CC BY
8
приборостроение, метрология и информационно-измерительные приборы и системы
уДК 681.787.7 Е. В. ЛЕУН
РО!: 10.25206/1813-8225-2021-176-52-58
АО «НПО Лавочкина», Московская область, г. Химки
ОСОБЕННОСТИ СХЕМОТЕХНИКИ АКУСТООПТИЧЕСКИХ ЛАЗЕРНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТРЕХКООРДИНАТНЫХ (30) ПЕРЕМЕЩЕНИЙ ИЗДЕЛИЙ И ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ. ЧАСТЬ 2
В статье обсуждаются шумовые, динамические и точностные параметры аку-стооптических (АО) лазерных измерительных систем (ЛИС) для высокоточного контроля трехкоординатных (30) смещений изделий. Показано, что при использовании в них современных быстродействующих малошумящих фотоприемников без специальных технических приемов сейчас достижимы разрешающие способности » ^^ и « ^^ для продольных Д/ и поперечных Д/,
Д/2 смещений соответственно, где Л и Лаом — длина волны света и ультразвука в АО модуляторе. Обсуждаются особенности использования в АО ЛИС систем ФАПЧ. Рассматриваются возможности повышения разрешающих способностей измерений смещений при использовании для одного входного оптического сигнала двух фотоприемников: быстродействующего и малошумящего, а также за счет управления шириной полосы пропускания системы ФАПЧ. Ключевые слова: шумы сигнала, малошумящий фотоприемник, система ФАПЧ, джиттер, фазовый сдвиг, акустооптический модулятор, лазерный интерферометр.
Введение. Для развития высокоточных методов раслях недавно были начаты научные исследования и средств трехкоординатных (3Б) измерений сме- акустооптических (АО) лазерных измерительных щений при производстве изделий и элементов обо- систем (ЛИС) с отработкой новых принципов по-рудования ракетно-космической техники, авиации, строения [1—3]. Эта задача может быть разложена машино-, приборо- и станкостроения и других от- на две подзадачи: измерения однокоординатного
Рис. 1. Оптоэлектронная схема АО ЛИС для контроля 3Э смещений
(1Б) продольного Д1х и двухкоординатных (2Б) поперечных Д1у и Д1г смещений коллинеарных (вдоль оси ОХ) и ортогональных (вдоль осей ОУ и 02) направлению распространения лазерного луча соответственно.
Подобные измерения используются при контроле отклонений от прямолинейности поверхностей изделий за счет высокоточных измерений продольных Д1х [1, 2, 4-6] и поперечных Д1у и Д1г [1, 3, 7-9] смещений, определении траектории движения элементов оборудования, измерении смещений сканирующего лазерного луча в гибридной головке [10] и других задачах. Однако вопрос оценки шумов и влияния их на точностные и динамические параметры АО ЛИС не был полностью раскрыт в открытой печати, и данная статья направлена на восполнение этого недостатка.
1. Принцип действия и конструктивные особенности АО ЛИС при измерении 3Б смещений. Оптоэлектронная схема АО ЛИС для контроля 3Б смещений в упрощенном виде показана на рис. 1. Согласно схеме, лазер 1 формирует когерентный оптический поток, поступающий в оптическую схему 2, содержащий АО модулятор (на рис. 1 не показан) и освещающий триппель-призму 3. Ее трехкоординатные (3Б) смещения: 1Б продольные Д1х и 2Б поперечные Д1у, Д1^ смещения передаются отраженному лучу, который следует в обратном направлении, с помощью оптической схемы 2 преобразуется в три разночастотных оптических потока, следующих на входы оптических световодов 4, 9 и 12 и далее на входы фотоприемников 5, 7, 10, 13. Световод 4 представляет собой У-образный волоконный разветвитель, подключенный к оптическим входам к быстродействующему 5 и малошумящему 7 фотоприемникам, используемым для реализации т.н. «быстрых грубых» и «медленных точных» измерений продольных перемещений соотвественно.
Для измерения продольных смещений Д1х используется двухканальная измерительная схема, состоящая из фазового интерполятора 6 [11] и системы ФАПЧ 8, подключенных к системе управления 15. Внутри нее находится фазометр малого диапазона, как в [12-14], не показанный на рис. 1.
Одной из особенностей этой схемы является управление переходом в режим синхронизма системы ФАПЧ 8, длительность которого, как правило, равна 3-4т, где т — постоянная времени. Более подробно конструкция и принцип действия двух-канальной измерительной схемы с одним фотоприемником и реализацией «быстрых грубых» и «медленных точных» измерений продольных смещений описаны в [6]. Построение измерительной схемы
с быстродействующим 5 и малошумящим 7 фотоприемниками позволяет с помощью первого уменьшить ограничения по максимальной скорости продольных смещений, а с помощью второго снизить уровень шумов в измерительном сигнале, повысить соотношение сигнал/шум О и достичь максимальной разрешающей способности. Режим работы системы управления 15 направлен на синхронизацию работы фазового интерполятора 6 и системы ФАПЧ 8.
Измерительные схемы 11 и 14 для контроля поперечных Д1у, Д1г смещений подключены к фотоприемникам 10 и 13 и, по сути, могут быть построены аналогично двухканальной измерительной схеме на основе фазового интерполятора и системе ФАПЧ (с фазометром малого диапазона) для продольных Д1 смещений [1, 3, 9].
Использование систем ФАПЧ предполагает согласование параметров движения изделий с ее частотными характеристиками, частотой возбуждения АО модулятора и быстродействием измерительной схемы. И последующие анализ и расчеты проведены на примере использования следующих двух АО модуляторов:
1) АО модулятор 1: материал светозвукопрово-да — парателлурит (ТеО2), частота АО модуляции ^ыод = 40 МГц, скорость ультразвуковой волны (УЗВ) V «616 м/с, длина УЗВ Л «15,4 мкм [6];
узв ^ узв
2) АО модулятор 2: материал светозвукопрово-да — вода (Н2О), частота АО модуляции 1ыод = 8 МГц, скорость УЗВ V «1480 м/с, длина УЗВ Л «185 мкм
узв узв
[5, 7, 9].
Согласно особенностям измерений геометрических параметров изделий, допуск на отклонение от прямолинейности существенно меньше длины измерений, например, не должен превышать 0,8 мм на длине 100 мм, то в дальнейшем можно использовать с одинаковым коэффициентом 0,008 отношение поперечного смещения к продольному и максимальным скоростям поперечных смещений V
к продольнымх смещениям vпрод соответственно:
V «0,008^ .
поп ' прод
(1)
С другой стороны, скорости движения изделия можно определить, исходя из чястотныя параметров измерительной схемы для каждого режита измерений:
— для продольных смещений Уп
— для поперечных смещений Уп
= I,
•Л„
(2) (3)
Значения доплеровских набегов частоты 1доп, частот измерительного сигнала, максимальных скоростей поперечных V и продольных V смещений
1 поп 1 ^ прод 1
рассчитаны при использовании двух типов АО модуляторов и приведены в табл. 1.
2. Расчет составляющих разрешающей способности АО ЛИС. Как следует из предыдущих исследований, разрешающая способность АО ЛИС определяется двумя основными составляющими: шумами сигнала в процессе фотопреобразования Дффп оптического сигнала в электрическийи джит-тером Дфдж, т.е. неопределенностью фронтовчастот-ного сигнала генератора, управляемого напряжением (ГУН) системы ФАПЧ [1, 2, 6].
Принимая, что погрешности Дффп и Дфдж имеют разную природу, независимы друг от друга и имеют нормальный закон распределения (закон Гаусса), то итоговая фазовая погрешность отих геометрического сложения определится как:
Шумовые характеристики для фотоприемников АО ЛИС для длины волны Х»650 нм
Таблица 1
N fam, МГц 10 14 25 45 60
1 Pep' Вт^ГЦ 3840-15* 2,4-10-12** 150-10-15* 30-10-12"" 1Ы0-12"
2 Q (Д/=107 Гц) 2000 2000 2000 600 2000
3 Афш, мрад 7,1 7,1 7,1 13 7,1
4 А/прод, нм 0,355 0,355 0,355 0,65 0,355
5 А/поп, нм (Л=15,4 мкм) 17,4 17,4 17,4 31,8 17,4
6 А/поп, мкм (Л=185 мкм) 0,2 0,2 0,2 0,38 0,2
7 t, пс 3 3 3 3 3
8 Афдж, мрад 0,19 0,264 0,471 0,848 1,13
9 Аффп/ Афдж 37,4 26,9 15,1 15,3 6,3
10 ^фнч2(Аффп Афдж^ Гц 7161 13825,8 44007,3 42550,5 253302,9
11 ^фнч3(Аффп Афдж^ Гц 657,6 1269,6 4041,1 3907,3 23260,14
12 АфЕ1 (без сужения полосы), мрад 7,103 7,105 7,116 13,028 7,189
13 ЛфЕ2, мрад 0,266 0,3696 0,6594 1,1872 1,582
14 ЛфЕ3, мрад 0,19 0,264 0,471 0,848 1,13
15 ^„Р1(АФф„КАФдж), м/с 0,0023 0,0044 0,0139 0,0135 0,0801
16 А/ ,(Аф*. ~Аф ), пм пр11 т фп т дж' 13,3 18,5 33 59,4 79,1
17 ¥пр2(АФфп<<АФдж)' м/с 0,00021 0,00040 0,00128 0,00124 0,00736
18 А/ ,(Ат <<Аф ), пм пр2 фп дж 9,6 13,2 23,55 42,4 56,5
Примечание:
* — фотоприемник ACUBE-3000-10, по данным 2019 г. из [15],
** — фотоприемник (Si-PIN фотодиод) 0E-300-SI-30, по данным 2019 г. из [16],
где у — коэффициент связи, учитывающий неполное согласование фронтов и степень перекрытия оптических пучков, уоп и — коэффициенты, учитывающие эффекты несогласованности размера чувствительной площадки фотоприемника и диаметра пучка, возможного виньетирования и дифракционной расходимости пучков, Р0 — мощность излучения лазера, 5 — фоточувствительность фотоприемника, Ршр — эквивалентная оптическая мощность излучения, приходящаяся на единицу частоты полосы пропускания (размерность Вт/Гц1/2), Д/ — полоса пропускания, д — заряд электрона, 1,6-10-19 К.
Левый многочлен знаменателя выражения (5), содержащий коэффициенты уоп и уцзм, связан с дробовыми шумами от сигнальной засветки фотоприемника. Правый многочлен знаменателя в фор-
— фотоприемник (PIN-фотодиод), по данным 2011 г. из [6].
гФи ф ^Аффп + гфОж, ■ (4)
Далее эти две компоненты и их влияние на точностные параметры АО ЛИС р ассмотрены более подробно.
2.1. Влияние шумовых параметров элементов из-5 мерительной схемы на разрешающую способность ~ АО ЛИС. Отношерие сигнал/шум Ч в процессе оп-тоэлектронного пре об раз ования оптиче ского сигнала в электрический можно определить по формуле
[5]:
SR2a2 а а
q _ _U св l оп I иом__(5)
" ФКЬоп +а„ом) + жч2вЕч] '
О
муле (5), содержащий параметр р^, определяет такие шумовые составонющие, как дробовый шум от темнового тока, тепловой шум, шумы усилителя и филптра и т. п.
Для фотоприемника, использованного в [5], можно принять, чао уровена драбовых шумов, обусловленных сигнальной дасветкой фотоприемника, меньше рв, вызванных в нугренним шумом фотоприемника, позволяя упродтизь (формулу (5) к следующему виду:
ДРорО 2*/^.
(8)
П о
т 2 2
О УсдУоп'сЗМ
ДДЗРО
фыУ
дер 1
(6)
где кфду =
У0 У2ВУ0Ы УСЗМ
оРФы и
т
(7)
коуффициент фотопре-
образования фотоприемника.
При Д/=107 Гц, Ршр о 3Т ■ ТУ12 Вт/ в [6] при использовании ураянзния (1) опрецелено расчетным путем значение (Эу1 000. Однако, как и в [5], для повышения достоверностиполучаемых результатов за основу для дальнепших расчетов будет взято более низкое значение, а именно 0«600.
Расчетами, приведенным и в [6], было показано, что уровень дробоводд шума составлял -30 % от общего уровня шумов. За прошедшие почти 10 лет послезавершенив даб1ты [б] паяовлись современные малошумящие фотоприемники с существенно более низким уровнем внутррнних шумов фотоприемников так, пто уровень дробовых шумов, обусловленных сигнальной засветкрй фотоприемника, начинает орепалдровато вфо°муле (5). Поэтому можно предпопожитз соооветствующее повышение соотношения содыгар/шум р ровременных фотоприемников в 3,3раза, т.е. до 0«2000 (строка 2 табл. 1).
Разрешающая спосо°ность, обусловленная шумами сигнала фотоприемника Дффп, определяется выражением [5]:
Для разных генераторов, управляемых напряжением, к настоящему времени уже достижимы значения Д^ж«1-5 пс [17, 18]. И спользуя для расчетов значение Дtgж«3 по (соыока Ф таДо. 1), дооучим ряд значений по фазовому одвигу Дфдж, изменяющихся в диапазоне от 0,19 до 1,13 мрад, которые сведены в строку 8 табл. 1°
В строке 9 табл. 1 пртворены значения отношения Дффп/Дфдж, которые в диаррзоне частот от 10 МГц до 60 МГц уменьшаются от 37,4 до 6,3. Полученные значения Дффп/Дфдж показывают, что раз]эршающая способность Дффп, об.словленная шуоами фотозри-емного тракта Дф—п, п]тевалируео над разрешающей способностью из-за дкиырлра Дф^сис темы ФАПЧ. Для уменьшения уровня входных для системы ФАПЧ шумов от фолоуриемника Дффп, как минимум, до уров ноджиттера Дфдж: Дф^п«Дфдж, а в идеале и еще меньше, чтобы можно было ею пренебречь: Дффп<<Дфдж необыодимт обелпечить оптимальный выбор част лты фильт цо ти зкихча стот (ФНЧ).
2.3. Выбор оптиыальнот частот ФНЧ системы ФАПЧ для достижелио оозниыуыа разрешающей способности АО ЛИС. Как следует из уравнений (5-7), разрошающоя спаообность от шумов фотоприемника Дффп орп порциональна корню квадратному от полосы пропускания Д/ АО ЛИС, определяемой доплепооским нартгом осстооы / и частотой среза ФНЧ /. :
1 фнч
оР— ~ ^ о [^н
(9)
На основе этого оыражения и с учетом ранее рассчитанных значоний О определены и сведены в строку 3 табло 1 рночеовп раорешающих способностей АО ЛИС Дффп овя роз^ных фотоприемников с разными частотными и шумовыми параметрами. С учетом этого для современных фнтоприемни-ков [15-16] на частотах 10, 14,тф и 60 МГц имеем 0«2000 и Дффп=7,1^мрад, а для 45 МГц и фотоприемника из [6] — ОоООО и Др^ = [В'Мрад соответственно.
2.2. Влияние джиттеоа евстеыы ФАПЧ на разрешающую способность АО ЛуС. Вторая составляющая, согласно Дормуле (4), также определяющая разрешающую способность Ар ЛИС, связана т.н. джиттером системы ФА1Ч. Он обусловлен собственными шумами системы ФАПЧ, в первую очередь, шумами генеротора.управляомогонатрт-жением, приводящим к неопределенности фронта сигнала Дtgж во временной шкале (в долях секунд), который связан со спектральной плотностью мощности шумов 0 (ы)оЦА]' [2]. Эта неопределенность во временной шкале приводит к соответствующим высокочастотным флуктуациям в виде фазового шума, определяя соответствующую составляющую погрешности измерения по фазовому сдвигу Дфдж:
Как видно, уменлшенж в (Дффп/Дфдж)2 приводит к уменьшению Уффп и дле достижения равенства Дфои «Додж в Диарароне чаотрт от 10 МГц до 60 МГц ратсчитаны знаоения ¡фяч, рредставлен-ные в строке 10 табл. 1, ко торые увеличиваются от 7161 до 2р330о[0 ]Оц.
Поэтому, чтобы1 пренебдечь уровнем Дффп по сравненош с Дфдж, согласно выражению (4), необходимо выполненлз ослывия: Дффп = (ЦЗДфдж, которое может быть, обесиечено при уменьшении /, в 3,32« 11 раз. Р ассчиоанные значения /. при-
фнч ' 1 фнч 1
ведены в сор ыке 11 ты бл. 1, увеличиваясь с 657,7 до «23260,14 Гц.
При умеовшенои пооо№1 пропускания получим два минимальоых значение Дф22 и ДфЕ3:
— для условия равенства погрешностей Дффп« «Дф
т дж
оРр2 ол[ооЫф
а ^и о ДЫe^Vо ;
(10)
Дффп<<Дфд
для овловоя преобладания Дфдж над Дффп:
оОрз о ДРeр .
(11)
На рис. 2 показаны гртфови трех фазовых погрешностей измерения АО ЛИС в зависцмости от ыпирины полос пропускания: погрешность ДфЕ1 без уменьшения полосы проп,сканит, погрешность Дф£2 с уменьшением полосы пропускания и выполнением условия Дффп«Дфдж, погрешность ДфЕ3 с уменьшением полосы пропускания и выполнением условия Дф, <<Дф .
фп дж
3. Расчет разрешающих способностей и скоростей движения АО ЛИС для продольных и поперечных смещений. Для предложенных подходов к построению оптоэлектронной схемы АО ЛИС
рассчитаем разрешающие с пособности и скорости движения для продольных и поперечных смещений с учетом преимущественно двух условий в вышеприведенных расчетах погрешностей измерения фазы: Дф^ «Дф и Дхт <РДф соответственно.
^ т фп т дж ' фп т дж
3.1. вусчет разрешающих способностей и скоростей движения АО ЛИС для продольных смещений. При измеренмях продольных смещений в еуО ЛИС можно использовать следующие выражения: длх расрехтающит спссоТностей Д1 :
X/
и скорости движетия vп
4ж
(12)
Х- Двос Х- ХМ Х-М
2
2
2
По с 0,316 • 10 6 • дфт , (13)
где f , Д1 и f. — доплеровский набег частоты, ко-
^ доп' фнч ^ 1 '
торый соответствует ширине полосы пропускания системы ФАПЧ Дf или частоте среза fфaч ее фильтра низких частот, X — длина волны света при использовании гелий-неонового лазера X = 0,6328 мкм.
Итак, для f
фнч2
при условии Дффп«Дф1
Ма,
мрад 14.10
12,10 10,10 8,10 6,10 4,10 2,10
¿<Рп ^ у \
/ N
/ \
/ N
¿913 V
10
14
25
45
АО
МГц
— ,. ■ • - , У'"
и АфЕ2 = Афуж л/2 на основании проведенных расчетов имеем:
— для двух минимальных значений Дф22 0,266 и 1,582 мрад (рис. 2) получим изменения Д1пр2 от Х/47240 до «Х/7940 в диапазоне частот АО модуляции fаом от 10 МГц до 60 МГц соответственно. И, как видно на рис. 3, при X = 0,6328 мкм Д1пр2 изменяется от «13,3 пм до «80 пм соответственно. При этом fфнч2 изменяется от 7,161 до «253,3 кГц;
— максимальная скорость перемещений vпр2, определяемая по формуле (13), с учетом fфнч= fфнч2 изменяется от 0,0023 до 0,08 м/с для изменений f
' ^ ' ^ аом
от 10 МГц и 60 МГц соответственно. График зависимости Упр2 для пяти значений частоты в вышеуказанном диапазоне приведен на рис. 4.
Еслив расчеты заложены исходные данные fфнч3, Дффп<<Дфдж и ДфЕ2 = Дфдж, то имеем следующие результаты:
— для двух минимальных значений Дф23 0,19 и 1,13 мрад (рис. 2) получим изменения Д1пр3 от «Х/66140 до «Х/11120 в диапазоне / ом от 10 МГц до 60 МГц соответственно. И, как видно на рис. 3, при Х = 0,6328 мкм Д1пр3 изменяется от «9,6 пм до «56 пм соответственно. При этом fфяч2 изменяется от 0,657 до «23,26 кГц;
— максимальная скорость перемещений Упр2, определяемая по формуле (13), с учетом fфнч = fфнч3 изменяется от 0,00021 до «0,007 м/с для изменений / от 10 МГц и 60 МГц соответственно. График зависимости Упр3 для пяти значений частоты в вышеуказанном диапазоне приведен на рис. 4.
Как видно, уменьшение полосы пропускания Д1 и частоты среза fфaч фильтра низких частот системы ФАПЧ позволяет существенно уменьшить шумовую составляющую и достичь высоких значений разрешающих способностей (вплоть до «Х/66140 или «9,6 пм при fаом =10 МГц) при продольных смещениях Д1пр ценой соответствующего значительного снижения максимальной скорости движения Упр (вплоть 0,00021 м/с). Эти расчеты являются основой для проектирования АО ЛИС не только с двухэтап-ным измерением перемещений: «быстрые грубые» и «медленные точные», но и также для трехэтапных измерений: «быстрые грубые», «средняя скорость
Рис. 2. Графики фазовых погрешностей измерения АО ЛИС в зависимости от ширины полос пропускания: погрешность Лф^! без уменьшения полосы пропускания, погрешность ЛфГ2 с уменьшением полосы пропускания и выполнением условия Лффп«Лф^ж, погрешность Лф£3 с уменьшением полосы пропускания и выполнением условия ффп<<Лфдж
Л1,
прЗ>
пм 80
70
50 40 30 20 10
бо
МГц
Рис. 3. Графики погрешностей измерения продольных смещения АО ЛИС Л/ 2 и Л/ с уменьшением полос пропускания для выполнения условий Лффп«Лф ж
и Лфф
<<Лф соответственно
I Тдж
м/с 0,080
0,070
0,060
0,050
0,040
0,030
0,020
0,010
0,000
/
»«р2 \ /
/
/
/
у
10
14
ЙО Л»» т МГц
Рис. 4. Графики скоростей движения при продольных смещениях АО ЛИС Луш и Лушр3 с уменьшением полос пропускания для выполнения условий Лффп«Лф ж
и
и Лф п<<Лф соответственно
• фп *дж
движений - средняя точность измерений» и «медленные точные». Такой подход обеспечивает наиболее оптимальный компромисс между достижением высоких точностных и динамических показателей.
3.2. Расчет разрешающих способностей и скоростей движения АО ЛИС для поперечных сыещений. При измерениях поперечных смещений в АО ЛИС по аналогии с формулами (12) и (13) необходимо использовать выражения:
для разрешающих способностей Д1 :
Д___=
Ком ■ ДФе
(14)
2п
и скорости движения еш
н„
0аом ]доп
■•К
Д =Ком ■ (фнч , (15)
где / , Д/ и /,
доп фнч
доплеров ский набег частоты, который соответствует ширине полосы пропускания системы ФАПЧДД фли чдфтоте среза /фнч ее фильтра низких частот, Лаоы — дойна волны ультразвука в АО модфлятере.
Проведение расчетов для попе речных смещений аналогично вышеприведенным, приводит к существенно большей многовароантносте, о.о.
0 аом
]
(16)
и для разных светозвукопроводов АО модуляторов vзв имеет разные значения. Пот то му проведем упрощенный расчет только лишь при условии использования в АО модумтор е свеоотвукопроводов из парателлурита (ТеО2) с ддиной ультразвука Лаоы = = 15,4 мкм и воды (Н2О) с длиной УЗВ Лаоы=185 мкм, принимая с некоторым приближением /аоы равным 10 МГц и 45 МГц соответственно.
Итак, для /фнч2 при условии Дффп«Дфдж и на основании проведенных расчетов имеем:
— для двух минимальных значений ДфЕ2 0,266 и 1,19 мрад получим два значения Д1 _ Л /23620
поп2 аоы
и «Л /3970. И при Л =185 мкм (/ «10 МГц)
аоы аоы аоы
и Л = 15,4 мкм (/ «45 МГц) для значения Д1 _
аоы аоы поп2
имеем 7,8 нм и 2,9 нм соответственно;
— максимальная скорость перемещений V , определяемая по формуле (15), с учетом 1фнч = 1фнч1 имеем 1,32 м/с и 0,65 м/с.
Если в расчеты заложены исходные данные /фнч3, Дффп<<Дфдж и Дф^2 = Дфдж, то имеем следующие результаты:
— для двух минимальных значений ДфЕ3 0,19 и 0,848 мрад получим два значения Д1пр3 «Лаоы/33070 и « Л /5560. И при Л =185 мкм пр(/ «10 МГц)
аоы аоы аоы
и Л = 15,4 мкм (/ «45 МГц) для значения Д1 _
аоы аоы поп2
имеем 5,6 нм и 2,8 нм соответственно;
— максимальная скорость перемещений V , определяемая по формуле (15), с учетом 1фнч = 1фнч1 имеем 0,12 м/с и 0,06 м/с.
Как видно, полученные значения разрешающих способностей при поперечных смещениях могут быть существенно улучшены по сравнению с прежними результатами исследований из [3, 7-9]. Также можно добиться существенного повышения соотношения между максимальными скоростями для продольных и поперечных смещений, приведенными ранее в уравнении (1).
Заключение. 1. Современный технологический уровень развития производства быстродейству-
ющих малошумящих фотоприемников позволяет без специальных технических приемов достичь следующих значений разрешающей способности АО
ЛИС:
Т -л,
— я 1800 для продольных смещений Д1х и равно 0,355 нм при Х = 0,63 мкм;
— я —пзт для поперечных смещений Д1 , Д1.
9ТТ ^ у 2
2. Для повышения разрешающей способности измерения продольных смещений Д1х перспекти-венне только двухэтапный режим измерений, состоящий из т.н. «быстрых грубых» и «медленных точных»измерений, но и использование двух измерительных каналов с двумя отдельными фотоприемниками для одного входного оптического сигнала. При этомдля «быстрых грубых» измерений используется быстродействующий фотоприемник, а для «медленных точных» — малошумящий.
3. Поперечные смещения Д1у и Д/т характеризуются, как правило, низкой скоростью движений, что позволяет обойтись использованием одного измерительного канала на основе малошумящего фотоприемника, работающего совместно с системой ФАПЧ с узкой полосой пропускания.
4. Управление шириной полосы пропускания / (ы частотысреза фильтра низких частот) системы ФАПЧ в составе АО ЛИС позволяют реализовать дварежимаработы с разными соотношениями между разрешающей способностью Дффп, обусловленной шумами фотоприемника, и разрешающей способностью Дфдж из-за джиттера:
— с сопоставимыми значениями Дффп«Дфдж, достигая разрешающих способностей от Х/47240 («13,3 пм) до «Х/7940 («80 пм) в диапазоне частот АО модуляции /аоы от 10 МГц до 60 МГц для продольных смещений Д1 и Л /23620 (7,8 нм) и «Л /3970
1 х аоы ' ' аоы
(2,9 нм) при Л =185 мкм (/ «10 МГц) и Л =
у . ' ± аоы у аоы " аоы
= 15,4 мкм (/аоы«45 МГц) для поперечных смещений Д1 , Д1 соответственно.
— с преобладанием Дфдж над Дффп: Дффп<< Дфдж, достигая разрешающих способностей от «Х/66140 («9,6 пм) до «X/11120 («56 пм) в диапазоне / от 10 МГц до 60 МГц для продольных смещений
5. Повышение разрешающих способностей АО ЛИС за счет уменьшения ширины полосы пропускания системы ФАПЧ приводит к снижению мак-симальнойскорости движения. Поиск компромисса между точностными и динамическими параметрами обусловливают необходимость создания не только двухэтапных измерений перемещений: «быстрые грубые» и «медленные точные», но и также для трехэтапных измерений: «быстрые грубые», «средняя скорость движений-средняя точность измерений» и «медленные точные».
Благодарности
Автор благодарит кандидата технических наук, доцента кафедры «Радиотехнические устройства и системы диагностики» ОмГТУ, директора научно-образовательного центра «НИИРП ОмГТУ» Завьялова С. А. за советы по вопросам работы системы ФАПЧ.
Библиографический список
1. Леун Е. В. Особенности схемотехники акустооптиче-ских лазерных систем для измерения трехкоординатных перемещений. Часть 1 // Омский научный вестник. 2020.
V
зв
№ 5 (173). С. 103-110. Б01: 10.25206/1813-8225-2020-173-103110.
2. Леун Е. В. Повышение быстродействия и разрешающей способности акустооптических гетеродинных лазерных интерферометров перемещений. Адаптивный лазерный интерферометр // Омский научный вестник. 2020. № 3 (171). С. 92-98. Б01: 10.25206/1813-8225-2020-171-92-98.
3. Леун Е. В. Акустооптический способ измерения двух-координатных смещений лазерного луча в направлениях ортогональных его оси // Динамика систем, механизмов и машин. 2020. Т. 8, № 2. С. 63-72. Б01: 10.25206/2310-9793-8-1-63-72.
4. Леун Е. В. Особенности схемотехники акустооптиче-ских лазерных систем для измерения перемещений с фазо-цифровым преобразованием // Технология машиностроения. 2002. № 5. С. 33-40.
5. Игнатов С. А. Повышение разрешающей способности лазерных измерительных систем для контроля оборудования ГПС методом акустооптоэлектронной обработки информации: дис. ... канд. техн. наук. Москва, 1987. 231 с.
6. Гришин С. Г. Гетеродинная лазерная интерференционная система для измерения линейных перемещений с анизотропным акустооптическим преобразованием частоты света: дис. . канд. техн. наук. Москва, 2012. 200 с.
7. Яковлев Н. А. Построение лазерных систем для измерения перемещения по трем координатам на основе акустоопти-ческого преобразования измерительной информации: дис. . канд. техн. наук. Москва, 1991. С. 235.
8. А. с. 1696851 СССР, МПК С 01 В 9/02. Интерферометр для измерения отклонений от плоскостности // Базыкин С. Н., Базыкина Н. И., Капезин С. В., Телешевский В. И., Яковлев Н. А. № 4710084/28; заявл. 26.06.89; опубл. 07.12.89, Бюл. № 45.
9. Леун Е. В. Совершенствование методов и средств контроля отклонений от прямолинейности на основе акустооп-тических гетеродинных лазерных измерительных систем // Омский научный вестник. 2019. № 4 (166). С. 71-77. Б01: 10.25206/1813-8225-2019-166-71-77.
10. Леун Е. В., Шаханов А. Е. Повышение точности гибридных сканирующих 3Б волоконно-оптических измерительных головок с акустооптическим датчиком обратной связи для контактных и бесконтактных координатных измерений размеров изделий // Омский научный вестник. 2020. № 2 (170). С. 63-70. Б01: 10.25206/1813-8225-2020-170-63-70.
11. Пат. 2016380 Российская Федерация, МПК С01В21/00. Способ автоматической интерполяции фазового сдвига в лазерных интерферометрах и устройство для его осуществления / Михальченко Е. П., Рюмин А. В., Яковлев Н. А. № 4911738; заявл. 15.02.91; опубл. 15.07.94.
12. Гончаренко А. М., Бугров С. В., Воевода А. А. [и др.]. Метрологические испытания цифрового прецизионного фа-
зометра // Сборник научных трудов Новосибирского государственного технического университета. 2009. № 2 (56). С. 109-114.
13. Пат. 2582625 Российская Федерация, МПК G 01 R 23/02. Фазометр / Жмудь В. А., Ляпидевский А. В. № 2015106094; заявл. 20.02.15; опубл. 27.04.16. Бюл. № 12.
14. Пат. 2225012 Российская Федерация, МПК G 01 R 25/00, H 03 D 13/00. Фазометр с гетеродинным преобразованием частоты / Гончаренко А. М., Васильев В. А., Жмудь В. А. № 2002110630; заявл. 19.04.02; опубл. 27.02.04.
15. Фотоприемник 0E-300-SI. Даташит для OE-300-SI-30. URL: https://www.lasercomponents.com/ de/?embedded = 1&file = fileadmin/user_upload/home/ Datasheets/femto/photoreceiver/oe-300-si-30.pdf&no_cache=1 (дата обращения: 02.02.2021).
16. Высокочувствительные фотоприемники. Даташит для A-Cube-Series High sensitivity APD Detector Modules. URL: https:// www.lasercomponents.com/de/?embedded = 1&file = fileadmin/ user_upload/home/Datasheets/lc-electronics/a-cube.pdf&no_ cache = 1 (дата обращения: 02.02.2021).
17. Генераторы кварцевые ГК-152-УН-А. ЗАО НПФ «БМГ ПЛЮС». URL: http://www.bmgplus.ru/images/pdf/pdf152a.pdf (дата обращения: 02.02.2021).
18. Генераторы, управляемые напряжением серии 6U. Даташит для 6U-10.000MBE-T (TXC), 6U-25.000MBE-T (TXC), 6U-16.38. URL: https://www.terraelectronica.ru/ pdf/show?pdf_file = http%253A%252F%252Fwww.farnell. com%252Fdatasheets%252F 1740905.pdf (дата обращения: 02.02.2021).
кандидат техниче-
ЛЕУН Евгений Владимирович,
ских наук, ведущий инженер. SPIN-код: 6060-8056 AuthorlD (РИНЦ): 367560 AuthorlD (SCOPUS): 57200722184 Адрес для переписки: stankin1999@mail.ru
Для цитирования
Леун Е. В. Особенности схемотехники акустооптических лазерных измерительных систем для контроля трехкоординат-ных (3D) перемещений изделий и элементов оборудования. Часть 2 // Омский научный вестник. 2021. № 2 (176). С. 5258. DOI: 10.25206/1813-8225-2021-176-52-58
Статья поступила в редакцию 25.02.2021 г. © Е. В. Леун
