устройство для измерения колебаний объекта

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ ОБЪЕКТА, содержащее источник когерентного электромагнитного излучения (лазер), расположенный по ходу луча светоделитель, опорный канал с узлом юстировки и измерительный канал, включающий в себя последовательно соединенные фотоприемник и блок обработки сигналов, отличающееся тем, что узел юстировки опорного канала выполнен в виде закрепленных соосно и установленных по ходу опорного луча линзы и смещенного относительно ее фокальной плоскости, зеркала, установленного с возможностью повотора вокруг оси перпендикулярно направлению распространения опорного луча, устройство снабжено в измерительном канале линзой, установленной перпендикулярно ходу луча лазера за светоделителем, вторым фотоприемником, выход которого подключен к второму входу блока обрабоки сигналов, объективом и призмой с двумя смежными зеркальными гранями, расположенными так, чтобы отраженный от каждой грани луч соответствовал половине интерференционной картины, прошедшей через объектив, и попадал на вход соответствующего фотоприемника, измерительный и опорный каналы устройства установлены так, что измерительный и опорный лучи сходятся в фокусе объектива измерительного канала.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено двумя диафрагмами, размещенными перед входами соответствующих фотоприемников.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что используют диафрагмы с отверстиями круглой формы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к контрольно-измерительным приборам, а именно к регистрации колебаний поверхности объекта.

Существуют лазерные интерферометры [1] использующие явление интерференции для измерения расстояний до выбранного объекта, положение которого может меняться во времени.

Недостатком этих приборов является ограничение частотного диапазона регистрируемых смещений узкой низкочастотной областью, малая чувствительность и невысокая точность измерений.

Известно также устройство (прототип), в котором на базе двухлучевого интерферометра реализована схема регистрации колебаний объекта в широкой области частот ультразвукового диапазона [2] Использованная в нем схема с коррекцией длины волнового пути при помощи высокочувствительных пьезоэлектрических пластин по каждому из каналов позволила в условиях применения обратной связи в опорном канале значительно увеличить минимальное значение регистрируемой амплитуды колебаний по сравнению с другими аналогами [1]

Недостатком этого устройства является трудность юстировки и поддержания с высокой точностью фиксированного расстояния между элементами интерферометра, а также небольшой диапазон амплитуд измеряемых колебаний.

Целью изобретения повышение чувствительности, увеличение частотного диапазона измерений и устранение искажений при фиксации ультразвуковых сигналов.

Цель достигается тем, что узел юстировки опорного канала выполнен в виде закрепленных соосно и установленных по ходу опорного луча линзы и смещенного относительно ее фокальной плоскости зеркала, установленного с возможностью поворота вокруг оси перпендикулярно направлению распространения опорного луча, устройство снабжено в измерительном канале линзой, установленной перпендикулярно ходу луча лазера за светоделителем, вторым фотоприемником, выход которого подключен к второму входу блока обработки сигналов, объективом и призмой с двумя смежными зеркальными гранями, расположенными таким образом, что отраженный от каждой грани луч соответствовал половине интерференционной картины, прошедшей через объектив, и попадал на вход соответствующего фотоприемника, измерительный и опорный каналы устройства установлены таким образом, что измерительный и опорный лучи сходятся в фокусе объектива измерительного канала, а перед входом соответствующих фотоприемников размещаются две диафрагмы с отверстиями круглой формы.

На чертеже представлена схема устройства.

Устройство включает в себя источник когерентного электромагнитного излучения (лазер) 1, светоделитель 2, разделяющий падающий электромагнитный поток на два луча (опорный и измерительный) примерно одинаковой интенсивности, узел юстировки опорного канала, состоящий из закрепленных соосно и установленных по ходу опорного луча линзы 3 и смещенного относительно ее фокальной плоскости зеркала 4, установленного с возможностью поворота вокруг оси перпендикулярно направлению распространения опорного луча, и измерительный канал, содержащий линзу 5, установленную за светоделителем 2 перпендикулярно ходу луча лазера на фокусном расстоянии от поверхности объекта 6, объектив 7, служащий для увеличения получаемой интерференционной картины, призму 8 с двумя смежными зеркальными гранями, делящей интерференционную картину пополам, два фотоприемника 9 и 10, имеющих на входе диафрагмы 11 и 12 круглой формы и расположенные напротив граней призмы 8 таким образом, чтобы находиться в выбранной точке интерференционной картины, и блок обработки сигнала 13, состоящий из дифференциального усилителя, входы которого подключены к выходам фотоприемников 9 и 10, и повторителя.

Измерение колебаний поверхности объекта осуществляется следующим образом.

Непрерывный поток электромагнитного излучения от источника 1 частично проходит через светоделитель 2, а частично отражается в опорный канал интерферометра перпендикулярно падающему лучу. Прошедший пучок электромагнитных волн попадает на линзу 5, в фокусе которой находится поверхность диагностируемого объекта 6, так что отраженное от нее излучение, проходя в обратном направлении линзу 5, образует луч, параллельный падающему. Излучение в опорном канале проходит линзу 3, отражается от зеркала 4, способного поворачиваться вокруг оси, перпендикулярной плоскости переднего фронта падающего излучения, и проходя в обратном направлении линзу 3, образует луч, идущий под некоторым углом по отношению к падающему на линзу 3 лучу. Величина этого угла может регулироваться поворотом зеркала 4 вокруг своей оси вращения, изменением расстояния между этим зеркалом и линзой 3, а также положением угла наклона светоделителя 2 по отношению к падающему лазерному лучу. Отраженный от зеркала 4 луч после линзы 3 совмещается с отражением от поверхности объекта 6 и светоделителя 2 лучом в плоскости с нормалью вдоль этого последнего луча и образует там интерференционную картину, увеличиваемую объективом 7. В центре этой картины размещают вершину призмы 8 с зеркальными гранями таким образом, чтобы симметричные части этой картины отражались в противоположные стороны. В выбранные части отраженных интерференционных полос устанавливают фотоприемники 9 и 10 с диафрагмами круглой формы 11 и 12. Выходы фотоприемников 9 и 10 соединены с электронным блоком обработки сигнала 13, состоящим из дифференциального усилителя и повторителя. Положение интерференционных полос зависит от разности оптических путей, пройденных лучами в опорном и измерительном каналах. Поэтому при колебаниях поверхности объекта 6, сопровождающихся изменением оптического пути в измерительном канале, происходит смещение интерференционных полос, которое и фиксируется фотоприемниками 9 и 10. Необходимо отметить, что ширина интерференционных полос регулируется не только углом схождения лучей двух каналов, которое достигается поворотом зеркала 4 при фиксированном расстоянии между этим зеркалом и линзой 3, а также изменением угла наклона светоделителя 2, но и зависит от коэффициента увеличения объектива 7 и угла между зеркальными гранями призмы 8. При изменении последнего необходима корректировка положения фотоприемников 9 и 10, которые устанавливаются симметрично относительно центра выбранной интерференционной полосы. Как показывают расчеты, использование разности выходных напряжений фотоприемников позволяет исключить постоянную составляющую и устранить ряд различных искажений сигнала, а также повысить чувствительность измерений.

В результате значительного увеличения размеров интерференционных полос, величина которых определяется углом схождения лучей двух каналов интерферометра, многократно возрастает чувствительность устройства, позволяющая измерить смещения диагностируемой поверхности порядка нескольких ангстрем. В то же время при таком способе использования интерференционных явлений, который применен в рассматриваемом устройстве, ширина полосы частот ультразвуковых сигналов, которые могут быть зарегистрированы в процессе измерений, ограничивается практически только величиной рабочего диапазона частот разностного усилителя. Использование метода вычитания сигналов, снимаемых с фотоприемников, позволяет избежать тех искажений результатов измерений, которые характерны для других способов регистрации колебаний объекта.

Таким образом, применение рассматриваемого устройства для регистрации ультразвуковых сигналов позволяет повысить чувствительность измерений, значительно увеличивает диапазон частот фиксируемых колебаний и позволяет получать на его выходе неискаженный сигнал, полностью идентичный исходному колебанию диагностируемой поверхности. Перечисленные свойства представляют интерес для целого ряда практических приложений, но особенно существенными они являются с точки зрения перспектив построения нового поколения систем акустической диагностики.