ДЕТЕКТОР И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ
DETECTOR AND METHOD OF DETERMINING SPEED

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к детектору скорости, предназначенному для измерения скорости и направления объекта.
Предпосылки создания изобретения
Из предшествующего уровня техники известны несколько средств и способов для обнаружения скорости объекта. В одном таком способе осуществляют проецирование света с широкополосным спектром, отражающимся от шероховатой освещаемой движущейся поверхности, на маску, отпечатанную в виде регулярно расположенных непрозрачных линий. Маска наблюдается средством обнаружения. Каждый квант отраженного сигнала имеет свою собственную фазу в сравнении с произвольным опорным сигналом, и проекционная линза эффективно суммирует эти кванты в единственный сигнал, при этом полная фаза и частота связаны со скоростью поверхности. Пример этого может быть найден в Datasheet, ASCOspeed Velocity Sensors, MicroEpsilon GMBH, Lessingtrasse 14 01465 Dresden Langebruck, Germany и предшествующих системах. Хотя этим способом получают сигнал скорости, точность обусловлена сглаживанием сигнала, поскольку происходят изменения частоты, которые зависят от шероховатости поверхности, а не только от скорости поверхности. Кроме того, этим способом невозможно осуществлять измерение направления.
Кроме того, в предшествующем уровне техники в способе, известном как лазерное доплеровское измерение скорости, используют свойство когерентности лазерного света для фокусировки двух пересекающихся лазерных пучков с идентичной поляризацией в единственной опорной точке, тем самым создавая линейные и регулярно расположенные интерференционные полосы в пределах заданного измерительного объема. Объект, пересекающий измерительный объем, отражает падающий свет от полос в обратную сторону к детектору через линзовую систему. Частота сигнала связана с разнесением полос и скоростью объекта. Пример этого может быть найден в «Laser Doppler Anemometry», Pike E.R. The Engineering uses of Coherent Optics, Academic Press 1976. В случае точной геометрии лазерного пучка расположение полос является исключительно регулярным, что позволяет осуществлять точные измерения скорости. Однако невозможно определять направление перемещения, поскольку частотный сигнал является одинаковым для перемещений слева направо или справа налево. Также невозможно осуществлять определение, если путь объекта является точно ортогональным к полосам, условие, при котором образуются очень высокие частоты. В случае перемещения под углом к полосам частота будет ниже теоретического максимума благодаря умножению на косинус угла перемещения.
Сложные оптоэлектронные средства, например ячейки Брэгга, используют в системах лазерного доплеровского измерения скорости для модуляции частоты одного из двух лазерных пучков, тем самым изменяя разнесение полос на частоте модуляции. Можно определять направление слева направо или справа налево путем математической интерпретации отраженного сигнала. Этот и аналогичные способы являются сложными, дорогими и не очень конструктивно компактными, часто требующими высоких напряжений и создающими зашумленный отраженный сигнал, вследствие чего снижается точность измерений.
Для измерения скорости по осям Х и Y необходимо создавать две картины ортогональных полос и накладывать их в одном и том же измерительном объеме. Для различения по каждой оси используют различные длины волн лазеров для каждой оси, и при этом отраженный сигнал должен расщепляться и фильтроваться на каждой длине волны лазеров и затем обнаруживаться. Для измерения скорости по оси Z необходимо создавать интерферометрическую систему или дополнительно использовать блок лазерного доплеровского измерения скорости в одной плоскости с отличной длиной волны лазера, установленный на фокус измерительного объема, точно относительно объема двух плоскостей, но под заданным углом, благодаря чему обеспечивается измерение составляющей скорости по оси Z. В случае небольшого измерительного объема, возможно всего 100 мкм в диаметре, и большого рабочего расстояния, возможно больше 1 м, потребуется предельная точность.
Создание единого узла, который содержит все средства для генерации лазерного пучка на трех различных длинах волн с точным единственным измерительным объемом и при этом имеет систему модуляции (Брэгга) одного из лазерных пучков наряду с модулирующей электроникой, источниками питания высокого напряжения, тремя оптическими приемниками для различных длин волн и тремя системами обнаружения, является трудной и дорогостоящей инженерной задачей.
Сущность изобретения
Согласно первому объекту настоящего изобретения предложен способ определения скорости и направления движущегося объекта, содержащий этапы, на которых генерируют падающий пучок когерентного света; принимают отраженный свет, отражаемый от движущегося объекта, пересекающего падающий световой пучок, и формируют из отраженного света увеличенное изображение движущегося объекта; проецируют увеличенное изображение через первую оптическую маску, имеющую первую область из чередующихся непрозрачных и прозрачных участков, имеющих первое разнесение, и вторую область из чередующихся прозрачных и непрозрачных участков, имеющих второе разнесение, отличное от первого разнесения; обнаруживают световой сигнал, проходящий через оптическую маску, при этом световой сигнал содержит серию импульсов, и вычисляют скорость и направление движущегося объекта как функцию частоты сигнала и первого и второго разнесений непрозрачных участков.
Увеличенное изображение может быть дополнительно спроецировано через вторую оптическую маску, имеющую первую область из чередующихся непрозрачных и прозрачных участков, имеющих первое разнесение, и вторую область из чередующихся непрозрачных и прозрачных участков, имеющих второе разнесение, отличное от первого разнесения, при этом вторую оптическую маску поворачивают по существу на 90° относительно первой оптической маски, и при этом световой сигнал, проходящий через вторую оптическую маску, дополнительно обнаруживают, на основании чего вычисляют скорость и составляющую направления движущегося объекта относительно каждой из первой и второй оптических масок.
Увеличенное изображение может быть дополнительно введено в интерферометр, выполненный с возможностью определения скорости движущегося объекта по направлению к интерферометру. Часть падающего светового пучка может быть дополнительно введена в интерферометр в качестве опорного сигнала.
Падающий световой пучок может содержать пару пучков когерентного света, при этом один пучок поляризуют относительно другого пучка, при этом пару пучков заставляют сходиться в точке, через которую проходит движущийся объект.
Предпочтительно, чтобы первая и вторая области этой или каждой объектной маски содержали картину из равномерно разнесенных линий, и предпочтительно, чтобы когерентный свет содержал лазерный свет.
Принимаемый отраженный свет может быть пропущен через фильтр, имеющий ширину полосы частот, охватывающую частоту когерентного света.
Согласно второму объекту настоящего изобретения предложено устройство для определения скорости и направления движущегося объекта, и это устройство содержит источник когерентного света, выполненный с возможностью генерации падающего пучка когерентного света; оптическую систему формирования изображения, выполненную с возможностью приема света, отражаемого от движущегося объекта, пересекающего падающий пучок, и фокусировки отражаемого света в увеличенное изображение движущегося изображения; первую оптическую маску, через которую увеличенное изображение проецируется, при этом маска имеет первую область из чередующихся непрозрачных и прозрачных участков, имеющих первое разнесение, и вторую область из чередующихся непрозрачных и прозрачных участков, имеющих второе разнесение, отличное от первого разнесения; первый детектор света, выполненный с возможностью приема светового сигнала, проходящего через оптическую маску, при этом световой сигнал содержит серию импульсов, и вычисления скорости и направления движущегося объекта как функции частоты импульсов и разнесения непрозрачных участков оптической маски.
Устройство может дополнительно содержать расщепитель пучка, выполненный с возможностью расщепления увеличенного изображения на первое и второе изображения, при этом первое изображение проецируется через первую оптическую маску; вторую оптическую маску, имеющую первую область из чередующихся непрозрачных и прозрачных участков, имеющих первое разнесение, и вторую область из чередующихся непрозрачных и прозрачных участков, имеющих второе разнесение, отличное от первого разнесения, при этом вторая оптическая маска повернута по существу на 90° относительно первой оптической маски; и второй детектор света, выполненный с возможностью приема дополнительного светового сигнала, проходящего через вторую оптическую маску, и вычисления скорости и составляющей направления движущегося объекта относительно второй оптической маски.
Устройство может дополнительно содержать интерферометр, выполненный с возможностью приема увеличенного напряжения и определения скорости движущегося объекта по направлению к интерферометру. Часть падающего светового пучка может дополнительно вводиться в интерферометр в качестве опорного сигнала.
Источник когерентного света может быть выполнен с возможностью генерации первого и второго падающих световых пучков, при этом указанные первый и второй падающие световые пучки являются поляризованными относительно друг друга, и при этом устройство дополнительно содержит первый линзовый узел для сведения первого и второго падающих световых пучков.
Предпочтительно, чтобы первая и вторая области этой или каждой оптической маски содержали картину из равномерно разнесенных линий. Дополнительно или как вариант источник когерентного света может содержать лазер.
Краткое описание чертежей
Теперь только для наглядного варианта осуществление настоящего изобретения будет описано с обращением к сопровождающим чертежам, на которых:
фиг.1 - схематическое представление детектора скорости согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.2 - схематическое представление трехосевого детектора скорости согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.3 - пример сдвоенной частотной маски для плоскости X или Y детектора скорости из фиг.1; и
фиг.4 - схематическое представление интерферометрического узла, используемого для измерения скорости по направлению Z.
Описание изобретения
На фиг.1 схематически показан детектор скорости согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. Внутри корпуса (Е) находится источник (L) когерентного света, в предпочтительных вариантах осуществления представляющий собой лазерный источник света, который генерирует световой пучок (В). Сформированный световой пучок проходит через передающий линзовый узел (Tx), который фокусирует пучок в опорную точку (MV) вне корпуса. Первый приемный линзовый узел (Rx), имеющий общую точку фокусировки с передающим линзовым узлом, принимает свет, отражаемый от опорной точки и, следовательно, от любого объекта, проходящего через опорную точку, и пропускает отраженный свет через фильтрующий узел (F) к дополнительному приемному линзовому узлу (R). Фильтрующий узел пропускает свет только с длиной волны источника (L) когерентного света, тем самым блокируя любой нежелательный принимаемый свет с другими длинами волн. Дополнительный приемный линзовый узел фокусирует принимаемый когерентный свет на увеличивающий узел (MG), вследствие чего формируется сфокусированное и увеличенное изображение опорной точки (MV). Увеличенное изображение проецируется через маскирующий элемент (М), который наблюдается детектором (D) света. Маска включает в себя по существу прозрачную подложку, например стеклянную, на которой сформирована по существу непрозрачная картина способами, например, травления или печати.
На фиг.3 показан пример масочной картины, пригодной для использования с вариантами осуществления настоящего изобретения. Одна половина маски имеет более широко расположенные линии, чем другая половина, так что изображение, перемещающееся поперек маски слева направо, создает низкочастотный сигнал и затем сигнал более высокой частоты. В случае изображения, перемещающегося справа налево, сигнал более высокой частоты предшествует низкочастотному сигналу. Эти две частоты позволяют определять направление изображения. Формируемые частоты связаны фиксированным соотношением друг с другом и образуют сигналы, пропорциональные скорости изображения.
Устройство, схематически показанное на фиг.1, позволяет определять скорость и направление объекта, перемещающегося через опорную точку (MV), по единственной оси, перпендикулярной к оси устройства, при этом ориентация единственной оси определяется ориентацией маскирующего элемента (М). В дальнейшем варианте осуществления двухосевой детектор может быть реализован путем включения в устройство расщепителя оптического пучка, так что увеличенное изображение, выходящее из увеличивающего узла, расщепляется на два световых пучка, и каждый пучок направляется на соответствующий маскирующий элемент и связанный с ним детектор. Предпочтительно, чтобы все маскирующие элементы были идентичными, но повернутыми на 90° относительно друг друга, что позволяет осуществлять измерение скорости и направления по двум взаимно перпендикулярным осям.
Поскольку вероятно использование изобретения для измерения пролета очень мелких частиц, вероятно, с диаметром 1 мкм или меньше, и эти диаметры могут быть близкими к длине волны лазера, форма частицы в ряде случаев будет оказывать влияние на свет, рассеиваемый на ней, особенно когда свет, освещающий частицу, является линейно поляризованным, таким как лазерный свет. Если используются два лазерных пучка, сфокусированных на одну точку и пересекающихся в одной точке, но при этом один пучок имеет поляризацию, измененную на 90°, то влияние нерегулярности частиц существенно уменьшается, и при различных поляризациях подавляется формирование нежелательных интерференционных полос в пределах измерительного объема. Кроме того, облегчается задача расположения измерительного объема в свободном пространстве, поскольку два пучка разделяются на расстоянии от объема, но будут единственным круговым пятном в измерительном объеме. Вариант осуществления настоящего изобретения, имеющий эту схему, показан на фиг.2.
Аналогично устройству, показанному на фиг.1, детектор, показанный на фиг.2, содержит корпус (Е) и лазерный источник (L) света. Первый расщепитель (BS1) пучка расщепляет лазерный пучок на два параллельных пучка (В1, В2), которые фокусируются на опорную точку (MV) на приемной оси и пересекаются в ней, при этом второй пучок проходит через поляризационный элемент (Р) для изменения поляризации на 90°, оба пучка выходят из общей передающей и приемной линзы (TXRX) для обеспечения общей точки фокусировки. Свет, отражаемый от объекта в опорной точке (MV), принимается приемным линзовым узлом (R), перед которым находится интерференционный фильтр (F) на длине волны лазера для блокирования нежелательного света другими длинами волн. Увеличивающий узел (М) принимает свет от приемного линзового узла и выводит сфокусированное и увеличенное изображение опорной точки (MV). Изображение пропускается через второй расщепитель (BS2) пучка для отклонения некоторой части принимаемого изображения к оси Z интерферометрического узла, описанного более подробно ниже, и затем через третий расщепитель (BS3) пучка для формирования изображений по осям X и Y, за которым следуют маскирующие элементы (MX) и (MY) для осей X и Y, наблюдаемые детекторами (D1) и (D2) непосредственно или через дополнительные волоконно-оптические световодные узлы (F1) и (F2), так что детекторы и связанная с ними электроника могут быть установлены на удалении от оптического узла детектора скорости. Кроме того, лазерный узел (L) также может быть установлен на удалении от оптического узла детектора скорости и соединен с ним посредством волоконно-оптической линии.
Наличие первого и второго маскирующих элементов (MX, MY) позволяет определять скорость и направление движущегося объекта по перпендикулярным осям X и Y. Для выполнения соответствующих измерений по оси Z, то есть по направлению приемной оси, в состав включен упомянутый интерферометрический узел. Подходящий интерферометрический узел схематически показан на фиг.4. Интерферометрический узел имеет два входных источника света. Первый получается из второго лазерного пучка В2, отведенного от лазерного источника (L) через первый расщепитель BS1 пучка, путем использования стеклянной пластинки (AFR) с просветляющим покрытием, установленной под углом ко второму пучку В2. Она отводит около 0,25% энергии из второго пучка В2 и направляет свет через первую призму PR1 к одной половине первой линзы LS1. Он представляет собой опорный сигнал для интерферометра. Второй источник света получается от второго расщепителя BS2 пучка (фиг.2), и свет направляется через вторую призму PR2 к другой половине первой линзы LS1. Он будет принимаемым сигналом из измерительного объема MV. Затем свет обоих источников направляется первой линзой LS1 ко второй линзе LS2, комбинация которых уменьшает расстояние между двумя источниками и восстанавливает их в качестве источников параллельного света. Эти сигналы затем пропускаются к сдвоенной щели SL1, формирующей пересекающиеся волновые фронты, поскольку энергия, проходящая через щели, интерферирует. После этого сигналы волновых фронтов направляются третьей линзой LS3 к дополнительному сдвоенному волоконно-оптическому кабельному узлу F3 и затем на два электронных детектора. Разнесение щелей в сдвоенной щели SL1 связано с длиной волны лазера, и создается уникальная картина сигналов, поскольку фаза двух входных сигналов изменяется относительно друг друга, что вызвано освещенным объектом, перемещающимся по направлению Z в пределах измерительного объема MV. Эта уникальная картина может быть обработана для получения направления объекта, а скорость изменения волнового фронта, когда он проходит через щели, может быть обработана для получения скорости объекта.
В трехосевом детекторе, показанном на фиг.4, для представления полностью однородного волнового фронта интерферометрическому устройству важно, чтобы световой сигнал, выходящий из увеличивающего узла (М), не формировал когерентного изображения на втором расщепителе (BS2). Протяженный криволинейный оптический путь в оптическом блоке (ОВ) используется для создания изображения и представления его к маскам (MX) и (MY).
Кроме того, для поддержания точности измерений важно, чтобы взятый в целом приемный узел (TXRX, F, R, M, BS2, OB, BS3) формировал высококачественное, геометрически не искаженное изображение на длине волны лазера и чтобы маски (MX) и (MY) были подобными, с высокой геометрической точностью. Увеличивающий узел (М) регулируют для представления сфокусированного изображения объекта на отпечатанные поверхности масок (MX) и (MY) с соблюдением надлежащего размера изображения.
В настоящем изобретении исключена большая часть сложностей, связанных с системами лазерного доплеровского измерения скорости с несколькими пучками в нескольких плоскостях, и поэтому при высокой точности значительно снижается стоимость. В наиболее сложной форме оно обеспечивает измерение скорости по трем осям из единственного корпуса. Однако также можно создавать блоки для двух плоскостей (X и Y (X или Y) и Z) и для одной плоскости (X, Y или Z).
Использование источника когерентного света позволяет создавать точный измерительный объем, поскольку характеристиками пространственной и временной когерентности такого света, и в частности лазерного света, гарантируется заданный диаметр фокусировки и протяженность измерительного объема. Кроме того, поскольку система формирования изображения осуществляет фокусировку точно в измерительный объем, единственный световой пучок может использоваться даже при измерениях по нескольким осям, что очень выгодно по сравнению со сложностью и стоимостью системы лазерного доплеровского измерения скорости с шестью лазерными пучками согласно предшествующему уровню техники. Соответственно измерительный объем будет определяться взаимодействием двух оптических систем.
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения обе траектории лазерных пучков находятся вне поля зрения приемной оптики, за исключением измерительного объема. Это является предпочтительным, когда производится поиск очень небольших частиц, поскольку чувствительность детектора должна быть обязательно очень высокой. Если световой пучок пересекает поле зрения приемника, случайные частицы, пересекающие любой пучок на расстоянии от фокуса, могут создавать шумовой сигнал, который может отклоняться на детекторы, что порождает паразитные сигналы.
Для осей X и Y точность измерений детектора скорости определяется только геометрической точностью приемной оптики и линейностью картин, отпечатанных на масках. Точность 0,1% или выше можно получать, используя известные способы осаждения и изготовления. Для оси Z точность определяется главным образом стабильностью длины волны лазера, которая может быть очень высокой.