Устройство для измерения перемещений

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений. Проходя пластину λ/4, излучения, поляризованные по левому и правому кругу, преобразуются в излучения со скрещенными линейными поляризациями. Поляроид, ось пропускания которого ориентирована под углом 45^o к осям четвертьволновой пластинки, оставляет из них излучение только одной поляризации. Линейно поляризованное излучение поступает на отражатель, скрепляемый с объектом, отражается от него и пластиной λ/4 преобразуется опять в излучение с круговой, но противоположного направления поляризацией. Излучение одной циркулярной моды, прошедшее измерительное плечо, складываясь с излучением другой циркулярной иоды, генерируемым в лазере, синхронизирует его к себе по фазе. Перемещение отражателя вызывает поворот азимута поляризации суммарного излучения лазера, а поляроиды преобразуют вращение плоскости поляризации в изменения интенсивности излучения на фотоприемниках. Так как оси пропускания поляроидов 9 и 10 ориентированы под углом 45^o друг к другу, то на фотоприемники 6, 7 поступают сигналы, сдвинутые по фазе на 90^o. Это стандартный прием, обеспечивающий возможность регистрации не только величины, но и направления перемещения отражателя. Блок обработки традиционен. Его основу составляют формирователь импульсных последовательностей и реверсивный счетчик. Источником информации об измеряемом перемещении служит азимут плоскости поляризации суммарного излучения лазера, формирующийся в результате фазовой связи двух типов колебаний через измерительное плечо. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных перемещений.

Известно устройство для измерения перемещений [1] содержащее лазер, акустооптический модулятор (АОМ), светоделитель, подвижный и неподвижный уголковые отражатели и фотоприемник с подключенным к нему блоком регистрации. В известном устройстве излучение одночастотного лазера, проходя через АОМ, расщепляется на два пучка с различными частотами. С помощью светоделителя излучение одной частоты поступает в опорный канал на неподвижный отражатель, а излучение другой частоты в измерительный канал на подвижный отражатель. Отраженные пучки объединяются в светоделителе, образуя интерференционную картину, которая регистрируется фотоприемником. Синусоидальный сигнал на выходе фотоприемника в блоке регистрации преобразуется в последовательность счетных импульсов и сравнивается с опорной импульсной последовательностью. Далее разностная импульсная последовательность интегрируется с помощью реверсивного счетчика, показания которого дают величину измеряемого перемещения.

В известном устройстве для расщепления излучения на два пучка с различными частотами требуется возбуждать в АОМ стабильную акустическую бегущую волну. Для этого необходим генератор мощного, стабильного, высокочастотного электрического сигнала. Наличие АОМ с питающим генератором существенно усложняет конструкцию и снижает надежность известного устройства.

Известно устройство для измерения перемещений с интерферометром "постоянного тока") [2] которое по совокупности существенных признаков наиболее близко предлагаемому и принято за прототип.

Известно устройство для измерения перемещений содержит лазер, оптически связанные светоделитель, неподвижный и подвижный уголковые отражатели, две пластины λ/4, установленные перед отражателями, два поляроида, установленные перед фотоприемниками и блок обработки, подключенный к фотоприемникам.

Известное устройство работает следующим образом.

Светоделитель делит излучение лазера на два пучка. Один пучок поступает на неподвижный уголковый отражатель, образуя опорное плечо интерферометра, второй пучок на подвижный уголковый отражатель, образуя измерительное плечо. После отражения пучки объединяются в светоделителе, образуя два интерферирующих пучка, которые регистрируются фотоприемниками. Излучение лазера линейно поляризовано. В опорном и измерительном плечах перед уголковыми отражателями установлены пластины λ/4, главные оси которых развернуты относительно направления поляризации на угол 45^o. Перед фотоприемниками установлены поляроиды, оси пропускания которых ориентированы под углом 45^o друг к другу. В результате на фотоприемниках интерференционные синусоидальные сигналы сдвинуты по фазе на 90^o. В блоке обработки сигналы с фотоприемников преобразуются в импульсные последовательности. Наличие двух сдвинутых по фазе сигналов позволяет обеспечить реверсивный (с учетом направления движения) счет импульсов.

Характерной особенностью известного устройства, как и любого интерферометра "постоянного тока", является его высокая чувствительность к колебаниям интерференционного фона, которые могут быть вызваны нестабильностью мощности лазера, расходимостью пучка излучения, турбулентностями среды, в которой распространяется излучение, частичной разьюстировкой оптических деталей интерферометра. В большинстве случаев (особенно в цеховых условиях) известное устройство оказывается неработоспособным. Повышение надежности и помехоустойчивости известного устройства возможно за счет ужесточения требований к конструкции интерферометра: жесткое крепление всех деталей, термостабилизация, виброизоляция. Но это приводит к существенному усложнению устройства.

Целью изобретения является повышение надежности и помехоустойчивости и упрощение конструкции.

Сущность изобретения заключается в решении проблемы измерения линейных перемещений посредством обеспечения линейной зависимости угла поворота плоскости поляризации суммарного излучения лазера от перемещения подвижного отражателя за счет фазовой связи циркулярно поляризованных мод через подвижный отражатель.

Предлагаемое устройство для измерения перемещений содержащее лазер, последовательно установленные по ходу излучения пластину λ/4 и отражатель, предназначенный для крепления на объекте, образующие измерительное плечо, светоделитель, последовательно установленные соответственно два поляроида, размещенные так, что их оси пропускания ориентированы под углом 45^o друг относительно друга, два фотоприемника и соединенный с фотоприемниками блок обработки, отличающееся тем, что оно снабжено третьим поляроидом, установленным в измерительном плече между пластиной λ/4 и отражателем таким образом, что его ось пропускания ориентирована под углом 45^o к основной и неосновной осям пластины λ/4, светоделитель и измерительное плечо размещены на разных выходах излучения лазера, выполненного с изотропным резонатором, а первый и второй поляроиды установлены соответственно по ходу разделенных светоделителем потоков излучения.

Предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить фазовую связь двух циркулярно поляризованных мод излучения лазера через подвижный отражатель. Вследствие этого угол поворота плоскости поляризации суммарного излучения лазера линейно зависит от перемещения подвижного отражателя, и азимут плоскости поляризации служит источником информации об измеряемом перемещении. При этом, во-первых, выходной сигнал не зависит от уровня входного сигнала, что обеспечивает более высокую надежность работы устройства. Во-вторых, предлагаемое техническое решение не содержит опорного плеча, необходимого для любого интерферометра. Это, с одной стороны, существенно упрощает конструкцию прибор А, с другой стороны, предлагаемое устройство оказывается практически нечувствительным к внешним (вибро-, акустическим и т.д.) помехам, которые в известных устройствах через опорное плечо проникают в выходной сигнал. Кроме того, поскольку для обеспечения фазовой связи мод требуется возвращать в лазер лишь небольшую долю излучения, то не требуется заботиться о точном сведении пучков излучения, что совершенно необходимо в любом интерферометре. Таким образом, предлагаемое техническое решение по сравнению с известными решениями характеризуется большей надежностью и помехоустойчивостью при одновременном упрощении конструкции.

На чертеже приведена блок-схема предлагаемого устройства.

Предлагаемое устройство состоит из лазера 1, резонатор которого выполнен изотропным, измерительного плеча и канала регистрации. Измерительное плечо образовано последовательно установленными на одном из выходов лазера 1 четвертьволновой пластиной 2, поляроидом 3 и подвижным отражателем 4. При этом ось пропускания поляроида 3 ориентирована под углом 45^o к осям λ/4 - пластины 2. На втором выходе лазера 1 установлен канал регистрации, образованный светоделителем 5, двумя фотоприемниками 6, 7, оптически связанными с лазером 1 через светоделитель 5, двумя поляроидами 9, 10, установленными перед фотоприемниками 6, 7 и блоком обработки 8, подключенным к фотоприемникам 6, 7. При этом оси пропускания поляроидов 9, 10 ориентированы под углом 45^o друг к другу.

Предлагаемое устройство для измерения перемещений работает следующим образом.

В лазере 1 возбуждается генерация вынужденного излучения. Поскольку резонатор лазера изотропен, то его излучение представляет собой сумму двух излучений одинаковой частоты, циркулярно поляризованных по правому и левому кругу δ⁺ и δ^- В измерительном плече эти излучения, проходя четвертьволновую пластину 2, преобразуются в излучения со скрещенными линейными поляризациями. Поляроид 3 оставляет из них излучение только одной поляризации. Это линейно поляризованное излучение поступает на подвижный отражатель 4, отражается от него и l/4 пластиной 2 преобразуется опять в излучение с круговой, но противоположного направления, поляризацией. Излучение одной циркулярной моды, прошедшее измерительное плечо, складываясь с излучением другой циркулярной моды, генерируемым в лазере, синхронизирует его к себе по фазе. Таким образом, фаза одной из генерируемых циркулярных мод определяется фазой излучения, возвращаемого в лазер после обхода измерительного плеча. В свою очередь, набег фазы излучения, проходящего измерительное плечо, определяется расстоянием до подвижного отражателя. Результатом сложения двух генерируемых излучений с циркулярными поляризациями δ⁺ и δ^- является излучение с линейной поляризацией, азимут которой однозначно определяется разностью фаз между δ⁺ и δ^- излучением. Следовательно, перемещение подвижного отражателя вызывает поворот азимута поляризации суммарного излучения лазера (при перемещении отражателя на длину, равную половине длины волны излучения, плоскость поляризации поворачивается на угол 360^o). Поляроиды 9, 10 преобразуют вращение плоскости поляризации в изменения интенсивности излучения на фотоприемниках 6, 7. Так как оси пропускания поляроидов 9 и 10 ориентированы под углом 45^o друг к другу, то на фотоприемники 6, 7 поступают сигналы, сдвинутые по фазе на 90^o. Это стандартный прием, обеспечивающий возможность регистрации не только величины, но и направления перемещения отражателя. Блок обработки 8 традиционен. Его основу составляют формирователь импульсных последовательностей и реверсивный счетчик. Таким образом, в предлагаемом устройстве ликвидируется опорное плечо, а источником информации об измеряемом перемещении служит не интерференционная картина от двух пучков опорного и измерительного, а азимут плоскости поляризации суммарного излучения лазера, формирующийся в результате фазовой связи двух типов колебаний через измерительное плечо.

Чтобы обеспечить фазовую связь двух мод в резонаторе, достаточно возвратить очень небольшую часть излучения обратно в лазер, при этом результат взаимодействия мод (азимут плоскости поляризации суммарного излучения) не зависит, начиная с некоторого порогового значения, от мощности излучения, поступающего обратно в лазер. По нашим измерениям, проведенным на активном элементе ЛГН-208, возвращаемая мощность должна составлять ≈0,1-1% от выходной мощности лазера. Для сравнения можно указать, что в прототипе для получения удовлетворительного сигнала видность интерференционной картины должна быть ≈1, для чего требуется возвращать 100% излучения.

Для осуществления предлагаемого устройства может быть применена следующая элементная база. В качестве лазера 1 может быть использован серийно выпускаемый лазер ЛГХ-303, l/4 пластина 2, светоделитель 5, поляроиды 3, 9, 10, фотоприемники 6, 7 относятся к изделиям массового выпуска. В качестве отражателя 4 может быть использован уголковый отражатель, зеркало или короткофокусный объектив на сервомеханизме, которые относятся к изделиям массового выпуска. Блок обработки 8 может быть заимствован из любого интерферометра "постоянного тока" или изготовлен по традиционным схемам. Таким образом, предлагаемое техническое решение легко осуществляется на традиционной элементной базе и нет принципиальных трудностей для освоения это промышленного выпуска.

Формула изобретения

Устройство для измерения перемещений, содержащее лазер, последовательно установленные по ходу излучения пластину λ/4 и отражатель, предназначенный для крепления на объекте, образующие измерительное плечо, светоделитель, последовательно установленные соответственно два поляроида, размещенные так, что их оси пропускания ориентированы под углом 45^o друг относительно друга, и два фотоприемника, и соединенный с фотоприемниками блок обработки, отличающееся тем, что оно снабжено третьим поляроидом, установленным в измерительном плече между пластиной λ/4 и отражателем таким образом, что его ось пропускания ориентирована под углом 45^o к основной и неосновной осям пластины λ/4, светоделитель и измерительное плечо размещены на разных выходах излучения лазера, выполненного с изотропным резонатором, а первый и второй поляроиды установлены соответственно по ходу разделенных светоделителей потоков излучения.

РИСУНКИ

Рисунок 1