CC BY
20
УДК 681.787.7
DOI: 10.25206/1813-8225-2020-173-103-110
Е. В. ЛЕУН
АО «НПО Лавочкина», Московская область, г. Химки
ОСОБЕННОСТИ СХЕМОТЕХНИКИ АКУСТООПТИНЕСКИХ ЛАЗЕРНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТРЕХКООРДИНАТНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ. Часть 1_
Рассматриваются вопросы построения акустооптических (АО) лазерных измерительных систем (ЛИС) для контроля трехкоординатных (3D) движений с одним (Ш) продольным А1х и двумя (2D) поперечными Д/у, А1г смещениями. Обсуждаются особенности использования трехканальной измерительной схемы на основе систем фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) с адаптивным управлением полос пропускания в зависимости от скоростей движения, призматической оптической схемы, преобразующей 2D в Ш поперечные смещения лазерного луча для Ш АО модулятора, оптического сопряжения последнего с волоконными фотоприемными устройствами.
Ключевые слова: акустооптический модулятор, лазерный интерферометр, фазовый сдвиг, фазовый интерполятор, фазометр, шумы сигнала, микролинза, оптическое волокно, межмодовая дисперсия, растр.
Введение. Совершенствование акустооптических (АО) лазерных измерительных систем (ЛИС) предопределено необходимостью развития высокоточных методов и средств трехкоординатных (3Б) измерений смещений при производстве изделий ракетно-космической техники, авиации, машино-, приборо- и станкостроения и других отраслей. Такой контроль смещений включает измерения однокоординатного (1Б) продольного А1х и двухко-ординатных (2Б) поперечных А1у и смещений коллинеарных оси лазерного луча (вдоль оси ОХ) и ортогональных ей (вдоль осей ОУ и 02) соответственно. Это используется при контроле отклонений от прямолинейности поверхностей изделий за счет высокоточных измерениях продольных [1, 2] и поперечных [3] смещений, определении траектории движения элементов оборудования, измерении смещений сканирующего лазерного луча в волоконно-оптической измерительной головке (ВОИГ) [4] и других задачах.
С учетом этого актуально исследование особенностей построения высокоточных АО ЛИС для измерений 3Б смещений с улучшением их основных характеристик. Подобные вопросы не полностью раскрыты в открытой печати, и данная статья направлена на восполнение этого пробела.
1. Динамические характеристики Ао лиС при измерении 3D смещений. Использование систем фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) предполагает согласование параметров контролируемых движения изделий с ее частотными характеристиками, частотой возбуждения АО модулятора 1мод и быстродействием измерительной схемы. Представленное далее основано на примере использования двух типов АО модуляторов (АОМ):
1) АОМ № 1: материал светозвукопровода — парателлурит (Те02), частота АО модуляции 1мо =
= 40 МГц, скорость ультразвуковой волны (УЗВ) v «616 м/c, длина УЗВ Л «15,4 мкм [2, 3];
узв ' ^ узв ' I ' J '
2) АОМ № 2: материал светозвукопровода — вода (Н20), частота АО модуляции fuo =8 МГц, скорость УЗВ v «1480 м/c, длина УЗВ Л «185 мкм
± узв ^ узв
[1, 2].
При размерных измерениях допуск на отклонение от прямолинейности меньше длины измерений и, например, не должен превышать Д1у = 0,8 мм на длине Д1х=100 мм, имея соотношение Д1у/ Д1= 0,008. Так, отношение скорости поперечных смещений v к продольным v будет таким же —
1 поп L ^ прод J
v /v =0,008.
поп прод
С другой стороны, скорости движения изделия можно определить, исходя из частотных параметров измерительной схемы для каждого режима измерений:
для продольных смещений vn
2
для поперечных смещений vпоп = fgon ■ Аузв,
(1)
(2)
доплеровский сдвиг частоты, X и Л .
где /
Ч до
длины волн лазера и УЗВ.
Значения доплеровских сдвигов частоты /д(ш, частот измерительного сигнала, максимальных скоростей поперечных V и продольных V смещений
1 поп 1 ^ прод 1
рассчитаны для двух типов вышеупомянутых АОМ: АОМ №1 и №2 и приведены в табл.1. Приэтом для поперечных смещений в столбцах доплеровского набега частоты / , частот измерительного сигнала
доп
и максимальной скорости указано по два значения а/Ь, где а и Ь — это значения, рассчитанные исходя их частотных параметров схемы и геометрических соотношений с вышеупомянутым коэффициентом 0,008 соответственно. И, как видно, значения Ь существенно, почти на 4 порядка меньше а: Ь<<а, тем
Динамические характеристики АО ЛИС при 3Э перемещениях: для Ш продольных (вдоль оси ОХ) и 2Э (вдоль осей ОУ и 07) поперечных смещений
Таблица 1
№ Режим измерений Параметры АО модулятора Направление движения Скорость движения, м/с Доплеровский сдвиг частоты 1доп, МГц Частота сигнала, МГц
1 Продольные Ш смещения вдоль оси ОХ Лузв=15,4 мкм (Те02) /мод = 40 МГц удаление 6,3 -20 МГц 60
2 приближение 12,3 -39,9 МГц -0,1
3 Л =185 мкм (НО), узв ' 2 " {Ш,Я = 8 МГц удаление -0,63 -2 МГц -10
4 приближение -2,5 -8,0 МГц 0
5 Поперечные 2Б смещения вдоль осей ОУ и О2 Лузв=15,4 мкм (Те02) /мод = 40 МГц против УЗВ 312/0,05 -20/0,003 60/40,003
6 вдоль УЗВ 622,4/0,1 39,9/0,006 0,1/-39,9
7 Лузв =185 мкм (Н20), /мод =8 МГц против УЗВ 370/0,005 -2/0,0003 -10/-8
8 вдоль УЗВ 1480/0,02 -8,0/0,0012 0/8,0012
Таблица 2
Динамические характеристики 2Э поперечных смещений лазерного луча сканирующей головки при ее работе с АО датчиком обратной связи в составе ВОИГ
№ Параметры АО модулятора Частота вращательных вибраций конца световода I кГц Скорость движения, м/с Доплеровский сдвиг частоты 1доп, МГц Частота сигнала I МГц (против УЗВ/ вдоль УЗВ)
1 1 5,65 ±0,2 40,2/39,8
2 Л =15,4 мкм (Те0), узв ' > 2" I =40 МГц 5 28,3 ±1 41/39
3 10 56,5 ±2 42/38
7 1 5,65 ±0,017 8,017/7,983
8 Лузв =185 мкм (Н20), I =8 МГц мод 5 28,3 ±0,085 8,085/7,915
9 10 56,5 ±0,17 8,17/7,83
самым существенно снижая требования по частоте к измерительной схеме и, как будет показано далее, создавая возможности для повышения разрешающей способности в режиме измерений поперечных смещений.
В конструкции ВОИГ [4] также используются АО измерения 2Б поперечных смещений лазерного луча, поэтому в табл. 2 представлены предъявляемые к ним динамические характеристики. Так как скорость УЗВ V много выше линейной скорости
^ узв 1
вращения конца волокна V : V »V , то влиянием
^ 1 1 ск узв ск
несовпадения направлений их движений можно пренебречь. Линейная скорость вращения конца вибрирующего световода и, соответственно, лазерного луча vск определяется через частоту вибрации / как V =2кЯ / , где Я — радиус траектории
1 ск ск в ск ^ в ± г-1 ± ±
движения конца вибрирующего световода, равный «0,5 мм [4]. Значения доплеровского сдвига частоты ^доп могут быть расдчитады по формуле
{доД д
Л..
(3)
для трех значений частоты вибрации / : 1 кГц, 5 кГц и 10 кГц [4], а максимальная частота сигнала определена как / = / +/ . И, согласно расчетам,
^ тах доп узв ^
значения доплеровского сдвига частоты / не превышают 2 МГц и 0,17 МГц для АОМ № ^и № 2 соответственно.
2. АО ЛИС для измерения 3Б смещений: принципы работы, устройство и принцип действия.
В основе предлагаемых принципов работы АО ЛИС для измерения 3Б смещений заложены четыре основные идеи:
1. Преобразование 2Б поперечных смещений Д1у и Д1г лазерного луча в 1Б смещения с использованием 1Б двух- или трехапертурного АОМ.
2. Построение трехканальной измерительной схемы, в каждом канале из которых применены фазовый интерполятор (в дальнейшем — интерполятор), фазометр малого диапазона (в дальнейшем — фазометр) и система ФАПЧ (рис. 1а, б), реализующие дифференциальный метод измерения, режимы «быстрых грубых» и «медленных точных» измерений.
а)
б)
в)
Рис. 1. Схемы АО ЛИС для 3D смещений (измерительный канал для продольных смещений Л1 не показан): оптоэлектронная (а), измерительная (б), призма призменной оптической схемы 1 (в)
3. Адаптивное управление полосы пропускания системы ФАПЧ А/, в зависимости от скорости
фапч 1
движения и соответствующего доплеровского сдвига частоты / .
доп
4. Использование волоконного фотоприемного устройства (ВФПУ) с микролинзой на оптическом входе световода.
Воплощение этих идей рассмотрено далее. Но так как измерения продольных смещений А1х ранее уже были рассмот рены в [2], то основное внимание уделено наиболее трудным вопросам измерения 2Б поперечных смещений А1у и А1.
2.1. Преобразование 2В о 1В поперечные смещения лазерного луча, функционирование измерительной схемы. Призматическао оптическая система 1 (рио. 1 о) форрирует из входного луча 2 с 2Б поперечными смещения ми А7у и в плоскости У02, два оптических потока 3 и 4, омещаелых только вдоль оси ОУ АВу р АВ-, ДЗ, р АВ- . Поток 3 используется для измерения смещенир Д1у вдолх о си ОУ входного ортическхго потока (смещения А1г вдоль оси ОЪ иснючаюася):
А/ = 0 ,
(4)
а поток; 4 поворачивается призмой (рис. 1в) на 90° — для преобразования смещений вдоль оси О2 входного оптического потока в смещения ДВ" вдоль оси ОУ:
Ау = 0-
аа = ав ■
(5)
Потоки 3 и 4 проходят через возбуждаемый сигналом генератора 21 (рис . 1б) АО модулятор 5 с появлением на его выходе при режиме дифракции Брэгга двух пар оАтическаХ потоаов, уоздый из которыхсостоит из первого Е(1)и нулевого E(0) дифракционных порадоов. Далое описание составлено для первого катила с введенаеу ации для второго канала в скобках.
Первый дифракцтонный порядоа Е(Л) отклоняется по оси ОУна двойаой нкол ерэгга абр и внутри нулевого дифракционного порядка E(0), т.е. в ближней зоне дифракции (зонй Френекя), интерферирует с ним с образоватилм бмгущей интерференционной картинысшагом Л ■ Она освещает растр 6 (7) с шагом Лр,формиууябегуецие комбинационные полосы с увеличенным шагом Л , вхидную микро-
линзу 9 (13) и, попадая в световод 10 (14), направляется им для регистрации на фотоприемник 11(15). Три последних элемента образуют ВПФУ 8 (12).
Оптическое волокно позволяет вьшести фотоприемник 11 (15) за пределы оитиреской схемы. Входная микролинза 9 (13) диаметром «200 — 1000 мкм выполняет роль диафрагмы при регистрации интерференционной картины в ближней зоне Френеля, облегчая введение оптических потоков в световод и передачу их к фото о риемниор 11 Ыхо0 снижая требования по угловым юстиранкам.
Фотоприемник 11 (15) преобразует интерферирующие оптические потоки на частоте / с уие-том доплеровского сдвига частота: здоп оз смещений луча в выходной электрический сигнал. Он поступает на вход измерительной схемы 1р (17) (рис. 1б) на основе системы ФАПЧ, состoищтP из замкнутого контура, включающего фазовый детектор 18, фильтр низких частот 19, синчизатора частот 20 с возможностью ослабления входных шумов и помех. Согласно измерительной схеме на рис. 1б сигнал с выхода фотоприемника 11 п ззтупает на входы интерполятора 22, фазового 18 и частотного 25 детекторов.
Смещения лазерных лучей АД- и АВ- приводят к соответствующим смещениям бегущих интерференционных картин мимо микролинз 9 (13) ВФПУ 8 (12), приводя к регистрации и измерениям обоими каналами двух фазовых сдвигов. Каждый из них измеряется интерполятором 22, выходной цифровой код которого следует на вход реверсивного счетчика 24, накапливающего код АИинт, и проходит через логическую схему 23 на цифровой вход фазового детектора 18. Он формирует на своем выходе сигнал, пропорциональный фазовому сдвигу в малом диапазоне, т.е. между сигналомфотоприемника 11 и цифровым кодом интерполятора 22.
Сигнал синтезатора частоты 20 и опорный сигнал генератора 21 поступают навходфазометра26, измеряющего фазовый сдвиг в малом диапазоне при малых скоростях движения, определяемым разрешением (последним(и) разрядом(ами))интерполя-тора 22. Так реализуется дифференциальный метод измерения фазы и возможность т.н. старт-стопного режима работы АО ЛИС, когда максимальное разрешение достигается при малых скоростях, начале/ окончании движения, характерного почти для всех перемещений.
В зависимости от доплеровского сдвига частоты 1доп между измерительным сигналом на выходе
фотоприемника 11 и опорным сигналом генератора 21, частотный детектор 25 формирует на своем выходе сигнал управления полосы пропускания фильтра низких частот 19, реализуя возможность адаптивного управления полосы пропускания системы ФАПЧ Дф .
фапч
В результате измерений на выходе измерительной схемы (рис. 1б), а именно, реверсивного счетчика 24 и фазометра 26 формируются два основных цифровых сигнала ДЫ и ДМ для смещений
1 ^ ^ инт фаз ^ 1
в большом и малом диапазонах с «низким» разрешением интерполятора 22 и «высоким» разрешением фазометра 26 вдутри погрешности квантования интерполятода соответственно. После обработки этих цифровых сигналов судят о 2Б смещениях Д1у и Д1 в плоскдсти УСЙ.
2.2. Реализация режима «быстрых грубых» и «медленных токных» измерений. В [2] был описан спо соб повышения разрешающей способности пдодильных «быст]оых и орубых» и «медленных и точных» измерений Д1х за счет реализации диф-Керенциа;лного метода 1ия]^е;]^ений при совместной работе интерполяддра, фазометра и система ФАПЧ. Подобный пондод нспользован и для построения до-полнительнын дик кинадол 16 и 17 (рис. 1а) для измерения 2Б поперечных смещений Д1у и Д12 лазерного луча.
Прн этон нястс цифровогоыода ДЫинт интерполятора 22, изменениая для «гыстрыхы грубых» измерений, соответствуящая дкобной чаети перемещений, т.е. малому диспазнну, плстунаеи на вход фазометра 2(5 дли «медленных и точных» изморений (без учета цифрового кода на выходе системы ФАПЧ ДМфапч, иссользуемого для нседеяия коррекций):
А/ и А/ + нсл и
инт фаз
соответттвенно. Повышение разрешающей спо-собноитн АО ЛИС возможно при повышении соот-ноп1 ения си гнал/шум за счет фильтрации входных шумов при сужении полосы пропускания системы ФАПЧМф .
фапч
Но такой подаод онраничивает доплеровский сдвиг частоты /доп и контролируемую скорость движения. И компромиссным решением может быть обсспичение аиатт]твного управления полосы пропускания йистемы ФА°Ч йфшч. от доплеровского сдвига частоты 1доп и скорости движения с учетом кoэффицитнты запаса А:
АГ =k •f ,
фапч зап доп
(10)
Тогда, с ^ етом уравнений (1) и (2), можно сформировать две пары уравнений для «быстрыx грн(пых» и «медленных точных» измтрений, лптеделяющих максимальные и минимальные полосы пропускания системы ФАПЧ нетах. нет 1п, АегIЭЭaxr нетЭ1п для максимальной и минималь-бой сиортстей продольных и поперечных смещений соответствгыно:
1. продольные смещения Д1х
1.1 «быстры е и грубые» измерения д/-. и к .—кдй.; (11)
X
1.2 «медленные
точные»
Af V = k
2v'
прод
X
2. поперечные смещения А1у и Alz 2.1 «быстрые и грубые»
измерения (12)
измерения
Af" = k
' may w
л,„
(13)
= AN Al . + ANa -Ai ,
инт рс1 фаз рс2
(6)
Ф ормируемый интерполятором 22 выходной цифровой код N можно записать в виде обобщенной фо рмулы:
N„
A AB
рс1
= 2пинт + (1-ь)
(7)
N =2п
инт
(8)
или для поперечных смещений Al и А1 при w=1 и L' = Л
N a 2п
инт
Al
Л„..
(9)
2.2 «медленные v'
Df" = к 11011
A^min зап2 д
точные»
измерения (14)
гбе S|lше — раэртАбости инIеппблятррa, ^-код, определяюйций режим продольных Д1х (при ^=0) и поперечных Д1у и Др (при ш= 1) смещений, Ц и Т1^1 • Л — обтбщенный просяранственный период, описывающий функции преобразования для продольных смещений Д/х при и^Р сы Ь'=Х сучетомдвойного хп>дт ле>че:
Интерполятор Af д,ы АО ЛИС может быть создан с использованием резистивного делителя [5], а фазометр 26 — цифровой обр аботки сигналов [6, 7].
2.3. Адаптивное умравлбние полосы пропускания системы ФАПЧ АГ в хависимости от ско-
фапч
рости движения и доплеровского сдвига частоты
Максимальные значения полосы пропускания ИЛИ п,Ло системФАПЧ АО ЛИС для «быст рых и чрубых» измерений определяются преимуще-ственнодина мическими характеростилами измерений, рассмотренными выше в п. 1. Минимальные знач ения полосыпропускания ЛЛ^ 1п, ЛЛ^1п «медлен-нл1 е и точные» измерения, вероятно, будут определяться частотой 50 Гц помехи сетевого питаний,т.е. ЛЛрш и < 50 Г ц . Другие особенности адаптивного управления будут рассмотрены во второй части статьи.
2.4. Использование ВФПУ для регистрации интерференционного оптического сигнала. Упрощение оптической схемы с вынесением фотоприемника за ее пределы и регистрацией интерференционной картины малой входной апертурой возможно за счет использования ВФПУ (рис. 2а). Оно включа-етфотоприемник, оптический вход которого выполнен в виде оптического волокна с входной микролинзой полусферической (рис. 2б) или шаровидной (рис. 2в)форм нужного размера и диаграммой приема излучения, выполненных лазерным нагревом или фотополимерным способом [8]. Тогда входной оптический поток из двух дифракционных порядков Е(0) и £(+1), создающих интерференционную картину (рис. 2а), следует по пути микролинза ^ входной торец волокна ^ оптическое волокно ^ фотоприемник.
3. Совершенствование схемотехники АО ЛИС для измерения 3Б смещений. Вразделе рассмотре-
и
v
и
а)
б)
в)
Рис. 2. Волоконное фотоприемное устройство: при регистрации интерференционной картины, образованной оптическими потоками Е(0) и Е(+1) (а), микролинзы на торцах оптического волокна (б, в) [8]
Лкп, мм 70 60 50 40 30 20 10 0
\ , 40 МГц
39 МГц
41 МГц
/
60 61 62 63 64 65 66 67 68 69
а)
Р> .. 70 линии /мм
>1
С,5000 0.-1999 0.1998 0,1997 0.1996 0,-1995 0.1991 0.-199} 0.-1991
0.5 0.75 !
1.25 1.5 1.75 б)
1 2.25 2.5 2.75 3
Рис. 3. Графики зависимостей оптических параметров: значения комби на ц ио нных полос Лк для частот АО модуляции 39, 40 и 41 МГц для шага растра 65 делений/мм (а), отношение интенсивности п дифракционного порядка Е1 (б)
ны технические решения, улучшающие характеристики АО ЛИС две рзмерения 3Б смещений.
3.1. Призматизеская оптическая схема. Призматическая оптичеткао схема делит входной лазерный луч, смещаемый в плоскости У02 на два потока со смещениями АВД и ДВ- вдоль оси ОУ. Ее основным элементом является призма, поворачивающая изображение входноголазерного лучана 90°. Входящий в призму через грань АБСББ луч в результате 4-кратного полного отражения от зеркально покрытых граней следует по маршруту (рис. 1в): ЛБКБ ^ БСИС ^ ББ1К ^ ЛБСБ и выходит параллельно вошедшему лучучерез грань БСИ1К[9].
3.2. Определениешага растра. Между АО модулятором и микролинзой световода ВФПУ установлен растр 7 (8) с шагом Лр, применение которого позволяет перейти от регистрации интерференционной картины с малым шагом Лик к регистрации комбинационных пи/ос с большим шагом Лкп. С учетом этого значение Л^ увеличивается согласно выражению:
т
тр • т„ Л „ - т„
Однако для устойчивого фотоприема, как правило, добиваются выполненит условия: ймл <(Лкп/6_. Л /4), с уче том ктт оро г о шаг рас тр а определяется формулой (для худшего варианта , когда <Л /6):
Л„
Кл -Л„
(16)
При й =0,3 мм и Л = 15,4 мкм шаг растра должен составлять Л яг 15,5 мкм.
р
3.3. Особ/оно/ти оптического сопряжения интерферирую щих дифрикционных порядков в зоне Френеля АО о одул/тора и ВФПУ. В соответствии с соотношением диатетров й0 и й нулевого Е(0) и первого Л(+ 1) ди ф°акционных сор яда: ов (рис. 2а) соответственно зышашем й0 = Ы1 -I- СО. Также с учетом отклонения первого Е(+1) дифракционного по-24
рядка можно зиписавь
д б
и, соответствен-
(15)
но, получить й0= Ьао^дабр. И тогда соотношение интенсивностей дифракционных порядков п можно выразить формулей:
Л в
¡о
Ов
I е 1„
О, е0„
В соответствии с (15) построены графики зависимости значения комбиаац—онных полос Л от из-
1 кп
менений числаделений р в растре в диапазоне от 60 до 70 линий/мм (где Лр=1/р) для АОМ №1 и трех значений Л частот модуляцо и / : 39, 40 и 41 МГц
ик 1 аот ' 1
(где Л =v // ). Как видно, наибольшее значение
> ^ ик зв аот ^ '
Л и 65 мм образуется при / =40 МГц и р = 65 ли-
кп 1 ^ 1 аом 1 г
ний/мм (рис. 3а).
аСеа0 аВ е -а1"е Яаос^дабо )С
(67)
где ^ Гв, 50. ^
интенеивность, п—ощадь и диа]усеер
нулевого Е(0) и первого Е(+ 1) дифракционных порядков.
1-
/1
ь
д4
Рис. 4. Смещение интерференционных картин относительно микролинз ы световод а: кр угиой (а) (используемая часть интерференционной картины выделена себым боном с пунктирным контуром) и овальной (б) форм, формирователи световой полос б с од ним (в) и двумя (г) светодел игелями
Для данных, взятых из [2, 3] при разведении лучей (двойной угол Брэгга) абр = 2,17° и Ьаом = 20 мм имеем Ь • tqа, = 0,7640-3, позволяя построить гра-
аот ^ бр ' ' 11
фик зависимости (17) от Как видно, она асимптотически стремится к 06 сри изменении й1 от 0,5 до 3 мм (рис. 3б).
3.4. Диапазол излорения и возможности его увеличения. Диапазон измерения Ь определяется разностью диамеоров круглой интерференционной картины, задавилмой первым дифракционным порядком £(+1) йик=2г1 и микролинзы ймл (рис. 4):
б д й -й = 2г -й .
изм ик мл 1 мл
(18)
у
G д ^
у
(19)
Ь =1 - й =2кгл — й ,
у п мл мл
(20)
С д1г
■ ы (1 -т)2]Г рр
(21)
При й = 0,3 мм и й =2г, = 2 мм значение Ь
мл ик 1 изм
равно 1,7 мм, сбставдая« 110 пространственных периодов 1 = Л = 15,4 мм дб— АОМ №1.
1 ^ пп аом ' ^
При перемещениях круглой интерференционной картины мимо круглой микролинзы световода ВПФУ (рис. 2) о спользуеш ся лишь их ее центральная эллиптическая часть (выделена пунктиром на рис. 4а). И эффективность С иупользования оптического сигнала интерференционной картины можно оценить как отношение площади такого эллипса 5эл, связанной с радиусом микролинзы гмл, к площади интдрференционной картины 5 :
°ак, при значениях а = 0,2; 0,3; 0,4 и 0,Ы три первые порядка имеют омплитуды: 0,2/0,64/0,1 Р8; 0,3/0,49/0,147, 0,4/й,дбУ0,Т4К и 0,5/0,25/0,125, демонстрируя существеннон падение ам-литуыы уже на третьем порядке. Это означает, его можны Уыть получено всего лишь и двукратное ндаинение све-товдй полисы.
Во втором фзрмировдтеле свдтовой полосы (рис. 4г) добавлен допилниоеоыный сортодеииытк 4. И, согласно его оптической схеме, при равном делении света в каждом свстоддлитдде уравндние для набора из двус групп создаваемых п°встранетве нно разнесенных оптических потоков можно представить в в идесуммы двух с ходящих рядов:
С д С,
д С
1
Пт-з (11 ы (з - 4=0 ы
з = 1 2 1
ы Пт^з (А ы (з - 1)='ы=1")
О д 1 2
1 1
П^ (11 ы (О - 1)=1') ы^т^ (1о ы (О - 1)=1')
О д 1 2 О д 1 2
, (22)
И для й =2г = 0,3 мм и й. = 2 г. = 2 мм имеем
^ мл мл ' 1 1
С=0,15, или всего лишь 15 %.
Формирование оптического потока в виде полосы позволяет создать в зоне Френеля интерференционную картину в виде голосы с увеличением диапазона измерения Ьу, равного длине полосы д без учета диаметра микроыинзы (1ж ы
где п — номер порядка, 11 и 12 — координаты первых порядков двух потоков, ЛИ и =1" — смещения, для двух потоков, определяемые длиной призм Х и У.
Для первых наиболее значимых трех членов (л =1,2,3) из формулы (22) получим:
I ж I
1 (А) + ¿(А -лг) + ± (11 - 2 м') +1 (12)
16
6-
1 1
+ 77(12 -А!1)+ 77(12-2^")
16
64
. (23)
где к — коэффициент удлинения лазернооо луча.
Предложены два формирователя световой полосы за счет т.н. «точечного» удлинения, т.е. формирования полосы из нескольких лучей, выстроенных в линию.
Первый состоит из двух отражателей 1, 2 и светоделителя 3 (рис. 4в) с коэффициентами делением а и (1—а) для прямого и отклоненного лучей. Амплитуды порядков можно записать согласно эмпирической формуле:
составляя 2 •
= — ж 0,656 мощности 64
1 _и 42 _ 4 16 64_ входного потока, т.е. и 2/3.
Для такого формирователя световой полосы удлинение световяй пожесы можно достигнуть уже и 4.
3.5. Расчет максимальной длины оптического волокна ВФПУ. Для световодов выделяют несколько ви=ов тщсперсий е : мядовую (или межмодовую) I , поляризационную t и хроматическую I , со-
мод' 1 1 ^ пол 1 ^ хр'
стоящего из материальной t и волноводной t
1 мат ^ вол
О д
овв
в
1 рл
рл
2
в
дисперсий. Суммарную дисперсию 1дис можно рассчитать согласно выуажению:
+ t2 + t2 =
мод хр пол
= л t
^^мод + (tM
)2 +12
л по
(24)
Для многомодовых волокон со ступенчатым и градиентным профилями показателями преломления (ППП), используемыми в ВФПУ, значениями поляризационноД tпол и волноводной tвол дисперсий можно прене бр ечь. Также для этих волокон будут выполняться два условия по дисперсиям т >т
мод мат
и т >т соответственно, кото рые формируют два
мат мод ' ^ ^ ^ ^
равенства т= т и т = т .
^ мод мат
Разрешающая способность высокоточных АО ЛИС в основном зависит от уровня дкиттера Аtдж генератора, управляемого напряжением (или синтезатора частоты) системы ФАПЧ, определяемого уровнем шумо в управляющего сигнала [2]. У АО ЛИС для продольных смещений при уровне джит-тера Аtдж и 3ус [10— 11] на частоте и 60 МГц разрешающая способность может достигнуть значений А1рс и Х/10000 [2].
С учетом этого расчет максимальной длины световода ВФПУ возможен при соотнесении уровня дисперсии волокна ВФПУ с джиттером для двух вариантов: жесткого и мягкого условий: когда вносимой составляющей погрешности измерений можно пренебречь или она будет соразмерна другой (им) составляющим погрешности измерений соответственно. Эти условия можно выразить выражениями:
— для жесткого условия: Ат = Аt /10; (25)
^ ^ дис дж ' > '
— для мягкого условия: Ат = Аt . (26)
дис ду 1 '
Для ММ волокон обычно приводиися т.н. удели-ная дисперсия Атдис = Аtдис/1, приходящаяся на 1 км волокна, нс/км. И для волокон с о стоп е но а тым и градиентным ППП их минимальные зпачения могут быть уменьшены до значений и 20 нс/км и и 0,5 нс/км (для X и 0,527 нм) ооотоетствонно [ 10].
С учетом этого соотношения (25) и (26) можно изменить к виду
— для жесткого условия: I м-; (27)
10Дт_
для мягкого условия: I м
At
Ar
(28)
и рассчитать искомые значения, которые сведены в табл. 3.
Таким образом, ВФПУ могут быть удалены от зоны Френеля на расстояние до0,6м, минимизируя оптическую схему при использовании тонких оптических волокон с микролинзами для регистрации интерференционной картины.
3.6. Многоапертурный АО модулятор. АО модулятор № 2 может быть выполнен в виде много-апертурного двухкамерного АО модулятора, включающего круглый пьезоизлучатель 1, оптически прозрачный корпус 2, круглый поглотитель 3, соединительное отверстие 4, заливная пробка 5, воздушный «пузырек-демпфер» 6, «рабочая» жидкость (светозвукопровод) 7 (рис. 5а, б) [13]. Его поглотитель 3 использует свойства «резонансного» прохож-
Таблица 3
Длины оптических волокон ВФПУ со ступенчатым 1ст и градиентным / ППП
№
Ограничивающее условие
Длина многомодового оптического волокна ВФПУ
ступенчатый ППП 1ст, см (для Атдис = 20 нс/км)
градиентный ППП 1гр, см (для Атдис = 0,5 нс/км)
Жесткое условие 1 --
Лt„
10Лт
1,5
60
Мягкое условие 1 -.
Лт„,
15
600
а)
б)
Рис. 5. Многоапертурный жидкостной АО модулятор [13]: двухкамерная конструкция (а) и схема прохождения четырех лучей (I—IV) через четырехапертурный АО модулятор (б)
t
2
дения УЗВ через пластину полимера, снижающий требования по согласованию волновых сопротивлений материалов. В этом случае коэффициент отра-
жения r :
Jmlzi
Hm 2cig°
2tcL
(29)
V Лузв)
+ (m2 +1)2
где dn — толщина пластины, Лузв — длина УЗВ в материале поллотителя, т — отношение волновых сопротивлений матерлала светозвукопровода и поглотителя, l — глубина УЗ 15 поля.
Для минимизации icoэффициента отражения rn толщина пластины должна выбираться, как минимум, кратной полов инл длины УЗа поглотителя:
Л V dn о g ,
(30)
где g — целое число, удовлетворяющее условию:
1 1
g о—Ы-
(31)
где ап — коэффициент ослабления вторичной УЗВ, возвращающейся в светозвукопровод АО модулятора после двукратного прохождения поглотителя.
Для АО модулятора № 2 с /аом = 8 МГц рекомендовано применять полимеры и пластмассы с е>0,03 с целью уменьшения толщины поглотителя и размеров АО модулятора соответственно.
Заключение. Исследования показывают, что при совершенствовании АО ЛИС для измерения 3Б смещений можно достичь следующего прогресса:
1. Упрощения оптической схемы за счет двух технических решений:
— за счет перехода от использования 2Б к 1Б АО модулятора;
— вынесения фотоприемника за пределы оптической схемы при приеме и интерферирующих оптических потоков в ближней зоне Френеля оптическим волокном со входной микролинзой.
2. Увеличения диапазона измерений при измерении поперечных смещений при формировании из круглого лазерного луча т.н. «точечной» световой полосы.
3. Построения трехканальной измерительной схемы, реализующей дифференциальный метод измерения, в каждом канале которых применены интерполятор, фазометр и система ФАПЧ с адаптивным управлением ее полосы пропускания системы в зависимости от скорости движения и доплеров-ского сдвига частоты соответственно.
Библиографический список
3. 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. DOI: 10.25206/1813-8225-2019-166-71-77.
4. Леун Е. В., Шаханов А. Е. Повышение точности гибридных сканирующих 3D 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. DOI: 10.25206/1813-8225-2020-170-63-70.
5. Пат. 2016380 Российская Федерация, МПК G 01 B 21/00. Способ автоматической интерполяции фазового сдвига в лазерных интерферометрах и устройство для его осуществления / Михальченко Е. П., Рюмин А. В., Яковлев Н. А. № 4911738; за-явл. 15.02.91; опубл. 15.07.94.
6. Гончаренко А. М., Бугров С. В., Воевода А. А. [и др.]. Метрологические испытания цифрового прецизионного фазометра // Сборник научных трудов Новосибирского гос. техн. ун-та. 2009. № 2 (56). С. 109-114.
7. Пат. 2582625 Российская Федерация, МПК G 01 R 23/02. Фазометр / Жмудь В. А., Ляпидевский А. В. № 2015106094; за-явл. 20.02.15; опубл. 27.04.16. Бюл. № 12.
8. Петров А. А. Лазерное формирование микролинз на базе оптических волокон: дис. ... канд. техн. наук. СПб., 2005. 112 с.
9. А. с. № 637765 Российская Федерация, МПК G 02 2 D 5/04. Отражательная призма для поворота изображения на 90° / Кокоулин Ф. И. № 2409427; заявл. 27.09.76; опубл. 15.12.78, Бюл. № 46.
10. Генераторы кварцевые ГК-152-УН-А. ЗАО НПФ «БМГ ПЛЮС». URL: http://www.bmgplus.ru/images/pdf/pdf152a.pdf (дата обращения: 10.04.2020).
11. 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: 10.04.2020).
12. Каталог продукции лаборатории специальных оптических волокон ОМ-64. НПК «Волокно», АО «НПО ГОИ им. С. И. Вавилова». URL: http://fiber-lab.ru/new_ed/rus/prod_ new.html?path = produkcija.html (дата обращения: 30.09.2020).
13. Базыкин С. Н., Базыкина Н. А., Капезин С. В., Шош-кина М. Н. Многоапертурный акустооптический модулятор света // Интернет-журнал «Науковедение». 2015. Т. 7, № 2. DOI: 10.15862/148TVN215.
ЛЕУН Евгений Владимирович, кандидат технических наук, ведущий инженер. SPIN-код: 6060-8056 AuthorlD (РИНЦ): 367560 AuthorlD (SCOPUS): 57200722184 Адрес для переписки: stankin1999@mail.ru
1. Леун Е. В. Особенности схемотехники акустооптиче-ских лазерных систем для измерения перемещений с фазо-цифровым преобразованием // Технология машиностроения. 2002. № 5. С. 33-40.
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. БОТ: 10.25206/1813-8225-2020-171-92-98.
Для цитирования
Леун Е. В. Особенности схемотехники акустооптических лазерных систем для измерения трехкоординатных перемещений. Часть 1 // Омский научный вестник. 2020. № 5 (173). С. 103-110. Б01: 10.25206/1813-8225-2020-173-103-110.
Статья поступила в редакцию 30.09.2020 г. © Е. В. Леун
r
п
