волоконный интерферометрический датчик для измерения геометрических параметров объектов

Формула изобретения

ВОЛОКОННЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕКТОВ, содержащий оптически связанные источник монохроматического излучения, оптическую схему ввода излучения в световод, волоконно-оптический преобразователь, состоящий из излучающего и приемного световодов, акустооптический модулятор, фотоприемник, электронную измерительную схему, состоящую из формирователя импульсов, блока управления и последовательно соединенных фазового детектора, фильтра низких частот, усилителя, генератора с управляемым по напряжению входом, выход которого соединен с опорным входом фазового детектора и электрическим входом акустооптического модулятора, второй выход фазового детектора соединен с входом формирователя импульсов, выход которого подключен к блоку управления, выход которого соединен с третьим входом фазового детектора и вторым входом усилителя, отличающийся тем, что акустооптический модулятор соединен с излучающим световодом, вход приемного световода выполнен в виде соединителя, состоящего из двух плеч, одно из которых оптически связано с излучающим световодом через боковую поверхность излучающего световода, а другое - размещено параллельно оси излучающего световода и оптически связано входом приемного световода, а выход приемного световода оптически связан с входом фотоприемника.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к лазерной интерферометрии, и может быть использовано для измерений перемещений объектов с высокой точностью.

Известен волоконный интерферометрический датчик (ВИД), содержащий лазер, магнитооптический преобразователь, оптическую поляризационную схему интерферометра, волоконно-оптический преобразо- ватель, позволяющий совместить измерительный и опорный канал, объект контроля. Данный волоконный интерферометрический датчик позволяет измерять смещение объекта с высокой точностью.

Недостатком его являются ограниченные функциональные возможности, позволяющие измерять только смещение объекта относительно начального положения.

Известен ВИД, содержащий лазер, два акустооптических модулятора, оптическую схему интерферометра, волоконно-оптический преобразователь, состоящий из трех одномодовых волокон, реализующих измерительный и опорный каналы. Данный ВИД также позволяет измерять смещение контролируемого объекта с высокой точностью.

Недостатками его являются большая погрешность измерений, вносимая волоконно-оптическим преобразователем из-за его достаточно сложной конструкции, и ограниченные функциональные возможности датчика, позволяющие измерять только смещение объекта.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является ВИД, позволяющий измерять не только смещение объекта, но определять его положение и осуществлять контроль геометрических параметров изделий, состоящий из последовательно соединенных лазера, акустооптического модулятора, волоконно-оптического преобразователя, состоящего из излучающего и приемного световодов, оптической схемы ввода-вывода излучения для световода, оптической схемы интерферометра, электронной измерительной схемы, содержащей последовательно соединенные фотоприемник, фазовый детектор, фильтр низких частот, усилитель, генератор, управляемый напряжением, выход которого соединен с опорным входом фазового детектора и электрическим входом акустооптического модулятора, выход фазового детектора соединен также с входом формирователя импульсов, выход которого подключен к блоку управления, выход последнего соединен с третьим входом фазового детектора и вторым входом усилителя.

Недостатком такой конструкции является большая погрешность измерения, вносимая волоконно-оптическим преобразо- вателем под действием внешних факторов (температуры Т, давления Р, влажности Н и т.д.).

Технический результат изобретения заключается в повышении точности измерений.

Результат достигается тем, что предлагаемый волоконный интерферометрический датчик для измерения геометрических параметров объектов содержит оптически связанные источник монохроматического излучения, оптическую схему для ввода излучения в световод, волоконно-оптический преобразователь, состоящий из излучающего и приемного световодов, акустооптический модулятор, электронную измерительную схему, состоящую из формирователя импульсов, блока управления и последовательно соединенных фотоприемника, фазового детектора, фильтра низких частот, усилителя, генератоpа, управляемого напряжением, выход которого соединен с опорным входом фазового детектора и электрическим входом акустооптического модулятора, при этом другой выход фазового детектора соединен с входом формирователя импульсов, выход которого подключен к блоку управления, выход которого соединен с третьим входом фазового детектора и вторым входом усилителя. Акустооптический модулятор соединен с излучающим световодом с оптическими выходами, вход приемного световода выполнен в виде соединителя, состоящего из двух плечей, одно из которых оптически соединено с первым оптическим выходом излучающего световода, а другое размещено параллельно оси излучающего световода, образуя с его вторым оптическим выходом пару излучатель-приемник, направленную на объект, а выход приемного световода оптически соединен с входом фотоприемника.

На фиг. 1 показана структурная схема волоконного интерферометрического датчика для измерения геометрических параметров изделий; на фиг.2 конструктивная схема волоконно-оптического преобразователя и траектория распространения оптического излучения.

Датчик содержит источник монохроматического излучения лазер 1, оптическую схему 2 для ввода излучения в световод, волоконно-оптический преобразователь (ВОП) 3, одномодовый излучательный световод 4, акустооптический модулятор (АОМ) 5 с пьезоизлучателем 6, контролируемый объект (деталь) 7, оптический соединитель 8 одномодового приемного световода 9, фотоприемник 10, электронную измерительную схему 11, состоящую из фазового детектора (ФД) 12, фильтра низких частот (ФНЧ) 13, усилителя 14, генератора 15, управляемого напряжением (ГУН), формирователя 16 импульсов (ФИ) блока 17 управления (БУ).

Устройство функционирует следующим образом.

Излучение лазера 1 с помощью оптической схемы 2 вводится в одномодовый излучающий световод 4 ВОП 3 и распространяется по направлению к объекту 7. Непосредственно перед торцом световода 4 расположен АОМ 5, который механически прикреплен к излучающему световоду, возбуждает бегущие ультразвуковые волны в световоде и вызывает процесс дифракции оптического излучения. Для случая дифракции света по модели Брэгга единственный дифрагированный оптический пучок Е (+1) получает частотное приращение, равное частоте модуляции, и выходит из сердцевины световода 4 в оболочку, а из оболочки попадает в первое плечо двуплечего оптического соединителя 8. Оптическое излучение нулевого порядка дифракции Е(0), следуя дальше по световоду 4, выходит из него, попадает на поверхность детали 7, отражается от нее, и часть излучения направляется во второе плечо оптического соединителя 8. Пространственно соединившись в общей части приемного световода 9 и интерферируя на входной плоскости фотоприемника 9, оптические порядки излучения Е(0) и Е(+1) приводят к формированию электрического измерительного сигнала. Этот сигнал поступает на вход ФД 12 электронной измерительной схемы.

Блоки измерительной электронной схемы (ФД 12, ФНЧ 13, усилитель 14 и ГУН 15) образуют схему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Выходной частотный сигнал этой схемы подается на пьезоизлучатель АОМ 5.

Общий световой поток, распространяющийся по излучающему световоду, в результате взаимодействия с акустическими волнами, формируемыми АОМ, делится для случая Брэгговской дифракции на два световых потока: нулевой порядок Е(0) с частотой _о и первый порядок Е(+1) с частотой _о + + f_вых (фиг.2).

В настоящее время известны устройства, в которых исследован такой режим дифракции оптического излучения в световоде на акустической волне, например устройство, обеспечивающее вывод дифрагированного излучения Е(+1) из жилы световода в его оболочку и далее в элементы модулятора. Использование такого модулятора позволяет получить частотно сдвинутый первый порядок Е(+1) и пространственно отделить его от нулевого порядка Е(0).

Первый дифрагированный порядок Е(+1) приобретает частотное смещение, равное частоте модуляции АОМ, и отклоняется от прямого пути на угол . Параметры АОМ и пространственное расположение оптического световода подбираются таким образом, чтобы отклонившийся первый порядок Е(+1) вышел из сердцевины световода в оболочку, а затем в первое плечо оптического соединителя.

В настоящее время достаточно хорошо изучены вопросы проектирования и создания оптических соединителей. Для данного устройства предлагается использовать двуплечий тип соединителя, в первый вход которого вводится дифрагированное на модуляторе излучение, а во второй излучение, отраженное от детали. Такая конструкция соединителя позволяет успешно соединить две разночастотные компоненты оптического излучения.

Нулевой порядок дифракции Е(0) после АОМ следует по излучающему световоду ВОП, выходит из него, падает на поверхность контролируемого объекта, отражается от него, часть отраженного излучения входит во второе плечо оптического соединителя и соединяется с первым порядком дифракции Е(+1). Суммарный поток, представляющий две пространственно соединенные разночастотные составляющие, направляется на фотоприемник и преобразуется в электрический измерительный сигнал.

Таким образом, в данной конструкции волоконного датчика все изменения световодов от воздействия внешних факторов влияют как на нулевой порядок Е(0), так и на первый Е(+1) порядок и в результате этого взаимно компенсируется. Таким образом ВИД позволяет уменьшить погрешность измерений, которая обусловлена микродеформациями вследствие изменения внешних условий.