, которые распространяются под углом дифракции друг к другу и имеют разные временные частоты, отличающиеся на величину частоты сигнала возбуждения в акустооптическом модуляторе. Эти пучки направляются на отражатель и, отражаясь от него, снова пропускаются через акустооптический модулятор, подвергаясь вторичной дифракции. Пучок ”+1” дифракционного порядка после вторичной дифракции получает дополнительный частотный сдвиг на величину Е = 8,0МГц и угловой наклон а, совпадающий с направлением ”0”-го пучка. Эта пара пучков направляется через собирающую линзу 5 на фотоприемник 7. Световые волны описываются выражениями [1]:

Ь

/0 = I\ sin I v0t + 4^-

I+1 = I2 sin

(v0 + 2F )t + 4kL cos— X

где Ь - расстояние от акустооптического модулятора до отражателя; Е- частота возбуждения в акустооптическом модуляторе; X- длина волны света.

На выходе фотоприемника выделяется сигнал разностной частоты

U = Um cos І 2Ft + 4 ^LX cos

Рисунок 1 Схема с увеличенным периодом однозначности

Смещение этого сигнала по фазе на период соответствует изменению положения отражателя по линии измерения на расстояние

l = x

2 •

Таким образом, пространственный период однозначности данной схемы определяется по выражению (3). Изменяя частоту возбуждения сигнала в акустооптическом модуляторе, можно варьировать значением периода однозначности, так как

. ХЕ а = атеэт---

Суз

где Суз - скорость распространения ультразвуковой волны в акустооптическом модуляторе.

Изменяя частоту возбуждения в акустооптическом модуляторе в пределах от 6 до 9 МГц, период однозначности изменяется от 105 до 45 мм.

Предложенный метод позволяет измерять перемещения подвижных объектов в абсолютном режиме по имеющимся реперным точкам. Измерения между реперными точками проводится обычным способом с использованием лазерного интерферометра перемещений. В случае воздействия случайных помех во время проведения

измерения нет необходимости проводить процесс заново. В этом случае возобновляют процесс измерения перемещений подвижного объекта от ближайшей реперной точки, пройденной этим подвижным объектом.

ЛИТЕРАТУРА

1. Коронкевич В.П., Ханов В.А. Лазерная интерферометрия. Новосибирск.: Наука. 1984 - 102 с.

2. Телешевский В.И. Основы теории и принципы построения акустооптических измерительных систем высокоточных станков. Автореферат дис. на соис. уч. ст. д.т.н. Москва, 1980.