Способ повышения точности измерений лазерного интерферометра
Изобретение относится к методам измерений, в частности измерений дистанции, производимых с помощью лазерного интерферометра (1, 2). Способ согласно данному изобретению состоит в определении температуры воздуха вдоль всего пути лазерного луча 3, излучаемого лазерным интерферометром, путем измерения скорости звука 5, проходящего по тому же пути, и использовании полученной величины, чтобы рассчитать зависимую от температуры воздуха поправку к измеренной величине, в частности величине измеренной дистанции. Технический результат - повышение точности измерений. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.
Объектом этого изобретения является метод повышения точности измерений, в частности измерений дистанции, производимых с помощью лазерного интерферометра.
В случаях, когда необходима высокая точность измерений, например в машиностроении, для измерений дистанции применяются лазерные интерферометры, поскольку они обеспечивают повышенную точность по сравнению с другими методами. Однако точность лазерных интерферометров зависит от различных факторов, таких как зависимость длины волны лазерного луча от коэффициента преломления среды. Поскольку измерения дистанции, осуществляемые с использованием лазерных интерферометров, основаны на длине волны света, знание коэффициента преломления среды является исключительно важным для достижения достаточно точных результатов. На практике средой для таких измерений является воздух, коэффициент преломления которого является функцией давления, температуры и влажности воздуха, а также концентрации газов, таких как двуокись углерода, в воздухе. Температура воздуха существенно изменяется из-за быстрых и непрерывных перемещений воздушных масс, вызванных разностями температур между различными точками области измерений, а также из-за аэродинамических эффектов. Из-за изменений температуры воздуха интегральное значение мгновенной температуры вдоль пути лазерного луча лазерного интерферометра не может быть точно измерено с помощью термометров, в настоящее время применяемых в лазерной интерферометрии.
В лазерных интерферометрах, имеющихся на рынке, коэффициент преломления воздуха определяется путем измерения вышеупомянутых величин в воздухе и затем вычисляется их влияние на длину волны. Для этой цели лазерные интерферометры, используемые в настоящее время, оборудуются датчиками для измерения температуры и давления воздуха, а иногда также и датчиками влажности. Обычно устанавливается от одного до трех термометров для измерения температуры воздуха.
Воздушные термометры, применяемые в настоящее время, основаны на том, что датчик принимает температуру окружающего воздуха. Такие термометры позволяют измерять температуру в отдельных точках вблизи лазерного луча. Такие термометры не могут измерять температуру в каждой точке пространства вдоль всего пути лазерного луча, как это требуется в действительности. Другой недостаток состоит в том, что из-за инерционности известных в настоящее время температурных датчиков лазерных интерферометров, результаты измерений всегда отстают от мгновенных значений температуры в каждой точке, где производится измерение. Как следствие, такие измерительные приборы позволяют измерять только значения температуры, интегрированные на определенном отрезке времени и только в определенных точках; они не способны производить измерения постоянно изменяющихся мгновенных температур. Применение такого метода измерения, который способен измерять температуру только в определенных точках и к тому же с большой инерционностью, и принятие измеренных таким образом значений температуры в качестве интегральной мгновенной температуры всей траектории лазерного луча, является причиной наиболее значительной погрешности из всех погрешностей, влияющих на точность измерения лазерных интерферометров.
Задачей настоящего изобретения является создание способа повышения точности измерений лазерного интерферометра, позволяющего недорогими средствами обеспечить эффективный учет мгновенных изменений температуры воздуха вдоль пути лазерного луча лазерного интерферометра.
Поставленная задача решается тем, что в способе повышения точности измерений дистанции лазерным интерферометром, определяют влияние температуры воздуха на лазерный луч, излучаемый лазерным интерферометром, на пути лазерного луча между интерферометром и ретрорефлектором лазерного интерферометра посредством измерения скорости звука на указанном пути лазерного луча, при этом скорость звука измеряют одновременно с измерением дистанции, и вычисляют зависящую от температуры воздуха поправку к значению дистанции с использованием измеренной величины скорости звука.
Целесообразно определение скорости звука выполнять с применением в используемых для этого вычислениях значения дистанции, которое измерено лазерным интерферометром.
Для дальнейшего повышения точности определения дистанции целесообразно учитывать в вычислениях поправки к измеренному значению дистанции влияние, по меньшей мере, одного из следующих факторов: давления воздуха, относительной влажности, концентрации газов, температурного градиента, ветра.
Для исключения влияния ветра на точность измерений скорости звука целесообразно измерять скорость звуковых волн, при их прохождении в обоих противоположных направлениях вдоль пути лазерного луча между интерферометром и ретрорефлектором лазерного интерферометра.
Целесообразно скорость звука измерять с помощью, по меньшей мере, одной пары излучателей/приемников звуковых волн, установленных соответственно на интерферометре и ретрорефлекторе лазерного интерферометра, каждый излучатель/приемник может поочередно излучать и принимать звуковые волны. При этом излучатели/приемники звуковых волн пары установлены так, что путь распространения звуковых волн между ними проходит параллельно указанному пути лазерного луча и настолько близко к нему, насколько возможно, чтобы излучатели/приемники не создавали помех нормальному функционированию лазерного интерферометра, а длина пути распространения звуковых волн изменяется одинаково с длиной пути лазерного луча при взаимных перемещениях интерферометра и ретрорефлектора.
Целесообразно для учета влияния отклонений температуры в направлении, перпендикулярном указанному пути лазерного луча, скорость звука измерять с использованием, по меньшей мере, двух пар излучателей/приемников, причем излучатели/приемники каждой пары устанавливают так, что пути распространения звуковых волн в парах излучателей/приемников расположены симметрично относительно указанного пути лазерного луча.
Целесообразно использование направленных излучателей/приемников звука с углом раствора луча 5-8 градусов для обеспечения помехоустойчивости при измерениях больших значений дистанции.
Также для повышения помехоустойчивости целесообразно использовать излучатели/приемники ультразвукового диапазона частот.
Способ согласно настоящему изобретению включает определение значений температуры воздуха на пути лазерного луча лазерного интерферометра посредством измерения скорости звука, проходящего по тому же самому пути, и использование полученного значения для вычисления зависящей от температуры поправки к измеренному значению дистанции. Выражение "тот же самый путь" означает в данном случае, что звуковые волны и волны лазерного света исходят из одной и той же точки, или на практике, из близко расположенных точек и прибывают в одну и ту же точку, или на практике, в близко расположенные точки, и что эти волны распространяются одновременно. Поправка к результатам измерений, выполненных лазерным интерферометром, может быть вычислена по значению температуры воздуха. Этот метод дает точное отображение значения мгновенной температуры воздуха, интегрированное вдоль всего пути лазерного луча, на котором лазерный луч подвергается воздействию воздуха как среды распространения.
В предпочтительной реализации скорость звука определяется с использованием значения дистанции измеренного лазерным интерферометром одновременно с измерением скорости звука. Когда применяется метод согласно этому изобретению, то точность измерений, произведенных лазерным интерферометром существенно повышается. Описанный метод может быть применен на имеющихся на рынке лазерных интерферометрах без их изменения или модификации, и оборудование, реализующее это изобретение, также может быть установлено на них. К тому же метод и оборудование являются простыми и недорогими для внедрения, а затраты на производство и использование оборудования невелики.
Изобретение основано на том феномене, что как известный из волновой теории света коэффициент преломления среды (на практике, воздуха), который влияет на длину волны лазерного луча, так и скорость звука в воздухе, известная из теории акустики, зависят от одних и тех же свойств воздуха, а именно давления, температуры, влажности и концентрации двуокиси углерода, а потому известным образом соотносятся друг с другом. Еще одним преимуществом изобретения является то, что звуковые волны не создают помех световому лучу лазера, излучаемому лазерным интерферометром, что делает возможным звуковым волнам и лучу лазера проходить по одному и тому же пути одновременно. Таким образом, мгновенные изменения свойств воздуха влияют одинаковым образом как на звуковые волны, так и на данный лазерный луч. Благодаря тому, что относительное воздействие изменений температуры воздуха более чем в 1000 раз сильнее влияет на скорость звука, чем на коэффициент преломления воздуха, возможно достижение очень точных измерений.
Метод согласно этому изобретению предлагает, что определение поправки к результатам измерения дистанции, зависящей от температуры воздуха на всем пути лазерного луча, которую получают с помощью лазерного интерферометра, основан на том, что когда звуковые волны проходят сквозь воздух по одному и тому же пути с лазерным лучом, то мгновенные температуры воздуха в каждой точке этого пути влияют на скорость звуковой волны. Время, необходимое звуковой волне на прохождение сквозь воздух обратно пропорционально интегральной мгновенной температуре на пути звуковой волны. Кроме температуры воздуха, скорость звука зависит и от других факторов, влияние которых в десятки или сотни раз меньше, чем влияние температуры воздуха. Эти факторы имеют относительно равномерное влияние на свойства воздуха во всем пространстве, в отличие от температуры воздуха, которая значительно отличается от точки к точке и изменяется со временем. Эти факторы включают влажность воздуха, давление воздуха и концентрации различных газов, таких как двуокись углерода.
Еще одним преимуществом изобретенного метода измерения является то, что инерция измерения в каждой точке на пути лазерного луча равна нулю и что измерение на всей траектории лазерного луча занимает только то время, которое необходимо звуковым волнам на прохождение по этому пути. Это является существенным отличием и непревзойденным принципиальным преимуществом предлагаемого метода по сравнению с используемыми в настоящее время в лазерных интерферометрах медленными термометрами.
В предпочтительной реализации этого изобретения излучатели и приемники звуковых волн располагаются на лазерном интерферометре или вблизи к нему так, что траектории и оси лазерного луча и звуковых волн находятся как можно ближе друг к другу, и звуковые волны распространяются по параллельным и симметрично расположенным, по отношению к лазерному лучу, путям. Таким образом уменьшаются погрешности измерений.
Далее изобретение будет описано более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых
фиг.1 показывает блок-схему измерительного прибора, реализующего метод настоящего изобретения;
фиг.2 и 3 иллюстрируют некоторые варианты реализации метода в виде схем.
Фиг.1 изображает оптические узлы 1 и 2 лазерного интерферометра, где первый узел 1 (на стороне лазерного интерферометра) объединяет источник света и интерферометр/расщепитель луча и второй узел 2 содержит ретрорефлектор. Неподвижные корпуса, в которых смонтированы излучатели/приемники звуковых волн 4а, 4b, 4c, 4d, прикреплены к оптическим узлам. Каждый излучатель/приемник может излучать или принимать звуковые волны. Пробор также содержит датчики влажности 6, датчик давления воздуха 7, газовый анализатор 8, а также блок управления и вычислений 9. Лазерный интерферометр 1 излучает лазерный луч 3 и излучатели 4 испускают звуковые волны 5.
Излучатели/приемники 4 сгруппированы в пары таким образом, что оси 5 звуковых волн, испускаемых излучателями/приемниками, располагаются симметрично вокруг лазерного луча 3; оси могут быть, например, сверху и снизу от луча, и справа и слева от луча. Симметричное парное размещение упрощает вычисления, производимые позднее согласно методу. Число пар излучателей/приемников может изменятся в соответствии с потребностями в различных применениях этого изобретения. Например, фиг.2 и 3 показывают 4 и 6 пар соответственно.
Осуществление изобретения не требует особых свойств направленности для излучателей/приемников. Однако современные излучатели/приемники, имеющие ширину диаграммы направленности всего в несколько градусов (например, от 5 до 8 градусов), обеспечивают большую помехоустойчивость и могут быть применены на больших дистанциях. Это важно в практических измерениях, например, в заводских условиях.
Звуковая частота не ограничивается никакими определенными значениями, но наилучшие результаты были получены с ультразвуковыми частотами, например от 50 до 100 кГц, благодаря их большей помехоустойчивости. Когда измеряемая дистанция (то есть дистанция между интерферометром 1 и ретрорефлектором 2) изменяется, соответственно изменяется и дистанция между каждыми излучателями/приемниками 4. Блок управления и вычислений 9 принимает точное значение измеряемой дистанции из лазерного интерферометра 1.
Скорость звука измеряется одновременно с производимыми лазерным интерферометром измерениями. Скорость звука может быть измерена различными способами; один из возможных вариантов описан ниже.
Скорость звука измеряется в непрерывно повторяющихся циклах, которые состоят из следующих шагов.
Блок управления и вычислений 9 передает пакет звуковых волн через излучатель 4а на лазерном интерферометре (это изобретение не ограничивает число колебаний в каждом пакете; например, адекватным является 5-20 колебаний). Эти звуковые волны 5 проходят над лазерным лучом 3. После определенной задержки приемник 4b на противоположной от лазерного интерферометра стороне (на стороне ретрорефлектора) принимает прибывающие звуковые волны, и время, затраченное на прохождение звуковых волн, регистрируется блоком управления и вычислений. Блок управления и вычислений передает пакет звуковых волн через излучатель 4b назад на приемник 4а. Звуковые волны 5 распространяются по оси, проходящей над лазерным лучом 3.
После определенной задержки приемник 4а принимает прибывающие звуковые волны и время, затраченное на прохождение звуковых волн, регистрируется блоком управления и вычислений. Измерение времени в обоих направлениях является условием для полного устранения влияния ветра при вычислении скорости звука. После измерения, описанного выше, производится подобное измерение с использованием расположенных симметрично по отношению к лазерному лучу 3 противоположных излучателей/приемников. Иными словами, теперь измеряется время распространения звуковых волн от излучателя 4с к приемнику 4d и обратно от излучателя 4d к приемнику 4с, и при этом звуковые волны проходят по оси, расположенной под лазерным лучом 3. Симметричные измерения, сделанные незамедлительно на противоположных сторонах лазерного луча гарантируют, что измеренное время прохождения звуковых волн вдоль лазерного луча 3 представляет собой в наибольшей степени реальное время прохождения, и что устраняются отклонения температуры в направлении, перпендикулярном лазерному лучу.
После измерения времени прохождения звуковых волн описанным выше способом с помощью расположенных друг напротив друга пар излучателей/приемников подобные измерения производятся на других парах излучателей приемников. Если используются четыре пары излучателей/приемников, то следующие измерения производятся на парах, расположенных слева и справа от лазерного луча. Блок-схема показывает четыре излучателя/приемника, или две пары, но число излучателей/приемников может быть выбрано по потребности в различных применениях данного изобретения.
После того, как время распространения звука в обоих направлениях измерено во всех парах излучателей/приемников, цикл повторяется.
Во время измерения блок 9 управления и вычислений получает в реальном времени следующую информацию:
- дистанцию, сообщаемую лазерным интерферометром 1,
- давление воздуха, сообщаемое датчиком давления воздуха 7,
- относительную влажность, сообщаемую датчиками влажности 6,
- информацию о концентрации газов в воздухе при выполнении особенно точных измерений, в этом случае газовый анализатор 8 измеряет концентрацию двуокиси углерода и при необходимости концентрации других газов в воздухе.
На основании информации, перечисленной выше, блок 9 управления и вычислений сначала вычисляет скорость воздуха вдоль всего лазерного луча 3, совершая необходимые коррекции для учета влияния давления воздуха, относительной влажности, концентрации газов, ветра и температурного градиента, и затем вычисляет поправку к первоначальному показанию дистанции, измеренному лазерным интерферометром, выполняя корректировку систематических погрешностей оборудования и выполняя необходимую статистическую обработку.
Фиг.2 и 3 показывают примеры того, как излучатели/приемники звуковых волн 4 могут быть симметрично расположены вокруг лазерного луча. В центре корпуса 10 имеется отверстие 11 для размещения оптических узлов лазерного интерферометра. Отверстие 11 имеет такой размер, чтобы не было помех нормальному функционированию оптики лазерного интерферометра.
Изобретение не ограничено предпочтительным примером реализации, описанным выше, который приведен только для примера, и различные изменения и модификации возможны без отступления от сферы применения этого изобретения, как это определено в прилагаемой формуле изобретения.
Формула изобретения
1. Способ повышения точности измерений дистанции лазерным интерферометром, включающий определение влияния температуры воздуха на лазерный луч, излучаемый лазерным интерферометром, на пути лазерного луча между интерферометром и ретрорефлектором лазерного интерферометра посредством измерения скорости звука на указанном пути лазерного луча, при этом скорость звука измеряют одновременно с измерением дистанции, и вычисление зависящей от температуры воздуха, поправки к значению дистанции с использованием измеренной величины скорости звука.
2. Способ по п.1, включающий измерение скорости звука с применением в используемых для этого вычислениях значения дистанции, которое измерено лазерным интерферометром.
3. Способ по п.1, в котором в вычислениях значения поправки к измеренному значению дистанции учитывают влияние, по меньшей мере, одного из следующих факторов: давления воздуха, относительную влажность, концентрацию газов, температурный градиент, ветер.
4. Способ по п.1, в котором измерение скорости звука включает определение скорости звуковых волн при их прохождении в обоих противоположных направлениях вдоль указанного пути лазерного луча.
5. Способ по п.1, в котором скорость звука измеряют с помощью, по меньшей мере, одной пары излучателей/приемников звуковых волн, установленных соответственно на интерферометре и ретрорефлекторе лазерного интерферометра, каждый излучатель/приемник может излучать или принимать звуковые волны, излучатели/приемники звуковых волн пары установлены так, что путь распространения звуковых волн между ними проходит параллельно указанному пути лазерного луча и настолько близко к нему, насколько возможно, чтобы излучатели/приемники не создавали помех нормальному функционированию лазерного интерферометра, а длина пути распространения звуковых волн изменяется одинаково с длиной указанного пути лазерного луча при перемещениях интерферометра и ретрорефлектора.
6. Способ по п.5, в котором для учета влияния отклонений температуры в направлении, перпендикулярном указанному пути лазерного луча, скорость звука измеряют с использованием, по меньшей мере, двух пар излучателей/приемников, причем способ включает установку излучателей/приемников каждой пары так, что пути распространения звуковых волн в парах излучателей/приемников расположены симметрично относительно указанного пути лазерного луча.
7. Способ по пп.5 и 6, включающий использование направленных излучателей/приемников звука с углом раствора луча 5-8°.
8. Способ по пп.5-7, в котором излучатели/приемники звука работают на ультразвуковых частотах.
РИСУНКИ
