Гомодинный лазерный интерферометрический измеритель параметров вибраций объектов

 

ГОМОДИННЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ ВИБРАЦИЙ ОБЪЕКТОВ, содержащий лазер, двухлучевой интерферометр с ретрорефлектором в его измерительном плече, связываемым с объектом, два фотоприемника, установленных на выходе интерферометра, два компаратора , вход первого из которых соединен с выходом первого фотоприемника , квадратурно-логический блок, к первому и второму входам которого подключены выходы первого и второго компараторов соответственно, соединенные последовательно реверсивный счетчик и цифроаналоговый преобразователь , отличающийся тем, что, с целью повьппения точности измерений и помехоустойчивости, он снабжен пятнадцатью аналоговыми сумматорами, выполненными с одинаковыми коэффициентами передачи по входам, коммутатором фазы, двумя усилителями, инвертором, четырнадцатью коммутаторами, семью квадратурно-логическими блоками, двумя элементами ИЛИ, выход первого фотоприемника подключен к первому входу коммутатора фазы, входу инвертора и первым входам второго, четвертого и восьмого аналоговых сумматоров , выход инвертора подключен к второму входу коммутатора фазы и к вторым входам третьего, седьмого и пятнадцатого аналоговых сумматоров , выход коммутатора фазы соединен с входом первого усилителя, выход которого подключен к первому входу первого аналогового сумматора, а выход второго фотоприемника через второй усилитель подключен к второму входу первого аналогового сумматора , выход которого подключен к входу второго компаратора и к втоi рым входам второго, пятого и одиннадцатого аналоговых сумматоров и (Л первым входам третьего, шестого, двенадцатого аналоговых сумматоров, при этом выход второго аналогового сумматора присоединен к первым входам пятого и десятого аналоговых сумматоров, вторым входам четвертого и девятого аналоговых сумматоров, оэ а также к входу шестого компаратора, 00 О1 выход третьего аналогового сумматора подключен к первым входам седь4 мого и четырнадцатого аналоговых сумматоров и к вторым входам шестого и тринадцатого аналоговых сумматоров , а также к входу тринадцатого компаратора, причем выходы четвертого , пятого, шестого и седьмого аналоговых сумматоров соединены соответственно с вторыми входами восьмого, десятого, двенадцатого и четырнадцатого аналоговых сумматоров и соответственно с первыми входами девятого, одиннадцатого, тринадцатого и пятнадцатого аналоговых сумматоров , а также с входами четвер

„„Я0„„1188541

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sl)4 G 01 Н 9/00

1"

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTMA (21) 3766818/24-?8 (22) 04.05.84 (46) 30.10.85. Бюл. и 40 (72) E..А.Андрущак, И.В.Силин, С.А.Климов, С.С.Рулева, В.И.Степанов и В.П.Тычинский (53) 620.178.53(088.8) (56) Применение лазеров. Перев. с англ,/ Под ред. В.П.Тычинского.

M.: Мир, 1974, с. 116. (54)(57) ГОМОДИННЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ IIAPANET-

POB ВИБРАЦИЙ ОБЪЕКТОВ, содержащий лазер, двухлучевой интерферометр с ретрорефлектором в его измерительном плече, связываемым с объектом, два фотоприемника, установленных на выходе интерферометра, два компаратора, вход первого из которых соединен с выходом первого фотоприемника, квадратурно-логический блок, к первому и второму входам которого подключены выходы первого и второго компараторов соответственно, соединенные последовательно реверсивный счетчик и цифроаналоговый преобразователь, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений и помехоустойчивости, он снабжен пятнадцатью аналоговыми сумматорами, выполненными с одинаковыми коэффициентами передачи по входам, коммутатором фазы, двумя усилителями, инвертором, четырнадцатью коммутаторами, семью квадратурно-логическими блоками, двумя элементами ИЛИ, выход первого фотоприемника подключен к первому входу коммутатора фазы, входу инвертора и первым входам второго, четвертого и восьмого аналоговых сумматоров, выход инвертора подключен к второму входу коммутатора фазы и к вторым входам третьего, седьмо го и пятнадцатого аналоговых сумматоров, выход коммутатора фазы соединен с входом первого усилителя, выход которого подключен к первому входу первого аналогового сумматора, а выход второго фотоприемника через второй усилитель подключен к второму входу первого аналогового сумматора, выход которого подключен к входу второго компаратора и к вторым входам второго, пятого и одиннадцатого аналоговых сумматоров и первым входам третьего, шестого, двенадцатого аналоговых сумматоров, при этом выход второго аналогового сумматора присоединен к первым входам пятого и десятого аналоговых сумматоров, вторым входам четвертоro и девятого аналоговых сумматоров, а также. к входу шестого компаратора, выход третьего аналогового сумматора подключен к первым входам седьмого и четырнадцатого аналоговых сумматоров и к вторым входам шестого и тринадцатого аналоговых сумматоров, а также к входу тринадцатого компаратора, причем выходы четвертого, пятого, шестого и седьмого аналоговых сумматоров соединены соответственно с вторыми входами восьмого, десятого, двенадцатого и четырнадцатого аналоговых сумматоров и соответственно с первыми входами девятого, одиннадцатого, тринадцатого и пятнадцатого аналоговых сумматоров, а также с входами четвер1188541

О

20

35 того, восьмого, одиннадцатого и пятнадцатого компараторов, а выходы восьмого, девятого, десятого, одиннадцатого, двенадцатого, тринадцатого, четырнадцатого и пятнадцатого аналоговых сумматоров соединены с входами соответственно третьего, пятого, седьмого, девятого, десятого, двенадцатага, четырнадцатого и шестнадцатога компаратаров, при этом выходы третьего и десятого, четвертого и одиннадцатого, пятого и двенадцатого, шестога и тринадцатого, седьмого и четырнадцатого, восьмого и пятнадцатого, девятого и шестнадцатого комИзобретение относится к измерительной технике, в частности к лазерной интерферометрии, и может быть использовано, например, для определения параметров вибраций объектов.

Цель изобретения — повышение точности измерений и помехоустойчивости.

На фиг. 1 изображена блок-схема гамодинного лазерного интерферометрического измерителя; на фиг. 2— фазовые отношения между синтезированными, интерференционными сигналами; на фиг. 3 " фазовые диаграммы шестнадцати Жаэосдвинутых сигналов 6„, ling... 6 и шестнадцати противоположнйх им сигналов П-, О- ... 0 -; на

1 2 фиг. 4 — фазовые диаграммы, поясняющие работу интерферометрическаго измерителя.

Интерферометр содержит лазер 1, двухлучевой интерферометр 2 с ретро". рейлектором 3, связываемым с объектом 4, два фотоприемника 5 и 6, установленных на выходе интерферометра 2, два компаратора 7 и 8, вход первого из которых соединен с выходом первого фотоприемника 5, квадратурно-логический блок 9, к первому и второму входам которого подключены выходы первого и второго компараторов 7 и 8 соответственно, .соединенные последовательно реверсивный счетчик 10 и цифроаналоговый преобразователь 11, коммутатор 12 фазы, инвертор 13, пятнадцать аналоговых параторов соединены соответственно с первым и вторым входами второго, третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого, восьмого квадратурнологических блоков, прямой выход каждого квадратурно-логического блока. соединен с соответствующим входом первого элемента ИЛИ, выход которого соединен с суммирующим входом реверсивного счетчика, а инверсный выход каждого квадратурно-логического блока соединен с соответствующим входом второго элемента ИХИ, выход которого соединен с вычитающим входом реверсивного счетчика.

2 сумматоров 14 — 28, два усилителя

29 и 30, с третьего по шестнадцатый компараторы 31 — 44, с второго по восьмой квадратурна-логические блоки 45 - 51, первый и второй элементы ИЛИ,52 и 53, выход первого фотоприемника 5 подключен к первому входу коммутатора 12 фазы, входу инвертора 13 и первым входам второго, четвертого и восьмого аналоговых сумматоров 15, 17 и 21, выход инвертора 13 подключен к второму входу коммутатора 12 фазы и к вторым входам третьего, седьмого и пятнадцатого аналоговых сумматоров 16, 20 и 28, выход коммутатора 12 фазы соединен с входом первого усилителя .

29, выход которого подключен к первому входу первого аналогового сумматора 14, а выход второго фотаприемника 6 через второй усилитель 30 подключен к второму входу первого аналогового сумматора 14, выход котораго подключен к входу второго

25 компаратора 8 н к вторым входам второго, пятого и одиннадцатого аналогавых сумматоров 15, 18 и 24 и первым входам третьего, шестого, двенадцатога аналоговых сумматоров 16, 19 и 25, при этом выход второго аналогавого сумматора 15 присоединен к первым входам пятого и десятого аналоговых сумматоров 18 и 23, вторым входам четвертого и девятого аналоговых сумматоров 17 и 22, а

1188541

50

55 также к входу шестого компаратора

34, выход третьего аналогового сумматора 16 подключен к первым входам седьмого и четырнадцатого аналоговых сумматоров 20 и 27 и к вторым входам шестого и тринадцатого аналоговых сумматоров 19 и 26, а также к входу тринадцатого компаратора 41, причем выходы четвертого, пятого, шестого и седьмого аналого- tp вых сумматоров 17, 18, 19 и 20 соединены соответственно с вторыми входами восьмого, десятого, двенадцатого и четырнадцатого аналоговых сумматоров 2I, 23, 25 и 27 и соответственно с первыми входами девятого, одиннадцатого, тринадцатого и пятнадцатого аналоговых сумматоров

22, 24, 26 и 28, а также с входами четВертоГО ВОсьмогО ОдиннадцатО 2б го и пятнадцатого компараторов 32, 36, 39 и 43, а выходы восьмого, девятого, десятого, одиннадцатого, двенадцатого, тринадцатого, четырнад, цатого и пятнадцатого аналоговых сумматоров 21 — 28 соединены с входами соответственно третьего, пятого, седьмого, девятого, десятого, двенадцатого, четырнадцатого и шестнадцатого компараторов 31, 33, 35, 37, 38, 4Э, 42 и 44, при этом выходы третьего 31 и десятого 38, четвертого 32 и одиннадцатого 39, пятого

33 и двенадцатого 40, шестого 34 и тринадцатого 41, седьмого 35 и четырнадцатого 42, восьмого 36 и пятнадцатого 43, девятоь.о 37 и шестнадцатого 44 компараторов соединены соответственно с первым и вторым вхо,дами второго, третьего, четвертого, 40 пятого, шестого, седьмого, восьмого квадратурно-логических блоков 45 — 51, причем прямой выход каждого квадратурно-логического блока соединен с соответствующим входом первого элемента ИЛИ 52, выход которого соединен с суммирующим входом реверсивного счетчика 10, а инверсный выход каждого квадратурно-логического блока соединен с соответствующим входом второго элемента ИЛИ 53, выход которого соединен с вычитающим входом реверсивного счетчика 10.

Измеритель работает следующим образом.

В измерительном плече двухлучевого интерферометра 2 устанавливается. ретрорефлектор 3, который жестко

4. закреплен на исследуемом объекте 4.

Излучение, отраженное ретрорефлектором 3, возвращается в интерферометр 2, где оно интерферирует с опорной световой волной. Благодаря частотным, поляриэационным, пространственным или другим эффектам на первом и втором фотоприемниках 5 и 6 (установленных в поле интерференции) выделяется два фазосдвинутых интерференционных сигнала.

Первый фотоприемник 5 ° второй фотоприемник б, коммутатор 12 фазы, первый 29 и второй 30 усилители, аналоговый сумматор 14, инвертор 13 сформируют три опорных сигнала U, У и U< из сигналов фотоприемников

5 и 6 Uф„„и U@<> при условии, чтобы и U> стали точно квадратурными, а Б — противоположен сигналу U

Сигйал Б„ отождествляется с сигйалом первого фотоприемника 5, а сигнал

U получается после прохождения ин1 вертора 13:

= U |l1 jj фя1- (1)

Формйрованйе квадратурного опорного сигнала U поясняется фазовой диаграммой на фиг. 4. В общем случае сигналы фотоприемников 5 и 6 могут иметь между собой произвольный фазовый сдвиг д, что определяется конструктивными особенностями интерферометра 2, его юстировкой, положе.— нием фотоприемников 5 и б в поле ин.— терференции и т.д. На фиг. 4 показано два случая. U<„z/ дЧ (Р/2/ и

0" „ / д Ч" ) и /2/. При любом д путем линейной комбинации векторов

Ю „1 и Уф можно получить требуемый (точноквадратурный к U ) сигнал

U<, для чего необходимо лишь правильно выбрать весовые коэффициенты . 1 г.

Ф

U2 = X, ôï1 + Х 1 п (2)

Ез геометрических соображений очевидно, что для квадратурности

U< и U необходимо, чтобы отношение весовых коэффициентов и„ и отвечало условию

t U enzI

-- = — — -- — соя д . (3)

lUypg I

Абсолютная же величина z„ и может быть выбрана из условия Пф 1 I °

Синтез сигнала П,, как видно из соотношения (2), легко получить аналогоьым сложением сигналов фотоприемников 0,11 и U, предварительно „

1188541 усилив их в у.„ и,Ж раз, для чего используется аналоговый сумматор 14 и усилители У„: (29) и У (30). При разных значениях а4 (больше или

5 меньше Л/2) коэффициенты усиления должны иметь одинаковый знак (синфазное сложение) или противоположные знаки (противофазное сложение).

Выбор знака производится комму- 10 татором 12 фазы, который подключает на первый вход первого аналогового сумматора 14 сигнал Пь„„ или его инверсию с выхода инвертора 13. На фиг. 4 показано, как графически могут быть выбраны коэффициенты g.„" и

Ж чсиления, чтобы получить требуЛ емый сигнал 11 по векторам U- << и Uä (правипо параллелограмма для

ФЛ1 случая лЧ й/2) .

В результате работы разобранной. асти схемы получаются сигналы U1, U u U- (фиг. 4). Дальнейший синтез

2 1 фаэосдвинутых сигналов U> „ U<...U.< происходит аналогичным образом. Так, :второй аналоговый сумматор 15 иэ сиг налов U и U2 = U 1 е синтезирует щг сигнал U = U1- е Л Аналогично тре.тий аналоговый сумматор 16 синтезирует U = U е1 из сигналов U> и U.

Я/47g

Условие равенства коэффициентов передачи по входам в каждом из аналоговых сумматоров гарантирует, что синтезируемый (выходной} сигнал бу" дет иметь фазовый сдвиг, равный среднему арифметическому фаз суммируемых сигналов. Так, из сигналов U1 и U< получается сигнал U> (фиг. 3), иэ сигналов 01 и Нэ — U5, HS US и 01 †. 40

U и т.д. В результате работы всей

"сети" аналоговых сумматоров появляется шестнадцать фазосдвинутых сигналов (Фиг. 2}, смещенных один относительно другого на Tl/16. Коэффи- 45 циенты передачи аналоговых сумматоров выбираются из условия, чтобы амплитуды выходных и входных сигналов были равны при этом /U1 / /U> / /U /

/Upped!

На фиг. 3 вектором 07 обозначено значение текущей фазы Ф . Ее изменение приводит к последовательному изменению знаков интерференционных сигналов (фиг. 2). Поскольку компараторы 7; 8; 31 — 44 трансформируют аналоговые сигналы "а" (фиг. 2) в бинарные "в", то всякому приращению ф иа й/16 соответствует скачок одного из бинарных сигналов. Скачки (фронты) бинарных сигналов преобразуются квадратурно-логическими блоками 9, 45 — 51в счетные импульсы того или иного знака, причем появление одного счетного импульса отвечает приращению фазы Р на Я!16 или изменению длины измерительного плеча интерферометра 2 на 3/64. На каждый из блоков 9 и 45 - 51 подается один из синтезированных сигналов и ему квадра-, турный, т.е. каждый блок 9, 45 — 51 работает автономно по своей паре. квадратурных сигналов и регистрирует изменение фазы с дискретностью fi/2.

Благодаря наличию восьми пар квадратурных сигналов, повернутых в фазовой плоскости каждая относительно соседней на + Tl!16, при изменении фазы аф 7и/16 на выходе одного из квадратурно-логических блоков появит" ся счетный импульс, на "+" и "-" выходах импульсы объединяются соответственно первым элементом ИЛИ 52 и вторым элементом ИЛИ 53 и выводятся на суммирующий и вычитающий входы реверсивного счетчика 10, код-состояние которого превращается цифроаналоговым преобразователем 11 на выходное аналоговое напряжение, которое можно направить на любой регистрирующий прибор (осциллограф, самописец и т.д.).

На выходе измерителя наблюдается напряжение, которое своей формой повторяет закон изменения длины измерительного плеча интерферометра 2, т..е. позволяет наблюдать закон вибросмещений объекта 4 с дискретностью

Й/64.

1188541

Риг. 1

Qn

0у а

Vg г и» о

1188541

ВНИИЛИ Закаэ 6733!41

Тиран 533 Подписное

Филиал ППП "Патент", г.Ужгород, ул.Проектная, 4