Основные напрвления автоматизации приборов для измерения геометрических величин. Одночастотный лазерный интерферометр.

Лазерные измерители перемещений (в дальнейшем лазерные интерферометры) предназначены для прецизионных измерений линейных, угловых перемещений, контроля прямолинейности и перпендикулярности, а также скорости перемещения контролируемого объекта. Лазерный интерферометр измеряет длину методом непосредственного отсчета путем сравнения ее с длиной волны стабилизированного по частоте лазера. Сравнение измеряемой длины осуществляется двухлучевым интерферометром. Одна часть излучения направляется на подвижное зеркало, установленное на объекте, линейное перемещение которого необходимо измерять, другая - на неподвижное зеркало. Смещение зеркала (отражателя) на половину длины волны излучения, т.е. на одну интерференционную полосу соответствует одному периоду в изменении светового потока. Число полос подсчитывается электронным счетчиком с фотоприемника и измеряемая длина вычисляется по формуле L = N·λ_возд/2, где N - порядок интерференции, т.е. целая и дробная части числа полос;λ_возд = λ_вак/h_возд, λ_вак — длина волны излучения в вакууме; h_возд — показатель преломления воздуха. Таким образом, измерение длины обязательно должно сопровождаться прохождением отражателем контролируемого расстояния.

По характеру обработки информационного сигнала лазерные интерферометры делятся на амплитудные и фазовые. В амплитудных и фазовых системах сигнал измерительной информации снимается с фотоприемника, установленного в поле интерференции двух световых волн: информационной, оптическая длина пути которой определяется контролируемым перемещением, и опорной с постоянной оптической длиной пути. При этом оптическая разность хода двух интерферирующих волн пропорциональна контролируемому перемещению. Оптические частоты интерференцирующих световых волн в амплитудных системах равны между собой, а в фазовых отличаются друг от друга.

В амплитудных системах частота f переменной составляющей сигнала измерительной информации определяется скоростью перемещения контролируемого объекта и изменяется от 0 до 1 МГц в диапазоне скоростей от 0 до 20 м/мин. С такой зависимостью частоты от скорости перемещения необходимо после фотоприемника применять широкополосные усилители, что приводит к снижению помехоустойчивости. Следует также отметить сильную зависимость чувствительности от скорости перемещения. Минимальная дискретность отсчета 0,08 мкм.

Фазовые системы лишены тех недостатков, которые имеют амплитудные. В них перемещение преобразуется в сдвиг фазы синусоидального выходного сигнала, несущая частота которого равна разности частот интерферирующих световых волн.

На рисунке 4.13 представлена схема лазерного интерферометра. Принцип действия его основан на волновом способе преобразования, при котором фазовый сдвиг световых волн преобразуется в фазовый сдвиг электрического сигнала заданной несущей частоты f = 8 МГц. Этот способ обусловливает простоту оптической схемы (одночастотный лазер и неполяризационная оптика) и большой диапазон разности частот интерферирующих световых волн - от единиц до сотен мегагерц (т.е. скорость контролируемых перемещений до 100 м/мин).

Рисунок 4.13 - Одночастотный лазерный интерферометр

Световой поток лазера 1 через коллиматор 2 направляется на светоделительный кубик 3, где разделяется на информационный I и опорный II световые потоки. Поток I проходит на подвижный отражатель 5 и возвращается на акустооптический модулятор 6, куда попадает и поток II после прохождения им опорного расстояния до отражателя 4. Генератором 16 возбуждается в модуляторе бегущая ультразвуковая волна на частоте 8 МГц. После модулятора в результате наложения потоков I и II на фотоприемнике выделяется сигнал с разностной частотой 8 МГц, фаза которого пропорциональна контролируемому перемещению. Причем изменению фазы на один период соответствует перемещение отражателя 5 на 0,316 мкм. Измерительный сигнал с фотоприемника 7 через усилитель 8 поступает на фазометр 9. Туда же поступает опорный сигнал с генератора 16. В результате сравнения измерительного и опорного сигналов в реверсивном счетчике 10 подсчитывается число фазовых циклов, и после умножения в блоке 11 на масштабный коэффициент результат выводится на цифровой дисплей 12.

Значение масштабного коэффициента корректируется (из-за изменения внешних условий) по результатам измерения нормированного расстояния l в базовом канале до отражателя 15. В зависимости от полученного числа фазовых циклов (т.е. интерференционных полос) на фотоприемнике 14 по сравнению с номинальным числом при нормальных условиях измерений изменяется значение масштабного коэффициента в блоке 13, и это значение подается на блок умножения 11.

Изменение характеристик фотоприемников, колебание уровня мощности излучения и т.п. уменьшает надежность и стабильность одночастотных лазерных интерферометров.