Принципы виміру відстаней і лінійних перемещений

Принципы виміру відстаней і лінійних перемещений.

З Про Д Є Р Ж, А М І Є

Принципи виміру відстаней і лінійних перемещений…3.

2 Опис принципу праці та оптичних схем интерферометров.

з рахунком полос…5.

2.1 Интерферометр з рахунком смуг з урахуванням квадратурных сигналов…5.

2.2 Интерферометр з рахунком смуг з урахуванням частотною модуляции…7.

3 Дослідження похибки виміру перемещений…10.

3.1 Аналіз основних состовляющих похибки виміру.

перемещений.

3.2 Дослідження похибки показника заломлення воздуха…11.

3.3 Визначення похибки виміру расстояния…12.

3.4 Визначення становища ближньої і дальньої зоны…14.

ПРИЛОЖЕНИЯ…15.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ …25.

1. Принципы виміру відстаней і лінійних перемещений.

Узагальнена схема виміру відстаней і лінійних перемещений посредством ЛИСИЦЬ з урахуванням двухлучевого інтерферометра изображена на рис. 1а.

.

Розглядаючи принципи й фізичні методи виміру, випромінювання лазера 1.

будем вважати ідеальної пласкою волной.

Интерферометр, що з светоделителя 2, опорного отра;

жателя 3 і вимірювального відбивача 4, настроєна на щось бесконечно широкую смугу. Інтенсивність интерференционного сигналу I на фо;

топриемнике 5 змінюється згідно із законом (рис. 1б).

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

где I0 і I~ - стала складова і амплітуда перемінної сос;

тавляющей сигналу відповідно; 2L — геометрична разность хода интерферирующих пучків;? — довжина хвилі излучения.

Відстань від нуля інтерферометра Про до вимірювального отра;

жателя 4:

(2).

где P — порядок інтерференції,? — фаза интерференционного сигна;

ла I, що визначається формулою (1).

2 Опис принципу праці та оптичних схем интерферометров зі.

рахунком полос..

Метод рахунки смуг залежить від вимірі (рахунку) числа пе;

риодов зміни интерференционного сигналу за зміни ГРХ.

Для запобігання помилкового рахунки внаслідок механічних вибраций и турбулентності повітря здійснюють реверсивний рахунок, при кото;

ром визначають знак кожного лічильного періоду збільшення порядка интерференции.

Застосовують два способу реверсивного рахунки полос.

2.1 Интерферометр з рахунком смуг з урахуванням квадратурных сигналов.

Квадратурными називають два сигналу, містять інформацію об одной й тією самою ГРХ, але зсунуті за фазою на ?/2:

I1(t)=I10+I1~*COS[?(t)] ,.

(3).

I2(t)=I20+I2~*SIN[?(t)] .

Фиксируя перетину сигналами (3) середній рівень (рис. 2б),.

измеряют збільшення ГРХ з дискретой ?/4. Знак кожної дискреты оп;

ределяют по фазовому зрушенню між сигналами, який змінюється залежно від напрямку зміни ГРХ дорівнює ?/2 чи 3? /2.

.

На рис. 2а зображено схема ЛИСИЦЬ, де квадратурные сигналы получают оптичним способом. Площину поляризації випромінювання од;

ночастотного лазера 1 становить кут 450 з площиною чертежа.

Фазовая пластина ?/8 — позиція 3, одне з власних осей кото;

рой у площині креслення, вносить в интерферометр, образован;

ный светоделительной призмой-куб 2 і відбивачами 4, разность ГРХ, рівну? /4, для складових випромінювання лазера паралельної и перпендикулярной площині креслення. Поляризационная призма-куб 6.

разделяет ці складові. Через війну інтерференційні сигна;

лы I1 і I2 на фотоприемниках 6 зсунуто за фазою на ?/2.

Інформаційний спектр сигналів (3) містить постійні сос;

тавляющие I10 і I20. Такі ЛИСИЦЬ називають системами без переноса спектра сигналу чи системами «постійного струму » .

Метод рахунки смуг з урахуванням квадратурных интерференционных сигналов не обмежує швидкість зміни і забезпечити максимальне значе;

ние діапазону вимірюваних відстаней. Час виміру перетворилася на ЛИСИЦЬ, рабо;

тающих з урахуванням цього, визначається лише пропускной способностью електронного тракту і їх може становити соті доли микросекунды (швидкість рахунки смуг 100 МГц), що з дискpете ?/4.

соответствует швидкості збільшення ГРХ 16 м/с. Обчислювані расстоя;

ния перевищують десятки метрів. Мінімальну похибка измерения расстояния визначає дискрета рахунки, найчастіше равная??/8.
2.2 Интерферометр з рахунком смуг з урахуванням частотною модуляции.

.

На рис. За наведено приклад схеми ЛИСИЦЬ. Двухчастотный лазер 1.

излучает дві хвилі з частотами ?1 і ?2, одній із яких поляризо;

вана паралельно, іншу — перпендикулярно площині чертежа.

Светоделитель 2 відхиляє частина випромінювання кожної частоти для фор;

мирования опорного сигналу I0. Поляризационная призма-куб 3 раз;

деляет складові випромінювання різних частот і направляє їх в разные плечі інтерферометра. Пластини ?/4 — позиція 7, оптические оси яких становлять кут 450 з площиною креслення, змінюють сос;

тояние поляризації двічі минулих пучків на ортогональное. По;

ляризационная призма-куб 3 забезпечує суперпозицію пучков, возвращенных відбивачами 4 і п’яти, у бік I1. Після поляри;

заторов 6, вісь пропускання яких складає кут 450 з плос;

костью креслення, внаслідок інтерференції пучків з різними час;

тотами утворюються опорний I0 і вимірювальний I1 сигнали биения.

Оскільки номенклатура двочастотних лазерів і значення раз;

ности частот, що вони забезпечують, обмежені, в качестве источника випромінювання часто використовують одночастотный лазер, сдвигая частоты ортогональних складових його випромінювання акустооптически;

ми модуляторами, які на вході, виході чи од;

ном з плечей інтерферометра. І тут опорний сигнал.

I0 можна отримати безпосередньо з модулирующих сигналов, подаваемых на акустооптические модуляторы.

Частота частотною модуляції, аналогічно частоті фазової модуляції, обмежує час виміру. Проте за використанні акустооптических модуляторів може бути встановлено досить великий, щоб цим обмеженням можна було знехтувати. Тоді час однократного виміру фази визначається часом затримки фазоизмерительного пристрої і становить сучасних ЛИСИЦЬ близько 20 мкс .

Оскільки ЛИСИЦЬ з урахуванням частотною модуляції забезпечують час виміру менше, ніж ЛИСИЦЬ з урахуванням фазової модуляции, допустимые швидкості зміни ГРХ у яких значно вище. Ці ЛИС считаются більшою мірою підходящими для високоточних до реальному масштабі часу. При рівної похибки вони теж мають кілька більший діапазон виміру ГРХ.

За підсумками методів прямого виміру фази розробляють ЛИСИЦЬ для виміру повільно мінливих в часі та незначних за величиною відстаней з точністю. Основна область застосування ЛИСИЦЬ — контроль профілю і огріхи поверхонь, зокрема оптичних. Інша велика сфера застосування — інтерференційні датчики фізичних величин, зміну яких можна перетворити на зміна еометрической чи оптичної різниці ходу интерферирующих променів (тиск і вологість атмосфери, температура, напруженість електричного і магнітного полів і др.).

Частотную модуляцію интерференционного сигналу забезпечують шляхом суперпозиции двох хвиль різною оптичної частоти. І тут закон зміни інтенсивності має вид.

(4).

где I1 і I2 — інтенсивності, ?1 і ?2 — оптичні частоти, ?1 і ?2 — фази интерферирующих волн.

Усі перемінні складові сигналу (4), крім останньої, внаслідок високої частоти неможливо знайти детектированы фотоприймачем непосредственно.

Обираючи близькі оптичні частоти интерферирующих хвиль, отримують частоту? b=??1-??2 останньої складової, зручну в обробці в фотоэлектронной системі. Цю частоту називають сигналом биения.

Особливість сигналу биття у цьому, що у відсутність зміни ГРХ між интерферирующими хвилями інтенсивність змінюється по гармонійного закону. Якщо один з интерферирующих хвиль проходить додатковий геометричний шлях 2L, то сигнал биття отримує додатковий фазовий зрушення ?=??L/?, еквівалентний фазі немодулированного интерференционного сигналу на довжині хвилі? при ГРХ интерферирующих променів, рівної 2L.

Щоб співаку визначити ГРХ, вимірюють фазовий зрушення (рис. 3б).

?(t)=???t*?b.

между опорним і вимірювальним 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 і A1 — їх амплитуды.

Вместо безперервного виміру різниці фаз між сигналами подсчитывают число биттів кожного їх N0 і N1 і отслежи;

вают різницю ?N=N1-N0 (рис. 3в). Якщо ГРХ в интерферометре не меняется, частоти опорного і вимірювального сигналів равны.

f?=f1=??1???2, і ?N=0. При русі відбивача 4 частота биения измерительного сигналу стає рівної f1=??1-??2+??, где.

??=??(t) /??t. Зміна ГРХ одно?? L=???=(N1-N0)*?.

Знак при? n залежить від напрямку руху відбивача 4.

Связь між знаками? L і ??? залишається однозначної до того часу, пока.

[???].