Оптический способ определения перемещения объекта

 

Изобретение относится к измерительной технике, к определению перемещений объектов оптическими методами . Цель изобретения - повьш1ение точности и расширение диапазона опреде- ( ления перемещений объекта посредством сканирования разности хода в пределах величины определяемого перемещения . Пропускают излучение широкополосного источника последовательно через измерительный интерферометр и интерферометр-анализатор. Базу (или разность хода) интерферометра-анализатора периодически сканируют от минимального до максимального значения из epяeмoгo перемещения. Регистрируют интенсивность прошедшего оптического излучения, измеряют положение основного максимума выходного сигнала , по положению которого судят об измеряемом перемещении. 7 ил. , § (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

SU„„1465696 А1 g 4 G 01 в 11!16

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И OTHPbfTHRM

ПРИ ГКНТ CCCP

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ности и расширение диапазона опреде1ления перемещений объекта посредством сканирования разности хода в пределах величины определяемого перемещения. Пропускают излучение широкополосного источника последовательно через измерительный интерферометр и интерферометр-анализатор. Базу (или разность хода) интерферометра-анализатора периодически сканируют от минимального до максимального значения измеряемого перемещения. Регистрируют интенсивность прошедшего оптического излучения, измеряют положение основного максимума выходного сигнала, по положению которого судят об измеряемом перемещении. 7 ил. (21) 4298983/24-28 (22) 24.08,87 (46) 15.03.89. Бюл. У- 10 (72) Б.Г. Горшков и Ю. Б. Первушин (53) 531. /81, 2 (088. 8)

:(56) Красюк Б.А., Корнеев Г.И. Оптические системы связи и световоднше датчики. M,: Радио и связь, 1985, с. 105, ТИИЭР, 1980, т. 68, Р 10, с. 185. (54) ОПТИЧЕСКИЙ СПОСОБ ОПРЕЦЕЛЕНИЯ

ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ОБЬЕКТА (57) Изобретение относится к измерительной технике, к определению пере- мещений объектов оптическими методами. Цель изобретения — повышение точИзобретение относится к измерительной технике, к определению перемещений объектов оптическими методами.

Цель изобретения — повышение точности и расширение диапазона онределения перемещений объекта посредством сканирования разности хода в пре-. делах величины измеряемого перемещения.

На фиг. 1 приведена схема устройства, реализующая оптический способ измерения перемещений с использованием интерферометра Фабри-Hept на фиг. 2 — вариант схемы устройства с использованием волоконного интерферометра Маха-Цандера; на фиг. 3, 4 и 5 — спектры излучения на выходе измерительного интерферометра; на фиг.6 и 7 — эпюры сигнала на выходе устройства.

Фия

Способ осуществляется с помощью р„ устройства, содержащего широкополостный источник 1 излучения (например, вольфрамовая лампа накаливания, газоразрядная лампа и т.п.), волокон- ©1 ный световод 2, измерительный интерферометр 3, служащий чувствительным © элементом, микрообъективы 4, сканируемый интерферометр-анализатор 5, фо топриемник 6 (наприме р, фототранзистор), устройство 7 регистрации (например, осциллограф), устройство 8 управления (например, генератор пилообразного напряжения), При этом излучение источника 1 вводится с по" мощью микрообъектива 4 в световод 2.

Устройство 8 управления осуществляет сканирование интерферометра 5 и упз 1465696 равляет устройством 7 регистрации. мум интенсивности значительно меньСканирование интерферометра 5 (фиг.1) шей величины (по сравнению с основ осуществляется устройством 9 управ- ным). При полном несовпадении спектления базой (например пьезопреобра- ральных функций пропускания интенсивФ

5 зователем), на которое поступает ность на выходе интерферометра-анасигнал с устройства 8 управления. лизатора имеет незначительную велиСканирование интерферометра 5 (фиг,2) чину. осуществляется фазовым модулятором 10 Расширение динамического диапаэо(например, пьезопреобразователем) 10 на измеряемой величины достигается сигналом с устройства 8 управления. одно значно с тью о тсч ета изме ряемо го

В случае использования в качестве параметра за счет превращения периоустройства регистрации осциллографа дической зависимости мощности прошедна вход Х его подает сигнал, управ- mего через измерительный интерфероляющий перестройкой базы или разнос- 15 метр светового потока от фазового ти хода, а на вход Y — сигнал с фо- набега в нем в непериодическую эави топриемника. симость, имеющую в случае использоСпособ осуществляется следующим вания широкополосного излучения и образом. пропускания излучения через второй

Пропускают излучение широкополос- 20 интерферометр вид отдельного пика, ного источника 1 последовательно че- сопровождающегося пиками с существенi рез измерительный интерферометр 3 и но меньшей амплитудой. интерферометр-анализатор 5, аналогич- Повышение точности измерения переный измерительному. Базу (или раз- мещения при воздействии дестабили ность хода) интерферометра-аналиэато — 25 зирующих факторов достигается тем, 1 ра 5 периодически сканируют от мини- что измерительный параметр воздейстмального до максимального значения вует на спектральную характеристику измеряемого пер яемого перемещения РегистриФ чувствительного элемента и о его энаруют инт нтенсивность прошедшего опти- чении судят по положению максимума ческого излучения, измеряют положения 30 интенсивности, а не по величине иносновного максимума выходного сигна- тенсивности регистрируемого сигнала. ла, по положению которого судят об Излучение от широкопо.чосного исизмеряемом перемещении, Спектр ис- точника 1 с помощью микроббъектива точника должен быть гладким и охва- ч вводится в световод 2 и доставляеттывать т вать область длин волн отличаюУ

35 ся к ч ув ствит ельному элементу — измещихся в 1,5-2 раза, например от 0,5 рительному интерферометру 3 ФабриПеро, излучение в виде параллельного

База (раэность хода) измеритель- пучка для которого формируется объекного интерферометра 3 равна значению тивами А. Функция пропускания интер- . измеряемогО перемещения и определяет 40 ферометра. с базой t описывается его спектральную характеристику про- функцией Эири г пускания оптического излучения.

Г(Л t )r 1-R)

Спектральная функция пропускания ин" (1-К) К 1п терферометра-анализатора 5 периоди- . 4д чески изменяется при Его сханирова- 45 нии от минимального до максимального R — коэффициент отражения зеркал. значения измеряемого параметра. Когда Величина R должна мало изменяться базы (разности хода1 оказываются рав- во всем диапазоне длин волн излучеJ ными, их спектральные характеристики ния источника. совпадают, при этом на лю наблюдается ос50 .

Спектр излучения на выходе изменовной максимум аксимум выходного сигнала, рительного интерферометра 3 представпо положению которого судят об изме- лен на фиг ° 3 (кривая 1) . Излучение ряемом перемещении. ри разл

П азличных данного. спектрального состава досбазах (разностях ход а) измеритель- тавляется световодом 2 к сканируемоного интерферометра и интерферомет- 5, му интерферометру с и ременной 6a -

pa-анализатора спектральные функции зой t<, функция пропускання которого пропускания могут совпад ов адать частично, описывается функцией Эйри и приведеПри частичном совпаде адении спектраль- на на фиг. 3 (кривая 2). При равенных характеристик на лю аблюдается макси- стве баз интерферометров 3 и

5 14656 все максимумы функций пропускания интерферометров совпадают (кривые

1 и 2 на фиг,3) и светопропускание устройства максимально. При разных

5 ,базах t, gt> максимумы функций пропускания не совпадают (кривые 1 и 2 на фиг,4) и светопропускание устройства не значительно .

Наряду с наличием основного макси-qp мума функции пропускания интерферометров при t =t наблюдаются побоч1 у 2

HbIe максимумы при t 3 t g f tg tg ф

1б

3 Е,, Е 2 tq t<2t

Это объясняется частичным совпадением кривых проп ускания изме рите ль ного и сканируемого интерфероме тров (кривые 1 и 2 соответственно на фиг. 5 2р

2 для случая и = — 1 ), Сигнал S полу3 чают на устройстве регистрации, который представляет собой функцию пропускания устройства при изменении 25 базы сканируемого интерферометра и

Устройство регистрации выделяет ос новной максимум сигнала, по положению которого. можно однозначно судить о величине измеряемого перемещения. 3Q

На фиг, 2 представлено устройство, являющееся разновидностью устройства, изображенного на фиг.1 и отличающееся тем, что в нем использованы воло-. конные интерферометры. Принцип работы устройства аналогичный, различие заключается в том, что воздействие перемещения на измерительный интерферометр приводит не к изменению его базы (как это происходит в устройстве на фиг.1), а к изменению оптической разности хода между измерительным и опорными плечами интерферометра 3. Процесс сканирования интерферометра-анализатора заключает" 46 ся в изменении разности хода между опорным и сканируемым плечами интерферометра, что достигается, например, пье эоп реобра зова телями.

Использование изобретения позволяет проводить измерения перемещений в широком диапазоне:.от единиц мкм до метров и более с высокой степенью точности. При этом обеспечивается независимость измерений от флуктуаций интенсивности источнжса излучения и от изменения светопропvcкания элементов устройства при воздействии на них неблагоприятных факторов окружающей среды (вибраций, температуры, ионизирующего излучения}. Благодаря применению световодной техники предлагаемый способ измерения перемещения применик в условиях сильных электромагнитных помех, для дистанционных измерений (до сотен метров}.

Формула и з о б р е т е н и я

Оптический способ определения перемещения объекта, эаклочающийся в том, что формируют поток излучения, пропускают его через измерительный интерферометр, регистрирующий выходящее иэ интерферометра излучение, по характеристикам которого и определяют перемещения, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повьппения точности и расширения диапазона определения, формируют поток иэ излучения, имеющего широкий спектр, вышедшее из интерферометра излучение направляют в интерферометр-анализатор, разность хода которого периодически сканируют в пределах величины измеряемого перемещения, регистрируют вьппедшее из интерферометра-анализатора излучение, а в качестве характеристики принимают положение основного максимума излучения.

1465696

1465696!

465696

Составитель Б. Евстратов

Редактор Н. Киштулинец Техред Л. Сердюкова Корректор Л, Пилипенко

Тираж 683

Заказ 932/40

Подписное

ВИИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101