Фазометрическое устройство

 

Изобретение относится к технике фазовых измерений и может быть использовано для измерения относительных фазовых сдвигов двух процессов и для получения двух сигналов, сдвинутых один относительно другого по фазе на заданную величину. Целью изобретения является расширение функциональньЬс возможностей устройства.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (дц 4 G 01 R 25/04, 27/32

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР п0 делАм иЗОБРетений и ОтнРытий (21) 3907045/24-21 (22) 27.05.85 (46) 07.12.86. Ьюл. ¹ 45 (72) Н.В.Гелашвили, А.Г;Данелян, Ю.С.Манукян, Ю.А.Джагаров, А.Л.Кавалов, Б.К.Кочергин и Н.НПодорожняк (53) 621.317.77(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 420952, кл. G Оl К 25/04, l973, Авторское свидетельство СССР

¹ 879509, кл. С 01 R 27/32, l980.

„SU„, 1275322 А1 (54) ФАЗОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО (57) Изобретение относится к технике разовых измерений и может быть использовано для измерения относительных фазовых сдвигов двух процессов и для получения двух сигналов, сдвинутых один относительно другого по фазе на заданную величину. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства.

1275322

Для достижения поставленной цели в устройство введены источники 1 - 3 модулированного оптического сигнала, взаимно ортогональные поляризаторы

7 и 8, оптический клин 17, линейный поляризатор 13, фотоприемник 6,нульорган 16. Кроме того, устройство содержит светоделители 18-24, затворы

31-34, зеркала 25-30, источник 14 когерентного света, индикатор 15 перемещений, призмы 9-12, фотоприемники

4 и 5, двустороннее зеркало 35. ЗнаИзобретение относится к технике фазовых измерений и может использоваться для измерения относительных фазовых сдвигов двух процессов идля получения двух сигналов, сдвинутых один относительно другого по .фазе на заданную величину.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей фазометрического устройства за счет

его использования как в качестве каС либратора фазы, так и в качестве измерителя фазового сдвига, а также обеспечение самопроверки устройства беэ привлечения внешних контрольных средств.

На чертеже изображена схема фазометрического устройства.

Фазометрическое устройство содержит три источника 1 — 3 модулированного оптического сигнала (HNOC) (преобразователи 1 - 3 электрического напряжения в световой поток), фото" приемники 4 — 6, &зимно ортогональные циркулярные поляризаторы 7 и 8, первую (подвижную) призму 9 и втоь рую (неподвижную) призму 10 переменной оптической задержки, третью 11 и четвертую 12 призмы, линейный поляризатор 13, источник 14 когерентного света, индикатор 15 перемещений, например счетчик интерференционных полос, нуль-орган 16, оптический клин 17, светоделители 18 — 24, зеркала 25 — 30, затворы 31 — 34 и двустороннее зеркало 35.

Укаэанные элементы образуют два оптических канала, оптически связан5

f5

35 чение фазового сдвига будет получено без систематической погрешности, обусловленной неидентичностью фотоприемников 4 и 5, что позволяет точнее установить величину переменнои оптической задержки„ Стало возможным совместить в одном приборе как функции калибратора фазы, так и функции измерителя фазы. При этом в обоих режимах работы прибора используются одни и те же оптические каналы.

1 ил.

2 ные между собой двумя оптическими трактами самопроверки, причем оптический канал опорного сигнала содержит оптически последовательно связанные пятый светоделитель 22,первый циркулярный поляризатор 7, оптический клин 17, первый светоделитель 18, первый затвор 31, второй светоделитель 19 и первый фотоприемник 4, выход которо..о является первым выходом устройства, оптический канал переменной фазы содержит переменную оптическую задержку, содержащую последовательно оптические связанные второй циркулярный поляризатор 8, первую (подвижную) призму 9, вторую (неподвижную) призму 10, второе зеркало 26 и третье зеркало 27, механически скрепленное с подвижной призмой 9 и с помощью которого переменная оптическая задержка оптически связана с интерферометрическим измерителем перемещений, состоящим из источника 14 когерентного света, оптически связанного через шестой светоделитель 23 как с неподвижным четвертым зеркалом 28, так и с подвижным третьим зеркалом 27 и далее через шестой светоделитель 23 с индикатором 15 перемещений, Переменная оптическая задержка в канале переменной фазы оптически связана через пятый светоделитель 22 с последовательно оптически связанными первым зеркалом 25, третьим светоделителем 20, вторым затвором 32, четвертым светоделителем 21 н вторым фотоприемником

5, выход которого является вторым выходом устройства, 1275322

Устройство содержит также первый тракт самопроверки, содержащий оптически связанные с первым светоделите" лем 18 последовательно оптически свя занные третий затвор 33, пятое эер- 5 кало 29, третью призму 11 и двустороннее зеркало 35, оптически связанное первой стороной с четвертым светоделителем 21, входящим в канал переменной фазы, и второй тракт само- 10 проверки, содержащий оптически связанный с третьим светоделителем 20 последовательно оптически связанные четвертый затвор 34,шестое зеркало 30, четвертую призму 12 идвустороннее зер- <5 кало 35,оптически связанное второй стороной с вторым светоделителем19, входящим в канал опорного сигнала,эталонный электрический сигнал подается на первый вход устройства, кото- 20 рым является вход- первого преобразователя 1 (ИМОС), который оптически связан с обоими оптическими каналами через седьмой 24 и пятый 22 светоделители. Два электрических входных 2 сигнала при фазовых измерениях подаются на второй и третий входы устройства, которые являются соответственно входами второго и третьего преобразователей 2 и 3 (ИМОС) и оптически 30 связаны соответственно с вторым 19 и четвертым 21 светоделителями, В этом случае оптическая связь в каналах имеет обратное направление и световые потоки иэ обоих оптических ка- З налов суммируются на выходе пятого светоделителя 22 и далее оптически связаны через седьмой светоделитель

24 с последовательно оптически связанными линейным поляризатором 13, 0 третьим фотоприемником 6 и нульорганом 16, Устройство в режимах калибратора фазы, измерителя фазы и в режимах самопроверки работает следующим образом, В режиме калибратора фазы затворы 33 и 34 закрыты, а затворы 31 и

32 открыты. На вход преобразователя 1 подается электрическое напряжение заданной частоты. На выходе преобразователя 1 появляется модулированный по интенсивности световой поток. На светоделителе 22 образуются два потока — отраженный и

55 дроходящий, Отраженный, поток проходит через поляризатор 8 и поступает в переменную оптическую задержку (призмы 9 и 10 и зеркало 26) .После прохождения через призмы 9 и 10 световой поток падает на зеркало 26, отразившись от которого, вновь поступает в призмы 10 и 9 и далее через поляризатор 8 на светоделитель

22, проходит чеРез него и, отразившись от зеркала 25, поступает далее через светоделители 20 и 21 и затвор

32 на фотоприемник 5. Прямой световой поток, проыедший через светоделитель 22, далее поступает через поляризатор 7, клин 17, затвор 31 и светоделители 18 и 19 на фотоприемник 4 Таким образом формируются два световых потока — опорный, поступающий на фотоприемник 4, и несущий сигнал со сдвинутой фазой, поступающий на фотоприемник 5. Изменение сдвига фазы осуществляется перемещением подвижного элемента переменной оптической задержки (перемещением призмы 9 вдоль линии АВ). Величина перемещения учитывается счетчиком

15 по сдвигу интерференционной кар" тины, формируемой интерферометром

Майкельсона. Влияние на рабочие потоки элементов, не участвующих в рассматриваемом режиме, сводится к ослаблению интенсивности, которое выравнивается при настройке прибора с помощью клина 17.

В режиме измерителя фазового сдвига затворы 31 и 32 открыты, а затворы 33 и 34 закрыты. На преобразователи 2 и 3 электрического напряжения в световой поток подаются напряжения, фазовый сдвиг между которыми необходимо измерить. Световой поток преобразователя 2, отразившись от делителя 19 проходит через затвор 31, светоделитель 18, клин 17, циркулярный поляризатор 7, светоделитель 22 и попадает на светоделитель 24. Световой поток, прямо прошедший через светоделитель 19, задержится в конечном счете закрытым затвором 34.

Световой поток преобразователя 3, отразившись от светоделителя 21 (проходящая часть этого потока задерживается закрытым затвором 33), проходит через затвор 32, светоделитель 20, отражается от зеркала

25 и падает на светоделитель 22.

Пройдя через светоделитель 22,циркулярный поляризатор 8 этот поток поступает в переменную оптическую товой поток, который создает на фотоприемниках 4 и 5 опорный сигнал и сигнал со сдвинутой фазой. Производятся два измерения: первое — при открытых затворах 31 и 32 и закрытых

33 и 34, второе — при закрытых затворах 31 и 3? и открытых 33 и 34, При первом измерении световой поток преобразователя 1 проходит через светоделитель 22, затвор 31 и попадает на фотоприемник 4, а световой поток, отраженный светоделителем 22, проходит через переменную оптическую

Задержку и попадает на фотоприемник

5. При втором измерении световой поток преобразователя 1 проходит через светоделитель 22, затвор 33 призму 11, отражается от зеркала 35 и светоделителя 21, поплдая на фотоприемник 5, а. световой rr,-ток,отраженный светоделителем 22 проходит через переменную оптическую задержку и, отразившись от светоделителя 20,проходит через затвор .34, призму 12,отражается от зеркала 35 и светоделителя 19 и попадает на фотоприемник 4.

5 1275322 задержку (призмы 9 и 10 и зеркало

26). Пройдя через оптическую задержку, световой поток вновь проходит через поляризатор 8 и, отразившись от светоделителя 22, падает на светоделитель 24.

Таким образом в светоделителе

24 накладываются два потока с ортогональной циркулярной поляризацией.

Изменяя величину переменной оптичес- 10 кой задержки (призмы 9 и 10 и зеркало 26), можно добиться равенства фаз световых потоков, падающих на светоделитель 24. В этот момент эти потоки имеют равную интенсивность, Благо- 15 даря тому, что циркулярные"поляризаторы 7 и 8 взаимно ортогональны в момент совпадения фаз сигналов, модулирующих укаэанные потоки, результирующий световой поток оказывается 20 линейно поляризованным и задерживается линейным поляризатором 13, если. он заранее ориентирован ортогонально к поляризации результирующего потока. Благодаря этому нуль-орган 16 отмечает минимальный ток в фотоприемнике 6. Отметив с помощью интерференционного датчика величину перемещения подвижного элемента переменной оптической задержки,,полу 30 чаем значение введенного фазово -о сдвига, компенсировавшего измеряемую разность фаз. Прокалибровав счетчик интерференционных полос непосредственно в фазовых углах, можно получитьу искомый результат измерений.

В режимах самопроверки осуществляется контроль соответствия нулей переменной оптической задержки и нульоргана, а также контроль подвижного 40 элемента онтической задержки.

В режиме контроля соответствия нулей измерителя перемещений оптической задержки и нуль-органа 16 на преобразователи 2 иЪ подают электричес-45 кие колебания с одинаковой фазой.

С помощью переменной оптической задержки получают нулевое показание нуль-органа. 16 как в укаэанном режиме разиости фаэ. Величина введенно- 50 го переменной оптической задержкой фа-зового сдвига показывает величину систематической погрешности в режиме измерения фазового сдвига, В режиме контроля положения под- у вижного элемента переменной оптической задержки с помощью преобразователя 1 формируется модулированный свеПусть при первом иэмеренчи на выходе фотоприемника.4 зафиксировано некоторое значение о „ абсолютной фазы с погрешностью вд., а на выхо-. де фотоприемника 5 — значение о с погрешностью аЫ . Для относительного фазового сдвига в первом измерении получаем

4 + + + где — интенсивное значение относительного фазового сдвига; д — систематическая погрешность.

При втором измерении на выходе фотоприемника 4 фиксируется абсолютная фаза о(с погрешностью д аС„

2 а на выходе фотоприемника 5 — абсолютная фаза Ы„ с погрешностью дЫ

Для относительного фазового сдвига во втором измерении получаем

< = о(. — ol + g p(—. g Q/ = — g +

2 Я 1 1 2

+а\

Составив полуразность полученных фаэ находим искомое значение фазового сдвига

Ч вЂ” М q+ ь + ф -а

2 2

Таким образом значение фазового сдвига получают без систематической

Формула

7 12753 погрешности, обусловленной неидентичностью фотоприемников 4 и 5, что позволяет точнее установить величину переменной оптической задержки °

Благодаря наличию дополнительных по сравнению с известным устройством преобразователей 2 и 3, пары циркулярных поляризаторов 7 и 8, линейного поляризатора 13, фотоприемника 6 и нуль-органа 16 стало возможным сов- 10 местить в одном приборе как функции калибратора фазы, так и функции измерителя фазы. При этом в обоих режимах работы прибора используются одни и те же оптические каналы, Помимо 15 расширения функциональных возможностей прибора имеется воэможность самопроверки прибора без использования внешних контрольных средств, что повышает точность как измерений фаза- 20 лого сдвига, так .и генерирования двух колебаний с заданным фазовым сдвигом.

Благодаря особенности подключения к каналу со сдвинутой фазой перемен- 25 ной оптической задержки и включения в ее состав зеркала 26 стало возможным вдвое уменьшить ход подвижного элемента оптической задержки, Послед нее обстоятельство значительно упро- 30 щает, удешевляет и повышает точность механических устройств, обслуживающих перемещение подвижного элемента оптической задержки.. 35 изобретения

Фазометрическое устройство, содержащее семь светоделителей, четыре затвора, шесть зеркал, три призмы, 40 два фотоприемника, источник когерентного света и индикатор перемещений, которые образуют два оптических канала и два оптических тракта самопроверки, причем оптический канал 45 опорного сигнала содержит последовательно оптически связанные первый светоделитель, первый затвор, второй светоделитель и первый фотоприемник, оптический канал сигнала с перемен- 50 ной фазой содержит последовательно оптически связанные третий светоделитель, второй затвор, четвертый светоделитель и второй фотоприемник и, кроме того, первое зеркало, пятый 55 светоделитель, переменную оптическую, задержку, состояющую из первой (подвижной) призмы, второй (неподвижной) призмы, второго и третьего зеркала, причем последнее механически скреплено с первой (подвижной) призмой, а переменная оптическая задержка своим третьим зеркалом оптически связана с интерферометрическим измерителем перемещений, состоящим из источника когерентного Света, оптически связанного с шестым светоделителем, четвертым зеркалом и через шестой светоделитель с индикатором перемещений, оптические каналы связаны между собой двумя оптическими трактами самопроверки, причем первый тракт самопроверки содержит оптически связанный с первым светоделителем последовательно оптически связанные третий затвор, четвертое зеркало, третью призму, двустороннее зеркало (первая сторона), которое оптически связано с четвертым светоделителем, второй тракт самопроверки содержит оптически связанный с третьим светоделителем последовательно оптически связанные четвертый затвор и пятое зеркало, а также двустороннее зеркало (вторая сторона), которое оптически связано с вторым -светоделителем, выходы фотоприемников являются выходными клеммами устройства, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него введены три источника модулированного оптического сигнала, два взаимно ортогональных циркулярных поляризатора, оптический клин и последовательно оптически связанные линейный поляризатор, третий фотоприемник и нуль-орган, причем линейный поляризатор оптически связан через седьмой и пятый светоделители с обоими оптическими каналами, первый источник модулированного оптического сигнала оптически связан с седьмым светоделителем, второй источник модулированного оптического сигнала с вторым светоделителем, третий источник модулированного оптического сигнала — с четвертым светоделителем, в оптическом канале опорного сигнала первый светоделитель оптически связан с пятым светоделителем через оптический клин и первый цир— кулярный поляризатор, в оптическом канале сигнала переменной фазы третий светоделитель оптически связан с пятым светоделителем через первое зеркало, а пятый светоделитель оптически свя l 275322

Составитель Ю.Макаревич

Техред А.Кравчук Корректор Е.Сирохман

Редактор И. Шулла

Заказ 6555/35

Тир а>к 7 28 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, уп. Проектная, 4 зан с последовательно оптически связанным вторым циркулярным поляризатором, первой призмой, второй призмой и вторым зеркалом, электрические

1 входы первого, второго и третьего источников модулированного оптического сигнала являются сигнальными входами устройства.