CC BY
75
УДК 531.715.1
Капезин С.В., Базыкин С.Н., Базыкина Н.А.
ПУТИ ДАЛЬНЕЙШЕГО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЛАЗЕРНЫХ
ИНТЕРФЕРОМЕТРОВ
ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Рассматриваются вопросы совершенствования лазерных интерферометров с точки зрения измерения «абсолютного» значения измеряемой величины. Предложены варианты оптических схем с применением в оптическом пучке двух когерентнтых световых волн с различными длинами волн. Рассчитано значение периода однозначности измеряемой величины линейного перемещения объекта.
Автоматизация измерений, охватывающих аттестацию рабочих измерительных средств, контроль высокоточных «тяжелых» станков, включая измерение размеров прецизионных изделий непосредственно на станке, является, безусловно, актуальной. Применение лазерных
акустооптических интерферометров с когерентными источниками инфракрасного излучения ( X ~ 10 мкм), позволит проводить измерения бесконтактным способом непосредственно от контролируемых поверхностей объектов с шероховатостью Ra < 2 ^ 2,5 (6 ^ 7 класс) с требуемой дискретностью.
Обладая высокой разрешающей способностью и диапазоном измерения, перекрывающим десятки метров, лазерные акустооптические интерферометры, как и другие фазовые интерференционные измерительные системы перемещений, из-за малого значения пространственного периода измерительного сигнала, имеют малый период однозначности показаний измеряемых линейных размеров, соответствующих периоду измерения информативного параметра измерительного сигнала. Поэтому высокоточные измерительные системы перемещений в основе своей являются системами с последовательным накоплением информации об измеряемой величине.
При таком алгоритме измерения случайные, даже кратковременные прерывания оптической связи между контролируемым объектом и интерферометром или действия случайных электромагнитных помех приводят к накоплению неисключаемых ошибок в результатах измерения. В лучшем случае, при регистрации этих факторов процесс измерения повторяется заново, однако снижение производительности и надежности измерений очевидно.
Применение «абсолютного» метода измерения линейных размеров лазерными фазовыми измерительными системами при согласовании пространственно-временных масштабов диапазона измерения линейных размеров и отсчетной системы, когда изменению фазы входного для блока индикации электрического сигнала на 360° соответствует диапазон наиболее
вероятных изменений измеряемого размера, существенно повышает их надежность, расширяет их функциональные возможности и, в конечном счете, ведет к повышению производительности измерений [1].
Современные отсчетные устройства фазовых измерительных систем позволяют измерить значение фазы измерительного электрического сигнала с шагом дискретности до 0,1 электрического градуса, поэтому ожидаемая дискретность измерительного сигнала с «абсолютным» отсчетом при периоде однозначности до 1 мм может быть 0,3 мкм. Уменьшение величины периода однозначности пропорционально позволяет уменьшить значение шага дискретности отсчета.
Для создания лазерных интерференционных измерительных систем, работающих по «абсолютному» методу, необходима разработка способов увеличения значения периода однозначности фазовой измерительной системы.
Увеличение значения периода однозначности в интерференционных системах возможно за счет использования излучения с большей длиной волны. Однако необходимые значения длины волны имеют оптические излучения в очень далекой инфракрасной области спектра (X = 10 ^ 1000 мкм). Использование «невидимого» излучения накладывает свои трудности, связанные с юстировкой и контролем работы измерительной системы.
Другой путь увеличения значения периода однозначности предполагает использование явлений взаимодействия двух электромагнитных колебаний, имеющих разные значения пространственных периодов. При выделении из результата взаимодействия (или в оптическом диапазоне значений их несущих, или в радиодиапазоне) сигнала на частоте их «биений» измерительный электрический сигнал может быть представлен в общем виде выражением
где F1, F2 - несущие частоты двух исходных электромагнитных колебаний, распространяющихся вдоль линии измерения, или синфазные им «сигналы-копии»; уд1, уд2 - доплеровские сдвиги частоты используемых эквивалентных колебаний с длинами волн 2Ь Л,2; L1 L2 -приращения путей распространения колебаний А1, к2 при изменении расстояния до контролируемого объекта на L.
Совокупность комбинаций преобразований над измерительными сигналами как в оптическом, так и в радиодиапазоне их несущих частот, определяют возможные способы построения интерференционных лазерных фазовых измерительных систем с «абсолютным» отсчетом.
На рисунке 1 представлена схема измерения расстояний вдоль линии измерения А - А посредством фазовой измерительной системы такого типа, в которой формирователем 1 формируются две световые волны А1, Х2 распространяющиеся вдоль линии А - А и преобразуемые преобразователем 2 в измерительный сигнал, описываемый выражением (1).
Принципиально возможны три способа, или их комбинации, построения лазерных фазовых измерительных систем с «абсолютным» отсчетом:
1. Использование разночастотных лазерных излучений с разными длинами волн Х1 и Х2, совместно распространяющихся вдоль линии измерения.
2. Использование взаимного гетеродинирования двух одинаковых по частоте световых волн, одновременно распространяющихся по наклонным направлениям по отношению к линии измерения, определяемых углами наклона у0 и а0.
3. Использование взаимного гетеродинирования двух измерительных электрических сигналов, полученных из одного при оптическом гетеродинировании одной монохроматической световой волны, распространяющейся вдоль линии измерения, и имеющих различные пространственные периоды вследствие частотных преобразований с различными коэффициентами (например, деление их по частоте с разными коэффициентами).
I
Рисунок 1 Схема распространения двух оптических световых волн относительно линии измерения А - А
При первом способе оптоэлектронный преобразователь измерительной системы строится на основе совмещенной схемы двух гетеродинных двухлучевых интерферометров с общим информационным плечом, в котором распространяются излучения Х1 и Х2. Взаимное гетеродинирование посредством частотной модуляции на двух различных частотах ю1 и ю2, совмещенное на одном фотоприемнике или последовательно сначала на двух фотоприемниках, а потом посредством смещения в электронном смесителе с выделением сигнала разностной частоты дает измерительный электрический сигнал на несущей частоте ю1 - ю2, значение периода однозначности которого описывается выражением
Т = ^. (2)
2ЛЛ V '
Для этого могут быть использованы разночастотные лазеры или одновременно два лазера, различных по частоте излучения.
Среди отечественных газовых лазеров для решения подобной задачи могут быть применены аргоновые лазеры, излучающие одновременно свет с
длинами волн 0,5260; 0,5353; 0,5397 и 0,5955 мкм. Использование первой пары излучений дает значение периода однозначности, равный 30 мкм.
При использовании пары излучений с длинами волн 0,5353 мкм и 0,5397 мкм получается значение пространственного периода, равное 65 мкм.
Примером может служить устройство, реализующее способ [2], функциональная схема которого представлена на рисунке 2. На нем последовательно обозначены элементы: 1 - источник двух когерентных излучений разной частоты; 2 - светоделитель; 3,4 - соответственно информационный и референтный отражатели; 5 - отклоняющий оптический элемент (клин); 6 - фокусирующий элемент; 7 - акустооптический модулятор; 8 - дисперсионный элемент; 9, 10 - фотоприемники.
Электрическая часть состоит из генератора ультразвуковых колебаний 11, делителя частоты 12; 13, 14, 15, 16 - элементы однополосного
преобразователя информационного измерительного сигнала в сигнал внутреннего гетеродина; 17 - электрический смеситель; 18 - фильтр нижних частот.
Для оптической фильтрации модулированных на одной частоте ю1 в акустооптическом модуляторе референтной и измерительной световых волн с Х1 и Х2 главное сечение дисперсионного элемента (призмы) должно быть перпендикулярным направлению распространения ультразвуковой волны в акустооптическом модуляторе, а дополнительный частотный сдвиг один из двух полученных информационных электрических сигналов получает посредством однополосной амплитудной модуляции сигналом частоты ю2, полученных делением частоты сигнала задающего генератора и используется далее на несущей частоте ю1 - ю2 .
Погрешности, присущие такому способу измерения, возникают от нестабильности разности АХ используемых оптических излучений, следствием чего является изменение значения периода однозначности, приводящее к накопленной по диапазону погрешности измерения.
При втором способе построения первичного интерференционного преобразователя, примером которого может служить схема, представленная на рисунке 1, используют две световые волны одной частоты, образованные посредством деления по амплитуде или по фронту исходной
монохроматической световой волны.
Третий способ предполагает аналогичные преобразования с
совокупностью измерительных электрических сигналов, более прост в отношении построения оптических схем, но требует серьезных исследований в отношении стабильности и синхронизации делителей частоты с различными коэффициентами деления.
Использование того или другого способа построения интерференционных измерительных систем, работающих по абсолютному методу, имеет свои недостатки и преимущества. Общим является то, что они дают возможность строить гетеродинные лазерные измерительные системы, работающие по абсолютному методу измерения, методу измерения
расстояния, а не перемещения, что предполагает существенно расширить функциональные возможности лазерной измерительной техники.
Сочетание этих перспективных методов, требующих еще серьезных исследований, с результатами, полученными в данной работе, позволяет строить многоотсчетные фазовые лазерные измерительные системы,
Рисунок 2 Функциональная схема устройства фазовой измерительной системы с «абсолютным» измерением линейных размеров
сочетающие в себе преимущества абсолютного метода измерения с высокой дискретностью отсчета, что существенно расширит их функциональные возможности для удовлетворения требований широко внедряемого гибкого автоматизированного производства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Капезин С.В. Способы построения оптических измерительных систем, основанных на френелевской интерференции. - В сб. Основные направления совершенствования металлорежущих станков и автоматических линий. М., ЭНИМС, 1983.
2. Мещеряков В.А., Капезин С.В., Базыкин С.Н., Базыкина Н.А. Способ определения действительного значения длины волны лазерного излучения. Патент РФ №2083962, Б.И.№19, 1997г.
УДК 531.715.1
Капезин С.В., Базыкин С.Н., Базыкина Н.А.
Пути дальнейшего совершенствования лазерных
интерферометров. Рассматриваются вопросы совершенствования лазерных интерферометров с точки зрения измерения «абсолютного» значения измеряемой величины. Предложены варианты оптических схем с применением в оптическом пучке двух когерентнтых световых волн с различными длинами волн. Рассчитано значение периода однозначности измеряемой величины линейного перемещения объекта.
UDC 531.715.1
Kapezin S. V., Bazykin S.N., Bazykina N.A. The ways of the further improvement lazer interferometer. The
questions of the improvement lazer interferometer are considered with standpoint of the measurement «absolute» importances of the measured value. The offered variants of the optical schemes with using in optical bunch two alike light waves with different length of the waves. Calculated importance of the period to univocacy of the measured value of the linear moving the object.
