ЛАЗЕРНЫЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ ДАТЧИК СКОРОСТИ ПЕРЕМЕЩАЕМОГО ОБЪЕКТА
LASER DOPPLER SENSOR OF VELOCITY OF MOVING OBJECT

Устройство относится к измерительной технике и предназначено для получения электрических сигналов, частота которых пропорциональна скорости перемещаемых объектов. Оно может быть использовано в системах измерения скорости и длины перемещаемых объектов.
Лазерные измерители скорости и длины, разработанные на основе лазерных доплеровских интерференционных преобразователей (датчиков скорости), не имеют механического контакта с объектом перемещения и обеспечивают возможность дистанционных измерений скорости и длины с высокой точностью. Согласно [1-5] структурная схема подобных измерителей содержит лазерный доплеровский датчик скорости и сигнальный процессор для обработки выходного сигнала датчика, поскольку выделение и обработка доплеровской частоты являются сложной задачей. В настоящей заявке рассматривается первый элемент структурной схемы упомянутых выше измерителей - лазерный доплеровский датчик скорости.
Известен лазерный доплеровский измеритель скорости [6], содержащий лазер, расщепитель лазерного пучка, киноформный объектив, выполняющий одновременно роли фокусирующего и приемного объективов, фотоприемник и электронный блок измерения скорости. Соавтором указанного изобретения является автор предлагаемого устройства.
Известен лазерный доплеровский интерференционный преобразователь скорости [4], который содержит лазер, коллимированный пучок которого расщепляется светоделительной призмой на два пучка. Пересекаясь на поверхности контролируемого объекта, эти пучки образуют интерференционную картину. Излучение, рассеянное неоднородностями на поверхности объекта, собирается приемной оптикой и преобразуется фотоприемным устройством в электрический сигнал, частота которого пропорциональна скорости движения объекта.
Известен лазерный доплеровский интерференционный преобразователь скорости движущихся объектов [7], содержащий оптически согласованные лазер, коллиматор, акустооптическую ячейку лазерного пучка, фокусирующий и приемный объективы, генератор частоты для управления акустооптической ячейкой, фотоприемник с усилителем доплеровской частоты, квадратурный смеситель и два низкочастотных фильтра. Этот преобразователь является наиболее близким техническим решением по отношению к заявляемому устройству. Частота выходных сигналов низкочастотных фильтров преобразователя пропорциональна скорости движения объекта. Измеряя выходные частоты лазерного датчика (обрабатывая доплеровский сигнал) с помощью предназначенного для этих целей сигнал-процессора (второй элемент структурной схемы [1-5]) доплеровского сигнала счетно-импульсного или следящего типа, можно определить скорость перемещающегося предмета (объекта).
Рассмотренные выше датчики доплеровского сигнала имеют общий недостаток. Этот недостаток проявляется в том, что в зависимости от расположения интерференционной решетки относительно поверхности перемещаемого объекта доплеровский сигнал таких датчиков может исчезать [1]. Пропадание сигнала вызвано тем, что доплеровский сигнал на фотоприемнике представляет собой сумму гармонических колебаний одной частоты, но с разными фазами и изменяющимися амплитудами и, следовательно, возможен случай, когда суммарная амплитуда сигнала может быть ниже некоторого порога, при котором обеспечивается работа следящего фильтра-процессора. При непрерывном перемещении объекта отсутствие доплеровского сигнала кратковременно. Следящий фильтр-процессор в течение этого времени хранит значение скорости объекта, предшествующее моменту исчезновения сигнала (этот режим заложен во многих известных нам процессорах обработки доплеровского сигнала). Поэтому погрешности измерения скорости движущихся объектов минимальны. Если же объект перемещения останавливается на продолжительное время и доплеровский сигнал в это время отсутствует, то такая ситуация приводит к существенному увеличению погрешности измерений скорости, а в некоторых случаях и невозможности измерения скорости.
В предлагаемом лазерном доплеровском датчике скорости указанный недостаток устраняется за счет введения устройства, обеспечивающего непрерывные колебательные движения сформированной интерференционной решетки интенсивности относительно объекта перемещения. Это приводит лишь к кратковременному исчезновению доплеровского сигнала даже в момент остановки объекта перемещения и этим обеспечивается прецизионное измерение скорости.
Точное измерение скорости достигается благодаря тому, что в лазерном доплеровском датчике скорости на оптическом пути между перемещаемым объектом и фокусирующим объективом дополнительно установлено зеркало, закрепленное на электромеханическом вибраторе, который управляется генератором низкочастотных электрических колебаний.
Предлагаемый лазерный доплеровский датчик скорости перемещаемого объекта содержит оптически согласованные лазер, коллиматор, акустооптический расщепитель лазерного пучка, фокусирующий и приемный объективы, фотоприемник рассеянного от объекта лазерного излучения. Он включает также квадратурный генератор частоты для управления акустооптической ячейкой (акустооптический расщепитель лазерного пучка), соединенный первым выходом с управляющим входом акустооптического расщепителя лазерного пучка, первый и второй смесители, первые входы которых подключены соответственно ко второму и третьему выходам высокочастотного квадратурного генератора гармонических колебаний, при этом вторые входы смесителей соединены вместе и подключены к выходу фотоприемника, а выход каждого смесителя подключен к входу своего фильтра низких частот доплеровской частоты. Помимо этого в заявляемое устройство дополнительно введены электромеханический вибратор с закрепленным на нем зеркалом и подключенный к электромеханическому вибратору низкочастотный генератор электрических колебаний.
Новыми (относительно прототипа [7]) предложенными элементами устройства являются электромеханический вибратор с закрепленным на нем зеркалом, расположенным на оптическом пути между фокусирующим объективом и перемещаемым объектом, и низкочастотный генератор электрических колебаний для управления перемещением электромеханического вибратора.
Принципиально новым техническим решением является введение в схему датчика скорости устройства (электромеханический вибратор с закрепленным на нем зеркалом, низкочастотный генератор электрических колебаний), обеспечивающего возможность получения доплеровского сигнала непрерывно, независимо от скорости перемещения объекта. Электрические колебания генератора преобразуются в механические колебания зеркала таким образом, что решетка интенсивности совершает возвратно-поступательные движения относительно направления перемещения объекта. Это обеспечивает получение доплеровского сигнала даже в том случае, когда объект перемещения остается неподвижным. Поскольку в том положении, где доплеровский сигнал пропадает, интерференционная решетка не задерживается на длительное время, становится возможным следить за доплеровской частотой, запоминая ее значение, предшествующее моменту пропадания сигнала. Хранение значения доплеровской частоты осуществляет запоминающее устройство в блоке обработке (следящем сигнальном процессоре).
Введение новых элементов и связей между ними улучшает технические характеристики датчика: повышается точность измерения скорости перемещаемого объекта, появляется возможность проводить измерение скорости перемещений даже в моменты остановки объекта, когда исчезает доплеровский сигнал.
На чертеже представлена схема лазерного доплеровского датчика скорости перемещаемого объекта. Датчик содержит оптически согласованные лазер 1, коллиматор 2, акустооптический расщепитель 3 лазерного пучка, фокусирующий 4 и приемный 5 объективы, поворотное зеркало 6, электромеханический вибратор 7 и объект перемещения 8. Он включает также фотоприемник 9, оптически связанный с приемным объективом, низкочастотный генератор 10 электрических колебаний, подключенный к электромеханическому вибратору. Кроме того, лазерный доплеровский датчик скорости объекта перемещения содержит высокочастотный квадратурный генератор частоты 11, первый 12 и второй 13 смесители сигналов фотоприемника и сигналов высокочастотного квадратурного генератора гармонических колебаний, а также первый 14 и второй 15 фильтры нижних частот. На чертеже символы L и ΔL расположены над стрелками, показывающими направления перемещений объекта и вибратора с зеркалом.
Работает лазерный доплеровский датчик скорости перемещаемого объекта следующим образом.
Световой пучок лазера 1, пройдя через коллиматор 2, расщепляется акустооптической ячейкой 3 на два пучка, которые направляются фокусирующим объективом 4 на поворотное зеркало 6, отражаясь от которого они пересекаются на поверхности перемещаемого объекта 8. В месте пересечения пучков образуется интерференционная решетка с постоянным периодом, которая совершает возвратно-поступательные движения относительно объекта перемещения благодаря вибратору 7. Амплитуда вибраций ΔL задается генератором электрических колебаний синусоидальной или треугольной формы и должна быть равной нескольким периодам оптической интерференционной решетки
где λ - длина волны лазера 1, n>10 - число периодов интерференционной решетки, 2Θ - угол, под которым пересекаются пучки лазера на перемещаемом объекте.
Частота вибраций не должна превышать единиц килогерц. Излучение, рассеянное движущимся объектом, собирается приемным объективом и преобразуется фотоприемным устройством 9 в электрический сигнал, частота которого изменяется относительно частоты смещения, заданной и равной частоте сигнала, питающего акустооптическую ячейку. Значение частоты на выходах низкочастотных фильтров определяется в соответствии с выражением
где V - суммарная скорость движения объекта перемещения и интерференционной решетки относительно этого объекта. Сигнал, рассеянный от отраженной поверхности, поступает на фотоприемник 9. Этот сигнал поступает на первые входы смесителей 12 и 13, на вторые входы которых поступают квадратурные сигналы с выходов высокочастотного генератора 11 гармонических колебаний. Смесители 12 и 13 осуществляют, во-первых, перенос спектра сигнала фотоприемного устройства в область сравнительно низких частот, а во-вторых, формируют на своих выходах две, сдвинутые по фазе на четверть периода (Sin-, Cos-), квадратурные составляющие доплеровского сигнала, выделяемые на низкочастотных фильтрах 14 и 15. Эти сигналы после низкочастотных фильтров в дальнейшем поступают на сигнальный процессор.
Введенный электромеханический вибратор с зеркалом, управляемый генератором низкочастотных колебаний, обеспечивает, даже при остановке объекта на длительное время, лишь кратковременное пропадание доплеровского сигнала, что и гарантирует нормальный процесс измерения скорости.
Работоспособность предлагаемого датчика скорости и его высокие метрологические характеристики экспериментально подтверждены в Институте автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН.
Литература
1. В.П.Коронкевич, B.C.Соболев, Ю.Н.Дубнищев. Лазерная интерферометрия. Наука, Сибирское отделение, Новосибирск, 1983.
2. Лазерные интерферометры. Новосибирск: ИАиЭ СО АН СССР, 1978.
3. Патент США №4715706, выданный 29.12.1986 г., МКИ G01C 3/08.
4. Э.Г.Звенигородский, Ю.Д.Каминский, С.Ю.Проскуриев, П.В.Рогов, В.К.Роднина. Лазерные измерители скорости и длины. Датчики и системы, 2003, №7.
5. Патент США №5483332, выданный 10.04.1995 г., G01S 17/58, G01P 5/00.
6. Патент РФ №2144194, выданный 10.01.2000 г., G01P 3/36.
7. B.C.Соболев, A.M.Щербаченко, Г.А.Кащеева, А.И.Скурлатов и др. Лазерная доплеровская система нового поколения как датчик скорости для автоматизации научного эксперимента и технологических процессов. Датчики и системы, 2000, №2, с.25-30.