Технические науки/6. Электротехника и радиоэлектроника

К.т.н., доцент Рудик А.В.

Національний університет водного господарства та природокористування (Україна, м. Рівне)

ПРИСТРІЙ ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ МІКРОПЕРЕМІЩЕНЬ

Пристрій, запропонований в роботі, відноситься до апаратури вимірювання лінійних розмірів і мікропереміщень та може використовуватися для визначення відстані до об’єкта контролю за допомогою оптичного випромінювання в прецизійному приладобудуванні та машинобудуванні.

Недоліками відомих пристроїв для вимірювання мікропереміщень є значна споживана потужність, недостатня точність та значна трудомісткість проведення вимірювань, що не дозволяє автоматизувати процес вимірювання.

На рис.1 наведена структурна схема запропонованого пристрою.

Рисунок 1 – Структурна схема пристрою для вимірювання мікропереміщень

Пристрій для вимірювання мікропереміщень та лінійних розмірів складається з лазера 1, акустооптичного модулятора (АОМ) 2, генератора радіодіапазону 3, першого 4 та другого 5 відбивальних дзеркал, напівпрозорого дзеркала 6, лінзи 7, фотоприймача 8, діафрагми 9 та цифрового фазометра 10.

Пристрій працює таким чином. Випромінювання лазера 1 під відповідним кутом Брегга спрямовується на АОМ 2. На модуляційний вхід АОМ подається гармонічна напруга збудження від генератора 3 (1 ¸100 МГц). В результаті взаємодії лазерного випромінювання з частотою f₀ та акустичної хвилі з частотою F на виході АОМ 2 за рахунок дифракції випромінювання лазера з’являються дифраговані промені 0 (з частотою f₀) та +1 (з частотою f₀ + F) порядків дифракції. Промінь –1 порядку дифракції не використовується.

Ці промені на виході АОМ 2 випромінюються під кутом Брегга , де – довжина хвилі випромінювання, що падає; – довжина акустичної (ультразвукової) хвилі; n та V – відповідно швидкість світла у вакуумі та швидкість ультразвуку в кристалі модулятора; n – показник заломлення середовища поширення променів (наприклад, повітря).

При невеликому значенні кута q £ 20° можна забезпечити просторову фільтрацію променів на виході АОМ. Оптичне випромінювання з першого виходу АОМ з частотою f₀ проходить через напівпрозоре дзеркало 6, потрапляє на друге відбивальне дзеркало 5 і знову повертається до напівпрозорого дзеркала 6. В результаті промінь нульового порядку дифракції отримує затримку

,

де L₀ – фіксована відстань між першим відбивальним дзеркалом 4 та напівпрозорим дзеркалом 6; L_Х – невідома відстань між другим відбивальним дзеркалом 5 та напівпрозорим дзеркалом 6.

Оптичне випромінювання з другого виходу АОМ 2 з частотою f₀ + F від першого відбивального дзеркала 4 потрапляє до напівпрозорого дзеркала 6. В результаті промінь +1 порядку дифракції отримує затримку

.

Промені нульового та +1 порядків дифракції суміщаються в напівпрозорому дзеркалі 6 і фокусуються лінзою 7 з утворенням інтерференційної картини в площі діафрагми 9 фотоприймача 8. Їх детектування фотоприймачем (у випадку квадратичного режиму) дозволяє отримати на виході фотоприймача напругу

де b₈ – коефіцієнт, що характеризує чутливість фотоприймача 8; та – коефіцієнти послаблення випромінювань променів; E_2.1 та E_2.0 – інтенсивності випромінювання оптичних променів +1 та 0 порядків дифракції.

Цифровий фазометр 10 вимірює кут фазового зсуву між вихідними напругами фотоприймача U₈(t) та генератора радіодіапазону 3

(1)

Враховуючи, що співвідношення (1) можна переписати у такому вигляді:

(2)

де відношення довжин акустичної та оптичної хвиль.

Розглянемо співвідношення ctg q:

(3)

Підставивши співвідношення (3) в (2), отримаємо:

звідки

Таким чином, результат вимірювання визначається тільки фіксованою відстанню між першим відбивальним дзеркалом 4 та напівпрозорим дзеркалом 6 L₀, фазовим зсувом j та показником заломлення середовища поширення променів n. Крім того, підвищується рівень автоматизації процесу вимірювання, тому що з процесу вимірювання виключено операції ручного настроювання.