Быстрый поиск

Принципы измерения расстояний и линейных перемещений - (курсовая)

Дата добавления: март 2006г.

Принципы измерения расстояний и линейных перемещений
С О Д Е Р Ж А Н И Е

Принципы измерения расстояний и линейных перемещений..............................3

2 Описание принципа работы и оптических схем интерферометров со счетом

полос.............................................................................................................................................5 2. 1 Интерферометр со счетом полос на основе квадратурных сигналов............5 Интерферометр со счетом полос на основе частотной модуляции..................7

3 Исследование погрешности измерения перемещений................................................10

Анализ основных состовляющих погрешности измерения
перемещений

3. 2 Исследование погрешности показателя преломления воздуха............................ 11

Определение погрешности измерения расстояния.........................................................12

3. 4 Определение положения ближней и дальней зоны....................................................... 14

ПРИЛОЖЕНИЯ.........................................................................................................................................................15 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

..............................................................................................................................25

1. Принципы измерения расстояний и линейных перемещений

Обобщенная схема измерения расстояний и линейных перемещений посредством ЛИС на основе двухлучевого интерферометра изображена на рис. 1а.

Рассматривая принципы и методы измерения, излучение лазера 1 будем считать идеальной плоской волной.

Интерферометр, состоящий из светоделителя 2, опорного отра жателя 3 и измерительного отражателя 4, настроен на бесконечно широкую полосу. Интенсивность интерференционного сигнала I на фо топриемнике 5 изменяется по закону (рис. 1б)

I=I0+I~* COS (? ?L? ?), (1)

где I0 и I~ - постоянная составляющая и амплитуда переменной сос тавляющей сигнала соответственно; 2L - геометрическая разность хода интерферирующих пучков; ? - длина волны излучения.

Расстояние от нуля интерферометра О до измерительного отра жателя 4:

(2)

где P - порядок интерференции, ? - фаза интерференционного сигна ла I, определяемого формулой (1).

2 Описание принципа работы и оптических схем интерферометров со счетом полос.

Метод счета полос заключается в измерении (счете) числа пе риодов изменения интерференционного сигнала при изменении ГРХ. Для предотвращения ложного счета вследствие механических вибраций и турбулентности воздуха осуществляют реверсивный счет, при кото ром определяют знак каждого счетного периода приращения порядка интерференции.

Применяют два способа реверсивного счета полос.

2. 1 Интерферометр со счетом полос на основе квадратурных сигналов

Квадратурными называют два сигнала, содержащие информацию об одной и той же ГРХ, но сдвинутые по фазе на ? /2:

    I1(t)=I10+I1~*COS[? (t)] ,
    (3)
    I2(t)=I20+I2~*SIN[? (t)] .

Фиксируя пересечения сигналами (3) среднего уровня (рис. 2б), измеряют приращения ГРХ c дискретой ? /4. Знак каждой дискреты оп ределяют по фазовому сдвигу между сигналами, который в зависимости от направления изменения ГРХ равен ? /2 или 3? ? /2.

На рис. 2а изображена схема ЛИС, где квадратурные сигналы получают оптическим способом. Плоскость поляризации излучения од ночастотного лазера 1 составляет угол 450 с плоскостью чертежа. Фазовая пластина ? /8 - позиция 3, одна из собственных осей кото рой лежит в плоскости чертежа, вносит в интерферометр, образован ный светоделительной призмой-куб 2 и отражателями 4, разность ГРХ, равную ? /4, для составляющих излучения лазера параллельной и перпендикулярной плоскости чертежа. Поляризационная призма-куб 6 разделяет эти составляющие. В результате интерференционные сигна лы I1 и I2 на фотоприемниках 6 сдвинуты по фазе на ? /2.

Информационный спектр сигналов (3) содержит постоянные сос

тавляющие I10 и I20. Подобные ЛИС называют системами без переноса спектра сигнала или системами "постоянного тока".

Метод счета полос на основе квадратурных интерференционных сигналов не ограничивает скорость изменения и максимальное значе ние диапазона измеряемых расстояний. Время измерения в ЛИС, рабо тающих на основе этого метода, определяется только пропускной способностью электронного тракта и может составлять сотые доли микросекунды (скорость счета полос 100 МГц), что при дискpете ? /4 соответствует скорости приращения ГРХ 16 м/с. Измеряемые расстоя ния превышают десятки метров. Минимальную погрешность измерения расстояния определяет дискрета счета, чаще всего равная? ?/8. 2. 2 Интерферометр со счетом полос на основе частотной модуляции

На рис. 3а приведен пример схемы ЛИС. Двухчастотный лазер 1 излучает две волны с частотами ? 1 и ? 2, одна из которых поляризо вана параллельно, а другая - перпендикулярно плоскости чертежа. Светоделитель 2 отклоняет часть излучения каждой частоты для фор мирования опорного сигнала I0. Поляризационная призма-куб 3 раз деляет составляющие излучения разных частот и направляет их в разные плечи интерферометра. Пластины ? /4 - позиция 7, оптические оси которых составляют угол 450 с плоскостью чертежа, меняют сос тояние поляризации дважды прошедших пучков на ортогональное. По ляризационная призма-куб 3 обеспечивает суперпозицию пучков, возвращенных отражателями 4 и 5, в направлении I1. После поляри заторов 6, ось пропускания которых составляет угол 450 с плос костью чертежа, в результате интерференции пучков с разными час тотами образуются опорный I0 и измерительный I1 сигналы биения. Поскольку номенклатура двухчастотных лазеров и значения раз ности частот, которые они обеспечивают, ограничены, в качестве источника излучения часто используют одночастотный лазер, сдвигая частоты ортогональных составляющих его излучения акустооптически ми модуляторами, которые устанавливают на входе, выходе или в од ном из плечей интерферометра . В этом случае опорный сигнал I0 может быть получен непосредственно из модулирующих сигналов, подаваемых на акустооптические модуляторы.

Частота частотной модуляции, аналогично частоте фазовой модуляции, ограничивает время измерения . Однако при использовании акустооптических модуляторов она может быть установлена достаточно большой, чтобы этим ограничением можно было пренебречь. Тогда время однократного измерения фазы определяется временем задержки фазоизмерительного устройства и составляет для современных ЛИС около 10 мкс .

Так как ЛИС на основе частотной модуляции обеспечивают время измерения на порядок меньше, чем ЛИС на основе фазовой модуляции,

допустимые скорости изменения ГРХ в них на порядок выше. Эти ЛИС считаются в большей степени подходящими для высокоточных измерений в реальном масштабе времени . При равной погрешности они имеют несколько больший диапазон измерения ГРХ.

На основе методов прямого измерения фазы разрабатывают ЛИС для измерения медленно меняющихся во времени и незначительных по величине расстояний с высокой точностью. Основная область применения таких ЛИС - контроль профиля и шероховатости поверхностей, в том числе оптических. Другая обширная сфера применения - интерференционные датчики физических величин, изменение которых можно преобразовать в изменение еометрической или оптической разности хода интерферирующих лучей (давление и влажность атмосферы, температура, напряженность электрического и магнитного полей и др. ).

Частотную модуляцию интерференционного сигнала обеспечивают путем суперпозиции двух волн разной оптической частоты. В этом случае закон изменения интенсивности имеет вид

(4)

где I1 и I2 - интенсивности, ? 1 и ? 2 - оптические частоты, ? 1 и ? 2 - фазы интерферирующих волн.

Все переменные составляющие сигнала (4), кроме последней, вследствие высокой частоты не могут быть детектированы фотоприемником непосредственно. Выбирая близкие оптические частоты интерферирующих волн, получают частоту ? b=? ?1-? ?2 последней составляющей, удобную для обработки в фотоэлектронной системе. Эту частоту называют сигналом биения.

Особенность сигнала биения в том, что даже в отсутствие изменения ГРХ между интерферирующими волнами интенсивность изменяется по гармоническому закону. Если одна из интерферирующих волн проходит дополнительный геометрический путь 2L, то сигнал биения получает дополнительный фазовый сдвиг ? =? ?L/? , эквивалентный фазе немодулированного интерференционного сигнала на длине волны ? при

    ГРХ интерферирующих лучей, равной 2L.
    Чтобы определить ГРХ, измеряют фазовый сдвиг (рис. 3б)
    ? (t)=? ?? t*? b
    между опорным и измерительным сигналами биения:
    I0(t)=A0 *COS[2? (? 1-? ?2)t+(? 1-? 2)] ,
    (5)
    I1(t)=A1 *COS[2? (? 1-? ?2)t+(? 1-? 2)+? ?(t)] ,
    где A0 и A1 - их амплитуды.

Вместо непрерывного измерения разности фаз между сигналами подсчитывают число биений каждого из них N0 и N1 и отслежи вают разность ? N=N1-N0 (рис. 3в). Если ГРХ в интерферометре не меняется, частоты опорного и измерительного сигналов равны f? =f1=? ?1? ?? 2, и ? N=0. При движении отражателя 4 частота биения измерительного сигнала становится равной f1=? ?1-? ?2+? ?, где ? ?=? ?(t) /? ?t. Изменение ГРХ равно ? ?L=? ?? ?? =(N1-N0)*? .

Страницы: 1, 2