Волоконно-оптический виброметр

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности и производительности измерений за счет уменьшения погрешностей, связанных с флюктуациями оптического тракта, исключения необходимости перекалибровки в каждой точке измерения путем снижения требований к стабильности рабочего расстояния виброметра и расширения диапазона измерений в сторону высоких частот за счет перенесения диапазона регистрируемых информационных сигналов в область низких частот. Модулированное синусоидой оптическое излучение от источника 3 излучения распространяется по волоконному зонду 4 и отражается от поверхности вибрирующего объекта, при этом часть излучения отражается обратно от выходного торца зонда 4. Таким образом, создаются зондирующий луч и опорная волна, интерферирующие на фотоприемнике 8. Сигнал с выхода фотоприемника 8 поступает на первый 10 и второй 11 синхроусилители, на опорные входы которых подается частота Ω модуляции от генератора 9 модуляции. Синхроусилители выделяют составляющую сигнала частоты Ω. Полоса усиления синхроусилителя 10 выбрана широкой, а синхроусилителя 11 - узкой таким образом, что сигнал разностной частоты усилен только первым синхроусилителем 10 из условия 10Δω 2*98/Ω-Ω г/*98ДΩ 1, где Δω 1 и Δω 2 - полосы усиления соответственно первого и второго синхроусилителей 10 и 11

ω г - частота звукового генератора 1

ω - частота вибрации. Полученные сигналы поступают на измеритель 12 отношений, сигнал на выходе которого при малых амплитудах вибрации оказывается в широком диапазоне линейным и не зависящим от рабочего расстояния виброметра и флюктуаций других параметров оптического тракта. Таким образом, достигается повышение точности, а непрерывная перекалибровка обеспечивается автоматически в процессе измерения вибраций, а обработка сигналов с выхода фотоприемника 8 осущесуществляется на основе низкочастотной аппаратуры. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

СОЮЗ COBETCHHX

ССИ-3ИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 В 21/00

ВЖКИМ1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ.:-:- ..«1;: .:.„:: .c:;

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (2 1) 448258 1/24-28 (22) 15.09.88 (46) 30.08.90. Вюл. N 32 (72) А.Т. Полухин (53) 531.1 (088.8) (56) Дрейк А.Д., Лайне Д.С. Волоконно-оптический интерферометр для измерения субанчетремных вибраций в труднодоступных местах. Приборы для научных исследований. 1984, Ф 2, с. 17-21.. (54) BOJIOKPHHO-ОПТИЧЕСКИЙ BHBPOMETP (57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Цель изобретения — повышение точности и производительности измерений за счет уменьшения погрешностей, связанных с флуктуациями оптического тракта, и исключения необходимости перекалибровки в каждой точке измерения путем снижения требований к стабильности рабочего расстояния виброметра и расширения диапазона измерений в сторону высоких

„„SU„„1589057 А 1 частот за счет перенесения диапазона регистрируемых информационных сигналов в область низких частот. Модулированное синусоидой оптическое излучение от источника 3 излучения распространяется по волоконному зонду 4и отражается от поверхности вибрирующего объекта, при этом часть излучения отражается обратно от выходного торца зонда 4. Таким образом создаются зондирующий луч и опорная волна, интерферирующие на фотоприемнике 8.

Сигнал с выхода фотоприемника 8 поступает на первый 10 и второй 11 синхроусилители, на опорные входы которых подается частота Я модуляции от генератора 9 модуляции. Синхроусилители выдают составляющую сигнала частоты

Я . Полоса усиления синхроусилителя 10 выбрана широкой, а синхроусилителя 11 — узкой таким образом, что сигнал разностей частоты усилен толь- . ко первым синхроусилителем 10 из ус1589057 ловия 10 Л с c (м - ((с, где д у„и

ДЮ - полосы усиления соответственно первого и второго синхроусилителей 10 и 11; &„-" частота звукового

S генератора 1; (л) — частота вибрации.

Полученные сигналы поступают на измеритель 12 отношений, сигH;IJ: на выходе которого при малых амплитудах вибрации оказывается в широком диана- 10 зоне линейным и не зависящим от рабоИзобретение относится к контрольно-.измерительной технике и может быть использовано в разработке оптических приборов для виброметрии и измерения микроперемещений.

Целью изобретения является погыше- 20 ние точности и производительчости из-мерений за счет уменьшения погрешностеи1 связа.нных с Йлуктуациями onTIi ческого тракта, и исключения необходимости перекалибровки в каждой тсчке 25 измерения путем снижения требований к стабильности рабочего расстояния виброметра и расширение диапазона измерений в сторону высоких частот за счет перенесения диапазона регистри- 30 руемых информационных сигналов в область низких частот.

На чертеже представлена функциональная схема, предлагаемого вибромет35

Виброметр содержит последовательно соединенные звуковой генератор 1, источник 2 тока накачки и источник 3 излучения, волоконный зонд 4 с ответвителем 5, .оптически соединенный с источником 3 излучателя и устанавливаемый над поверхностью измеряемого объекта, пьезодержатель 6, предназначенный для закрепления на нем измеряемого объекта, поляризатор 7 и фотопри- 5 емник 8, оптически .связанный с волоконным зондом 4 через ответвитель и поляризатор 7, генератор 9 модуляции, выход которого соединен с входом пьезодержателя 6, первый и второй синхроусилители 10 и 11,, основные входы которых соединены с выходом фотоприемника 8, а опорные -- с выходом генератора 9 модуляции, и измеритель 12 отношений, входы которого соединены, соответственно, с выходами первого и второго синхроусилителей 10 и 11.

Виброметр работает следующим образом. чего расстояния виброметра и флуктуаций других параметров оптического тракта. Таким образом достигается повышение точности, а непрерывная герекалибровка обеспечивается автоматически в процессе измерения вибраций, обработка сигналов с выхода фотопри-. емника 8. осуществляется на основе низ-. кочастотной аппаратуры. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Оптическая волна от источника 3 излучения р,:-спространяется через волоконный 3oHJ!, 4 K его Bblxo|IHoMQ Top цу, где часть ее (примерно.4Х по мощности) отражается от выходного торца и образует опорную волну, распространяющуюся в обратном направлении. Другая ее часть в виде зондирующего луча выходит наружу и отражается от поверхности объекта, закрепленного на пьезодерлателе 6. Небольшая часть отраженного зондирующего луча попадает обратно в волоконный зонд 4. Отраженный зондирующий луч и опорная волна через ответвитель 5 и поляризатор

7 попадают на фотоприемник 8, на фоточувствительной поверхности которого интерферируют. Интенсивность интерференционной картины в нулевой зоне изменяется, если изменяется разность оптических путей, пройденных опорной волной и зондирующим лучом. Если выходной торец неподвижен относительно поверхности объекта, то разность оптических путей постоянна и уровень интенсивности оптического сигнала в нулевой зоне интерфереционной картины постоянен. Если поверхность объекта вибрирует, то уровень интенсивности оптического сигнала изменяется с частотой вибрации. Вибрации могут воз-никать на самом объекте, а могут создаваться пьезодержателем 6, на котором он закреплен. Колебания пьезодержателя 6 заданной частоты и постоянной амплитуды создаются под воздействием сигнала с генератора 9 модуляции.

Таким образом на выходе фотоприемника 8 образуется электрический сигнал, содержащий частоты смещений пьезодержателя 6 и вибраций объекта, точнее поверхности объекта. Сигнал с фотоприемника 8 поступает на основные (информационные) входы первого и второго синхроусилителей 10 и 11, а на

1589057 основе простых нискочастотных схем, что существенно снижает стоимость виброметра. Первый и второй синхроусилители 11 и 10 выделяют сигнал частоты Я из спектра сигналов фотопри 15 емника 8. Спектральный анализ показывает, что составляющие БЯ и U гЕ сигнала на выходе, соответственно, йервого и второго синхроусилителей 10 и

11, обусловленные колебаниями пьезо- 2О держателя 6, определяются соотношениями

"й =Р0 (4) 1О д, (/ ы - г„Ка с, Ug =P где тического излучения; электрическую; коэффициенты усиления, соответственно первого и второго синхроусилителей 10 и 11; 4О функция Бесселя первого порядка;

На вьгходе измерителя 12 отношений появляется сигнал, пропорциональный 5 величине где д(Pp= 4й.р/Л, 50

1 — рабочее (среднее) расстояP ние между выходным торцом волоконного зонда 4 и поверхностью объекта. где

Интенсивность P излучения на выходе источника 3 излучения равна

P — P + 6P0 cos о 0 " Г их опорные входы подается сигнал с генератора 9 модуляции. Частота генератора 9 модуляции Я выбирается низкой, равной величине собственных частот пьезодержателя 6., Обычно это порядка 1 кГц. В этом случае эффективно работает пьеэодержатель 6, кроме того, фотоприемник 8 и синхроусилители 10 и 11 могут быть выполнены на g

703 (Ра " Р (1) P — интенсивность оптичес0 кого сигнала в нулевой зоне интерференционной картины постоянной составляющей мощности on.— коэффициент преобразоОф вания фотоприемником 8 оптической мощности в

Pg = 4п А1 /Я, — длина волны оптического излучения; Е- амплитуда колебаний пьезодержателя 6; где P — постоянная составляющая;

dP — амплитуда переменной сос0 тавляющей.

С учетом переменной составляющей интенсивности излучения в спектре сигнала фотоприемника 8 появляется еще одна низкочастотная составляющая, равная — дР, y T, (p ) sindhi sin(le,)t, (3)

1 где /3 = 4КА„ Л;

А — амплитуда измеряемых вибраМ ций.

М

Выбирая полосу усиленного первого синхроусилителя t0 широкой, а полосу усиления второго синхроусилителя узкой, можно установить величину раз ностной частоты такой, что сигнал разностной частоты будет усилен только первым синхроусилителем 10. Для этого достаточно, чтобы было выполнено условие

Х где Л(и, и Лсо - полосы усиления, соответственно, первого и второго синхроусилителей 10 и .11; ш„ — частота звукового генератора 1; а) — частота вибрации.

В результате на выходах первого и второго синхроусилителей 10 и 11 будут сигналы:

U,= P y y sindhi jI,()3 + р Т, (Д,„))

0 (5)

U2 P> y< y sin 4ц р Е, (Pg) ° аР, Zò (Д„) У

1+ о 7 — °

Ui " 2P0 I, Д ) . „1 (б) При малых амплитудах измеряемых вибраций (А „ (<Л) выходной сигнал .измерителя 12 отношений оказывается в широком диапазоне величины линейным, в этом случае Х1(р ) можно с высокой точностью заменить на 4РА /4. Полуla) ченный в устройстве выходной сигнал оказывается независящим от случайных изменений оптической мощности, поляризации, изменений рабочего расстоя1589057

Формула изобретения

Составитель О. Смирнов

Редактор Т. Парфенов Техред J1.ñåðäþêaíà Корректор М. Пожо

Заказ 253 1. Тираж 483 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГЕНТ СССР

113035, Москва, H-35, Раушская

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул. Гагарина, 101.ния 1, характеристик "оптического контакта". Имеет место, главным образом,. зависимость от параметров электрической части устройства кото5 рые могут быть стабилизированы с высокой точностью, Полученная в устройстве независимость выходного сигнала от оптических шумов позволяет значительно повысить точность вибраций в реальных условиях эксплуатации, когда значителен фон акустических шумов, а также шумов позиционирования (люфт сканеров и т,д.).

Отсутствие точечной калибровки и переход к „непрерывной самокалибровке позволяют существенно повысить быстродействие устройства и применять предлагаемый виброметр для технической диагностики. 20

Использование предлагаемого волоконно-оптического виброметра обеспечивает по сравнению с существующими устройствами следующие преимущества: создается непрерывная калибровка за 25 счет того, что она включается в процесс измерения вибраций; устраняю"..ся шумы выходного сигнала, создаваемые изменениями параметров."оптического контакта" волоконно-оптического виброметра с вибрирующей поверхностью, что особенно важно при.оперативном измерении виброполей, когда необходимо применять сканирующие устройства; высокочастотные вибрации регистрируЮгся и обрабатываются аппаратурой, 1. Волоконно-оптический виброметр, 40 содержащий последовательно соединенные источник тока накачки и источник излучения, волоконный зонд с ответвителем, оптически соединенный с источником излучения, поляризатор, фотоприемник, оптически связанный с волоконным зондом через ответвитель, и поляризатор, последовательно соединенные генератор модуляции и пьезодер- жатель для закрепления на нем измеряемого объекта и регистратор, вход которого соединен с выходом фотоприемника, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и производительности измерений за счет уменьшения погрешностей, связанных с,флуктуациями оптического тракта, исключения необходимости перекалибровки в каждой точке измерения путем снижения требований к стабильности рабочего расстояния виброметра и расширения диапазона измерений в сторону высоких частот за счет перенесения диапазона регистрируемых информационных сигналов .в область низких частот, он снабжен звуковым генератором, выход которого соединен с в..одом источника тока накачки, синхроусилителем и измерителем отношений, а регистратор выполнен в виде синхроусилителя, при этом основные входы синхроусилителей соединены с выходом фотоприемника, опорные входы — с выходом генератора модуляции, а выходы соединены соответственноо с входами измерения отношений.

2. Виброметр по и. 1, о т л и ч аю шийся тем, что он снабжен неподвижной платформой для установки на. ней измеряемого объекта, а волоконный зонд установлен на пьезодержателе.