Способ измерения расстояний

 

союз советских

СОЦИ АЛ ИСТИЧ Е С К ИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 В 21/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)

1.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ы,,„

К АВТОРСК0МУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 ! .: 1 (21) 4893292/28 (22) 25.12,90 (46) 07.02,93. Бюл, N 5 (71) Винницкий политехнический институт (72) Ю.А.Скрипник, И,Ю.Скрипник, А.И.Гуцало, В.Я.Супьян и С.Н.Горбатюк (56) Большаков В.Д. и Деймлих Ф. Радиогеодезические и электрооптические измерени . M,: .Недра, 1985, с. 31 — 33. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЙ (5/) Использование: для измерения линейнь1х размеров, Цель изобретения — упрощение и повышейие точности измерения.

Сущность. способ заключается в разделении лазерного луча на опорный и зондирующий, совмещении зондирующего луча, отраженного от зеркала, жестко связанного с Контролируемым объектом, с опорным лучо4, отраженным от подвижного зеркала, с образованием интерференционной картинь|, измерении интенсивности интерференционной полосы в выбранной точке ингерференционной картины, изменении частоты лазерных лучей и определении расстояния по формуле. В способе измеряют максимальное и минимальное значения инt

Изобретение относится к измерению линейных размеров и может быть использовано для измерения расстоянйй до контролируемого объекта с помощью оптического излучения.

Известен способ измерения расстояний лазерным лучом, заключающийся в разделеI нии непрерывного излучения лазера на опорный и зондирующий лучи, из которых

„„5U 1793218 А1

2 тенсивностей интерференционной полосы при изменении частоты лазерных лучей модулирующими радиочастотными колебаниями. Вначале устанавливается значение частоты модулирующих колебаний, соответствующее среднему зйачению интенсивности интерференционной полосы, и эа счет изменения длины пути опорного луча в пределах изменения интенсивностй интерференционной картйны на линейном участке характеристики формируют дополнительный фазовый сдвиг, определяют коэффициент изменения длины опорного луча, затем изменяют частоту модулирующих колебаний до полной компенсации дополнительного фазового сдвига, вызванного изменением длины опорного луча, а расстояние определяют по формуле: L>= (1 ) . Q, где Lo — длина

Р

ЛБ пути опорного луча; Р— коэффициент изменения длины пути опорного луча, полученный в процессе калибровки; м — частота исходных лазерных лучей; Л Рк — компенсирующее изменение частоты модулирующих колебаний; знак "+" означает, что LX 4>, а знак "+" соответствует условию LX < Lo. 1 ил. зондирующий луч отражается от поверхности объекта, а опорный — от поверхности неподвижного зеркала, соединении отраженных лучей на фотоприемнике и регистрации результирующей интенсивности от интерференции зондирующего и опорного лучей по току фотоприемника. (Известен также способ измерения расстояний, в котором отраженный зондирую1793218 щий и опорный лучи смешивают со вспомогательным лучом, прошедшим через частотно-сдвигающее устройство, квадратично детектирует, выделяют электрические колебания с частотой сдвига и измеряют их раз- 5 ность.

Однако эти способы не позволяют достигнуть высокой точности измерения, Известен способ измерения расстояний, выбранный в качестве прототипа, заключающийся B Tом, что формируют лазерный световой поток, разделяют его на опорный и зондирующий лучи, формируют . интерференционную картину путем совмещения зондирующего луча, отраженного от зеркала, жестко связанного с контролируемым объектом, и опорного луча, отраженного от подвижного зеркала, измеряют интенсивность интерференционной полосы в контрольной точке интерференционной картины фотоприемником, изменяют часто"гу лазерного светового потока и определяют расстояние до обьекта, Недостатком способа является невысокая точность измерения. 25

Целью изобретения является повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения расстояний, заключающемся в том, что формируют лазерный 3О световой поток, разделяют его на опорный и зондирующий лучи, формируют интерференционную картину путем совмещения зондирующего луча, отраженного от зеркала, жестко связанного с контролируемым 35 объектом, и опорного луча, отраженного от подвижного зеркала, измеряют интенсивность интерференционной полосы в контрольной точке интерференционной картины фотоприемником, изменяют частоту лазер- 4О ного светового потока и определяют расстояние до объекта, дополнительно измеряют максимальное и минимальное значение интенсивностей интерференционной полосы путем смещения интерференционной картины изменением частоты лазерного светового потока модулирующими радиочастотными колебаниями, определяют среднее значение интенсивности ин. терференционной полосы, устанавли- М вают значение частоты модулирующих радиочастотных колебаний, соответствующее определенному среднему значению интенсивности интерференционной полосы, затем формируют дополнительный фазовый 55 сдвиг между опорным и зондирующими лучами путем изменения длины пути опорного луча в пределах изменения интенсивности интерференционной полосы на линейном участке характеристики фотоприемника, onределяют коэффициент P изменения длины пути опорного луча, изменяя частоту радиочастотных модулирующих колебаний до полной компенсации дополнительного фазового сдвига, а расстояние Lx до объекта

on ределяют по формуле

Pv

Lx= (" + — ) -о, Л Fj< где Lî —; v — начальная частота лазерного светового потока; Л Р» — компенсирующее изменение радиочастотных колебаний; знак "+" берется при Lx Lо, знак "-" при Lx < 4.

На чертеже представлена структурная схема устройства, реализующая предложенный способ измерения расстояний, Устройство содержит последовательно расположенные лазер 1, электрооптический модулятор 2 перестройки частоты оптического излучения и коллиматор 3, выход которого оптически соединен через полупрозрачное зеркало 4 с отражающими зеркалами 5 и 6. Зеркало 5 является опор ным и может перемещаться на длину волны лазерного излучения + Л L, а зеркало 6 жестко связано с контролируемым обьектом (не показан), расстояние до которого подлежит измерению, С полупрозрачным зеркалом 4 оптически связаны последовательно расположенные линза 7, диафрагма 8 и фотоприемник 9, к выходу которого подключен цифровой милливольтметр 10. К управляющему входу электрооптического модулятора

2 подключен генератор 11 радиочастотных колебаний и цифровой частотомер 12. Управляющий вход пьезоэлектрического модулятора 13, на котором расположено зеркало 5, соединен с источником 14 регулируемого постоянного напряжения.

Способ определения расстояний осуществляют следующим образом, Оптическое излучение лазера 1 частоты

v разделяется полупрозрачным зеркалом 4 на опорный и информационный лучи. Опорный луч направляется на зеркало 5 и задерживается на время

2 Lo u (1) где о — расстояние до опорного зеркала 5 при отсутствии управляющего напряжения на управляющем входе пьезоэлекрического модулятора 13; и — показатель преломления среды распространения луча (например, воздуха); С вЂ” скорость света в вакууме.

Информационный луч направляется на подвижное зеркало 6, жестко связанное с контролируемым обьектом, расстояние до которого измеряется, Отраженный от зерка1793218

40

55 ла 6 информационный луч задерживается на время

2 Lx n (2)

С где Lx — расстояние до зеркала 6.

Информационный луч совмещается с опорным лучом полупрозрачным зеркалом 4, фокусируется линзой 7 с образованием интерференционной картины в плоскости диафрагмы 8 фотоприемника 9. Интенсивность интерференционной полосы в .выбранной точке отсчета с помощью фотоприемника 9 преобразуется в электрическое напряжение, которое измеряется милливольтметром 10.

В выбранной точке интерференционной картины интенсивность оптического излучения полосы определяется выражением

I= l1+ 12+ 2 у !1!2 cos (Ôã — 6 1) (3) где 11 и 12 — интенсивности опорного и информационного лучей; Ф и Ф2 — фазы опорного и информационного лучей в выбранной точке интерференционной картины; у- коэффициент контрастности.

Фазовые сдвиги, испытываемые опорным и информационным лучами на частоте исходного оптического излучения v лазера 1, при отсутствии модуляции (генератор 11 выключен) с учетом выражений (1) и (2) имеют вид

Ф! = 2 ли т = 4 л v, (4)

Lо tl

С

<1 = 2 л v т2 = 4 л v

С (5) где v — частота излучения, генерируемая лазером 1.

Интенсивность (3) интерференционной поИосы с учетом выражений (4) и (5) имеет вид

1= !1+ !2+2 y ""ti 12 C0S (n(Lx Lî))=

4л&

С

: = l1+ 12 + 2 у 11 12 соз (у — (I-х l-о)), (6)

4лп

tpeil. — длина волны оптического излучения в вакууме(il. = С/т). При измерениях расстояний в атмосфере (оптическая плотность оздуха близка к единице) можно считать, то I <=12=1<. Тогда выражение (6) примет более простой вид

1=24(1+ уcos(— — (1х — 1,))}. (7)

4лп

Фотоприемником 9 интенсивность (7) интерференционной полосы преобразуется в напряжение

U = $ (1 + Е) !о + д = 2S (1 + Е) !о(1+

+ ycos (— у — (! х-1 о)}+ д, (8)

4лп где S — нормируемая чувствительность фотоприемника: Е=Л S/S — относительная погрешность чувствительности фотоприемника, отражающая изменение наклона градуировочной характеристики от влияющих факторов (температуры, процессов старения и т.п.); д = Л 0 — абсолютная погрешность нуля, отражающая смещение градуировочной характеристики от влияющих факторов (фоновая засветка, дрейф темнового тока и т.п.).

Включают генератор 11 модулирующих колебаний и изменением его частоты F смещают интерференционную картину относительно диафрагмы 8 фотоприемника 9 и измеряют милливольтметром 10 максимальное Um» и минимальное Um!n напряжения.

Определяют границу светлой и темной полос интерференционной картины по достижению среднего значения выходного напряжения фотоприемника, т.е, 90 сдвига фаз интерферируемых лучей

U Umäx + Um!n 5 (1 + Е) Im» + !пмп + д

2 2

= 2S(1+ Е) lî,(1+ ycos(Кл»- — +а))+д, (9) где К вЂ” целое число полуволн оптических пучков до точки отсчета интерференционной картины; а- угловая погрешность установки 90-градусного сдвига фаз между информационным и опорным лучами;

Из сопоставления выражений (8) и (9) и сдвига частоты излучения модулирующими колебаниями частоты излучения модулирующими колебаниями частоты F следует, что — + — и(L,— Ь) =Кт — а, (101 где v + F — частота сдвинутого излучения, при котором достигается равенство (10).

Измеряют среднее значение выходного напряжения фотоприемника 9 милливольтметром

10, которое соответствует условию (10). Затем плавно увеличивают управляющее напряжение от источника 14 на входе пьезоэлектрического модулятора 13 и тем самым перемещают опорное зеркало 5, В результате микроперемещения зеркала 5 изменяется длина пути, проходимого опорным лучом, Задержка опорного луча (1) изменяется и принимает вид

Т1 + A "о = 2 (о "— A Lo) с =

=2!о (1» Р) —, С . (11) где Л о — заданное перемещения зеркала

5; р=Л! о/Lo — коэффициент изменения длины пути опорного луча.

Значение коэффициента р выбирают таким, чтобы обеспечить работу фотоприемника 9 на линейном участке характеристики в окрестностях установлен ного 90-градусного сдвига фаз интерферируемых лучей (р«1).

В результате изменения длины пути, проходимого опорным лучом, происходит смещение границы выбранных полос в поле

1793218 зрения фотоприемника 9. В результате такого смещения выходное напряжение фотоприемника 9 принимает значение

Uz=2S(1+ Е)1p(1+ yС(Б(у -- х

4д.п х(1 х — 1 о) (1 - V))1) -» (12) где ЛА — изменение длины волны из-за сдвига частоты оптического излучения.

Смещение границы являются также следствием возникновения дополнительно- 10

ro фазового сдвига опорного луча лр1 =4m(v+ с) — Р п, 4,Рп 4к (13) где Ap< — дополнительный сдвиг фазы 15 опорного луча на оптической частоте1, возникающей при изменении длины пути опорного луча.

С учетом выражения (13) равенство(10) при-. нимает вид

9е(; — "}.(-L. (1 =р) =к= = + а "= Лр . (14)

Как следует из выражения (14), для од- 25 нозначности фазовых измерений необходимо, чтобы дополнительный фазовый сдвиг

Ap> < x, а для работы на линейном участке характеристики фотоприемника достаточ- . но, чтоб ы Л р1 0,1 л; 30 выходное напряжение фотоприемника

9 увеличивается или уменьшается в зависимости от направления перемещения зерка, ла 5 (+. P) при увеличении напряжения на управляющем входе пьезоэлектрического 35 модулятора 13. Новое значение выходного напряжения U2 фотоприемника 9, соответствующее выражению (12), измеряется милливольтметром 10.

Далее с помощью радиочастотных коле- 40 баний генератора 11 дополнительно сдвигают частоту оптичаского излучения на величину Л Гк. При этом направление из менения частоты оптического излучения (v + F + h Fg) выбирают таким, чтобы изме- 45 няющееся выходное напряжение фотоприемника 9 приближалось к ранее установленному среднему значению напряжения (9) 0з= 2S (1+ Е) Ip (1+

+y COS) С п(Ь вЂ” .(1

l ))9+ (15)

При изменении частоты оптического излучения на значение частоты Л Ек возникает второй дополнительный фазовый сдвиг . Л(Щ = + — n(Lx — Lo (1 + Р)). (16)

4 ЮЛЕКА

При полной компенсации дополнительных сигналов (Лр + A = О) выходное напряжение фотоприемника 9 принимает первоначальное значение (U1 = Цэ). При этом выполняется равенство

4 л (у + Р ф Л F д"

=К л — a, К

2 (17)

Приравнивая левые части уравнений (10) и (17), получаем () + F) {l — L,) =(v+ F ЛFg)x

x(Lx — 3 о (1 + Р)). (18)

Решив уравнение (18) относительно измеряемого расстояния Lx. получим

Lp = AF AF„+v(1+ ) P PhF, — 1 о. (19)

Пренебрегая членами второго порядка малости (F/v «1) и P ЛFy

Lx= (1 . „) Lp, (20)

Pv

ЛРх где знак "+" означает Lx > 4, а знак "-" соответствует условию Lx < Lp;

Таким образом, при выбранной частоте оптического излучения и заданной длине опорного луча 1 значении коэффициента

его изменения р и измеренном значении приращения частоты модулирующих колебаний можно определить по формуле (20) измеряемое расстояние Lx, Значение коэффициента р задают с помощью источника 14 управляющего напряжения и милливольтметра 10. Для этого на модулятор 13 подают такое напряжение, которое за счет микроперемещения зеркала 5 вызывает дополнительный фазовый сдвиг, определяемый выражением (13), Последний можно контролировать с помощью милливольтметра 10, Если показание милливольтметра при подаче управляющего напряжения стало равным Uz (при первоначальном показании милливольтметра U >), то для линейного участка характеристики фотоприемника 9 справедливо отношение

02 — » (()< („)

Umax U min

Для достижения значения фазового сдвига

Лр1 «0,1л необходимо на модулятор подать такое управляющее напряжение, чтобы

< 0,1 . (22)

Ьаах Umin

Иэ выражения (22) следует. что показание милливольтметра 10 при действии управляющего напряжения должно достигнуть выбранного значения

1793218

40

02 0,1(Umax-Umiak) + U> (23) Таким образом, приращение показаний милливольтметра не должны превышать 8—

10ь от напряжения контрастности (UmàxUmin) интерференционной кар1ины.

Поскольку значение коэффициента р со1 гласно выражения (13) не зависит от измеряемого расстояния L,, то его определяют калибровкой по известному расстоянию Lk и в дальнейшем используют для вычисления измеряемых расстояний по формуле (20).

При калибровке зеркало 6 устанавлива ют на расстоянии Ь =Lp и из соотношения (20) определяют значение коэффициента р изменения длины пути опорного луча

4 L. AFi, (24) -о тде Л Fy — компенсирующее изменение час тоты модули рующих колебаний, Измерение расстояния до объекта, положение которого определяется по зеркалу

6, осуществляется в следующей последовательности, В начале на модуляторе 13 перемещением зеркала 5 управляющее напряжение отсутствует. Изменением частоты генератора 11 устанавливают максимальное Um,õ и минимальное Umln напряжения на выходе фотоприемника 9, которые измеряют милливольтметром 10. Определяют среднее значение измеренных найряжений V

=(Um x+Umü)/2 и изменением частоты генератора 11 устанавливают по милливольтметру 10 среднее напряжение (U>=U

Значение частоты F колебаний генератора

Формула изобретения

Способ измерения расстояний, заключающийся в том, что формируют лазером .световой поток, разделяют его на опорный и зондирующий лучи, формируют интерференционную картину путем совмещения зондирующего луча, отраженного от зеркала, жестко связанного с контролируемым обьектом, и опорного луча, отраженного от подвижного зеркала, измеряют интенсивности интерференционной полосы в контрольной точке интерференционной картины фотоприемником, изменяют частоту лазерного светового потока; определяют расстояние до объекта, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, измеряют максимальное и минимальное значения интенсивностей интерференционной полосы путем смеще11 измеряют частотомером 12. Затем плавно увеличивают управляющее напряжение на модуляторе 13 от источника t4 и фиксируют примерно 10 изменение (согласно

5 предельному значению, которое определяется из выражения (23) от контраста интерференционной картины, По формуле (24) в процессе калибровки определяют фактическое значение коэффи10 циента изменения длины опорного луча (р) и запоминают значение управляющего напряжения на модуляторе 13, при котором это достигнуто. Затем плавным изменением частоты генератора 11 восстанавливают

15 первоначальное показание милливольтметра 10 и измеряют частоту колебаний Fz частотомером 12 на выходе генератора 11.

Определяют компенсирующее изменение частоты модулирующего напряжения (Л Ек=

20 = F2 F1). По формуле (20) определяют рас: стояние Lx до зеркала 6. В дальнейшем при измерении новых значений Ь измеряют только изменение частоты Л Fi, а значение коэффициента р задают фиксированным

25 значением управляющего напряжения на модуляторе 13.

Использование предлагаемого способа измерения расстояний обеспечивает повы30 шение точности измерений как за счет уменьшения масштабного коэффициента. так и за счет исключения влияния показателя преломления среды распространения оптического излучения, а следовательно, 35 колебаний температуры, влажности и давления в зоне измерения. ния интерференционной картины изменением частоты лазерного светового потока модулирующими радиочастотными колебаниями, определяют среднее значение интенсивности интерференционной полосы, устанавливают значение частоты модулирующих радиочастотных колебаний, соответствующее определенному среднему значению интенсивности интерференционной полосы, формируют дополнительный фазовый сдвиг между опорным и зондирующйм лучами путем изменения длины пути опорного луча в пределах изменения интенсивйости интерференционной полосы на линейном участке характеристики фотоприемника, определяют коэффициент р изменения длины путем опорного луча, изменяя частоты радиочастотных модулирующих колебаний до полной компенсации дополни1793218

12 тельного фазового сдвига, а расстояние Lx до объекта определяют по формуле

Составитель А.Гуцало

Техред M. Моргентал

Корректор А.Мотыль

Редактор

Заказ 494 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 Х (1+ ) 0

Pv где L< — длина пути опорного луча; т -.начальная частота лазерного светового потока;

b, Рк — компенсирующее изменение радиочастотных колебаний;

+ Ape Lx — -о, "-" — при Lx < бо;